血红素氧合酶1在气道变态反应性疾病中的研究进展

宋冬梅(综述)，于 磊，王宝山(审校)

(河北医科大学第一医院耳鼻咽喉及变态反应科，河北 石家庄 050031)

·综述·

血红素氧合酶1在气道变态反应性疾病中的研究进展

宋冬梅(综述)，于 磊，王宝山*(审校)

(河北医科大学第一医院耳鼻咽喉及变态反应科，河北 石家庄 050031)

超敏反应；血红素加氧酶-1；综述文献

10.3969/j.issn.1007-3205.2014.03.044

全世界气道变态反应性疾病发病率高达10%～25%，是一个影响全球的健康问题，其在临床上主要包括变应性鼻炎和哮喘。变应性鼻炎与哮喘的发生发展关系密切，变应性鼻炎常为哮喘的先兆，是哮喘的危险因素[1]。尽管目前临床治疗有了长足的进展，但远期效果并不理想，因此努力寻找治疗气道变态反应性疾病的新靶位迫在眉睫。近年来的研究[2-4]表明，血红素氧合酶1(heme oxygenase-1,HO-1)及其代谢产物在变应性鼻炎和哮喘中表达上调，具有显著的抗炎、抗氧化及免疫调节等作用，因此引起了这一领域学者的广泛关注。

1 HO-1的生物学特性

HO-1是机体内催化血红素代谢的起始酶和限速酶，其将血红素降解产生等摩尔的一氧化碳(carbon monoxide,CO)、亚铁离子(Fe2+)及胆绿素[4]，胆绿素随后被胆绿素还原酶转化为胆红素，哺乳动物的HO有3种单体形式，即HO-1、HO-2、HO-3，其中HO-2与HO-3同属于结构型酶，HO-1属于诱导型酶，HO-1及其产物都是重要的生物效应分子，当细胞和组织处于应激状态，如热休克、重金属、血红素、细胞因子、炎症、氧化应激、内毒素等[5]，均可以引起HO-1及其代谢产物表达量及活性的变化，进而在多种疾病中发挥抗炎、抗凋亡、抗氧化等细胞保护作用[6]。

近年来在免疫以及炎症性疾病中的研究表明，HO-1具有显著的抗炎、抗氧化及免疫调节作用。HO-1通过抑制肿瘤坏死因子、白细胞介素1β及巨噬细胞炎性蛋白1β或通过上调白细胞介素10的水平发挥强大的抗炎作用[2]；CO作为气体信号转到分子，可以抑制炎症前细胞产物，在细胞功能和通讯的调节中发挥着信号转导作用[4]；Fe2+上调的铁蛋白可保护细胞免受氧化应激损伤；胆绿素和胆红素可以通过清除过氧化氢、类脂等，降低机体的炎性反应，最终削弱对细胞的损伤[6]；HO-1及其产物除直接参与氧化应激反应外，还可以通过影响树突状细胞(dendritic cells，DCs)、肥大细胞(mast cells，MCs)和调节T细胞(regulatory T cells，Tregs)等，对机体起到间接的免疫调节作用。

2 HO-1的调控

HO-1的诱导表达是细胞对氧化及炎症损伤作出反应过程中的重要事件之一，它能够被多种刺激因素所诱导，其表达主要发生在转录水平。其启动子序列包括多种顺式作用元件如应力效应元件、热激元件、低氧效应元件、金属效应元件、负调控元件，CAAT区/增强子结合蛋白(CAAT/enhancer binding proteins,C/EBP)结合位点等。HO-1基因的调控是一个极其复杂的过程，涉及多种细胞内信号转导通路。丝裂素活化蛋白激酶被认为是最先能够调节HO-1活性的胞外刺激[7]，PI3K/Akt 信号途径也与HO-1的调节有着密切关系，Akt 能够在丝氨酸-188位点直接磷酸化HO-1并调节其活性，进而诱导HO-1高表达。另外，其他信号分子如蛋白激酶C和酪氨酸激酶也能够调节HO-1的表达。刺激因子不同，启动的信号转导通路也不同，但它们共同的通路都是诱导HO-1基因的表达。对于HO-1的调控因素及其信号通路现在仍有许多机制问题没有完全解决，需要得到进一步证实。

3 HO-1与变应性鼻炎

变应性鼻炎是一种气道变态反应性疾病，它具有气道内的嗜酸性粒细胞和杯状细胞超常增生、黏液分泌过多、对吸入性过敏原和非特异性刺激高反应性的特征，气道中的炎性应答可以引起炎性细胞的产生、激活以及结构的改变[8-9]。研究[10]表明，在变应性鼻炎的鼻黏膜中HO-1强阳性表达，并与炎症的严重程度明显相关。在变应性鼻炎患者鼻黏膜中HO-1 mRNA水平显著增高，说明HO-1作为一种保护基因，可能参与了变应性鼻炎的炎性过程。其代谢产物CO可以抑制炎症前细胞产物，包括刺激调节细胞分裂素调节信号系统，具有潜在的抗炎作用；HO通过转换血红素发挥抗氧化作用，后者在细胞内的积聚可提升细胞内的高氧状态；胆红素也具有潜在的抗氧化特性；从血红素释放的活化铁通过活化铁调节蛋白能够启动细胞内氧化作用，这些机制都可能参与了局部复杂的变态反应性炎症过程，其作用机制仍在进一步研究之中[11]。

4 HO-1与变应性哮喘

变应性哮喘是由多种细胞包括气道的炎症细胞和结构细胞(如嗜酸性粒细胞、MCs、T淋巴细胞、中性粒细胞、气道上皮细胞等)和细胞组分参与的慢性气道炎症性疾病[12]。参与哮喘的这些细胞和细胞组分可释放大量的氧自由基和亲电子体等氧化剂，破坏抗氧化酶，导致氧化/抗氧化失衡，出现氧化应激。由于HO-1在哮喘中发挥的作用机制十分复杂，所以至今仍未完全阐明。既往对呼吸道疾病的研究，主要集中在哮喘和慢性阻塞性肺疾病，而HO-1对变应性鼻炎鲜有研究。研究[8]表明，HO-1能直接通过对抗氧化系统的直接调节以增强机体的抗氧化能力，对抗氧化剂所介导的细胞损伤，在支气管哮喘、肺纤维化、心脏及肺的缺血再灌注损伤等中具有显著抑制疾病发生和发展的作用。最近的研究[13]发现，在体内试验哮喘模型中，诱导HO-1的表达可以改善气管炎症、黏液分泌过多和气道高反应性；在鼠类的哮喘模型中外源性的胆红素或低剂量CO通过抑制白细胞的迁移和内源性活性氧和白细胞介素5的生成而改善气道炎症。这些研究均表明HO-1可能在变应性哮喘的发病机制中发挥着保护作用。

5 HO-1参与气道变应性炎症的作用与机制

HO-1及其催化产物在机体内都是重要的生物效应分子，其在气道变态反应性疾病中发挥着抗炎、抗氧化及免疫调节等细胞保护作用，下面主要从HO-1及其催化产物的生物学功能及机制方面进行阐述。

5.1 抗炎作用：气道变态反应炎症疾病可以提高气道内活性氧、一氧化氮的产生和炎性因子的水平，而这些因素都可以诱导HO-1的表达[14]。在细胞及动物水平的大量研究均已证实，HO-1及其产物具有抗炎作用。HO-1可以抑制细胞间黏附分子的表达、调节致炎和抗炎细胞因子及趋化因子的水平，以及抑制中性粒细胞的聚集。在几内亚猪的哮喘模型中，诱导HO-1的表达可以改善气管炎症、黏液分泌过多、氧化应激和气道高反应性，其代谢产物CO参与细胞的功能调节和信号转导作用，在基因水平调控炎性反应[15]。CO可减轻氧自由基引起的大鼠气道内中性粒细胞浸润，低浓度CO能抑制促炎因子肿瘤坏死因子α、血小板源性生长因子及内皮素1 的产生，从而发挥抗炎作用。胆绿素主要通过抑制经典途径C1 的激活，从而保护组织免遭补体活化介导的炎性损伤，它可以减轻肺部炎症，改善长期生存率，在细胞水平可观察到胆绿素对肺内皮细胞系和巨噬细胞系的直接保护作用。

5.2 抗氧化作用：氧化/抗氧化失衡是气道变态反应性疾病的重要发病机制之一，在正常生理条件下，机体中的活性氧和活性氮的生成与清除处于动态平衡状态。在遭受各种有害刺激时，使氧化增强剂/自由基产物和抗氧化防御系统间失衡[16]。HO-1可以通过对抗氧化系统的直接调节以增强机体的抗氧化能力，HO-1抗氧化损伤除了本身的作用机制外，还与其代谢产物有关，CO有助于维持正常生理状态及急性肺损伤缺氧状态下肺组织氧合及灌注。低剂量CO可以提高动物对高氧性损害的耐受性，能明显减轻高氧引起的胸腔积液、肺水肿和中性粒细胞的聚集；胆红素属于内源性抗氧化剂，特别是在消除自由基和抑制脂质过氧化的过程中有很强的抗氧化作用，其抗氧化能力明显强于维生素E和维生素C等物质。在细胞培养液中加入胆红素后发现，明显增强了细胞抗氧化损伤的能力；血红素被降解后释放的游离铁生成铁蛋白亦具有抗氧化损伤和细胞保护功能。活性氧如超氧阴离子和过氧化氢的毒性作用依赖于铁，其与细胞内游离铁结合，通过Fenton反应产生毒性作用，而铁蛋白的合成能够阻断上述反应的发生。

5.3 免疫调节作用：HO-1及其产物除了具有上述抗炎、抗氧化作用外，还可以影响DCs、MCs和Tregs等，对机体起到间接的免疫调节作用。因此阐明HO-1与DCs、MCs和Tregs在气道炎症中的作用及其相互关系，对了解气道变态反应性炎症的发生机制具有重要的意义。

5.3.1 HO-1及其产物与DCs：DCs是目前所知的机体内功能最强大的抗原递呈细胞，是连接固有免疫和获得性免疫的“桥梁”，它能够诱导初始型T细胞对吸入性抗原的初级免疫应答，还可分泌趋化因子导致持续气道炎症，在气道炎症疾病的发生发展以及维持中发挥着重要作用。药物诱导小鼠和人DCs HO-1蛋白表达后，能明显抑制DCs的活性和免疫原性，其产物CO、胆绿素、胆红素也具有类似的效应。此外有研究[17]还发现，HO-1的表达能够抑制DCs的成熟和调节DCs分泌细胞因子，DCs中HO-1的诱导表达抑制白细胞介素12分泌，却促进白细胞介素10表达，从而起到抗炎作用。在动物模型中，有研究[18]采用HO-1 cDNA转基因方法以增加HO-1的表达，发现白细胞介素10水平增加，并耐受脂多糖诱导的肺损伤，起到间接免疫调节作用。但DCs如何参与气道变态反应的免疫调节作用及其具体的作用机制目前仍需进一步得到证实。

5.3.2 HO-1及其产物与MCs：MCs被证明为识别过敏原并通过增高Th2型细胞因子的释放而加重过敏症状的靶细胞，其广泛分布于人体与外界环境相交的表面，如皮肤、呼吸道表面、消化道表面等，在气道变态反应过程中发挥着重要的功能。MCs被激活后通过释放具有高活性的生物因子、趋化因子、脂质介质、类蛋白酶等参与变态反应过程，引发平滑肌收缩、毛细血管扩张和通透性增强、腺体分泌增加，从而导致组织损伤坏死和炎症蔓延。研究[19-20]表明，HO-1可以减轻过敏原诱发气道炎症和高反应性，在MCs生理病理过程中维持动态平衡方面发挥着十分重要的调节作用。HO-1的催化产物胆红素和CO可以有效抑制MCs脱颗粒进而释放组胺，高浓度胆红素和CO在MCs中发挥着强有力的抗过敏作用。因此，MCs不仅是启动急性过敏反应的效应细胞，而且还通过HO-1参与了气道变态反应性疾病的发生发展过程；但是MCs在启动过敏反应及气道炎症性疾病中的作用目前仍在深入研究之中。

5.3.3 HO-1及其产物与Tregs：Tregs是具有调节功能的成熟T细胞亚群,其调节功能在机体免疫稳态维持、肿瘤免疫、移植耐受、变态反应等方面发挥着重要作用。CD4+CD25+Treg细胞是Tregs的主要成员，在变应性疾病和哮喘的发病机制中发挥着重要的调节作用。Foxp3基因特异性表达于CD4+CD25+Treg细胞，它不仅是CD4+CD25+Treg细胞活化的标志，而且与其细胞发育和功能维持密切相关。HO-1可以诱导Foxp3基因活化的CD4+CD25+Treg细胞的表达，抑制气道高反应性和白细胞募集，降低抗原致敏激发后的小鼠肺实质和气道腔内嗜酸性细胞数量，还可以通过诱导CD4+T细胞产生白细胞介素10，HO-1可能通过提高Treg细胞比例并增强其功能来调节体内Th1/Th2平衡，进而抑制抗原诱导的气道变态反应性炎症的发生[21]。HO-1诱导了Foxp3基因活化的CD4+CD25+Treg细胞的表达过程，与气道变态反应性疾病的发病机制密切相关，并从多个方面影响了机体的免疫状态。

6 前景与展望

气道变态反应性炎症的发生发展过程与HO-1及其产物的生物学功能密切相关，越来越多的研究发现HO-1在气道变态反应性炎症中高表达，其在机体内发挥着显著的抗炎、抗氧化及免疫调节等细胞保护作用，HO-1的研究为该领域学者提供了一个全新的方向和突破口，因此对HO-1在气道变态反应性炎症中作用机制的进一步揭示，将会为这类疾病提供新的治疗思路。

[1]FENG CH，MILLER MD,SIMON RA.The united allergic airway: connections between allergic rhinitis,asthma,and chronic sinusitis[J].Am J Rhinol Allergy,2012,26(3):187-190.

[2]FIREMAN E.Ultrafine and nanoparticles-induced oxidative stress: the role of heme oxygenase-1 and carbon monoxide as anti-inflammatory pathways[J].J Asthma,2012,49(1):8-9.

[3]路新卿,刘志军,李桂英，等.血红素加氧酶-1在门静脉高压性胃病大鼠中的表达及意义[J].河北医科大学学报,2012,33(8)：877-880.

[4]WU ML,LAYNE MD,YET SF.Heme oxygenase-1 in environmental toxin-induced lung disease[J].Toxicol Mech Methods,2012，22(5):323-329.

[5]PARK DJ,AGARWAL A,GEORGE JF.Heme oxygenase-1 expression in murine dendritic cell subpopulations[J].Am J Pathol,2010,176(6):2831-2839.

[6]GOZZELINO R,JENEY V,SOARES MP.Mechanisms of cell protection by heme oxygenase-1[J].Annu Rev Pharmacol Toxicol,2010,50:323-354.

[7]SIMON T,ANEGON I,BLANCOU P.Heme oxygenase and carbon monoxide as an immunotherapeutic approach in transplantation and cancer[J].Immunotherapy,2011，3(4 Suppl):15-18.

[8]LEE MY,SEO CS,LEE JA,et al.Anti-asthmatic effects of angelica dahurica against ovalbumin-induced airway inflammation via upregulation of heme oxygenase-1[J].Food Chem Toxicol,2011,49(4):829-837.

[9]STARKHAMMAR M,KUMLIEN GS,SWEDIN L,et al.Intranasal administration of poly(I∶C) and LPS in BALB/c mice induces airway hyperresponsiveness and inflammation via different pathways[J].PLoS One,2012,7(2): e32110.

[10]EIHINI A,ABDELWAHAB S,IKEDA K.Heme oxygenase (HO)-1 is upregulated in the nasal mucosa with rhinitis[J].Laryngoscope,2006,11(6):446-450.

[11]卢岚,蒋加雁,李雨.吸入不同剂量糖皮质激素在咳嗽变异性哮喘中的效果比较[J].河北医科大学学报,2013,34(1):58-59.

[12]KAWANO K,KUSUNOKI T,ONO N,et al.Heme oxygenase-1 expression in chronic rhinosinusitis with eosinophilic infiltration[J].Auris Nasus Larynx,2012,39(4):387-392.

[13]PARK DJ,AGARWAL A,GEORGE JF.Heme oxygenase-1 expression in murine dendritic cell subpopulations[J].Am J Pathol,2010,176(6):2831-2839.

[14]LEE MY,SEO CS,HA H,et al.Protective effects of Ulmus davidiana var.japonica against OVA-induced murine asthma model via upregulation of heme oxygenase-1[J].J Ethnopharmacol,2010,130(1):61-69.

[15]FIREMAN E.Ultrafine and nanoparticles-induced oxidative stress: the role of heme oxygenase-1 and carbon monoxide as anti-inflammatory pathways[J].J Aasthma,2012,49(1):8-9.

[16]SAALU LC.The incriminating role of reactive oxygen species in idiopathic male infertility:an evidence based evaluation[J].Pak J Biol Sci,2010,13(9):413-422.

[17]SCHUMACHER A,WAFULA PO,TELES A,et al.Blockage of heme oxygenase-1 abrogates the protective effect of regulatory T cells on murinepregnancy and promotes the maturation of dendritic cells[J].PLoS One,2012,7(8):e42301.

[18]JUNG ID,LEE JS,LEE CM,et al.Induction of indoleamine 2,3-dioxygenase expression via heme oxygenase-1-dependant pathway during murine dendritic cell maturation[J].Biochem Pharmacol,2010,80(4):491-505.

[19]MATSUSHIMA M,TAKAGI K,OGAWA M,et al.Heme oxygenase-1 mediates the anti-allergic actions of quercetin in rodent mast cells[J].Inflamm Res,2009,58(10):705-715.

[20]AMIN K.The role of mast cells in allergic inflammation[J].Respir Med,2012,106(1):9-14.

[21]KARIMI K,KANDIAH N,CHAU J,et al.A Lactobacillus rhamnosus strain induces a heme oxygenase dependent increase in Foxp3+ regulatory T cells[J].PLoS One,2012,7(10):e47556.

2013-05-02；

2013-06-03

宋冬梅(1970-)，女，天津人，河北医科大学第一医院副教授，医学博士，硕士生导师，从事耳鼻喉及气道变态反应性疾病诊治研究。

*通讯作者。E-mail:wbsent@126.com

R768

A

1007-3205(2014)03-0367-04

刘斯静)