一氧化碳與缺血再灌注損傷

康元元，余劍波

一氧化碳與缺血再灌注損傷

康元元，余劍波

一氧化碳（CO）是一種與一氧化氮類似的體內(nèi)重要信號分子，由于它的毒性而長期忽視了其生物學性能。外源性CO進入人體后，可立即與血紅蛋白（Hb）結合形成HbCO,其親和力比O2強300倍，但其與Hb解離卻比O2慢3600倍，從而引起嚴重低氧血癥，發(fā)揮毒性作用。血紅素氧合酶-1（HO-1）作為血紅素裂解的限速酶，可催化血紅素從而有序的釋放CO、膽綠素、游離鐵，這即為內(nèi)源性CO的主要來源。本文將圍繞內(nèi)源性一氧化碳與缺血再灌注損傷展開綜述。

一氧化碳；細胞凋亡；缺血再灌注損傷；臟器保護

研究表明[1]，內(nèi)源性一氧化碳（carbon monoxide，CO）則具有抗氧化、抗炎癥、抗凋亡和抑制細胞增殖等作用，從而減輕缺血再灌注損傷(ischemia/reperfusion injury，IRI)，發(fā)揮器官保護作用。

1　一氧化碳

CO中氧原子的價電子層有6個電子，為滿足其最外層電子軌道中必須具有8個電子的需求，須從碳原子的價電子層借用2個電子，碳原子最外層電子軌道的4個電子借出2個給氧原子，使氧原子與碳原子能以共價鍵形式形成CO分子。CO即以此分子結構為基礎發(fā)揮其化學作用。外源性CO與人體內(nèi)Hb或某些酶類的含鐵血紅素基團的結合能力大于氧氣形成碳氧血紅蛋白(carbon oxygen hemoglobin，Hb-CO）導致機體缺氧中毒。因此，長期以來CO一直被視為有毒氣體[2]。直到20世紀90年代內(nèi)源性CO的生物學特性才得到確認。內(nèi)源性CO的來源主要有三個方面:一方面是吸入的空氣中含有少量的CO；—方面是一些有機分子氧化產(chǎn)生，尤其是生物膜的脂質(zhì)過氧化；而體內(nèi)大部分CO主要是通過血紅素在血紅素氧合酶-1(heme oxygenase，HO-1)催化下氧化所產(chǎn)生[3]。目前在研究CO生理和病理功能時遇到一些阻力，因直接應用外源性CO會導致機體氧氣運輸與傳送障礙，且很難精確控制量效關系。研究顯示[4]，外源性給予CO能夠模擬內(nèi)源性CO在體內(nèi)產(chǎn)生的病理生理過程，研究發(fā)現(xiàn)能夠釋放CO的過渡金屬羰基化合物CORMs(carbon monoxide releasing molecules)，可通過溶解后不經(jīng)機體代謝而直接作用于靶點組織釋放CO發(fā)揮生理作用，而且在一定的生理劑量范圍內(nèi)并不提高體內(nèi)HbCO的濃度，這種新型CO供體可使對CO更深入的生物活性研究成為可能。研究表明[5]，外源性低濃度的CO在各種應激條件下可以彌補內(nèi)源性CO的短缺，發(fā)揮抗氧化、抗炎和抑制細胞增殖等作用。

2　一氧化碳作用機制

CO分子是氧原子與碳原子以共價鍵形成的分子，由于碳原子的價電子層有4個電子，它與氧原子形成CO時，僅在價電子層中丟失2個電子，還剩2個電子呈游離狀態(tài)，即表示CO尚能對其他化合物提供2個電子，從而使CO分子成為一個名副其實的還原劑。生物體內(nèi)的諸多變化，從化學的角度分析，不是氧化，就是還原，CO在人體內(nèi)諸多生理與病理生理作用，均以此為依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)[6]，低劑量外源性CO具有抗氧化作用。氧自由基可直接損傷核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，活化凋亡蛋白酶和核酸內(nèi)切酶，誘發(fā)細胞凋亡[7]。CO直接參與氧自由基的清除，阻止過氧化物代謝為氧自由基，降低組織過氧化物的含量，發(fā)揮抗氧化作用。Brugger等[8]在小鼠的全身性炎癥模型中給予CO干預，發(fā)現(xiàn)CO可以減少組織細胞的脂質(zhì)過氧化反應，平衡氧化-抗氧化系統(tǒng)，從而減少細胞損傷?；钚匝酰╮eactive oxygen species，ROS）是一類氧衍生的分子，參與了機體內(nèi)各種組織以及細胞的氧化應激、炎癥應激及凋亡、壞死，并證實和許多疾病的發(fā)生發(fā)展有密切的關系[9]。在體內(nèi)線粒體偶聯(lián)酶、細胞色素P450、黃嘌呤氧化酶、NADPH氧化酶等都能產(chǎn)生ROS[10]。研究證實[11]，CO也可能通過抑制細胞色素P450及NADPH氧化酶調(diào)整組織及細胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生，發(fā)揮一定的抗氧化作用。

研究發(fā)現(xiàn)[12]，CO不僅具有抗氧化作用，同時也有抗炎癥作用。外源性CO可以抑制IRI所致的炎癥因子如TNF-α、IL-1β、IL-6和促炎癥調(diào)節(jié)因子iNOS的mRNA表達，也可以減少血液循環(huán)中的IL-6的濃度。CO通過下調(diào)黏附因子的表達和減少促炎癥細胞進入受損組織，亦能抑制促炎癥級聯(lián)反應。CO可以明顯減少單細胞和巨噬細胞的浸潤，而單核細胞和巨噬細胞是IRI中介導損傷的主要細胞[13]。Florian等[14]在臨床研究中發(fā)現(xiàn)，脂多糖（LPS）可以使血漿中各種促炎癥因子（如TNF-α、IL-6、IL-8）等濃度的升高，而CO的吸入可以抑制這一變化，同時可以刺激抗炎因子IL-10的表達。研究顯示[15]，CO可以激活可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(soluble guanylyl cyclase，sGC)，而這一激活作用可以減少白細胞的黏附及中性粒細胞的遷移等炎性應激的過程來發(fā)揮其抗炎癥作用。

研究發(fā)現(xiàn)[16]，CO具有抑制細胞增殖作用，缺氧對血管張力及細胞增殖有重要作用，在缺氧的條件下生成增加的內(nèi)源性CO對平滑肌細胞發(fā)揮了普遍的抗增殖作用，而這一作用則被sGC特異性抑制劑所掩蓋。CO抑制血管平滑肌細胞的增殖可能與cGMP水平增加，同時下調(diào)了細胞衍生因子的表達（如PDGF）有關[17]。

在一些疾病或組織損傷模型中，低濃度CO預處理具有抗凋亡效應。在細胞凋亡的過程中，凋亡酶半胱氨酸特異性蛋白酶（Caspase）家族扮演著重要的角色，它們引發(fā)的級聯(lián)反應是細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導過程的中心環(huán)節(jié)，并可通過與眾多蛋白因子的相互作用調(diào)控細胞凋亡[18]。細胞受到凋亡刺激時，在線粒體內(nèi)膜的各種促凋亡因子的誘導下，細胞色素C（cytochome C）從線粒體內(nèi)釋放到胞漿，由此激活Caspase-9，進而激活下游效應蛋白Caspase-3，從而啟動Caspase介導的凋亡級聯(lián)反應[19]。低濃度CO吸入可降低細胞凋亡率，同時抑制Caspase-3 mRNA和蛋白表達[20]。細胞凋亡中信號分子間相互影響[18]，caspases、原癌基因、Cytochome C之間相互作用：Cytochome C能激活caspase，而有活性的caspase也能刺激線粒體釋放Cytochome C，這樣，上游分子和下游分子的凋亡信號呈級聯(lián)放大效應。

3　一氧化碳與器官缺血再灌注損傷

IRI是急性器官損傷、器官移植、一般手術過程中缺血后恢復血液循環(huán)難以避免的一種損傷。其損傷不僅包括組織缺血一段時間后所造成缺血組織的直接損傷，還包括缺血后再灌注時產(chǎn)生的多種炎癥介質(zhì)、激活的炎癥細胞如中性粒細胞在損傷部位及遠處器官促發(fā)的由嚴重的炎癥反應導致更嚴重的間接損傷。持續(xù)的組織缺血及缺血后再灌注均可導致細胞凋亡，盡管再灌注可減少凋亡細胞數(shù)，但卻使不可逆轉(zhuǎn)的細胞加速凋亡。細胞凋亡在IRI的扮演著重要的角色，細胞調(diào)亡率增加會加重IRI，有效抑制細胞調(diào)亡具有緩解IRI的作用[21]。組織再灌注是挽救缺血組織的必要措施。當再灌注發(fā)生時，內(nèi)環(huán)境突然改變、線粒體膜電位變化、鈣離子的運輸?shù)染鶎е铝司€粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的突然開放，進而導致了ATP耗竭和細胞死亡的發(fā)生[22]。此外，當呼吸鏈被抑制后再次恢復氧供時，線粒體會迅速產(chǎn)生大量ROS。ROS是IRI的主要啟動子。線粒體內(nèi)高水平的Ca2+、ROS和過度氧化應激是導致mPTP大量開放的主要因素。mPTP大量開放會導致線粒體外膜破裂，繼而形成線粒體水腫，并可導致來自線粒體膜間隙的促調(diào)亡因子的大量釋放(如cytochome C)[23]。外滲的Cytochome C可活化caspase-9，caspase-9可活化凋亡執(zhí)行蛋白caspase-3，并最終導致細胞調(diào)亡[24]。有研究表明，CO在器官損傷、移植器官排斥模型等都發(fā)現(xiàn)可以顯著減輕損傷。

心肌IRI在臨床較為常見，如冠脈搭橋、溶栓治療、主動脈阻斷、冠脈血管成形等都可引起心肌IRI。研究表明[25]，CO可增強細胞色素C氧化酶（COX）活性和Bcl-2的表達以及它們的相互作用，提高線粒體氧化磷酸化從而防止氧化應激誘導的細胞凋亡。心臟IRI時，CORM-2處理后顯著降低心肌細胞觸發(fā)的細胞凋亡，降低caspase-3的表達和細胞色素C的進一步釋放，CO減少促凋亡蛋白Bak、Bax的表達以及線粒體、胞漿內(nèi)Bax水平，減輕心肌I/R誘導的細胞凋亡，發(fā)揮心肌保護作用。

IRI對肺的損傷機制涉及中性粒細胞的聚集、激活，細胞因子釋放和氧自由基產(chǎn)生增加，細胞內(nèi)鈣代謝紊亂等多種因素。炎性細胞黏附于血管內(nèi)皮可產(chǎn)生蛋白酶、氧化劑等損傷內(nèi)皮細胞，破壞毛細血管內(nèi)皮的完整性，引起毛細血管通透性增加，進一步加重肺損傷。MPO主要存在于中性粒細胞內(nèi)，肺組織中的MPO活性在一定程度上反映中性粒細胞在肺內(nèi)的聚集程度。肺W/D可反映肺損傷程度，表明肺水腫程度，結合缺血后肺泡損傷數(shù)更能清楚說明肺組織的損傷情況。研究表明[26]，給予外源性低濃度CO后大鼠肺MPO活性顯著下降，提示外源性低濃度CO可抑制中性白細胞在肺內(nèi)的聚集；W/D明顯下降，缺血后肺泡損傷數(shù)明顯減少，提示外源性低濃度CO對肺IRI損傷具有保護作用。

CO可以減輕腎臟缺血再灌注損傷[27]。腎小管上皮細胞是IRI的主要靶細胞，其對缺血高度敏感，因此急性腎小管壞死常用來述腎IRI。CO在調(diào)節(jié)腎IRI時，具有抗炎、抗凋亡、血管舒張功能[28]。CO可以抑制IRI所致的炎癥因子（如TNF-α，IL-1β，IL-6）和促炎癥調(diào)節(jié)因子iNOS的mRNA表達；還可以通過下調(diào)黏附因子的表達和減少促炎癥細胞進入受損組織，抑制促炎癥級聯(lián)反應，從而減輕IRI誘導的腎小管上皮細胞凋亡[29]。足細胞也是IRI的重要靶細胞之一，足細胞為調(diào)節(jié)腎小球濾過率的重要成分。IRI可以導致足細胞的嚴重受損，從而導致腎小球濾過率的改變。研究發(fā)現(xiàn)[27]，給予CO后可以維持足細胞的完整，從而阻止足細胞的受損和凋亡，改善腎IRI后的腎皮質(zhì)血流，保護腎小球的血管結構，抑制細胞凋亡，提高腎小管上皮細胞、內(nèi)皮細胞和足細胞的活力。研究顯示[28]，CO還可以通過促進鳥苷酸環(huán)化酶(soluble guanylate cyclase，sGC)途徑和抑制血小板聚集，松弛血管平滑肌因而對腎IRI有重要的細胞保護作用。

小腸IRI是臨床常見的病理生理過程，其不僅可以引起腸道屏障功能不全，嚴重時還能通過多形核中性粒細胞(polymorphonuclear neutrophil，PMN)在組織中的聚集及多種細胞因子在小腸局部及全身的大量釋放激發(fā)全身性炎癥反應(systemic innammation response syndrome，SIRS)的同時損傷遠隔器官（如肺、肝等），導致多器官功能障礙綜合征(mutiple organdysfIlnction syndrome，MODS)[30]。研究表明[29]，腸IRI可致腸上皮大量微絨毛脫落，細胞之間連接松弛，胞質(zhì)內(nèi)大部分線粒體嵴溶解，導致小腸屏障功能嚴重受損。SIRS過程中大量釋放的炎癥介質(zhì)TNF-α、IL-6等，誘導內(nèi)皮細胞活化、白細胞遷移、粒細胞脫顆粒及抑制纖溶反應、增加微血管通透性、促進血栓形成等廣泛的生物學效應，促使血管內(nèi)皮細胞與器官組織細胞發(fā)生細胞凋亡，從而促進MODS的發(fā)生和發(fā)展。CO能通過抑制TNF-α產(chǎn)生和促進IL-10釋放來調(diào)節(jié)腸IRI過程中細胞因子間的平衡，從而抑制多形核中性粒細胞(polymorphonuclear neutrophil，PMN)在組織中的聚集，抑制SIRS發(fā)生；CO還可調(diào)控抑制Fas、caspases表達，抑制細胞色素C釋放并增強Bcl-2表達，從而抑制腸IRI中組織細胞凋亡的發(fā)生，防止小腸在結構和功能上進一步的損害并達到防治腸IRI所致多器官損傷的作用。最近的研究報道[29]，CO可減輕腸IRI引起的腎損害。

4　展望

綜上所述，CO可通過抗氧化、抗炎癥、抗凋亡等的作用，減少IRI過程中的炎癥細胞浸潤及炎癥介質(zhì)表達，從而減少細胞凋亡壞死，減輕IRI，發(fā)揮器官保護作用。因而具有良好的臨床應用前景。但其對IRI確切的保護機制仍進一步研究，以利于把這些研究成果應用于臨床。

[1]Yu JB，Yao SL.Effect of heme oxygenase-endogenous carbon monoxide on mortality during septic shock in rats[J].Ir J Med Sci，2009，178(4):491-496.

[2]Katada K，Takagi T，Uchiyama K，et al.Therapeutic roles of carbon monoxide in intestinal ischemia-reperfusion injury[J].J Gastroen?terol Hepatol，2015，30（Suppl 1）:46-52.

[3]RiquelmeSA，BuenoSM，KalergisAM.Carbonmonoxide down-modulates Toll-like receptor 4/MD2 expression on innate im?munecells and reducesendotoxic shock susceptibility[J].Immunolo?gy,2015，144(2):321-322.

[4]Shen WC，Wang X，Qin WT，et al.Exogenous carbon monoxide sup?presses Escherichia coli vitality and improves survival in an Esche?richia coli-induced murine sepsis model[J].Acta Pharmacol Sin，2014，35(12):1566-1576.

[5]Takagi T，Uchiyama K，Naito Y.The therapeutic potential of carbon monoxide for inflammatory bowel disease[J].Digestion,2015,91(1): 13-18.

[6]Takagi T，Uchiyama K，Naito Y.The therapeutic potential of K car?bon monoxide for inflammatory bowel disease[J].Digestion,2015,91 (1):13-18.

[7]Basuroy S，Tcheranova D，Bhattacharya S，et al.Nox4 NADPH oxi?dase-derivedreactive oxygen species，via endogenous carbon monoxide，promotesurvivalofbrainendothelialcellsduring TNF-α-induced apoptosis[J].Am J Physiol Cell Physiol,2011，300 (2):C256-265.

[8]Brugger J，Schick MA，Brock RW，et al.Carbon monoxide has antioxidative properties in the liver involving p38 MAP kinase pathway in a murine model of systemic inflammation[J].Microcir?culation，2010，17（7）:504-513.

[9]Jung SS，Moon JS，Xu JF，et al.Carbon monoxide negatively regu?lates NLRP3 inflammasome activation in macrophages[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2015，308(10):L1058-1067.

[10]Wang Z，Yue P，Lin DH，et al.Carbon monoxide simulate Ca2+-de?pendent big-conductance K channels in the cortical collecting duct [J].Am J Physiol Renal Physiol，2013，304(5):543-552.

[11]Kim HJ，Joe Y，Yu JK，et al.Carbon monoxide protects against He?patic ischemia/reperfusion injury by modulating the miR-34a/ SIRT1 pathway[J].Biochim Biophys Acta,2015,1852(7):1550-1559.

[12]Zhou H，Qian H，Liu J，et al.Protection against lung graft injury from brain-dead donors with carbon monoxide，biliverdin，or both [J].J Heart Lung Trsnsplant，2011，30(4):460-466.

[13]Sheikh SZ，Hegazi RA，Kobayashi T，et al.An anti-inflammatory role for carbon monoxide and heme oxygenase-1 in chronic Th2-mediatedmurinecolitis[J].JImmunol,2011,186(9): 5506-5513.

[14]Mayr FB，Spiel A，Leitner J，et al.Effects of carbon monoxide inhalation during experimental endotoxemia in humans[J].Am J Respir Crit Care Med，2005，171（4）:354-360.

[15]Freitas A，Alves-Filho JC，Secco D，et al.Heme oxygenase/car?bon monoxide-biliverdin pathway down regulates neutrophil roll?ing，adhesion and migration in acute inflammation[J].Br J Phar?macol，2006，149（4）:345-354.

[16]Ahmad S，Hewett PW，F(xiàn)ujisawa T，et al.Carbon monoxide inhibits sprouting angiogenesis and vascular endothelial growth factor re?ceptor-2phosphorylation[J].ThrombHaemost,2015,113(2): 329-337.

[17]Duckles H，Boycott HE，Al-Owais MM，et al.Heme oxygenase-1 regulates cell proliferation via carbon monoxide-mediated inhibi?tion of T-type Ca2+channels[J].Pflugers Arch,2015,467(2): 415-427.

[18]Su J，Yu W，Gong M，et al.Overexpression of a Novel Tumor Metas?tasis Suppressor Gene TMSG1/LASS2 Induces Apoptosis via aCas?pase-dependent Mitochondrial Pathway[J].J Cell Biochem，2015，116(7):1310-1317.

[19]Tao Y，Kim J，Stanley M，et al.Pathways of caspase-mediated apop?tosis in autosomal-dominant polycystic kidney disease(ADPKD)[J]. Kidney Int，2005，67(3):909-919.

[20]Almeida AS，Queiroga CS，Sousa MF，et al.Carbon monoxide modu?lates poptosis by reinforcing oxidative metabolism in astrocytes: role of Bcl-2[J].J Biol Chem，2012，287(14):10761-10770.

[21]Wang JX，Jiao JQ，Li Q，et al.MiR-499 regulates mitochondrial dynamics by targeting calcineurin and dynamin-related protein-1 [J].Nat Med，2011，17(1):71-78.

[22]Halestrap AP.Mitochondrial and reperfusion injury of the heart-a holey death but not beyond salvation[J].J Bioenerg Biomembr，2009，41(2):113-121.

[23]Kinnally KW，Peixoto PM，Ryu SY，et al.Is mPTP the gatekeeper for necrosis，apoptosis，or both[J].Biochimica et Biophysica Ac?ta，2011，1813（4）:616-622.

[24]Huber HJ，Duessmann H，Wenus J，et al.Mathematical model?ling of the mitochondrial apoptosis pathway[J].Biochim Biophys Acta，2011，1813（4）:608-615.

[25]Zhao S，Lin Q，Li H，et al.Carbon monoxide releasing molecule 2 attenuated ischemia/reperfusion induced apoptosis in cardiomyo?cytes via a mitochondrial pathway[J].Mol Med Rep，2014，9(2): 754-762.

[26]Wang W，Wang F，Shi L，et al.Role of heme oxygenase-1/carbon monoxide system in pulmonary ischemia-reperfusion injury[J].In?teract Cardiovasc Thorac Surg，2009，9(2):159-162.

[27]Nakao A，Neto JS，Kanno S，et al.Protection against ischemia/reper?fusion injury in cardiac and renal trans-plantation with carbon monoxide，biliverdin and both[J].Am J Transplant，2005，5(2): 282-291.

[28]Yu JB，Yao SL.Protective effects of hemin pretreatment combined with ulinastatin on septic shock in rats[J].Chin Med J(Engl)，2008，121(1):49-55.

[29]Caumartin Y，Stephen J，Deng JP，et al.Carbon monoxide-releas?ing molecules protect against ischemia-reperfusion injury during kidney transplantation[J].Kidney Int，2011，79（10）:1080-1089.

[30]Katada K，Takagi T，Uchiyama K，et al.Therapeutic roles of carbon monoxide in intestinal ischemia-reperfusion injury[J].J Gastroen?terol Hepatol，2015，30（Suppl 1）:46-52.

（收稿：2015-07-22修回：2015-09-02）

（責任編輯李文碩）

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A

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