诱导型血红素氧合酶／一氧化碳体系对呼吸系统疾病作用的研究进展
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【关键词】 血红素氧合酶；一氧化碳；肺动脉高压；哮喘；肺损伤
血红素氧合酶(Heme oxygenase，HO) 是血红素代谢的起始酶和限速酶。HO分解血红素所产生的一氧化碳(carbon monoxide，CO)是内源性CO的主要来源。研究已经证实，HO存在三种同功酶[1]：HO1、HO2、HO3。HO1为诱导型，HO2及HO3为结构型，通常不被诱导。HO1是一种热休克蛋白，正常情况下，主要存在于血细胞代谢活跃的组织器官如脾、肝、肺、肾、骨髓等，以脾脏的活性最高，约为肝脏的10倍。HO1的生成可被血红素、内毒素、热休克、缺血、谷胱苷肽还原酶缺失、紫外线辐射、低氧、氧中毒和细胞转运障碍及炎性细胞因子等多种因素所诱导。本文就诱导型血红素氧合酶(HO1)及其产物CO对呼吸系统疾病作用的研究进展作一综述。
HO1/CO体系预防、降低缺氧性肺动脉高压
缺氧性肺动脉高压(hypoxic pulmonary hypertension，HPH)是慢性阻塞性肺疾病(COPD)发展为肺心病的重要环节，肺动脉平滑肌细胞增殖引起的肺血管重构是造成缺氧性肺动脉高压的病理形态学基础。缺氧引起肺动脉平滑肌细胞增殖的机制，国内外学者均有研究，概括起来有两种理论[2]：①缺氧直接刺激肺动脉平滑肌细胞增殖；②缺氧导致肺血管内皮细胞或肺实质中某些细胞释放某些因子(如舒缩血管物质、生长因子等)，这些因子作用于内皮细胞和平滑肌细胞，引起一系列反应而促进细胞增殖。COPD患者肺泡壁、肺小血管和支气管壁HO1表达和活性明显增加，体内HO1水平及CO表达水平均是升高的。此现象与COPD患者缺氧、氧化反应、气道炎症因子等多种因素的诱导有关。内源性CO的合成和释放增加是细胞的一种适应性反应，它既是一种血管舒张因子，又是一种血管平滑肌细胞增长抑制因子。动物实验表明，使用HO的诱导剂氯血红素可通过促进肺内HO1表达，预防缺氧性肺动脉高压持续发展，抑制肺血管结构重建，包括CO直接、间接的血管扩张作用和抗增殖效应[3~5]；其产物CO可以部分抑制大鼠血管平滑肌细胞增殖[6]，有效降低肺动脉压[7]。Penney.L[8]对生活在高纬度的新生大鼠长期给予吸入CO，发现其并不象处在高纬度的其他大鼠那样引起肺动脉高压，此项研究结果表明CO有肺血管舒张效应。Cantrell发现[9]： 吸入低浓度CO不会影响大鼠肺血管对急性缺氧的反应，也不能改善缺氧中及缺氧后肺血管的收缩。Tamayo[10]发现吸入8%、15%的CO可抑制缺氧组动物的缺氧性肺血管收缩，而对正常组的肺血管收缩无作用。此外，某些临床研究表明，给予外源性CO干预后，COPD患者肺动脉平滑肌细胞和内皮细胞的病理变化明显减轻，而使用HO抑制剂后病理变化明显加重，亦提示HO/CO体系对HPH的肺血管结构重建以及COPD有调节作用。
目前临床上可通过测定动静脉碳氧血红蛋白差来监测危重患者体内CO的产生量，以预测病情的凶险程度；在COPD的急性加重期测定呼出气中CO浓度，帮助判断气道炎症状态及气道高反应性。从理论上，吸入外源性CO、使用HO1诱导剂等方法都将有可能成为临床预防和治疗COPD的新途径，但目前尚无成熟的临床研究实践，这也是未来HO/CO体系的一个研究方向。
HO1/CO体系对支气管哮喘的双重作用
哮喘是由多种炎性细胞参与的以慢性气道炎症为基础，以气道高反应性及可逆性气道阻塞为特征的呼吸系统疾病。其发生机制相当复杂，至今仍未完全阐明。Zayasu等[11]首先发现哮喘患者呼出气中CO水平显著升高。Horvath等也报道了哮喘患者的气道上皮细胞、巨噬细胞中H0l的表达都增加，呼出气中CO量较正常人明显增多[12]。 国内也开展了相关的动物实验研究[13，14]，发现哮喘组气道上皮细胞中HO1的表达水平以及全血氧血红蛋白(COHb)的百分比含量均显著高于正常组，HO1表达水平与全血COHb的百分比含量及气道壁嗜酸性粒细胞计数(EOS)均呈显著正相关。HO系统分解人体内的血红素生成CO，CO在细胞内形成后即弥散入血，一部分经呼吸道排出，其余则与血红蛋白结合以COHb的形式存在，因此测定CO排出率或COHb水平等指标对哮喘的诊断和疗效判断有重要参考价值。HO1及CO水平在哮喘发作期升高,患者临床症状越严重，其HO1水平越高；而在恢复期则会降低,这提示HO1/CO与哮喘发病存在着一定的联系。检测血清HO1活性可反映哮喘患者体内HO1活性和蛋白合成的状态，能反映哮喘发作的严重程度。气道易受外界因素影响，所以可能导致HO1主要表达在气道上皮细胞。气道上皮细胞在哮喘发病时不仅是炎症介质的靶细胞，还作为效应细胞合成及释放细胞因子、趋化因子、黏附分子及多种酶类。哮喘时缺氧、炎症介质、细胞因子等因素均可诱导HO1大量生成，产生的CO也增多。CO具有第二信使分子样作用，间接介导环磷酸鸟苷(cGMP)生成增加，使气道平滑肌细胞松弛。但另一方面，HO1 、CO可促进巨噬细胞、肥大细胞、嗜酸性粒细胞等合成和释放炎症介质及炎性细胞因子，如白三烯、组胺、白细胞介素(IL1,IL4,IL5)和肿瘤坏死因子α(TNFα)等，导致气道平滑肌收缩，气道阻力增加，增强哮喘的气道高反应性。因此，HO1/CO在哮喘的发病过程中有着双重的作用。
HO1/CO对肺损伤的保护作用
1 .HO1/CO与肺缺血再灌注损伤 缺血再灌注( Ischemia/reperfusion，I/R)损伤是指缺血的组织细胞恢复灌注后不能迅速恢复正常的代谢机能，反而加重其损伤。肺脏是最易受损伤的器官之一，其主要机制之一是大量氧自由基的产生，引起中性粒细胞在肺内聚集和肺微血管通透性增加，肺组织脂质过氧化作用加强，导致肺损伤[15]。 肺I/R损伤后，HO1mRNA及其蛋白表达增加、HO1酶活性增强[16]。有动物实验证实[17]，应用HO1诱导剂氯血红素预后HO1活性显著增强，能部分减轻肺I/R引起的肺血管通透性增高，而应用HO1抑制剂锌原卟啉则可取消氯血红素的作用。提示HO1对肺I/R损伤具有部分保护作用，可能与其产物有密切关系：①CO可抑制血小板聚集、调节血管张力，增加组织的血液灌注，可以在一定程度上缓解低氧对机体造成的损害；CO还能抑制肿瘤坏死因子、白介素等诱导的内皮细胞凋亡[18]。②胆绿素含量增加能改善I/R心肌功能、减少心肌梗死面积，保护心脏；还能抑制氧化应激诱导的白细胞黏附和聚集[19]。③ 铁离子。HO1活性上调伴有铁蛋白增高，铁蛋白中对活性铁的隔离可起到细胞保护作用；铁蛋白还具有抗凋亡作用。
2. HO1/CO与感染性休克肺损伤 有动物实验表明，HO1对内毒素休克所致的肺损伤具有保护作用[20]。HO1的抗氧化作用发挥了重要的保护作用[21]。HO1可诱导机体内铁蛋白增加，保护氧化应激期间由于自由铁释放所致的细胞损害；再者，HO1的产物胆绿素及胆红素是有效的自由基清除剂，胆红素还可能是哺乳动物组织内最丰富的抗氧化剂；同时，CO还可反馈抑制一氧化氮(NO)的生成(NO有强有力的氧化能力，可导致氧化损伤及细胞死亡)。也有研究表明[22]，由于CO可能参与了感染性休克时的外周血管扩张、血压降低等病理生理变化，使用HO1产物CO的抑制剂锌原卟啉治疗感染性休克，可起到减轻血压降低及代谢性酸中毒的作用。HO1对内毒素致感染性休克肺损伤具有保护作用，但其产物CO作为一种气体信使分子有舒张血管作用却可引起血压下降，HO/CO体系对感染性休克肺损伤的双重作用值得重视。
3. HO1/CO与急性呼吸窘迫综合征 急性呼吸窘迫综合征(ARDS)的病理特征是肺微血管内皮损伤、肺血管微血栓形成及出血，是急性肺损伤(Acute lung injury，ALI) 的严重阶段。HO1及CO在ARDS发病过程中的作用及机制，近年亦开展了较多的研究，取得了一些肯定的研究成果。通过注射油酸建立化学性ARDS大鼠模型，给予HO1的作用底物血红蛋白后，动物肺组织中HO1活力明显增加，肺内CO水平增高，而使ARDS大鼠肺水肿明显减轻，动脉血氧分压(PaO2)下降明显；病理结果显示肺泡结构破坏减轻，未见微血栓形成[23]。提示HO1激活对化学性ARDS具有明显的防治作用，HO1/CO系统在ARDS发病中有十分重要的作用[24]。肺部炎症反应是ARDS的早期阶段性反应，多种细胞因子参与其发生发展过程。化学性ARDS大鼠血清及支气管灌洗液(BALF)中TNFα和IL8水平明显升高， 而TNFα及IL8在ARDS发病过程中担任着非常重要的角色。TNFα可直接损伤肺血管内皮细胞，使内皮细胞通透性增加，抑制Ⅱ型肺泡上皮细胞合成和分泌肺表面活性物质，降低肺顺应性，引起肺水肿；激发中性粒细胞释放大量损伤介质，如氧化剂及蛋白分解酶，与其他细胞因子共同介导炎症反应，造成肺组织损伤；此外，还可激活凝血系统和补体系统诱发ARDS。IL8的化学趋化作用可使聚集在肺部的中性粒细胞(PMN)逐步向肺间质及肺泡浸润，同时在局部通过呼吸爆发产生氧自由基，释放溶酶体、前列腺素、花生四烯酸代谢产物和血小板活化因子等大量细胞毒性物质，损伤肺泡毛细血管膜，导致肺水肿。而HO1激活后能明显降低TNFα和IL8水平，使实验动物ARDS症状减轻，提示HO1减少炎性细胞因子的产生可能是ARDS的有效防治途径之一。
总而言之，近年来国内外研究普遍发现HO1及内源性CO对肺疾病有广泛的保护作用。上呼吸道中的CO被认为起着保护鼻窦无菌的作用。下呼吸道肺血管系统内皮释放的CO是一种潜在的舒张因子，它可以保持低的肺张力。另外，CO具有抗微生物和抗肿瘤效应，亦可直接导致血管扩张，抑制血小板聚集。因此研究并阐明HO及其产物CO与呼吸系统疾病之间的联系及在呼吸系统疾病发病机制中的作用，对开拓临床治疗相关肺部疾病的新途径具有非常重要的临床意义。
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(编辑：潘明志)
(广西卫生管理干部学院，广西南宁 530021)
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