血红素加氧酶－1对脓毒症患者胃肠道保护作用研究进展

马晓春，尹晓晗，栾正刚

中国医科大学附属第一医院重症医学科，辽宁沈阳110001

脓毒症是由感染引发的全身炎症反应综合征(the systemic inflammatory response syndrome，SIRS)[1]，通常认为是由机体过度炎症反应或炎症失控所致。脓毒症最常累及胃肠道。由于肠道有效循环血量减少、肠摄取氧和利用氧的能力降低、肠腔细菌过度繁殖和肠道抗原呈递细胞激活等原因，导致肠黏膜屏障受损，肠道细菌及内毒素移位，进入循环系统，同时免疫紊乱及炎症因子信号表达、肠细胞凋亡，使SIRS加剧、失控，严重时诱发多器官功能障碍综合征(multiple organ dysfunction syndrome，MODS)，甚至危及患者生命。血红素加氧酶－1(heme oxygenase-1，HO-1)作为一种应激蛋白，不仅本身具有抗炎、抗氧化、抗凋亡作用，其降解血红素产生的CO、胆红素、二价铁亦有抗氧化作用。HO-1对多种组织器官的细胞保护作用成为近年来的研究热点之一。本文对近年来有关HO-1的生物学特性与表达调控及其对脓毒症患者胃肠道功能保护作用的研究进展作一综述。

1 HO-1的生物学特性与表达调控

1.1 HO-1的生物学特性 HO是血红素代谢过程中的限速酶，HO-1为其诱导型同工酶，由Wise等[2]首先在体外实验中发现。HO-1亦被称为热休克蛋白32(heat shock protein 32，HSP 32)，相对分子质量32 000，染色体定位22q12。HO-1降解由衰老或破损的红细胞释放出的血红素，首先生成胆绿素、一氧化碳和二价铁，胆绿素在胆绿素还原酶作用下转换成胆红素，二价铁诱导并参与了体内铁蛋白的合成。HO-1本身及其代谢产物均具有抗氧化作用。第一例有关人类HO-1基因缺失的报道证实了这一观点:HO-1基因缺失男孩不能正常生长发育，并伴有贫血、组织性铁沉积、白血病，并且对氧化损伤的敏感性增加[3]。

1.2 HO-1的诱导产生与基因表达调控 HO-1在大多数组织内呈低水平表达，底物血红素的浓度升高或者多种因素刺激如NO、细胞因子、重金属、热休克、紫外线、缺血再灌注损伤及生长因子等，都可以使HO-1的基因表达上调。

HO-1基因含有4个内含子和5个外显子，5'非转录区有不同的作用元件，包括应激反应元件、金属反应元件、抗氧化反应元件、热休克反应元件和血红素反应元件。在小鼠HO-1转录起始位点上游有一段重要的10 bp增强子序列，即应激反应元件(the stress-responsive elements，StRE)，其结构和功能与 Maf反应元件(the Maf-response element，MARF)非常相似[4]。转录因子AP-1家族的结合位点正位于这段序列，该家族中NF-E 2相关因子(nuclear factor erythroid 2-related factor-2，Nrf 2)在 HO-1的转录调节中扮演重要的角色。Nrf 2中含有一段转录活化功能区，起到上调HO-1转录水平的作用，而Bach 1(BTB and CNC homolog 1)与Nrf 2竞争性抑制 HO-1 的转录[5，6]。正常情况下，位于胞质的Nrf 2与Keap1(Kelch-like ECH associating protein 1)相互作用，经泛素－蛋白酶体途径迅速降解，胞核内低浓度 Nrf 2使得 HO-1基因呈低表达状态[7]。氧化应激时，各种刺激因子使Nrf 2转移至胞核内，Nrf 2转录活化功能区磷酸化并与StRE结合，使HO-1基因表达上调，与此同时，Keap 1半胱氨酸残端氧化发生构象改变，使得 Nrf 2更容易与其解离[8，9]。

正常生理情况下，Bach1与MARF形成杂二聚体，与HO-1 5'非转录区的增强子中的MARE序列结合，抑制HO-1的转录。当体内胆红素过多时，胆红素与Bach 1结合，共同游离至细胞核外，使得Nrf 2与MARE区域结合，HO-1转录上调。此外，胆红素还可以促进Nrf 2向胞核内移位，增强Nrf 2的稳定性[10]。

Panchenko等[11]的实验证明，氧化应激时，HO-1的诱导表达是在转录水平的，而缺氧状态下，不仅在转录水平上低氧诱导因子(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)与HO-1基因相应片段结合诱导其基因表达，在转录后水平由于缺氧延长HO-1 mRNA的半衰期，HO-1的基因表达同样上调。

2 HO-1在胃肠道表达及作用

2.1 HO-1在胃肠道的表达 生理状态下，消化道中主要表达HO同工酶中的HO-2。当出现缺血缺氧等刺激时，正常不分泌HO-1的肠道开始分泌HO-1，起到细胞保护作用[12]。

LPS诱导的脓毒症大鼠模型[13]研究证实，LPS诱导组中，十二指肠和空肠段肠黏膜上皮细胞中HO-1 mRNA和蛋白的表达水平明显高于回肠和结肠段的表达，回肠和结肠段的TNF-α mRNA的表达则明显高于十二指肠和空肠段。当给予HO-1抑制剂时，十二指肠和空肠段的TNF-α mRNA表达上调、氧化应激反应加重。实验结果提示，脓毒症时，HO-1的表达主要位于十二指肠和空肠，并且在保护肠黏膜免受应激损伤中扮演重要的角色。失血性休克大鼠模型实验[14]也证实了上述研究。

通过对溃疡性结肠炎患者的结肠标本中HO-1 mRNA及相应蛋白的研究发现，炎性结肠黏膜中HO-1 mRNA和蛋白表达较对照组明显升高，提示HO-1蛋白的调控主要在转录水平上[10]。相关的组织学研究还发现，炎性肠黏膜中HO-1的表达主要源自于结肠黏膜下层中的单核细胞，部分可以转录HO-1的细胞CD 68表达阳性。Maestrelli等[15]的相关研究表明，肺泡腔中绝大多数HO-1阳性表达的细胞CD 68表达阳性。Yoshiki等[16]的实验结果证实，HO-1的表达为CD 68阳性的巨噬细胞。因此认为HO-1的表达主要在各组织器官中的巨噬细胞。然而，另外一些有关人类结肠黏膜的研究发现，炎性细胞和上皮细胞都存在HO-1的表达[17]。

最近研究发现，肠道中的主要能量来源—谷氨酰胺能诱导大鼠和人类肠道黏膜HO-1表达[18，19]。给予谷氨酰胺治疗后，HO-1的表达主要来自绒毛上皮细胞、隐窝和肌层。大鼠的缺血再灌注损伤模型实验证实，谷氨酰胺对胃肠道的保护作用与HO-1的产生相关[20]。在人类十二指肠中，HO-1几乎持续表达于各型肠道上皮细胞和约10%的绒毛核心固有层细胞，而深层黏膜则很少表达。谷氨酰胺促进肠上皮细胞和固有层细胞HO-1的表达上调，HO-1 mRNA水平同样升高。结果表明，谷氨酰胺通过对HO-1表达的调节对肠道损伤起保护作用，同时减少促炎因子释放。

2.2 HO-1在胃部疾病的作用 实验证实，多种胃黏膜保护剂或抑酸剂的作用机制是通过上调HO-1表达发挥作用的。Shibuya等[21]实验发现，胃黏膜保护剂索法酮(sofalcone)作用于小鼠胃黏膜上皮细胞RGM-1，活化Nrf 2，上调HO-1表达，促进血管内皮因子产生，从而达到保护胃黏膜的作用。Takagi等[22]的实验证明，H+/K+-ATP酶抑制剂—兰索拉唑(lansoprazole)通过上调大鼠胃上皮细胞HO-1的表达，起到抗炎的作用。兰索拉唑使Nrf 2的活化、磷酸化、向胞核内移位并与氧化的Keap 1解离，从而诱导HO-1产生。聚普瑞锌(polaprezinc)、泽兰林素(enpatilin)和氯胺酮的相关研究也证明了其对胃黏膜的保护作用是通过调节HO-1而发挥。Uc等[23]对吲哚美辛诱导的胃溃疡大鼠研究发现，预先给予HO-1诱导剂钴原卟啉(Cobalt protoporphyrin，CoPP)治疗的大鼠，MPO活性、TNF-α和 IL-6水平显著降低，也证实HO-1在非甾体类抗炎药介导的胃黏膜损伤中起保护作用。

除了HO-1本身具有细胞保护作用外，其代谢产物CO还具有调节胃部平滑肌紧张性的作用。Choi等[24]通过对糖尿病胃轻瘫模型小鼠的研究发现，在Cajal间质细胞，由于HO-1表达水平下降，氧化应激反应加重，Kit基因表达缺失，而CD 206(+)M2巨噬细胞通过表达HO-1能够减缓糖尿病所致的胃排空延迟。

2.3 HO-1在肠道疾病中的作用 多项实验证实，对于由缺血再灌注损伤、脂多糖等造成的小肠黏膜损伤，HO-1诱导剂可发挥抗炎和细胞保护作用。Pang等[25]利用分泌生物活性HO-1的乳酸乳球菌(heme oxygenase-1-secreting Lactococcus lactis LLHO-1)治疗脂多糖诱导的肠黏膜损伤的大鼠，同给予野生菌株治疗的大鼠对照，经过具有HO-1生物活性的乳酸乳球菌菌株治疗的大鼠，黏膜损伤、髓过氧化物酶活性(myeloperoxidase，MPO)、细菌移位和TNF-α水平显著降低。这个实验组的另一项关于失血性休克造成肠黏膜损伤大鼠模型的研究也发现了类似的改变，而给予HO-1抑制剂锌原卟啉(Zinc protoporphyrin，ZnPP)时，这些保护作用被部分抵消[26]。

Yoda等[27]的实验发现，兰索拉唑可以通过抑制MPO活性减轻吲哚美辛造成的肠道损伤，HO-1蛋白的表达在此时也显著上调，但当预先给予HO-1抑制剂锡卟啉(tin protoporphyrin，SnPP)时，诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)mRNA表达上调，肠道黏膜损伤加重，兰索拉唑的保护作用被部分逆转。当预先给予CO的供体一氧化碳释放分子(carbon monoxide-releasing molecule，CORM)时，iNOS mRNA的表达和肠道损伤情况显著减轻。结果提示，兰索拉唑对肠道的保护作用是通过上调肠黏膜HO-1/CO的产生，从而抑制iNOS的表达实现的。由此可见，HO-1的细胞保护作用部分是依赖CO发挥的。CO亦是脓毒症时机体主动防御应答时HO-1代谢产物中重要的调节因子。Chung等[28]证实，靶向作用于血管和肠道的成纤维细胞和平滑肌细胞的HO-1可改善粪肠球菌相关的脓毒症的病死率，这一作用通过增强吞噬作用和内源性抗炎反应发挥，外源性给予野生型大鼠CORM可以降低脓毒症的HO-1缺失型大鼠的致死率。同时，研究发现，CO释放因子可以改善肠梗阻手术的预后和肌层的炎症，这种保护作用部分是通过p 38通路诱导HO-1产生，同时减少ERK 1/2活化而发挥。

Wang 等[29]利用 2，4，6-三硝基苯磺酸(trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS)诱导的大鼠肠道炎症模型研究发现，TNBS诱导后，HO活性及HO-1基因表达显著升高，而给予SnPP后HO-1活性下降并出现结肠损伤。实验结果提示，TNBS灌肠诱导的结肠损伤模型中，HO-1起到保护作用。通过对葡聚糖硫酸钠(dextran sulfate sodium，DSS)诱导的结肠炎小鼠的研究发现，炎症结肠组织中HO-1 mRNA水平显著升高，并且HO-2 mRNA持续表达。给予ZnPP后，肠道炎症加重，相关疾病指数上升[30]。

多项研究表明，通过应用HO-1诱导剂使HO-1表达上调，能显著减轻DSS或TNBS造成的肠道损伤[31－34]。HO-1 诱导剂促进肠黏膜表达 HO-1，缓解黏膜损伤，通过抑制NF-κB依赖性促炎细胞因子而减少炎性细胞浸润。Zhong等[31]利用 DSS构建结肠炎模型发现，氯高铁血红素显著提高CD4+CD 25+Foxp3+Treg细胞的浓度，减少IL-17和TH 17相关细胞因子的表达。Brusko等[35]试验证明，HO-1通过调节Treg细胞功能而发挥免疫调节作用，抗原呈递细胞中的HO-1的活性对调节性T细胞的抑制作用至关重要。

3 结语

胃肠道炎症中HO-1表达上调的分子机制和生物学意义还未完全阐明，但研究表明，HO-1本身及其降解产物，尤其是CO在代谢过程中可发挥显著抗氧化和细胞保护作用。同时，HO-1对机体是否存在负面效应仍需进一步探究。可否将诱导HO-1表达的方法应用于临床，如何通过安全而有效的方法诱导肠道内上皮细胞HO-1或其代谢产物的表达，使靶器官或血清中HO-1蛋白浓度迅速上升，预防和治疗脓毒症患者胃肠功能障碍，降低并发症发生及致死率，将是未来的研究方向。

[1]Matsuda N，Hattori Y.Systemic inflammatory response syndrome(SIRS):molecular pathophysiology and gene therapy[J].J Pharmacol Sci，2006，101(3):189 －198.

[2]Wise C D，Drabkin D L.Degradation of haemoglobin and hemin to biliverdin by a new cell-free system obtained from the hemophagous organ of dog placents[J].Fed Proc，1964，23:189.

[3]Poss K D，Tonegawa S.Heme oxygenase 1 is required for mammalian iron reutilization[J].Proc Natl Acad Sci U S A，1997，94(20):10919－10924.

[4]Alam J，Cook J L.How many transcription factors does it take to turn on the heme oxygenase-1 gene?[J].Am J Respir Cell Mol Biol，2007，36(2):166 － 174.

[5]Igarashi K，Sun J.The heme-Bach1 pathway in the regulation of oxidative stress response and erythroid differentiation[J].Antioxid Redox Signal，2006，8(1-2):107 －118.

[6]Sun J J，Piao S，Cha Y N，et al.Taurine chloramine activates Nrf2，increases HO-1 expression and protects cells from death caused by hydrogen peroxide[J].J Clin Biochem Nutr，2009，45(1):37－43.

[7]Cho H Y，Reddy S P，Kleeberger S R.Nrf2 defends the lung from oxidative stress[J].Antioxid Redox Signal，2006，8(1 － 2):76－87.

[8]Bloom D A，Jaiswal A K.Phosphorylation of Nrf2 at Ser40 by protein kinase C in response to antioxidants leads to the release of Nrf2 from INrf2，but is not required for Nrf2 stabilization/accumulation in the nucleus and transcriptional activation of antioxidant response element-mediated NAD(P)H:quinone oxidoreductase-1 gene expression[J].J Biol Chem，2003，278(45):44675－44682.

[9]Yamamoto T，Suzuki T，Kobayashi A，et al.Physiological significance of reactive cysteine residues of Keap1 in determining Nrf2 activity[J].Mol Cell Biol，2008，28(8):2758 － 2770.

[10]Naito Y，Takagi T，Uchiyama K，et al.Heme oxygenase-1:a novel therapeutic target for gastrointestinal diseases[J].J Clin Biochem Nutr，2011，48(2):126 －133.

[11]Panchenko Maria V，Farber H W，Korn J H.Induction of heme oxygenase-1 by hypoxia and free radicals in human dermal fibroblasts[J].Am J Physiol Cell Physiol，2000，278(1):C92－C101.

[12]Nakao A，Kimizuka K，Stolz D B，et al.Protective effect of carbon monoxide inhalation for cold-preserved small intestinal grafts[J].Surgery，2003，134(2):285 －292.

[13]Fujii H，Takahashi T，Nakahira K，et al.Protective role of heme oxygenase-1 in the intestinal tissue injury in an experimental model of sepsis[J].Crit Care Med，2003，31(3):893 －902.

[14]Inoue K，Takahashi T，Uehara K，et al.Protective role of heme oxygenase 1 in the intestinal tissue injury in hemorrhagic shock in rats[J].Shock，2008，29(2):252 － 261.

[15]Maestrelli P，El M A，De Fina O，et al.Increased expression of heme oxygenase(HO)-1 in alveolar spaces and HO-2 in alveolar walls of smokers[J].Am J Respir Crit Care Med，2001，164(8 Pt 1):1508－1513.

[16]Yoshiki N，Kubota T，Aso T.Identification of heme oxygenase in human endometrium[J].J Clin Endocrinol Metab，2001，86(10):5033－5038.

[17]Paul G，Bataille F，Obermeier F，et al.Analysis of intestinal haem-oxygenase-1(HO-1)in clinical and experimental colitis[J].Clin Exp Immunol，2005，140(3):547 －555.

[18]Tamaki T，Konoeda Y，Yasuhara M，et al.Glutamine-induced heme oxygenase-1 protects intestines and hearts from warm ischemic injury[J].Transplant Proc，1999，31(1 －2):1018 －1019.

[19]Ameho C K，Adjei A A，Harrison E K，et al.Prophylactic effect of dietary glutamine supplementation on interleukin 8 and tumour necrosis factor alpha production in trinitrobenzene sulphonic acid induced colitis[J].Gut，1997，41(4):487 －493.

[20]Umeda K，Takahashi T，Inoue K，et al.Prevention of hemorrhagic shock-induced intestinal tissue injury by glutamine via heme oxygenase-1 induction[J].Shock，2009，31(1):40 －49.

[21]Shibuya A，Onda K，Kawahara H，et al.Sofalcone，a gastric mucosa protective agent，increases vascular endothelial growth factor via the Nrf2-heme-oxygenase-1 dependent pathway in gastric epithelial cells[J].Biochem Biophys Res Commun，2010，398(3):581－584.

[22]Takagi T，Naito Y，Okada H，et al.Lansoprazole，a proton pump inhibitor，mediates anti-inflammatory effect in gastric mucosal cells through the induction of heme oxygenase-1 via activation of NF-E2-related factor 2 and oxidation of kelch-like ECH-associating protein 1[J].J Pharmacol Exp Ther，2009，331(1):255－264.

[23]Uc A，Zhu X，Wagner B A，et al.Heme oxygenase-1 is protective against nonsteroidal anti-inflammatory drug-induced gastric ulcers[J].J Pediatr Gastroenterol Nutr，2012，54(4):471－476.

[24]Choi K M，Gibbons S J，Nguyen T V，et al.Heme oxygenase-1 protects interstitial cells of Cajal from oxidative stress and reverses diabetic gastroparesis[J].Gastroenterology，2008，135(6):2055－2064.

[25]Pang Q，Ji Y，Li Y，et al.Intragastric administration with recombinant Lactococcus lactis producing heme oxygenase-1 prevents lipopolysaccharide-induced endotoxemia in rats[J].FEMS Microbiol Lett，2008，283(1):62 － 68.

[26]Pang Q F，Ji Y，Bermudez-Humaran L G，et al.Protective effects of a heme oxygenase-1-secreting Lactococcus lactis on mucosal injury induced by hemorrhagic shock in rats[J].J Surg Res，2009，153(1):39 －45.

[27]Yoda Y，Amagase K，Kato S，et al.Prevention by lansoprazole，a proton pump inhibitor，of indomethacin-induced small intestinal ulceration in rats through induction of heme oxygenase-1[J].J Physiol Pharmacol，2010，61(3):287 －294.

[28]Chung S W，Kwon M Y，Kang Y H，et al.Transforming growth factor-beta1 suppression of endotoxin-induced heme oxygenase-1 in macrophages involves activation of Smad2 and downregulation of Ets-2[J].J Cell Physiol，2012，227(1):351 －360.

[29]Wang W P，Guo X，Koo M W，et al.Protective role of heme oxygenase-1 on trinitrobenzene sulfonic acid-induced colitis in rats[J].Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2001，281(2):G586－G594.

[30]Naito Y，Takagi T，Yoshikawa T.Heme oxygenase-1:a new therapeutic target for inflammatory bowel disease[J].Aliment Pharmacol Ther，2004，20 Suppl 1:177 －184.

[31]Zhong W，Xia Z，Hinrichs D，et al.Hemin exerts multiple protective mechanisms and attenuates dextran sulfate sodium-induced colitis[J].J Pediatr Gastroenterol Nutr，2010，50(2):132－139.

[32]Sun X，Suzuki K，Nagata M，et al.Rectal administration of tranilast ameliorated acute colitis in mice through increased expression of heme oxygenase-1[J].Pathol Int，2010，60(2):93 －101.

[33]Lee S H，Sohn D H，Jin X Y，et al.2＇，4＇，6＇-tris(methoxymethoxy)chalcone protects against trinitrobenzene sulfonic acid-induced colitis and blocks tumor necrosis factor-alpha-induced intestinal epithelial inflammation via heme oxygenase 1-dependent and independent pathways[J].Biochem Pharmacol，2007，74(6):870－880.

[34]Erbil Y，Giris M，Abbasoglu S D，et al.Effect of heme oxygenase-1 induction by octreotide on TNBS-induced colitis[J].J Gastroenterol Hepatol，2007，22(11):1852 －1858.

[35]Brusko T M，Wasserfall C H，Agarwal A，et al.An integral role for heme oxygenase-1 and carbon monoxide in maintaining peripheral tolerance by CD4+CD25+regulatory T cells[J].J Immunol，2005，174(9):5181 －5186.