趙 敏，劉冬妍

中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院實驗研究中心，遼寧 沈陽 110004

ROS在高氧腸道中的作用

趙 敏，劉冬妍

中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院實驗研究中心，遼寧 沈陽 110004

氧氣吸入是治療一些疾病的重要手段，尤其可改善新生兒缺氧狀態(tài)。但長時間的高氧治療會對機體器官產(chǎn)生嚴重的毒性作用。高氧能誘發(fā)線粒體產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)進而引起器官損傷。高氧環(huán)境中腸上皮細胞遭到破壞時伴隨著ROS的增加，激活NF-κB信號通路，進而引起一系列的炎癥反應，因此，ROS在高氧腸道損傷中發(fā)揮著重要作用。

高氧；腸上皮細胞；活性氧；過氧化氫；NF-κB

氧氣是人類生存所必需的，它是維持機體生長發(fā)育必不可少的物質(zhì)，貫穿機體活動的始終。氧氣吸入是治療一些疾病的重要手段，尤其可以改善新生兒缺氧狀態(tài)。但氧療使用不當，如長時間吸入高濃度的氧則對機體器官產(chǎn)生嚴重的毒性作用，氧的毒性取決于氧的濃度及吸氧時間。氧中毒造成的影響是全身性的，會對機體產(chǎn)生功能性或器質(zhì)性的損傷。由于各器官對氧的敏感程度不同，其損傷程度也不盡相同。當前臨床搶救新生兒呼吸衰竭最有效的方法是氧療法，即機械通入高濃度的氧(簡稱高氧)。此療法雖挽救患兒的生命，但長時間高氧治療會引起肺、腦、眼等近隔器官損傷，如新生兒持續(xù)暴露在高氧環(huán)境中，過氧化氫(hydrogen peroxide，H2O2)不斷增加，并從脈絡(luò)膜擴散到整個視網(wǎng)膜，最終導致不可逆轉(zhuǎn)的視網(wǎng)膜氧化損傷[1]。高氧誘發(fā)支氣管肺發(fā)育不良，抑制細胞增殖，降低細胞生存率[2]。近年來陸續(xù)報道，長期高氧治療還可引起新生兒腎、肝、腸等遠隔器官損傷[3-4]。

1 活性氧的產(chǎn)生和作用機制

高氧環(huán)境下，上皮細胞間連接減弱，誘發(fā)炎癥反應，導致上皮細胞的損傷[5]，這是因為在高氧環(huán)境下，各組織高氧導致其活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生增多[6]。ROS是體內(nèi)氧的單電子還原產(chǎn)物，是電子在未能傳遞到末端氧化酶之前漏出呼吸鏈并消耗約2%的氧所生成的。ROS和先天性抗氧化防御系統(tǒng)在生理性細胞信號通路和許多病理狀態(tài)下發(fā)揮重要作用，其中包括神經(jīng)退行性疾病和氧中毒，是高氧引起器官毒性損傷的最主要根源[7]。ROS在線粒體中產(chǎn)生，主要包括氧離子及H2O2[8]。一些還原型輔酶Ⅱ(triphosphopyridine nucleotide，NADPH)氧化酶(oxidase，NOX)家族的酶在上皮細胞和內(nèi)皮細胞中誘導ROS的產(chǎn)生，通過影響細胞傳導的信號通路，最終導致高氧誘導的機體損傷[9-10]。一方面，線粒體由狀態(tài)Ⅲ向狀態(tài)Ⅳ轉(zhuǎn)換中，高氧的環(huán)境和高還原狀態(tài)的呼吸鏈使大量電子漏出并還原氧分子而形成ROS。另一方面，細菌和毒素可同時刺激上皮細胞，導致浸潤的肥大細胞、中性粒細胞與單核巨噬細胞釋放ROS。腸黏膜屏障發(fā)生損傷時，腸黏膜Th1細胞因子如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor，TNF-α)、IL-1等可刺激上皮細胞產(chǎn)生ROS，因而Ruh等[11]認為ROS增多是腸道炎癥一系列反應的第一步。ROS還能直接或間接調(diào)整信號分子如蛋白激酶、轉(zhuǎn)錄因子、促凋亡因子和抗凋亡因子等導致每個器官的氧化損傷[9，12]。

機體在正常情況下，體內(nèi)ROS的產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡，此時，ROS對機體有利而無害。ROS是氧代謝的常規(guī)副產(chǎn)物，在細胞信號傳導和保持機體平衡起很大作用。在復雜的生物體系中，生理上產(chǎn)生的ROS作為第二信使信號影響細胞增殖和分化[13]。在細胞中ROS的產(chǎn)生需要多種酶的催化。過氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)是一種活性物質(zhì)，能消除機體在新陳代謝過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)。通常，細胞都會通過SOD的作用來減少ROS對細胞的損傷作用。某些小分子，如維生素C、維生素E、尿酸及谷胱甘肽也作為細胞抗氧化物質(zhì)發(fā)揮著重要作用[14]。在高氧環(huán)境中，高氧引起的氧化損傷能誘發(fā)線粒體ROS產(chǎn)生和抗氧化蛋白的表達[15]。高氧還能增加ROS適應性抗氧化反應，其發(fā)病機制部分是通過增強巨噬細胞促炎反應實現(xiàn)的[16]。在內(nèi)皮細胞、巨噬細胞中由于ROS形成和硫氫化鈉的減少可導致血管生成素-2釋放[17]。有文獻[18]報道，在高氧環(huán)境下通過P物質(zhì)(substance P，SP)治療能夠降低ROS的水平，減少細胞的凋亡，改善細胞的生存狀態(tài)。SP是高氧誘導細胞損傷和死亡的保護因子，通過激活(sonic hedgehog)信號通路，提高AECⅡs細胞的生存狀態(tài)。

2 ROS對腸道的影響

腸上皮是抵抗腸道微生物的第一道防線。由于出生前胎兒腸道處于相對低氧的環(huán)境中，出生后新生兒腸絨毛和黏膜將繼續(xù)分化和生長，因此出生后長期高氧治療將引起新生兒腸道發(fā)育異常，如高氧可損傷腸道，使腸黏膜增厚，一氧化氮合酶Ⅱ(NOSⅡ)蛋白含量減少，腸絨毛結(jié)構(gòu)改變和調(diào)整NOS，并影響新生兒腸道屏障功能使腸黏膜增厚[3]。因此，由低氧環(huán)境突然暴露在高氧環(huán)境及新生兒不成熟的抗氧化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，新生兒腸道更易發(fā)生炎癥反應[19]。當高氧激發(fā)肺等近隔器官的氧化應激反應時，ROS大量生成并釋放入血，隨血液循環(huán)到腸道，激活炎癥信號[20]，進而引起腸道炎癥反應及腸組織損傷，使腸道微環(huán)境發(fā)生變化；其次在高氧作用下肺部發(fā)生炎癥反應，大量炎性細胞因子釋放入血，通過呼吸暴發(fā)脫顆粒釋放ROS入血，隨血液循環(huán)到腸道，損傷腸黏膜；再有肺組織通氣或換氣功能障礙可能導致腸組織供氧不足使腸道ROS產(chǎn)生增多而導致腸黏膜改變，繼發(fā)引起腸道微環(huán)境變化。有文獻[21]報道，腸上皮細胞的氧化損傷與ROS、SOD、谷胱甘肽有關(guān)。

ROS在控制正常的腸道微生物群和致病菌中發(fā)揮著重要作用[22]。腸上皮細胞是腸黏膜屏障組成中最重要的細胞成分，腸黏膜屏障遭到破壞時伴隨著ROS的增加，ROS作為細胞內(nèi)第二信使可以激活多種轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控致炎細胞因子和化學因子的過度表達，加重腸黏膜屏障功能的損傷。過氧化氫酶作為ROS的清除劑，減少腸黏膜內(nèi)ROS的數(shù)量，減弱ROS的第二信使作用，從而起到保護腸黏膜的作用。ROS在細胞信號傳導、生長和維持體內(nèi)平衡中發(fā)揮重要作用[23]，并在黏膜防御中發(fā)揮著重要作用，上皮細胞NADPH氧化酶類在腸道感染時通過擾亂細菌信號發(fā)揮早期抗菌防御的作用[24]。體外和體內(nèi)腸道共生菌接觸上皮細胞能迅速產(chǎn)生ROS[25]，ROS急劇增多時，產(chǎn)生氧化應激導致明顯的細胞因子結(jié)構(gòu)損傷。小腸黏膜損傷早期，ROS的產(chǎn)生對小腸上皮細胞通透性的增加起到重要作用[26]。ROS可誘導細胞因子的產(chǎn)生[27]，而細胞因子又在腸道ROS的產(chǎn)生中起到重要作用，如TNF-α是一種能夠直接殺傷腫瘤細胞而對正常細胞無明顯毒性的細胞因子。TNF-α在腸上皮細胞的高表達預示它們可能是腸道損傷的指示因子。其能通過誘發(fā)細胞內(nèi)線粒體ROS(mitochondrial ROS，mtROS)的產(chǎn)生引起細胞損傷，加重腸道炎癥和腸道損傷。在腸上皮細胞中，TNF-α誘導細胞凋亡，ROS調(diào)控機體健康與疾病平衡過程。在線粒體電子傳遞鏈中產(chǎn)生氧代謝產(chǎn)物，對細胞信號傳導起著重要作用，線粒體內(nèi)的抗氧化劑(phenyl-tert-butynitrone，PBN)能夠抵抗TNF或ROS誘導的腸上皮細胞損傷[19]。在小鼠小腸上皮細胞系(mouse intestinal epithelial cell line,MODE-K)細胞中，由TNF-α導致的細胞死亡中過多的ROS主要來源于線粒體和氮氧化物[28]。同時ROS也是引起腸道缺血再灌注損傷的原因之一[29]。文獻[30]指出益生乳酸桿菌GG能夠誘導體內(nèi)體外腸上皮細胞ROS的產(chǎn)生并能夠阻止TNF-α誘導激活NF-κB信號通路。

3 NF-κB通路參與ROS調(diào)控

NF-κB為一個轉(zhuǎn)錄因子蛋白家族，包括5個亞單位：Rel(cRel)、P65(RelA、NF-κB3)、RelB和P50(NF-κB1)、P52(NF-κB2)。NF-κB是一種重要的信號分子，在不同的細胞類型及各種組織中參與高氧所導致的生理反應[31]。NF-κB也可以調(diào)節(jié)炎癥反應和肺上皮細胞的損傷或死亡[32]。有文獻[33]報道，氧化應激和NF-κB核酸因子的激活在炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)的發(fā)病機理中起著關(guān)鍵作用。IBD時，白細胞滲透進入腸道組織，導致ROS誘發(fā)腸道損傷[34]。

同時，ROS作為基因表達的重要信號分子在細胞因子誘導的基因表達中也發(fā)揮著重要作用，當其在高水平表達時可能導致氧化應激和細胞損傷[35]。隨著ROS產(chǎn)生的增加，細胞凋亡率逐漸增加[36]。ROS直接參與NF-κB炎癥通路，REL-A和REL-B二聚化后形成有功能的NF-κB，它調(diào)控著基因編碼急性期反應蛋白、細胞因子、細胞黏附分子和免疫調(diào)節(jié)分子等。通過調(diào)控多種基因的表達，NF-κB參與免疫反應、炎癥反應、細胞凋亡、腫瘤發(fā)生等多種生物進程。適當?shù)腞OS對阻止NF-κB通路的過度活化是必需的，但過高的ROS水平會對細胞和基因結(jié)構(gòu)造成損傷，異常的ROS通過細胞毒作用或抑制NF-κB活性將引起腸道損傷，引起腸道炎癥病變[30，37]。當機體受到高氧刺激時，機體產(chǎn)生的H2O2增加，受損組織可以釋放ROS使?jié)舛冉档停砻鱎OS可以協(xié)調(diào)組織的炎癥反應[38]。Jin等[39]研究發(fā)現(xiàn)H2O2誘導的氧化應激能增加細胞的凋亡。H2O2可以顯著增加細胞內(nèi)的自由基，導致嚴重的DNA損傷同時顯著降低超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶、脂肪酶的激活[40]。

4 展望

高氧環(huán)境中的ROS對機體的作用機制十分復雜，至今仍未完全闡明，深入了解ROS在高氧環(huán)境中對機體的影響將有助于我們認識許多免疫性疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，對探究病因和研究治療方法具有重要意義。近年來，相關(guān)研究已取得一定成果，如高氧動物模型腸黏膜SIgA和腸道pIgR/SC的檢測；體外培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)長期過度高氧(60%、90%濃度高氧)可殺傷腸上皮細胞Caco-2，對其生長有抑制作用，影響腸上皮細胞表達pIgR/SC，高氧環(huán)境中腸道損傷的相互作用機制已被部分揭示，但還有很多重要問題沒有解決，如高氧環(huán)境中SIgA的作用機制、信號通路的改變過程、氧中毒的病理機制、如何應對高氧對腸道免疫系統(tǒng)造成的損傷等。隨著基礎(chǔ)免疫學的研究進展和學科間的滲透，研究ROS是否為高氧導致腸上皮細胞損傷的主要原因?qū)C體各系統(tǒng)的免疫防御和疾病治療有重要的指導意義。探明ROS在高氧損傷腸道中的作用，為探討高氧對腸道屏障的變化及其機制作了鋪墊，為進一步研究高氧對遠隔器官影響奠定基礎(chǔ)，為深入探索防治氧療后遺癥新途徑奠定實驗基礎(chǔ)。

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(責任編輯：馬 軍)

Role of ROS in the hyperoxia intestinal tract

ZHAO Min, LIU Dongyan

Research Center, Shengjing Hospital of China Medical University, Shenyang 110004, China

Oxygen is an important way for the treatment of some diseases, especially to improve newborn hypoxia state. But high oxygen treatment for a long time could have serious toxic effect on the body’s organs. Hyperoxia can induce mitochondria produce reactive oxygen species(ROS) and cause organ damage. Hyperoxia’s environment in intestinal epithelial cells were destroyed along with the increase of ROS, activity of the NF-κB signaling pathways, resulting in a series of inflammation, thus ROS plays an important role in hyperoxia intestinal injury.

Hyperoxia; Intestinal epithelial cells; ROS; H2O2; NF-κB

國家自然科學基金(30871158、81170604)，盛京自由研究者

趙敏，碩士，研究方向：黏膜免疫。E-mail：1021087960@qq.com

劉冬妍，教授，研究方向：黏膜免疫。E-mail：Liudy19701010@sina.com

10.3969/j.issn.1006-5709.2016.08.031

R574

A

1006-5709(2016)08-0948-04

2015-10-20