血紅素加氧酶-1在眼科疾病中的應(yīng)用

張 丹，趙 軍，張娟美

0引言

在疾病狀態(tài)下，機體內(nèi)的氧化與抗氧化系統(tǒng)失衡，為維持健康狀態(tài)機體會調(diào)用各種抗氧化酶。血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)是目前已知的最易誘導(dǎo)的抗氧化酶之一。HO-1是血紅素代謝過程中限速酶，其可將血紅素分解成為一氧化碳(carbon monoxide，CO)、鐵離子、膽綠素，最終聯(lián)合其代謝產(chǎn)物發(fā)揮著抗炎、抗氧化、抗凋亡等作用[1]。氧化應(yīng)激機制在許多疾病的發(fā)生與發(fā)展中起重要作用，HO-1已在心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)疾病及各類實體腫瘤中得到廣泛研究與應(yīng)用。近年來，HO-1在眼科疾病中的作用機制研究越來越多。本文將通過角膜病、白內(nèi)障、青光眼、糖尿病視網(wǎng)膜病變、眼部腫瘤五個方面將HO-1在眼科疾病中的研究作一綜述。

1 HO家族

20世紀(jì)80年代，Maines等[2]在動物和人體的肝脾臟、肺、腦和睪丸等組織中獲得HO及其同工酶。迄今為止，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三種HO，HO-1為誘導(dǎo)型；HO-2、HO-3為結(jié)構(gòu)型。

HO-1位于染色體22q12上，在體內(nèi)廣泛存在，是眼部組織中的重要抗氧化酶之一。20世紀(jì)80年代Abraham等[3]在人體角膜上皮細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)HO的活性。此后的研究證實，在各種病理因素誘導(dǎo)下視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)細(xì)胞、視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cell，RGC)、晶狀體上皮細(xì)胞(human lens epithelial cells，LECs)和小梁網(wǎng)細(xì)胞等均有HO-1的表達[4-7]。

HO-2是組成型酶，多認(rèn)為其與CO的神經(jīng)信使有關(guān)[8]。Caglayan等[9]最近發(fā)現(xiàn)在圓錐角膜上皮中HO-2的表達顯著低于屈光不正對照組，推測HO-2在圓錐角膜的發(fā)病機制中起一定的作用。HO-3雖廣泛分布，但活性很弱，目前暫無HO-3在眼部組織中表達的報道。

2 HO-1調(diào)節(jié)因素及作用

正常情況下HO-1主要在肝、脾內(nèi)高表達，在其他組織中低表達，一旦受到缺氧、細(xì)胞因子、紫外線、過氧化氫、重金屬離子等刺激后表達上調(diào)，以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)、降低氧化損傷、減少細(xì)胞凋亡等。HO-1的調(diào)節(jié)主要集中于轉(zhuǎn)錄水平，其基因包括4個內(nèi)含子和5個外顯子。HO-1基因啟動子內(nèi)含有兩個增強子區(qū)E1和E2，多個順式作用元件，包括抗氧化反應(yīng)元件、腫瘤基因結(jié)合位點、過氧化氫酶元件、血紅素反應(yīng)元件等[10]。不同的刺激條件可激活上游活化激酶，如絲裂素活化蛋白激酶、蛋白激酶A、蛋白激酶C等，然后促使轉(zhuǎn)錄因子Nrf2、AP-1、NF-kB等與DNA結(jié)合，最終誘導(dǎo)HO-1表達上調(diào)。

游離的血紅素本身可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激炎癥，并可促進活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生。血紅素具有親脂性，與細(xì)胞膜結(jié)合促進炎癥因子的表達，導(dǎo)致白細(xì)胞黏附、聚集，甚至導(dǎo)致血管通透性水腫和血栓的形成。HO-1的誘導(dǎo)表達可及時、有效地把游離血紅素代謝成CO、鐵離子、膽綠素，從而起到保護機體的作用。同時傷害性刺激可導(dǎo)致體內(nèi)游離血紅素釋放增加，游離血紅素又以底物水平升高方式促進HO-1表達形成反饋環(huán)路[11]。機體在氧化損傷刺激下，可形成“呼吸爆發(fā)”進而激活HO-1-CO途徑，保護機體免受損傷[12]。CO是體內(nèi)重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，可上調(diào)環(huán)鳥苷酸(cGMP)，直接產(chǎn)生舒張血管和抗血小板凝集的作用，此外CO可通過旁分泌和自分泌的作用，與細(xì)胞內(nèi)可溶性鳥苷酸環(huán)化酶結(jié)合。CO還可通過影響自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性來間接發(fā)揮擴張血管的作用。低濃度的CO可通過p38/MAPK途徑減少細(xì)胞凋亡。膽綠素可通過膽綠素還原酶途徑，轉(zhuǎn)換成膽紅素。膽紅素作為體內(nèi)一種強抗氧化劑，可清除ROS。鐵離子可誘導(dǎo)鐵蛋白的產(chǎn)生。鐵蛋白進而可作為一“儲存庫”限制鐵離子參與過氧化氫和超氧陰離子的生成，減少細(xì)胞內(nèi)游離鐵的蓄積，減輕ROS所造成的細(xì)胞損傷。

3 HO-1與眼科疾病

3.1 HO-1與角膜病眼表炎性反應(yīng)對眼表功能的損傷起到關(guān)鍵作用。糖尿病可通過影響滲透壓影響淚膜穩(wěn)定性，改變淚膜和結(jié)膜上皮的狀態(tài)[13]。據(jù)報道顯示，鈷原卟啉(一種HO-1的誘導(dǎo)劑)誘導(dǎo)HO-1表達上調(diào)，加速糖尿病角膜病變的愈合。Sun等[14]在小鼠高糖模型中抑制可溶性環(huán)氧化物水解酶(sEH)，可阻止淚液缺乏的發(fā)展，加速角膜上皮閉合的速率，并增加HO-1的表達。角膜內(nèi)皮細(xì)胞是角膜透明的關(guān)鍵。日本的一項調(diào)查顯示，白內(nèi)障術(shù)后穿透性角膜移植術(shù)占據(jù)了24.2%，同時英國最近一項調(diào)查顯示，在角膜內(nèi)皮移植術(shù)的適應(yīng)證中，白內(nèi)障術(shù)后僅次于Fuchs角膜營養(yǎng)不良。在白內(nèi)障超聲乳化過程中，超聲波誘導(dǎo)形成羥基(·OH)，可致角膜內(nèi)皮氧化損傷。氫氣可通過調(diào)節(jié)HO-1mRNA的表達，保護角膜內(nèi)皮細(xì)胞[15]。近年來隨著角膜屈光手術(shù)的開展，圓錐角膜的發(fā)現(xiàn)率逐步提高。圓錐角膜病變主要特征是高度近視和嚴(yán)重的不規(guī)則散光，中重度病變可影響角膜前后彈力層，甚至遺留角膜瘢痕。Liu等[16]證明蘿卜硫素可通過激活Nrf2/HO-1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在圓錐角膜中起保護作用。這些研究表明HO-1表達增加在角膜病中起細(xì)胞保護作用。

3.2 HO-1與白內(nèi)障白內(nèi)障是世界性致盲性眼病?！耙曈X2020，人人享有看見的權(quán)利”的全球倡議中就把白內(nèi)障列為其中。目前白內(nèi)障發(fā)病機制尚無確論，其中氧化損傷是其中一種重要的作用機制。ROS不僅可以誘導(dǎo)晶狀體上皮細(xì)胞分化為纖維細(xì)胞，還可影響Na+-K+-ATP酶的活性[17]。HO-1及其代謝產(chǎn)物可發(fā)揮一定的保護作用，同時在內(nèi)皮細(xì)胞中具有重要的氧化還原調(diào)節(jié)功能。馬天駒[18]在過氧化氫介導(dǎo)的人晶狀體上皮細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)HO-1可減少氧化物質(zhì)(ROS等)的生成，增加抗氧化物質(zhì)(谷胱甘肽等)的生成，減少晶狀體上皮細(xì)胞凋亡，并可增強細(xì)胞的抗氧化損傷的作用。而白藜蘆醇對于過氧化氫誘導(dǎo)的晶狀體上皮細(xì)胞具有保護作用，可以減少活性氧的積累，并增加HO-1、過氧化氫酶等表達水平[19]。Liu等[20]發(fā)現(xiàn)金櫻子在高葡萄糖培養(yǎng)的白內(nèi)障SRA01/04細(xì)胞模型中可調(diào)節(jié)HO-1表達上調(diào)，降低ROS的水平，同時改變細(xì)胞線粒體膜電位(MMP)，這可能提高了晶狀體上皮細(xì)胞的耐受性。關(guān)于HO-1作為白內(nèi)障的干預(yù)靶點需更加詳細(xì)的研究。

3.3 HO-1與青光眼青光眼目前已成為全世界不可逆致盲性眼病首位，尤其是亞洲后裔，且有一定的遺傳傾向。病理性高眼壓是青光眼危險因素之一。實驗表明高眼壓可視乳頭軸漿流不同程度的中斷造成視乳頭選擇性缺氧。眼壓急劇變化可引起視網(wǎng)膜缺血/再灌注損傷。而氧化應(yīng)激反應(yīng)是急性青光眼視網(wǎng)膜缺血/再灌注損傷的關(guān)鍵一環(huán)，是RGC損害的重要原因之一[21]。青光眼患者要制定“個體化理想眼壓”，并控制或延緩青光眼視神經(jīng)病變。在Koriyama等[22]研究中發(fā)現(xiàn)，ɑ-硫辛酸可通過Keap1-Nrf2途徑誘導(dǎo)HO-1表達，從而起到保護作用。曲美他嗪最初因為具有改善缺血性肌細(xì)胞代謝的作用被用于抗心絞痛。研究表明曲美他嗪可通過Nrf2-HO-1途徑改善高眼壓所致的視網(wǎng)膜損傷和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的凋亡，有望成為新的青光眼治療藥物[23]。HO-1代謝產(chǎn)物CO作為眼壓的調(diào)節(jié)因子參與青光眼眼壓的調(diào)節(jié)[24]。近年來，中藥在青光眼研究中越來越受到關(guān)注。從中醫(yī)角度來講，青光眼的治療應(yīng)注意平衡眼壓、疏肝理氣、活血化瘀。活血化瘀湯、益精杞菊地黃顆粒在一定程度上具有保護視網(wǎng)膜的作用，并減少了RGC的凋亡[25-26]。芍藥苷為我國傳統(tǒng)醫(yī)藥，是一種單萜糖苷，現(xiàn)已證實在腦損傷小鼠動物模型中，其可通過上調(diào)HO-1的表達，減弱氧化應(yīng)激反應(yīng)，對神經(jīng)起到保護作用[27]。芍藥苷將在青光眼視神經(jīng)保護方面具有很大的研究價值。

3.4 HO-1與糖尿病視網(wǎng)膜病變糖尿病視網(wǎng)膜病變是糖尿病最常見、最嚴(yán)重的眼部微血管并發(fā)癥，是發(fā)達國家勞動適齡人群失明的首要原因?，F(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)糖尿病神經(jīng)病變更早發(fā)生，主要表現(xiàn)為神經(jīng)細(xì)胞的凋亡和膠質(zhì)細(xì)胞的活化，提出“神經(jīng)-血管”單位的概念[28]。越來越多的證據(jù)證明，氧化應(yīng)激機制在糖尿病視網(wǎng)膜病變的形成和發(fā)展過程中起著重要作用。高血糖和相應(yīng)的缺血-再灌注(I/R)損傷顯著影響視網(wǎng)膜病的發(fā)展[29]。血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)過量表達可致血管滲透性增加，促使內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移，導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)變性，增加炎癥因子的釋放、黏附因子的表達，誘導(dǎo)多元醇代謝途徑。在DR早期，VEGF的表達就開始增多，并且后期與病變的嚴(yán)重性呈正相關(guān)[30]。有研究發(fā)現(xiàn)在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠視網(wǎng)膜內(nèi)，對照組Nrf2+/+的小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞未受影響，并且無新生血管的出現(xiàn)，同時HO-1表達增加，推測Nrf2途徑通過HO-1表達起到保護視網(wǎng)膜血管的作用。張思遠(yuǎn)[31]發(fā)現(xiàn)通過tBHQ途徑可上調(diào)HO-1的表達，降低血糖，減輕胰島素抵抗，增加胰島素敏感性，減輕視網(wǎng)膜病變程度，同時相對性地下調(diào)了VEGF的表達。蔡晶晶等[32]觀察HO-1在糖尿病視網(wǎng)膜病變患者外周血單個核細(xì)胞中的表達，發(fā)現(xiàn)HO-1在糖尿病視網(wǎng)膜病變患者和增殖性糖尿病視網(wǎng)膜病變患者中的表達降低，提示HO-1在此過程中發(fā)揮一定的保護作用。當(dāng)然越來越多的研究從氧化應(yīng)激著手尋找糖尿病視網(wǎng)膜病變新的治療方法。圣草酚屬于黃酮類化合物，具有抗炎、抗氧化和抗糖尿病活性。研究表明在高糖大鼠模型中，圣草酚通過Nrf2的核轉(zhuǎn)位使HO-1表達上調(diào)，改善大鼠RGC的活力，同時降低視網(wǎng)膜細(xì)胞中ROS，增加了抗氧化物(谷胱甘肽、超氧化物歧化酶等)的表達[33]。酸櫻桃種子提取物通過HO-1可減輕糖尿病視網(wǎng)膜病變的損傷程度，同時對于缺血-再灌注也有一定的保護作用[34]。當(dāng)然關(guān)于糖尿病視網(wǎng)膜病變功能性食物的開發(fā)和藥用價值還需要進一步的探索。

3.5 HO-1與眼部腫瘤HO-1雖是機體中抗氧化應(yīng)激的保護酶，但在腫瘤中卻是一把“雙刃劍”。Kutty等[35]首次在Y-79視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤中發(fā)現(xiàn)了HO-1及其mRNA的表達。BTG2為腫瘤抑制物。Lim等可通過抑制成視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白pRb下調(diào)細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白D1的表達并和Cdk2結(jié)合, 抑制腫瘤細(xì)胞的增殖?，F(xiàn)已有各種實驗證實，HO-1與腫瘤增殖、血管發(fā)生和凋亡等生物學(xué)關(guān)系密切[36-37]。膽綠素及其終產(chǎn)物膽紅素在消化系統(tǒng)腫瘤中對癌細(xì)胞具有一定抗凋亡作用，可能為Bcl-2上調(diào)及Bcl-2拮抗蛋白Bax下調(diào)的結(jié)果[38]。鐵蛋白的增多在一定程度上可降低腫瘤細(xì)胞對氧化損傷的敏感度[39]。在腫瘤形成階段，HO-1可清除ROS，減少ROS對腫瘤細(xì)胞的損傷；在腫瘤發(fā)展階段，HO-1又可增加腫瘤細(xì)胞對凋亡的抵抗力。正常情況下，Keap1存在于胞質(zhì)中，與Nrf形成的復(fù)合物可被泛素蛋白酶體降解，使得Nrf2維持于較低水平。但在氧化應(yīng)激的刺激下，Keap1-Nrf2復(fù)合物被破壞，Nrf2可進入細(xì)胞核內(nèi)，啟動包括HO-1在內(nèi)的多種細(xì)胞因子參與細(xì)胞保護作用。研究發(fā)現(xiàn)在很多腫瘤細(xì)胞中，Keap1突變失活或構(gòu)象改變或Nrf2結(jié)構(gòu)突變使表達增強，最終導(dǎo)致Nrf2活性增強，從而漸近性促進腫瘤的發(fā)生、發(fā)展[40]。轉(zhuǎn)錄因子Bach1最新公認(rèn)且經(jīng)過驗證的低氧調(diào)解器[41]，對氧化應(yīng)激條件下具有遏制人類細(xì)胞HO-1基因表達的作用，有望成為干預(yù)腫瘤進展的一個重要靶點。

4展望與總結(jié)

氧化應(yīng)激反應(yīng)是體內(nèi)極其廣泛復(fù)雜的系統(tǒng)，其中涉及各種各樣的轉(zhuǎn)錄途徑和炎癥因子，HO-1及代謝產(chǎn)物與多個炎癥因子的相互關(guān)聯(lián)性已被證實。HO-1在角膜病、白內(nèi)障、青光眼、糖尿病視網(wǎng)膜病變等中具有重要地位，特別是其抗氧化損傷作用受到越來越多的關(guān)注。雖然已有實驗證實HO-1與腫瘤的增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移等生物學(xué)密切相關(guān)，降低了腫瘤細(xì)胞的放療敏感性,但運用HO-1在基因水平改變眼科的形成和發(fā)展有著良好的應(yīng)用前景。關(guān)于HO-1表達增多到底是病理性的還是調(diào)節(jié)性的，尚無明確認(rèn)識。然而HO-1相關(guān)研究補充揭示了眼科各類疾病的發(fā)病機制，有望成為新的潛在的治療干預(yù)靶點。