一氧化碳釋放分子抗心肌缺血再灌注損傷作用的研究進展

郭昊 張祥宇 江力勤

急性心肌梗死已成為威脅居民健康的重要殺手之一。冠狀動脈血流恢復后發(fā)生的心肌缺血再灌注損傷也為急性心肌梗死的治療帶來巨大挑戰(zhàn)。心肌缺血再灌注損傷的機制主要涉及炎癥反應、氧化應激、細胞凋亡等方面。研究表明，一氧化碳（CO）及其衍生物CO釋放分子（carbon monoxide releasing molecules，CORMs）能夠通過抑制炎癥反應，抗氧化應激，減少細胞凋亡途徑減輕心肌缺血再灌注損傷。

1 CO概述

CO是碳的雙原子氧化物,在標準狀況下是一種無色、無臭、無刺激性的氣體。傳統(tǒng)的觀點認為CO是一種有毒氣體，因為其對還原鐵血紅蛋白有強大的親和力，較血紅蛋白對分子氧的親和力高出220倍，可以與血紅蛋白可逆結合形成COHb，造成細胞缺氧和CO中毒[1]。19世紀40年代，Sjostrand等發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)存在少量的CO。隨后大量的研究發(fā)現(xiàn)體內(nèi)CO有3種來源：（1）血紅素加氧酶（Hemeoxygenase，HO）催化血紅素氧化成膽綠素、CO和游離鐵[2]。在哺乳動物中有兩種HO同種型的HO-1和HO-2，HO-1的表達由氧化應激誘導，主要存在于脾臟和肝臟中，HO-2主要存在于大腦和睪丸中[3]；（2）體內(nèi)脂質過氧化作用會產(chǎn)生少量的CO；（3）吸入的空氣中含有少量CO。

CO與一氧化氮類似，是內(nèi)源性信使分子[4]，參與體內(nèi)信號傳導過程[5]，調(diào)節(jié)體內(nèi)許多生理和病理過程。CO在人體內(nèi)有以下作用：調(diào)節(jié)血管張力，抑制炎癥反應，抑制血小板聚集，激活離子通道，抗氧化應激，抗細胞凋亡[6-11]。

2 CORMs

盡管CO在體內(nèi)有巨大的治療潛在價值，但由于氣態(tài)CO難以儲存和輸送，CO的臨床應用受到嚴重阻礙。因此為了安全有效地利用CO，Motterlini提出了CORMs的概念，即利用CO載體實現(xiàn)CO定點釋放。CORMs可通過溶解后不經(jīng)機體代謝而以穩(wěn)定的化學形式儲存和攜帶CO，較CO氣體以更可控的方式攜帶和供應CO到靶點組織發(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)血紅蛋白濃度，用藥時機和用藥劑量更易于控制。

Wrighton等在1975年發(fā)現(xiàn)CO可以與有機溶劑中的過渡金屬結合形成穩(wěn)定的羧基化合物。在此基礎上，羧基作為配體配位結合在一些重金屬比如鎳、鐵、鈷等上形成配合物，合成CORMs。從體外對這些物質進行的無機化學研究可知，金屬配合物中的某些配體可以通過空間或電子途徑促進CO的解離[12]，某些CORMs可以在光解條件下釋放CO。過渡金屬豐富化學特性使得CORMs能夠通過將生物配體配位到金屬中心上來有效地修飾以使分子具有較低的毒性，具有較高的水溶性，并且對CO的釋放進行精細調(diào)節(jié)。按照CO釋放激活的方式對CO釋放分子分為：溶劑觸發(fā)的CORM，光-CORM，酶觸發(fā)的 CORM（ET-CORMs），熱觸發(fā)的 CORM，氧化觸發(fā)的CORM，pH觸發(fā)的CORM等[13]。按照CORMs的化學 成 分 可 以 分 為 CORM-1、CORM-2、CORM-3、CORM-F和CORM-A1及其衍生物。

3 CORMs在心肌缺血再灌注損傷中的作用

心肌缺血再灌注損傷是指在短時間心肌血供中斷一定時間內(nèi)恢復血供,原缺血心肌發(fā)生較血供恢復前更嚴重的損傷。體內(nèi)HO降解血紅素產(chǎn)生的內(nèi)源性CO能夠減輕心肌缺血再灌注損傷[14-15]。研究證明，低濃度的CORMs可模擬HO-1衍生的內(nèi)源性CO的活性，能夠減少心肌梗死面積，減輕心肌缺血再灌注損傷[16]。

3.1 抗氧化應激 心肌缺血再灌注時的第一個破壞性事件是活性氧的爆發(fā)，活性氧的爆發(fā)直接對線粒體產(chǎn)生氧化損傷，破壞腺苷三磷酸的產(chǎn)生[17]，從而導致復合物Ⅰ和復合物Ⅲ位點的電子泄漏形成過量的活性氧，這些活性氧進一步加重線粒體損傷和功能障礙。在嚴重的氧化應激下，促進線粒體通透性轉換孔的開放[18-19]，導致膜電位去極化，基質腫脹，線粒體外膜破裂，以及細胞色素c等促凋亡分子釋放到細胞內(nèi)[20]，最終導致灌注后心肌細胞的壞死和凋亡[21]。線粒體中的活性氧不僅會引發(fā)心肌急性損傷，還會引發(fā)再灌注后數(shù)分鐘，數(shù)天和數(shù)周內(nèi)發(fā)生的病變。大量研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的CORM-3、CORM-2可以通過輕微的線粒體呼吸解偶聯(lián)來減少線粒體中活性氧的產(chǎn)生，保護線粒體功能，減少心肌細胞壞死和凋亡和抑制炎癥反應，從而減輕心肌缺血再灌注損傷[22]。在缺氧狀態(tài)下，一氧化氮合酶的活性增加，產(chǎn)生高濃度的一氧化氮通過形成氧亞硝酸鹽形成導致心肌細胞氧化損傷，細胞凋亡和壞死，研究表明，CORM-2可以通過抑制一氧化氮合酶的活性減輕心肌細胞的氧化損傷[23]。

3.2 抗心肌細胞凋亡 心肌梗死期間，心肌細胞壞死占據(jù)優(yōu)勢，血管再通后為細胞提供了必不可少的氧氣和糖分，同時為心肌凋亡提供了所需的能量。細胞凋亡主要通過外源性和內(nèi)源性途徑導致半胱天冬酶（caspase）激活。參與心肌缺血再灌注細胞凋亡外源性途徑的死亡配體（例如CD95/Fas配體，TNF-α）與其同源細胞表面死亡受體（例如CD95/Fas，TNF-α 受體）結合，激活 caspase-8，caspase-3以及促凋亡Bcl-2家族成員Bid，啟動級聯(lián)放大反應，導致細胞凋亡[24]。內(nèi)源性途徑主要是由線粒體產(chǎn)生的活性氧通過調(diào)節(jié)Bcl-2蛋白家族成員的表達和（或）活性，引起細胞色素c從線粒體中釋放，細胞質細胞色素c引起Apaf1銜接子的構象變化，然后募集上游caspase-9、caspase級聯(lián)的激活導致細胞凋亡[25]。CORMs 通過激活 NF-κB、STAT1、STAT3等信號傳導通道，增加一系列抗凋亡蛋白在心肌細胞內(nèi)的水平，這些蛋白會影響線粒體依賴性以及死亡受體介導的凋亡途徑[26]。CORMs能夠恢復線粒體呼吸和超微結構改變，保護線粒體功能，減少活性氧的產(chǎn)生，降低細胞色素c的釋放和caspase-3表達，減少心肌細胞凋亡[27]。低濃度的CORMs可以通過激活MKK3/p38通路從而降低Fas/FasL水平以及隨后的下游效應物發(fā)揮抗凋亡作用，降低促凋亡Bcl-2家族成員Bid，增加抗凋亡Bcl-2家族成員水平[28]，發(fā)揮抗凋亡作用。

3.3 抗炎作用 1983年Joseph等觀察到通過提前消耗循環(huán)中的中性粒細胞，暫時夾閉犬冠狀動脈產(chǎn)生的心肌梗死面積大大減小，證實了中性粒細胞在心肌缺血再灌注損傷中的作用。心肌缺血再灌注使NLRP3炎性體包含caspase募集蛋白[29]，caspase募集蛋白的銜接分子凋亡相關斑點樣蛋白和誘導胱天蛋白酶 -1活化成 caspase-1[30]，caspase-1是IL-1b的轉換酶，其活化使pro-IL-1b成為其成熟形式并誘導IL-1b釋放，從而導致炎癥反應和組織損傷[31]。心肌缺血再灌注導致血管內(nèi)皮細胞黏附分子表達增加，釋放促炎細胞因子如TNFα，IL-6和IL-8[32-34]。缺血再灌注通過抗體依賴性經(jīng)典途徑，旁路途徑和甘露糖結合凝集素-甘露糖結合凝集素相關絲氨酸蛋白酶途徑激活補體5[35]，c5b可以使細胞膜中的孔形成，導致細胞死亡。研究表明，CORMs可以通過抑制細胞因子激活核因子B基因的表達，阻止中性粒細胞表面CD11b和干擾內(nèi)皮細胞或選擇素（E-選擇素，P-選擇素或細胞因子）上免疫球蛋白超家族黏附分子（如細胞間黏附分子1，血管細胞黏附分子1）的表達[36]，從而抑制中性粒細胞粘附至血管內(nèi)皮細胞。另外研究表明，CORMs可通過調(diào)節(jié)絲裂原活化蛋白激酶活性減少TNF-α、IL-8、IL-6等炎癥介質的產(chǎn)生[37-38]，增加抗炎因子IL-10的產(chǎn)生。CORM-2還可以下調(diào)caspase-1活化和IL-1b成熟和分泌[39]。

綜上，CORM作為一種高效的CO載體，能最大程度模擬人體內(nèi)源性CO的抗心肌缺血再灌注損傷作用，在臨床上有巨大的應用潛力。