康元元，余劍波

一氧化碳與缺血再灌注損傷

康元元，余劍波

一氧化碳（CO）是一種與一氧化氮類似的體內(nèi)重要信號分子，由于它的毒性而長期忽視了其生物學(xué)性能。外源性CO進(jìn)入人體后，可立即與血紅蛋白（Hb）結(jié)合形成HbCO,其親和力比O2強(qiáng)300倍，但其與Hb解離卻比O2慢3600倍，從而引起嚴(yán)重低氧血癥，發(fā)揮毒性作用。血紅素氧合酶-1（HO-1）作為血紅素裂解的限速酶，可催化血紅素從而有序的釋放CO、膽綠素、游離鐵，這即為內(nèi)源性CO的主要來源。本文將圍繞內(nèi)源性一氧化碳與缺血再灌注損傷展開綜述。

一氧化碳；細(xì)胞凋亡；缺血再灌注損傷；臟器保護(hù)

研究表明[1]，內(nèi)源性一氧化碳（carbon monoxide，CO）則具有抗氧化、抗炎癥、抗凋亡和抑制細(xì)胞增殖等作用，從而減輕缺血再灌注損傷(ischemia/reperfusion injury，IRI)，發(fā)揮器官保護(hù)作用。

1　一氧化碳

CO中氧原子的價電子層有6個電子，為滿足其最外層電子軌道中必須具有8個電子的需求，須從碳原子的價電子層借用2個電子，碳原子最外層電子軌道的4個電子借出2個給氧原子，使氧原子與碳原子能以共價鍵形式形成CO分子。CO即以此分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)發(fā)揮其化學(xué)作用。外源性CO與人體內(nèi)Hb或某些酶類的含鐵血紅素基團(tuán)的結(jié)合能力大于氧氣形成碳氧血紅蛋白(carbon oxygen hemoglobin，Hb-CO）導(dǎo)致機(jī)體缺氧中毒。因此，長期以來CO一直被視為有毒氣體[2]。直到20世紀(jì)90年代內(nèi)源性CO的生物學(xué)特性才得到確認(rèn)。內(nèi)源性CO的來源主要有三個方面:一方面是吸入的空氣中含有少量的CO；—方面是一些有機(jī)分子氧化產(chǎn)生，尤其是生物膜的脂質(zhì)過氧化；而體內(nèi)大部分CO主要是通過血紅素在血紅素氧合酶-1(heme oxygenase，HO-1)催化下氧化所產(chǎn)生[3]。目前在研究CO生理和病理功能時遇到一些阻力，因直接應(yīng)用外源性CO會導(dǎo)致機(jī)體氧氣運(yùn)輸與傳送障礙，且很難精確控制量效關(guān)系。研究顯示[4]，外源性給予CO能夠模擬內(nèi)源性CO在體內(nèi)產(chǎn)生的病理生理過程，研究發(fā)現(xiàn)能夠釋放CO的過渡金屬羰基化合物CORMs(carbon monoxide releasing molecules)，可通過溶解后不經(jīng)機(jī)體代謝而直接作用于靶點(diǎn)組織釋放CO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)HbCO的濃度，這種新型CO供體可使對CO更深入的生物活性研究成為可能。研究表明[5]，外源性低濃度的CO在各種應(yīng)激條件下可以彌補(bǔ)內(nèi)源性CO的短缺，發(fā)揮抗氧化、抗炎和抑制細(xì)胞增殖等作用。

2　一氧化碳作用機(jī)制

CO分子是氧原子與碳原子以共價鍵形成的分子，由于碳原子的價電子層有4個電子，它與氧原子形成CO時，僅在價電子層中丟失2個電子，還剩2個電子呈游離狀態(tài)，即表示CO尚能對其他化合物提供2個電子，從而使CO分子成為一個名副其實(shí)的還原劑。生物體內(nèi)的諸多變化，從化學(xué)的角度分析，不是氧化，就是還原，CO在人體內(nèi)諸多生理與病理生理作用，均以此為依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)[6]，低劑量外源性CO具有抗氧化作用。氧自由基可直接損傷核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，活化凋亡蛋白酶和核酸內(nèi)切酶，誘發(fā)細(xì)胞凋亡[7]。CO直接參與氧自由基的清除，阻止過氧化物代謝為氧自由基，降低組織過氧化物的含量，發(fā)揮抗氧化作用。Brugger等[8]在小鼠的全身性炎癥模型中給予CO干預(yù)，發(fā)現(xiàn)CO可以減少組織細(xì)胞的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，平衡氧化-抗氧化系統(tǒng)，從而減少細(xì)胞損傷?；钚匝酰╮eactive oxygen species，ROS）是一類氧衍生的分子，參與了機(jī)體內(nèi)各種組織以及細(xì)胞的氧化應(yīng)激、炎癥應(yīng)激及凋亡、壞死，并證實(shí)和許多疾病的發(fā)生發(fā)展有密切的關(guān)系[9]。在體內(nèi)線粒體偶聯(lián)酶、細(xì)胞色素P450、黃嘌呤氧化酶、NADPH氧化酶等都能產(chǎn)生ROS[10]。研究證實(shí)[11]，CO也可能通過抑制細(xì)胞色素P450及NADPH氧化酶調(diào)整組織及細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生，發(fā)揮一定的抗氧化作用。

研究發(fā)現(xiàn)[12]，CO不僅具有抗氧化作用，同時也有抗炎癥作用。外源性CO可以抑制IRI所致的炎癥因子如TNF-α、IL-1β、IL-6和促炎癥調(diào)節(jié)因子iNOS的mRNA表達(dá)，也可以減少血液循環(huán)中的IL-6的濃度。CO通過下調(diào)黏附因子的表達(dá)和減少促炎癥細(xì)胞進(jìn)入受損組織，亦能抑制促炎癥級聯(lián)反應(yīng)。CO可以明顯減少單細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的浸潤，而單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞是IRI中介導(dǎo)損傷的主要細(xì)胞[13]。Florian等[14]在臨床研究中發(fā)現(xiàn)，脂多糖（LPS）可以使血漿中各種促炎癥因子（如TNF-α、IL-6、IL-8）等濃度的升高，而CO的吸入可以抑制這一變化，同時可以刺激抗炎因子IL-10的表達(dá)。研究顯示[15]，CO可以激活可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(soluble guanylyl cyclase，sGC)，而這一激活作用可以減少白細(xì)胞的黏附及中性粒細(xì)胞的遷移等炎性應(yīng)激的過程來發(fā)揮其抗炎癥作用。

研究發(fā)現(xiàn)[16]，CO具有抑制細(xì)胞增殖作用，缺氧對血管張力及細(xì)胞增殖有重要作用，在缺氧的條件下生成增加的內(nèi)源性CO對平滑肌細(xì)胞發(fā)揮了普遍的抗增殖作用，而這一作用則被sGC特異性抑制劑所掩蓋。CO抑制血管平滑肌細(xì)胞的增殖可能與cGMP水平增加，同時下調(diào)了細(xì)胞衍生因子的表達(dá)（如PDGF）有關(guān)[17]。

在一些疾病或組織損傷模型中，低濃度CO預(yù)處理具有抗凋亡效應(yīng)。在細(xì)胞凋亡的過程中，凋亡酶半胱氨酸特異性蛋白酶（Caspase）家族扮演著重要的角色，它們引發(fā)的級聯(lián)反應(yīng)是細(xì)胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的中心環(huán)節(jié)，并可通過與眾多蛋白因子的相互作用調(diào)控細(xì)胞凋亡[18]。細(xì)胞受到凋亡刺激時，在線粒體內(nèi)膜的各種促凋亡因子的誘導(dǎo)下，細(xì)胞色素C（cytochome C）從線粒體內(nèi)釋放到胞漿，由此激活Caspase-9，進(jìn)而激活下游效應(yīng)蛋白Caspase-3，從而啟動Caspase介導(dǎo)的凋亡級聯(lián)反應(yīng)[19]。低濃度CO吸入可降低細(xì)胞凋亡率，同時抑制Caspase-3 mRNA和蛋白表達(dá)[20]。細(xì)胞凋亡中信號分子間相互影響[18]，caspases、原癌基因、Cytochome C之間相互作用：Cytochome C能激活caspase，而有活性的caspase也能刺激線粒體釋放Cytochome C，這樣，上游分子和下游分子的凋亡信號呈級聯(lián)放大效應(yīng)。

3　一氧化碳與器官缺血再灌注損傷

IRI是急性器官損傷、器官移植、一般手術(shù)過程中缺血后恢復(fù)血液循環(huán)難以避免的一種損傷。其損傷不僅包括組織缺血一段時間后所造成缺血組織的直接損傷，還包括缺血后再灌注時產(chǎn)生的多種炎癥介質(zhì)、激活的炎癥細(xì)胞如中性粒細(xì)胞在損傷部位及遠(yuǎn)處器官促發(fā)的由嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)導(dǎo)致更嚴(yán)重的間接損傷。持續(xù)的組織缺血及缺血后再灌注均可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，盡管再灌注可減少凋亡細(xì)胞數(shù)，但卻使不可逆轉(zhuǎn)的細(xì)胞加速凋亡。細(xì)胞凋亡在IRI的扮演著重要的角色，細(xì)胞調(diào)亡率增加會加重IRI，有效抑制細(xì)胞調(diào)亡具有緩解IRI的作用[21]。組織再灌注是挽救缺血組織的必要措施。當(dāng)再灌注發(fā)生時，內(nèi)環(huán)境突然改變、線粒體膜電位變化、鈣離子的運(yùn)輸?shù)染鶎?dǎo)致了線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的突然開放，進(jìn)而導(dǎo)致了ATP耗竭和細(xì)胞死亡的發(fā)生[22]。此外，當(dāng)呼吸鏈被抑制后再次恢復(fù)氧供時，線粒體會迅速產(chǎn)生大量ROS。ROS是IRI的主要啟動子。線粒體內(nèi)高水平的Ca2+、ROS和過度氧化應(yīng)激是導(dǎo)致mPTP大量開放的主要因素。mPTP大量開放會導(dǎo)致線粒體外膜破裂，繼而形成線粒體水腫，并可導(dǎo)致來自線粒體膜間隙的促調(diào)亡因子的大量釋放(如cytochome C)[23]。外滲的Cytochome C可活化caspase-9，caspase-9可活化凋亡執(zhí)行蛋白caspase-3，并最終導(dǎo)致細(xì)胞調(diào)亡[24]。有研究表明，CO在器官損傷、移植器官排斥模型等都發(fā)現(xiàn)可以顯著減輕損傷。

心肌IRI在臨床較為常見，如冠脈搭橋、溶栓治療、主動脈阻斷、冠脈血管成形等都可引起心肌IRI。研究表明[25]，CO可增強(qiáng)細(xì)胞色素C氧化酶（COX）活性和Bcl-2的表達(dá)以及它們的相互作用，提高線粒體氧化磷酸化從而防止氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。心臟IRI時，CORM-2處理后顯著降低心肌細(xì)胞觸發(fā)的細(xì)胞凋亡，降低caspase-3的表達(dá)和細(xì)胞色素C的進(jìn)一步釋放，CO減少促凋亡蛋白Bak、Bax的表達(dá)以及線粒體、胞漿內(nèi)Bax水平，減輕心肌I/R誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，發(fā)揮心肌保護(hù)作用。

IRI對肺的損傷機(jī)制涉及中性粒細(xì)胞的聚集、激活，細(xì)胞因子釋放和氧自由基產(chǎn)生增加，細(xì)胞內(nèi)鈣代謝紊亂等多種因素。炎性細(xì)胞黏附于血管內(nèi)皮可產(chǎn)生蛋白酶、氧化劑等損傷內(nèi)皮細(xì)胞，破壞毛細(xì)血管內(nèi)皮的完整性，引起毛細(xì)血管通透性增加，進(jìn)一步加重肺損傷。MPO主要存在于中性粒細(xì)胞內(nèi)，肺組織中的MPO活性在一定程度上反映中性粒細(xì)胞在肺內(nèi)的聚集程度。肺W/D可反映肺損傷程度，表明肺水腫程度，結(jié)合缺血后肺泡損傷數(shù)更能清楚說明肺組織的損傷情況。研究表明[26]，給予外源性低濃度CO后大鼠肺MPO活性顯著下降，提示外源性低濃度CO可抑制中性白細(xì)胞在肺內(nèi)的聚集；W/D明顯下降，缺血后肺泡損傷數(shù)明顯減少，提示外源性低濃度CO對肺IRI損傷具有保護(hù)作用。

CO可以減輕腎臟缺血再灌注損傷[27]。腎小管上皮細(xì)胞是IRI的主要靶細(xì)胞，其對缺血高度敏感，因此急性腎小管壞死常用來述腎IRI。CO在調(diào)節(jié)腎IRI時，具有抗炎、抗凋亡、血管舒張功能[28]。CO可以抑制IRI所致的炎癥因子（如TNF-α，IL-1β，IL-6）和促炎癥調(diào)節(jié)因子iNOS的mRNA表達(dá)；還可以通過下調(diào)黏附因子的表達(dá)和減少促炎癥細(xì)胞進(jìn)入受損組織，抑制促炎癥級聯(lián)反應(yīng)，從而減輕IRI誘導(dǎo)的腎小管上皮細(xì)胞凋亡[29]。足細(xì)胞也是IRI的重要靶細(xì)胞之一，足細(xì)胞為調(diào)節(jié)腎小球?yàn)V過率的重要成分。IRI可以導(dǎo)致足細(xì)胞的嚴(yán)重受損，從而導(dǎo)致腎小球?yàn)V過率的改變。研究發(fā)現(xiàn)[27]，給予CO后可以維持足細(xì)胞的完整，從而阻止足細(xì)胞的受損和凋亡，改善腎IRI后的腎皮質(zhì)血流，保護(hù)腎小球的血管結(jié)構(gòu)，抑制細(xì)胞凋亡，提高腎小管上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和足細(xì)胞的活力。研究顯示[28]，CO還可以通過促進(jìn)鳥苷酸環(huán)化酶(soluble guanylate cyclase，sGC)途徑和抑制血小板聚集，松弛血管平滑肌因而對腎IRI有重要的細(xì)胞保護(hù)作用。

小腸IRI是臨床常見的病理生理過程，其不僅可以引起腸道屏障功能不全，嚴(yán)重時還能通過多形核中性粒細(xì)胞(polymorphonuclear neutrophil，PMN)在組織中的聚集及多種細(xì)胞因子在小腸局部及全身的大量釋放激發(fā)全身性炎癥反應(yīng)(systemic innammation response syndrome，SIRS)的同時損傷遠(yuǎn)隔器官（如肺、肝等），導(dǎo)致多器官功能障礙綜合征(mutiple organdysfIlnction syndrome，MODS)[30]。研究表明[29]，腸IRI可致腸上皮大量微絨毛脫落，細(xì)胞之間連接松弛，胞質(zhì)內(nèi)大部分線粒體嵴溶解，導(dǎo)致小腸屏障功能嚴(yán)重受損。SIRS過程中大量釋放的炎癥介質(zhì)TNF-α、IL-6等，誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞活化、白細(xì)胞遷移、粒細(xì)胞脫顆粒及抑制纖溶反應(yīng)、增加微血管通透性、促進(jìn)血栓形成等廣泛的生物學(xué)效應(yīng)，促使血管內(nèi)皮細(xì)胞與器官組織細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞凋亡，從而促進(jìn)MODS的發(fā)生和發(fā)展。CO能通過抑制TNF-α產(chǎn)生和促進(jìn)IL-10釋放來調(diào)節(jié)腸IRI過程中細(xì)胞因子間的平衡，從而抑制多形核中性粒細(xì)胞(polymorphonuclear neutrophil，PMN)在組織中的聚集，抑制SIRS發(fā)生；CO還可調(diào)控抑制Fas、caspases表達(dá)，抑制細(xì)胞色素C釋放并增強(qiáng)Bcl-2表達(dá)，從而抑制腸IRI中組織細(xì)胞凋亡的發(fā)生，防止小腸在結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)一步的損害并達(dá)到防治腸IRI所致多器官損傷的作用。最近的研究報(bào)道[29]，CO可減輕腸IRI引起的腎損害。

4　展望

綜上所述，CO可通過抗氧化、抗炎癥、抗凋亡等的作用，減少IRI過程中的炎癥細(xì)胞浸潤及炎癥介質(zhì)表達(dá)，從而減少細(xì)胞凋亡壞死，減輕IRI，發(fā)揮器官保護(hù)作用。因而具有良好的臨床應(yīng)用前景。但其對IRI確切的保護(hù)機(jī)制仍進(jìn)一步研究，以利于把這些研究成果應(yīng)用于臨床。

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（收稿：2015-07-22修回：2015-09-02）

（責(zé)任編輯李文碩）

R971+.3

A

1007-6948(2015)05-0528-04

10.3969/j.issn.1007-6948.2015.05.029

國家自然基金項(xiàng)目（81372096）

天津醫(yī)科大學(xué)南開臨床學(xué)院天津市南開醫(yī)院麻醉科（天津 300100）

余劍波，E-mail:jianboyu99@sina.com