血红素加氧酶‑1在脓毒症中的作用及机制的研究进展

1内蒙古医科大学赤峰临床医学院，赤峰 024000；2赤峰市医院麻醉科，赤峰 024000

国家自然科学基金（82204895）；

内蒙古自然科学基金（2022MS08001）

【综述】

脓毒症是一种由病原微生物及其产物引起的复杂全身炎症反应综合征，常由宿主对感染免疫反应失调开始，进而发展为多器官功能障碍综合征。目前，脓毒症在全球已成为重症监护治疗病房的首要死亡原因，病死率高达30%~70%。氧化应激损伤、全身失控性炎症反应、免疫抑制、毛细血管渗漏是导致脓毒症相关器官损伤的重要原因。其中，氧化应激在脓毒症相关器官损伤中发挥着重要的作用。正常生理情况下，人体细胞间少量活性氧（reactive oxygen species, ROS）可促进细胞新陈代谢并作为第二信号分子维持机体细胞的正常生理功能；当机体发生脓毒症时，游离氧自由基是抵抗细菌感染的重要防御机制，机体脓毒症损伤部位会持续产生过量ROS，诱导自由基链反应破坏细胞生物大分子（如蛋白质、脂质和DNA等），进而诱发一系列机体器官方面的损害。血红素加氧酶‑1（heme oxygenase‑1, HO‑1）作为一种机体广泛存在的抗氧化防御酶发挥着抗氧化应激作用，清除过量ROS、减轻炎症反应和氧化应激损伤、调节细胞焦亡，进而减轻脓毒症相关器官的损伤。本文将围绕HO‑1对脓毒症相关器官损伤的保护及其分子机制进行阐述，以期为后续脓毒症相关器官损伤保护提供参考。

HO‑1作为一种相对分子质量为32×103的诱导型细胞保护性蛋白，基因表达位于人体常染色体22q12。病原微生物及其产物、ROS、炎症因子等刺激因素均可诱导核转录因子E2相关因子（nuclear transcription factor 2, Nrf2）从kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1中释放并被转运到细胞核，随后与抗氧化反应元件结合调控下游HO‑1基因的表达。脓毒症时外周血中增多的脂多糖可以刺激库普弗细胞释放高迁移率族蛋白B1（high mobility group box‑1 protein, HMGB1）、肿瘤坏死因子‑α（tumor necrosis factor‑α, TNF‑α）、白细胞介素（interleukin, IL）‑6、IL‑1β等炎症因子。TNF‑α能够诱导IL‑6、IL‑1β的产生，HMGB1可以与IL‑1β、IL‑6相互作用，从而引起炎症级联放大效应，造成机体全身失控性炎症反应。除此之外，核因子‑κB（nuclear factor‑κB, NF‑κB）通路中NF‑κB磷酸化入核活化亦会加快机体炎症反应发展。机体的全身失控性炎症反应通过损伤血管内皮以及促进机体发生氧化应激造成组织器官的损伤。HO‑1参与调控促炎性细胞因子产生，HO‑1表达增加可抑制HMGB1释放和易位以及促炎性细胞因子（如TNF‑α、IL‑6、IL‑1β）的释放。同时，HO‑1阻断NF‑κB磷酸化活化，从而发挥抗炎、抗氧化应激作用。另外，正常情况下血红素是多种细胞发挥功能的辅助因子，但在脓毒症过程中游离血红素可导致机体氧化应激损伤、炎症反应以及血管内皮损伤。HO‑1可以联合细胞色素P450及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸通过胆绿素还原酶（biliverdin reductase, BVR）催化血红素分解为胆绿素、一氧化碳和Fe2+，胆绿素可进一步由BVR还原为胆红素。其中，一氧化碳具有抗炎作用，通过p38丝裂原活化蛋白激酶/Nrf2信号途径抑制TNF‑α、IL‑1β等促炎性细胞因子的释放，促进IL‑10等抗炎细胞因子的产生。胆绿素与胆红素可抑制细胞脂质过氧化，清除氧自由基，减少器官氧化应激损伤。Fe2+具有促氧化活性，但大量表达的HO‑1可上调铁蛋白的表达，铁蛋白与Fe2+结合降低Fe2+的促氧化活性。另外，HO‑1可增加其他抗氧化酶的表达量，减少机体ROS水平，减轻氧化应激损伤，从而对脓毒症相关器官损伤发挥保护作用。图1为HO‑1改善脓毒症进展的相关分子机制的简易示意图。

2.1　HO‑1对脓毒症相关心肌损伤的保护及其分子机制

心脏是脓毒症最主要的受累器官，脓毒症发生时常伴有心肌损伤进而导致心功能障碍。在脓毒症动物实验中，有超过70%的脓毒症动物发生心功能障碍，其心功能明显减弱并导致动物死亡。脂多糖刺激机体后，心肌发生氧化应激及炎症反应是脓毒症心肌损伤的主要病理机制。脓毒症心肌产生的炎症因子（如TNF‑α、IL‑1β、IL‑6和ROS）在直接损害心肌的同时，还会通过多种正反馈环加重心肌炎症反应，进而间接破坏心肌生理结构、心肌钙稳态及心肌收缩功能。研究表明，抑制炎症反应可明显改善脓毒症患者心肌损伤。研究表明，脱氢胭脂碱可通过抑制肿瘤坏死因子受体相关因子6/NF‑κB通路减少心肌炎症因子产生及激活Nrf2/HO‑1通路上调HO‑1表达抗氧化应激，从而对脓毒症心肌发挥保护作用。同时，有研究表明，如果在心脏特异性敲除HO‑1可以加剧氧化应激诱导的心功能障碍，髓系来源巨噬细胞敲除HO‑1会加剧脓毒症小鼠心功能的恶化。研究表明，抑制微RNA（microRNA, miR）‑122‑5p可通过靶向负调控G蛋白耦联受体激酶相互作用蛋白1受体增加HO‑1表达，抑制氧化应激、炎症反应和细胞凋亡，从而改善脂多糖诱导的心肌损伤。脓毒症模型大鼠给予白藜芦醇干预发现，白藜芦醇通过介导激活沉默信息调节因子1表达使心肌HO‑1含量增加，从而减少心肌组织炎症因子释放及氧化应激损伤，进而使大鼠心肌损害得到改善。另有研究发现，一种叫做Maresin1（MaR1）的促炎症消退的脂质介质能够减轻脂多糖诱导小鼠的炎症反应，减少氧化应激，进而降低心肌损伤。而在MaR1发挥心肌保护过程中，HO‑1表达明显上升。以上研究结果提示，HO‑1的高表达能够通过减轻炎症反应、降低氧化应激对脓毒症心肌损伤发挥重要的保护作用。然而HO‑1在脓毒症心肌损伤中的保护机制仍需进一步探索，继续研究HO‑1的生物活性以及发掘更多与HO‑1存在关联的脓毒症心肌保护类药物及有益通路仍是必要的。

2.2　HO‑1对脓毒症相关肝损伤的保护及其分子机制

肝是机体重要的代谢器官，具有维持机体新陈代谢及生物转化的作用。脓毒症发生发展过程中，肝巨噬细胞清除吞噬病原微生物及其产物的同时会释放大量ROS、炎症因子（如TNF‑α、IL‑6）等，从而引起氧化应激及炎症反应损伤肝组织。研究表明，过量ROS引发的肝细胞氧化应激损伤是脓毒症所致肝损伤的重要机制之一。当机体出现氧化应激损伤时，HO‑1在Kuffer细胞、肝实质以及间质细胞中大量表达发挥其抗氧化作用。研究发现，HO‑1可以减少肝组织中丙二醛的生成，促进肝中其他抗氧化酶表达，修复肝组织氧化还原稳态失衡，从而改善脓毒症时肝氧化损伤。敲除Bach1蛋白表达基因可以通过Bach1‑HO‑1轴使HO‑1的表达上调，Bach1−/−组脓毒症小鼠氧化损伤降低，生存率提高，表明HO‑1可抑制氧化应激，明显改善脓毒症相关肝损伤预后。对于脓毒症时肝组织内所发生的炎症反应，HO‑1可以抑制NF‑κB及丝裂原活化蛋白激酶通路降低炎症因子IL‑6与TNF‑α释放，阻断炎症反应发生。此外，脓毒症时微血栓在肝微血管内广泛生成，引起肝微循环障碍，亦会促进脓毒症肝损伤发生发展。研究表明，HO‑1能够降低脓毒症老龄大鼠血管内皮损伤，抑制微血栓形成，改善肝微循环，从而对脓毒症老龄大鼠肝发挥保护作用。综上所述，促进HO‑1表达能够显著减轻脓毒症相关肝损伤，对脓毒症肝保护策略具有重要参考意义。然而脓毒症诱发肝损伤的机制非常复杂，各种因素相互串联干扰。除上文提到的几种因素以外，线粒体自噬、细胞凋亡、非编码RNA等机制亦参与脓毒症肝损伤，探索HO‑1与这些机制是否存在关联，能够更加深入地了解HO‑1如何发挥脓毒症相关肝保护作用，使之未来能够更早地预防及改善脓毒症相关肝损伤。

2.3　HO‑1对脓毒症相关肾损伤的保护及其分子机制

HO‑1对于肾具有明显的保护作用，可使肾在内、外源性因素刺激下保持稳定的生理结构及功能。脓毒症时，病原微生物及炎症因子激活机体凝血和纤溶系统，引起弥散性血管内凝血，微血栓在肾小球内形成，从而造成机械性梗阻，肾小球滤过率降低，肾功能损害。脓毒症大鼠模型研究发现，脓毒症组大鼠血浆中TNF‑α、IL‑1β及游离血栓调节蛋白增多，肾血栓调节蛋白表达下降，凝血功能障碍，肾小球微血管内血栓形成明显；通过游离血红素诱导HO‑1表达上调后，肾血栓调节蛋白表达增加，血浆TNF‑α、IL‑1β及游离血栓调节蛋白下降，凝血功能明显改善，肾小球微血栓生成减少。这表明在脓毒症大鼠模型中，HO‑1可通过调节血栓调节蛋白对肾发挥保护作用。目前研究认为，凝血功能障碍和炎症反应两者相互协同作用，共同加重脓毒症相关器官损伤。对脓毒症大鼠HO‑1基因敲除发现，HO‑1表达缺失将会导致炎症反应的扩大以及肾功能不全进一步恶化，提示HO‑1还能够通过抑制炎症反应减轻脓毒症大鼠的急性肾损伤。另有研究发现，和厚朴酚通过靶向miR‑218‑5p/HO‑1信号通路增加HO‑1表达，减少炎症因子释放，降低氧化应激损伤和细胞凋亡，从而改善脓毒症诱导的小鼠急性肾损伤。此外，调控某些细胞器功能也可以对脓毒症相关肾损伤发挥保护作用。研究表明，HO‑1可通过HO‑1/PINK1通路调控线粒体融合/裂变，抑制肾小管细胞焦亡，减轻脓毒症急性肾损伤。综上所述，HO‑1可通过改善组织凝血功能障碍，抑制炎症反应、氧化应激和细胞凋亡以及调控线粒体功能对脓毒症肾损伤发挥明显保护作用。然而，HO‑1及其代谢产物对脓毒症肾损伤保护作用的具体机制仍需继续探索。同时，如何合理利用HO‑1相关通路在对机体无害的情况下，诱导HO‑1发挥最大的保护作用也亟待解决。

2.4　HO‑1对脓毒症相关肺损伤的保护及其分子机制

肺与外界接触面积较大，易受到病原微生物和脓毒症相关毒性物质感染以及肺本身参与机体先天免疫反应，导致肺是脓毒症发生发展过程中最易损伤的靶器官。目前研究显示，多种细胞器功能障碍是脓毒症肺损伤的主要原因之一。HO‑1通过缺氧诱导因子‑1α/HO‑1信号通路调节高尔基体应激，维持线粒体动态平衡，减少内毒素诱导的线粒体破坏，从而改善相关肺损伤。脓毒症诱导急性肺损伤和急性呼吸窘迫综合征还与内质网应激增强有关。HO‑1通过蛋白激酶RNA样内质网激酶/真核翻译起始因子2α/激活转录因子4/（C/EBP同源蛋白）通路抑制内质网应激，减少细胞凋亡，进而减轻脓毒症相关肺损伤。同时，HO‑1还可通过HO‑1/一氧化碳系统调控溶酶体自噬及外分泌体分泌发挥脓毒症肺保护作用。另外，肺组织细胞发生铁死亡也是脓毒症肺损伤的一大原因。研究表明，尿苷通过促进HO‑1表达上调抑制巨噬细胞的铁死亡来减轻脓毒症引起的急性肺损伤。另有研究发现，阿魏酸通过激活Nrf2/HO‑1通路，抑制铁死亡介导的脓毒症肺损伤中的肺泡上皮屏障功能障碍，从而对脓毒症肺损伤发挥保护作用。此外，炎症反应在促进脓毒症肺损伤中也发挥重要作用。一种叫做terretonin的萜类化合物可以增强沉默调节蛋白1/Nrf2信号通路及其下游抗氧化基因，增强HO‑1表达，抑制NF‑κB/核苷酸结合结构域富含亮氨酸重复序列和含热蛋白结构域受体3炎症级联反应的激活，进而改善脓毒症急性肺损伤。以上这些研究结果说明，HO‑1对脓毒症肺组织具有明显的保护作用及改善效果。目前，HO‑1对脓毒症肺损伤多种细胞器功能障碍的调节作用仍认识尚浅，具体的调节机制需要继续深入探究。同时，脓毒症相关肺损伤发病机制较为复杂，有些机制会在脓毒症时产生协同作用，探索HO‑1与这些机制的关联同样具有重要意义。

2.5　HO‑1对脓毒症相关脑损伤的保护及其分子机制

脓毒症时由于大脑耗氧量高、抗炎抗氧化能力较差，导致中枢神经系统容易受到炎症反应和氧化应激的损伤，进而发展为脓毒症相关性脑病（sepsis‑associated encephalopathy, SAE）。失控性炎症反应及氧化应激损伤通常被认为是脓毒症脑损伤的重要机制。研究表明在盲肠结扎穿孔术诱导的SAE大鼠模型中发现，维生素C能够上调海马内HO‑1表达，进而显著降低血清及海马内炎症因子TNF‑α、IL‑6含量，同时提高超氧化物歧化酶及抗炎因子IL‑10浓度。这提示HO‑1能够抑制大脑神经系统炎症反应及氧化应激，改善血脑屏障通透性，减轻海马组织病理改变，从而改善SAE中的认知功能。在脓毒症早期，炎症因子TNF‑α和IL‑6可激活Toll样受体4/NF‑κB信号通路及使内皮细胞功能受损，引起血脑屏障通透性增加，导致炎症细胞及神经毒性细胞因子进入脑组织，使易受损伤脑区的神经元凋亡。HO‑1可增强神经元中神经营养因子上调，抵抗神经细胞各种形式死亡（包括坏死、凋亡以及调节性细胞死亡）。同时，HO‑1作为一种抗氧化酶可降低神经系统ROS水平，减弱NF‑κB表达，从而对脑组织发挥保护作用。另有研究发现，HO‑1除了显著降低ROS水平发挥抗氧化保护作用，还可通过促使巨噬细胞/小胶质细胞表型极化，即由促炎M1表型到抗炎M2表型，降低促炎性细胞因子表达，发挥脑组织保护作用。此外，研究发现β‑广藿香烯通过激活沉默调节蛋白1/Nrf2/HO‑1通路，增加HO‑1表达，显著抑制脓毒症诱导的神经炎症和小胶质细胞激活，逆转认知能力下降，改善外周免疫功能，从而减轻小鼠SAE模型的认知功能障碍。以上表明脓毒症时，各种炎症因子引起的失控性炎症反应以及氧化应激损伤是SAE的主要机制。继续研究HO‑1生物学机制，探索HO‑1及其分解产物如何在脓毒症时调节炎症因子产生以及氧化应激损伤，明确其在脓毒症时的调控机制，有助于更好地发挥其脓毒症脑保护作用，尽早恢复病情。

综上所述，HO‑1作为一种广泛存在于机体系统中的抗氧化酶，能够明显降低机体脓毒症相关器官损伤，对机体脓毒症器官发挥重要保护作用，为脓毒症相关器官损伤的保护提供一种新策略。随着对HO‑1研究的逐渐深入，HO‑1及其相应降解产物在机体病理损伤区域作用机制复杂，对机体组织器官的保护作用存在限度（即过多的HO‑1及其代谢产物反而会加重组织器官损伤）。这提示，有关HO‑1的分子作用机制仍需进一步探索挖掘，如何合理地促进HO‑1表达上调，使机体表达适量HO‑1仍值得研究探索。HO‑1在未来脓毒症器官保护中有望作为一种潜在的脓毒症器官保护靶点为脓毒症相关器官损伤保护提供思路。

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