血紅素加氧酶1及其產(chǎn)物在腦出血中的作用

劉明君，戚基萍

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院病理科，哈爾濱 150001)

腦出血，又稱(chēng)腦實(shí)質(zhì)內(nèi)的非創(chuàng)傷性自發(fā)性出血，是一種高致死率和致殘率的卒中亞型，約占亞洲卒中總患病率的25%[1]，每年發(fā)病率為24.6/10萬(wàn)，并且隨著抗凝藥物、抗血小板藥物的應(yīng)用，以及人口老齡化的加劇，這個(gè)數(shù)字仍在不斷的上升[2]。腦出血后伴隨的神經(jīng)功能障礙也嚴(yán)重影響患者的生存質(zhì)量。目前臨床對(duì)于腦出血的治療方法包括干細(xì)胞移植、微創(chuàng)清除顱內(nèi)血腫、降低顱內(nèi)壓、使用抗神經(jīng)炎癥、抗氧化及神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)藥物、重組因子Ⅶa治療、免疫抑制治療等，但治療效果并不顯著[3]。大量實(shí)驗(yàn)研究證明，血紅素加氧酶- 1(heme oxygenase- 1,HO- 1)在腦出血后被血紅素迅速誘導(dǎo)表達(dá)，參與各種代謝過(guò)程[4- 6]，但其對(duì)疾病具體的調(diào)控機(jī)制仍然存在爭(zhēng)議。因此，深入研究HO- 1及其產(chǎn)物在腦出血后繼發(fā)性腦損傷中的作用，為疾病嚴(yán)重程度的判斷、治療及預(yù)后提供重要的理論依據(jù)。

1 HO- 1概述

血紅素加氧酶是血紅素分解代謝過(guò)程中的限速酶。主要由HO- 1、HO- 2和HO- 3三種同工酶組成。HO- 1屬于誘導(dǎo)型酶，正常生理?xiàng)l件下，HO- 1主要存在于血管內(nèi)皮細(xì)胞，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)很低，但在腦出血后HO- 1可被快速誘導(dǎo)并參與氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡等過(guò)程[7]。與HO- 1不同，HO- 2屬結(jié)構(gòu)型酶，主要在大腦中穩(wěn)定表達(dá)，對(duì)神經(jīng)元起保護(hù)作用，在缺氧性腦損傷中作用更加明顯[8]。HO- 3分子結(jié)構(gòu)與HO- 2更相似，但催化活性卻遠(yuǎn)低于HO- 2。由于腦出血后干擾HO- 1有較大的治療潛力，所以HO- 1在腦出血中的作用成為研究的焦點(diǎn)。

HO- 1,又稱(chēng)熱激蛋白32，由HMOX1基因編碼，位于人體第22號(hào)染色體上，含有4個(gè)內(nèi)含子和5個(gè)外顯子。腦出血后，HO- 1催化血紅素分解代謝產(chǎn)生膽綠素、亞鐵離子和一氧化碳(carbon monoxide,CO)，膽綠素通過(guò)膽綠素還原酶轉(zhuǎn)化為膽紅素發(fā)揮抗氧化作用[9]。而核因子紅系2相關(guān)因子2是HO- 1經(jīng)典的上游調(diào)控因子，參與細(xì)胞氧化還原狀態(tài)調(diào)節(jié)的氧化還原，生理?xiàng)l件下，通過(guò)與Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白- 1結(jié)合存在于細(xì)胞質(zhì)中，腦出血后Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白- 1的構(gòu)象隨之改變，并釋放核因子紅系2相關(guān)因子2，核因子紅系2相關(guān)因子2進(jìn)入細(xì)胞核與抗氧化應(yīng)答元件結(jié)合，促使HO- 1的轉(zhuǎn)錄翻譯及表達(dá)[10]。

2 HO- 1在腦出血后的臨床研究

目前已有數(shù)例關(guān)于HO- 1在臨床試驗(yàn)中的研究，在一項(xiàng)納入40例腦出血患者與40例單純頭痛患者的研究中，腦出血患者的血清中HO- 1、總膽紅素、直接膽紅素水平較單純頭痛患者升高，但HO- 1對(duì)腦出血患者的作用尚不明確[11]。此外，另有研究通過(guò)分析41例Fisher Ⅲ級(jí)動(dòng)脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血患者腦脊液中HO- 1、鐵蛋白等指標(biāo)水平，發(fā)現(xiàn)HO- 1水平與患者的不良預(yù)后呈正相關(guān)，認(rèn)為HO- 1可以作為評(píng)估該類(lèi)疾病患者預(yù)后的指標(biāo)，但該研究?jī)H分析了單一時(shí)間點(diǎn)腦脊液中的生化標(biāo)志物水平[12]?？梢?jiàn)，HO- 1在腦出血后對(duì)于患者病情診治及預(yù)后評(píng)估有重要價(jià)值，但目前研究數(shù)據(jù)尚不足以充分判斷HO- 1在患者體內(nèi)表達(dá)的程度及時(shí)間與病情具體的相關(guān)性，仍需進(jìn)一步增加檢測(cè)HO- 1的時(shí)間點(diǎn)、擴(kuò)大樣本量。

臨床前研究證明，HO- 1對(duì)于腦出血的作用具有兩面性，一方面對(duì)組織具有保護(hù)作用，而另一方面加重組織損傷。例如：HO- 1通過(guò)促進(jìn)血紅素分解代謝而發(fā)揮強(qiáng)烈的抗氧化和抗炎的作用，但腦出血早期上調(diào)HO- 1會(huì)增加活性氧水平，造成組織細(xì)胞損傷[13]；HO- 1分解血紅素產(chǎn)生過(guò)量的游離鐵沉積于腦內(nèi)可引起腦水腫，但也可以促使鐵蛋白合成，增加多余游離鐵的消耗，達(dá)到細(xì)胞保護(hù)的目的[14]。所以，仍需深入研究HO- 1對(duì)腦出血的作用機(jī)制，為腦出血的治療提供新思路。

3 HO- 1在腦出血后的作用

3.1HO- 1在小膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)的作用 小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的免疫細(xì)胞，在腦出血后最先激活?；罨男∧z質(zhì)細(xì)胞的主要作用是吞噬血腫及細(xì)胞碎片，從而維持組織穩(wěn)態(tài)，并促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)。然而，小膠質(zhì)細(xì)胞還可以產(chǎn)生促炎癥細(xì)胞因子、活性氧、一氧化氮合酶等，加重腦損傷[15]。

Zhang等[13]研究發(fā)現(xiàn)，HO- 1在腦出血早期小膠質(zhì)細(xì)胞中大量表達(dá)，可增加小膠質(zhì)細(xì)胞活化數(shù)量，促進(jìn)炎細(xì)胞浸潤(rùn)，誘發(fā)炎癥反應(yīng)，并加重神經(jīng)損傷；但是，在疾病的恢復(fù)期，HO- 1水平增加有助于神經(jīng)功能恢復(fù)。然而，HO- 1相關(guān)炎癥反應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路尚不清楚。Toll樣受體4(Toll- like receptor 4,TLR4)是模式識(shí)別受體家族成員之一，腦出血后在活化的小膠質(zhì)細(xì)胞上表達(dá)明顯增多，并且通過(guò)調(diào)節(jié)其下游銜接的信號(hào)分子髓樣分化因子88和TLR結(jié)構(gòu)域銜接蛋白誘導(dǎo)核因子κB活化向核內(nèi)轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生大量炎癥因子，如腫瘤壞死因子- α和白細(xì)胞介素- 1β，這些因素導(dǎo)致腦出血后發(fā)生炎癥損傷并加重神經(jīng)功能障礙[16]。目前腦出血后HO- 1是否能夠調(diào)控TLR4尚未得到證實(shí)。但在腦缺血、急性肺損傷、肝纖維化等疾病中，TLR4的表達(dá)均受到HO- 1的調(diào)控[17- 19]。由此推測(cè)，HO- 1對(duì)于TLR4在腦出血后小膠質(zhì)細(xì)胞中可能具有調(diào)控作用，具體調(diào)控機(jī)制值得深入探討。

腦出血后，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞除了能夠早期誘發(fā)炎癥反應(yīng)外，在腦出血恢復(fù)期，其吞噬功能處于主導(dǎo)地位。小膠質(zhì)細(xì)胞的表面有若干受體介導(dǎo)吞噬作用，CD36屬于B型清道夫受體家族，臨床研究證實(shí)，腦出血患者中CD36基因缺乏患者的血腫吸收速率較CD36表達(dá)正常的患者明顯減慢，TLR4及腫瘤壞死因子- α能夠抑制小膠質(zhì)細(xì)胞表面CD36的表達(dá)，從而減弱小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)血腫的吞噬作用[20]。

此外，CD163在腦出血中的研究也受到關(guān)注，CD163是血紅蛋白清道夫受體，在小膠質(zhì)細(xì)胞膜上表達(dá)。檢測(cè)蛛網(wǎng)膜下腔出血患者腦脊液中CD163的表達(dá)水平發(fā)現(xiàn)，CD163增高的患者血腫清除效果更好，對(duì)改善疾病預(yù)后有益[21]。有文獻(xiàn)證實(shí)，CD163與HO- 1在腦出血后可協(xié)同發(fā)揮抗炎、促血腫吞噬的作用[22- 23]。

這些證據(jù)表明，腦出血后小膠質(zhì)細(xì)胞激活與HO- 1密切相關(guān)，并且HO- 1調(diào)控小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮作用與疾病發(fā)生時(shí)間有關(guān)，下一步可明確HO- 1在小膠質(zhì)細(xì)胞中作用發(fā)生改變的時(shí)間點(diǎn)，為HO- 1的靶向治療提供時(shí)間依據(jù)。

3.2HO- 1在星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)的作用 星形膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最主要的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，能夠?yàn)橹袠猩窠?jīng)系統(tǒng)提供支持、分隔、營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)細(xì)胞的作用，同時(shí)還能通過(guò)其氧化應(yīng)激防御能力在維持氧化還原穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[24]。

血紅蛋白作為腦出血后溶血釋放的主要成分，是星形膠質(zhì)細(xì)胞的有效激活劑。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)過(guò)血紅蛋白預(yù)處理而激活的星形膠質(zhì)細(xì)胞可以抵抗血紅蛋白分泌產(chǎn)物血紅素的毒性，減少活性氧的積累及細(xì)胞的凋亡[25]。這種病理過(guò)程被稱(chēng)為腦出血后的適應(yīng)性自衛(wèi)，由核因子紅系2相關(guān)因子2與HO- 1途徑介導(dǎo)[25]。使用膠原酶構(gòu)建小鼠腦出血模型，與野生型腦出血小鼠相比，大腦星形膠質(zhì)細(xì)胞中HO- 1基因過(guò)表達(dá)的小鼠在造模后死亡率顯著降低，野生型腦出血小鼠在腦出血灶周邊神經(jīng)元損傷約40%，而大腦星形膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)表達(dá)HO- 1的轉(zhuǎn)基因小鼠神經(jīng)元損傷只占野生型小鼠的一半，且血腦屏障破壞和神經(jīng)功能障礙在短期內(nèi)均有所緩解[6]。此外，HO- 1在星形膠質(zhì)細(xì)胞中發(fā)揮正向作用還歸因于其能促進(jìn)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的產(chǎn)生，研究證實(shí)，腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞衍生神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子分別產(chǎn)生于多巴胺能神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，HO- 1繼而通過(guò)其下游產(chǎn)物參與神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞衍生神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子表達(dá)的調(diào)節(jié)[26]。

腦出血后HO- 1在星形膠質(zhì)細(xì)胞中過(guò)表達(dá)保留了神經(jīng)元活性，通過(guò)抗氧化、促神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子產(chǎn)生等多種方式發(fā)揮保護(hù)作用。HO- 1在腦出血早期通過(guò)小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，后期可促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬作用，加快腦內(nèi)血腫吸收。

4 HO- 1分解產(chǎn)物在腦出血后的作用

4.1膽綠素/膽紅素 腦出血后，HO- 1催化游離的血紅素產(chǎn)生膽綠素，隨后在膽綠素還原酶的作用下迅速轉(zhuǎn)化為膽紅素。作為人體血清中最豐富的內(nèi)源性抗氧化劑，膽紅素的表達(dá)水平反映了各種疾病發(fā)生氧化應(yīng)激的程度。此外，膽紅素還能夠清除羥基自由基、單線態(tài)氧和超氧陰離子，并抵抗低密度脂蛋白和脂質(zhì)過(guò)氧化，以此發(fā)揮強(qiáng)大的抗氧化作用[27]。研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，腦出血后患者血清中膽紅素與HO- 1水平顯著升高，提示腦出血后HO- 1及膽紅素水平與氧化應(yīng)激程度密切相關(guān)[11]。

4.2CO 作為腦出血后HO- 1代謝血紅素產(chǎn)物之一，CO的釋放能夠使HO- 1在腦中發(fā)揮保護(hù)作用，如：CO可促進(jìn)平滑肌松弛，從而減少蛛網(wǎng)膜下腔出血后腦血管痙攣的發(fā)生[28]。此外，CO通過(guò)調(diào)節(jié)可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶和促分裂原活化的蛋白激酶途徑，發(fā)揮抗細(xì)胞凋亡和抗炎的作用[29]。不僅如此，在活化的小膠質(zhì)細(xì)胞中，HO- 1可通過(guò)CO抑制脂多糖刺激產(chǎn)生的一氧化氮，繼而削減小膠質(zhì)細(xì)胞在急性炎癥期的遷移及吞噬能力，并逆轉(zhuǎn)神經(jīng)軸突外向生長(zhǎng)受抑制的情況，具有重要的細(xì)胞保護(hù)作用[30]。同時(shí)，還有研究顯示，HO- 1/CO在蛛網(wǎng)膜下腔出血中可通過(guò)增加小膠質(zhì)細(xì)胞的吞噬能力來(lái)降低腦中血紅蛋白的負(fù)荷，從而改善神經(jīng)元損傷及認(rèn)知功能障礙[5]。Schallner等[31]發(fā)現(xiàn)腦出血后，患者腦脊液中負(fù)責(zé)調(diào)控人體生物節(jié)律的Per- 2基因表達(dá)升高，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，敲除HO- 1基因后，小鼠的Per- 1，Per- 2和神經(jīng)元PAS結(jié)構(gòu)域蛋白2等調(diào)控生物節(jié)律的基因表達(dá)降低，神經(jīng)細(xì)胞凋亡率上升，而低劑量吸入CO后上述狀況可明顯好轉(zhuǎn)，證明腦出血后HO- 1/CO有助于生物節(jié)律的調(diào)節(jié)及神經(jīng)保護(hù)，同時(shí)也為疾病的治療提供了新的思路。

4.3鐵 由HO- 1催化的游離鐵是血紅素降解的另一種產(chǎn)物。腦出血后紅細(xì)胞釋放的血紅素短期內(nèi)被HO- 1降解產(chǎn)生大量的游離鐵,這些游離鐵沉積在體內(nèi)可通過(guò)氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)或者直接神經(jīng)毒性作用導(dǎo)致腦水腫、血腦屏障破壞、神經(jīng)和認(rèn)知功能障礙及腦萎縮[32]。而去鐵胺作為鐵螯合劑，通過(guò)與三價(jià)鐵離子絡(luò)合形成復(fù)合物經(jīng)尿液將多余的鐵排出體外，以達(dá)到腦出血后減輕神經(jīng)功能損害的目的，目前已成為腦出血治療研究的焦點(diǎn)，并進(jìn)入Ⅱ期臨床試驗(yàn)[33]。米諾環(huán)素作為另外一種鐵螯合劑，具有良好的脂溶性和易透過(guò)血腦屏障的特點(diǎn)，被用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究。研究表明米諾環(huán)素可以減輕大鼠腦出血后鐵超負(fù)荷和鐵誘導(dǎo)的神經(jīng)功能缺損[34]。證實(shí)預(yù)防鐵介導(dǎo)的毒性對(duì)腦出血的治療有積極作用。盡管目前對(duì)于腦出血后鐵沉積已有潛在的治療方法，但仍缺乏有效無(wú)創(chuàng)方法對(duì)腦出血后腦鐵沉積量及降鐵療效進(jìn)行評(píng)估。磁共振成像因分辨率高、磁敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)已被初步用于研究鐵定量，雖然有一定局限性，但可以體外無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)患者腦內(nèi)鐵含量，為臨床個(gè)體化精準(zhǔn)用藥提供輔助診斷依據(jù)，同時(shí)提高患者的生存率及生存質(zhì)量[35]。

5 小 結(jié)

腦出血后HO- 1在大腦內(nèi)被迅速激活，通過(guò)血紅素代謝產(chǎn)物及其所活化的細(xì)胞發(fā)揮抗炎、抗氧化及調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的作用。而在此過(guò)程中，HO- 1對(duì)于腦出血后的干預(yù)作用會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生改變。腦出血早期HO- 1增加小膠質(zhì)細(xì)胞活化數(shù)量可誘發(fā)炎癥反應(yīng)并加重神經(jīng)功能損傷。但在疾病恢復(fù)期，HO- 1的缺乏造成小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬功能減弱，反而阻礙了神經(jīng)功能的恢復(fù)。有研究證實(shí)急性腦損傷時(shí)活化的小膠質(zhì)細(xì)胞可極化形成經(jīng)典的M1(促炎癥)表型或M2(抗炎促吞噬)表型，且隨著疾病的發(fā)展，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞可以動(dòng)態(tài)地改變表型，以維持神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)[36]。

HO- 1除可以在小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞中發(fā)揮作用外，還可以在少突膠質(zhì)細(xì)胞中對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生影響。該機(jī)制是通過(guò)藥物刺激HO- 1活化，繼而促進(jìn)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞衍生神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子- β等神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的產(chǎn)生，從而對(duì)少突膠質(zhì)細(xì)胞中脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性發(fā)揮保護(hù)作用[37]。這一發(fā)現(xiàn)為HO- 1改善腦出血預(yù)后提供了新的可能，未來(lái)可以繼續(xù)深入研究HO- 1與腦出血后發(fā)揮功能的細(xì)胞之間的關(guān)系，此外，也可以探尋是否能通過(guò)檢測(cè)HO- 1及其代謝產(chǎn)物的表達(dá)水平精準(zhǔn)評(píng)估疾病的進(jìn)展，繼而實(shí)施個(gè)體化治療。這些問(wèn)題仍需進(jìn)一步探索，為臨床腦出血的治療提供更多的新思路。