ROS在高氧肠道中的作用

赵 敏，刘冬妍

中国医科大学附属盛京医院实验研究中心，辽宁 沈阳 110004

ROS在高氧肠道中的作用

赵 敏，刘冬妍

中国医科大学附属盛京医院实验研究中心，辽宁 沈阳 110004

氧气吸入是治疗一些疾病的重要手段，尤其可改善新生儿缺氧状态。但长时间的高氧治疗会对机体器官产生严重的毒性作用。高氧能诱发线粒体产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)进而引起器官损伤。高氧环境中肠上皮细胞遭到破坏时伴随着ROS的增加，激活NF-κB信号通路，进而引起一系列的炎症反应，因此，ROS在高氧肠道损伤中发挥着重要作用。

高氧；肠上皮细胞；活性氧；过氧化氢；NF-κB

氧气是人类生存所必需的，它是维持机体生长发育必不可少的物质，贯穿机体活动的始终。氧气吸入是治疗一些疾病的重要手段，尤其可以改善新生儿缺氧状态。但氧疗使用不当，如长时间吸入高浓度的氧则对机体器官产生严重的毒性作用，氧的毒性取决于氧的浓度及吸氧时间。氧中毒造成的影响是全身性的，会对机体产生功能性或器质性的损伤。由于各器官对氧的敏感程度不同，其损伤程度也不尽相同。当前临床抢救新生儿呼吸衰竭最有效的方法是氧疗法，即机械通入高浓度的氧(简称高氧)。此疗法虽挽救患儿的生命，但长时间高氧治疗会引起肺、脑、眼等近隔器官损伤，如新生儿持续暴露在高氧环境中，过氧化氢(hydrogen peroxide，H2O2)不断增加，并从脉络膜扩散到整个视网膜，最终导致不可逆转的视网膜氧化损伤[1]。高氧诱发支气管肺发育不良，抑制细胞增殖，降低细胞生存率[2]。近年来陆续报道，长期高氧治疗还可引起新生儿肾、肝、肠等远隔器官损伤[3-4]。

1 活性氧的产生和作用机制

高氧环境下，上皮细胞间连接减弱，诱发炎症反应，导致上皮细胞的损伤[5]，这是因为在高氧环境下，各组织高氧导致其活性氧(reactive oxygen species，ROS)产生增多[6]。ROS是体内氧的单电子还原产物，是电子在未能传递到末端氧化酶之前漏出呼吸链并消耗约2%的氧所生成的。ROS和先天性抗氧化防御系统在生理性细胞信号通路和许多病理状态下发挥重要作用，其中包括神经退行性疾病和氧中毒，是高氧引起器官毒性损伤的最主要根源[7]。ROS在线粒体中产生，主要包括氧离子及H2O2[8]。一些还原型辅酶Ⅱ(triphosphopyridine nucleotide，NADPH)氧化酶(oxidase，NOX)家族的酶在上皮细胞和内皮细胞中诱导ROS的产生，通过影响细胞传导的信号通路，最终导致高氧诱导的机体损伤[9-10]。一方面，线粒体由状态Ⅲ向状态Ⅳ转换中，高氧的环境和高还原状态的呼吸链使大量电子漏出并还原氧分子而形成ROS。另一方面，细菌和毒素可同时刺激上皮细胞，导致浸润的肥大细胞、中性粒细胞与单核巨噬细胞释放ROS。肠黏膜屏障发生损伤时，肠黏膜Th1细胞因子如肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor，TNF-α)、IL-1等可刺激上皮细胞产生ROS，因而Ruh等[11]认为ROS增多是肠道炎症一系列反应的第一步。ROS还能直接或间接调整信号分子如蛋白激酶、转录因子、促凋亡因子和抗凋亡因子等导致每个器官的氧化损伤[9，12]。

机体在正常情况下，体内ROS的产生和清除处于动态平衡，此时，ROS对机体有利而无害。ROS是氧代谢的常规副产物，在细胞信号传导和保持机体平衡起很大作用。在复杂的生物体系中，生理上产生的ROS作为第二信使信号影响细胞增殖和分化[13]。在细胞中ROS的产生需要多种酶的催化。过氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)是一种活性物质，能消除机体在新陈代谢过程中产生的有害物质。通常，细胞都会通过SOD的作用来减少ROS对细胞的损伤作用。某些小分子，如维生素C、维生素E、尿酸及谷胱甘肽也作为细胞抗氧化物质发挥着重要作用[14]。在高氧环境中，高氧引起的氧化损伤能诱发线粒体ROS产生和抗氧化蛋白的表达[15]。高氧还能增加ROS适应性抗氧化反应，其发病机制部分是通过增强巨噬细胞促炎反应实现的[16]。在内皮细胞、巨噬细胞中由于ROS形成和硫氢化钠的减少可导致血管生成素-2释放[17]。有文献[18]报道，在高氧环境下通过P物质(substance P，SP)治疗能够降低ROS的水平，减少细胞的凋亡，改善细胞的生存状态。SP是高氧诱导细胞损伤和死亡的保护因子，通过激活(sonic hedgehog)信号通路，提高AECⅡs细胞的生存状态。

2 ROS对肠道的影响

肠上皮是抵抗肠道微生物的第一道防线。由于出生前胎儿肠道处于相对低氧的环境中，出生后新生儿肠绒毛和黏膜将继续分化和生长，因此出生后长期高氧治疗将引起新生儿肠道发育异常，如高氧可损伤肠道，使肠黏膜增厚，一氧化氮合酶Ⅱ(NOSⅡ)蛋白含量减少，肠绒毛结构改变和调整NOS，并影响新生儿肠道屏障功能使肠黏膜增厚[3]。因此，由低氧环境突然暴露在高氧环境及新生儿不成熟的抗氧化调节系统，新生儿肠道更易发生炎症反应[19]。当高氧激发肺等近隔器官的氧化应激反应时，ROS大量生成并释放入血，随血液循环到肠道，激活炎症信号[20]，进而引起肠道炎症反应及肠组织损伤，使肠道微环境发生变化；其次在高氧作用下肺部发生炎症反应，大量炎性细胞因子释放入血，通过呼吸暴发脱颗粒释放ROS入血，随血液循环到肠道，损伤肠黏膜；再有肺组织通气或换气功能障碍可能导致肠组织供氧不足使肠道ROS产生增多而导致肠黏膜改变，继发引起肠道微环境变化。有文献[21]报道，肠上皮细胞的氧化损伤与ROS、SOD、谷胱甘肽有关。

ROS在控制正常的肠道微生物群和致病菌中发挥着重要作用[22]。肠上皮细胞是肠黏膜屏障组成中最重要的细胞成分，肠黏膜屏障遭到破坏时伴随着ROS的增加，ROS作为细胞内第二信使可以激活多种转录因子，调控致炎细胞因子和化学因子的过度表达，加重肠黏膜屏障功能的损伤。过氧化氢酶作为ROS的清除剂，减少肠黏膜内ROS的数量，减弱ROS的第二信使作用，从而起到保护肠黏膜的作用。ROS在细胞信号传导、生长和维持体内平衡中发挥重要作用[23]，并在黏膜防御中发挥着重要作用，上皮细胞NADPH氧化酶类在肠道感染时通过扰乱细菌信号发挥早期抗菌防御的作用[24]。体外和体内肠道共生菌接触上皮细胞能迅速产生ROS[25]，ROS急剧增多时，产生氧化应激导致明显的细胞因子结构损伤。小肠黏膜损伤早期，ROS的产生对小肠上皮细胞通透性的增加起到重要作用[26]。ROS可诱导细胞因子的产生[27]，而细胞因子又在肠道ROS的产生中起到重要作用，如TNF-α是一种能够直接杀伤肿瘤细胞而对正常细胞无明显毒性的细胞因子。TNF-α在肠上皮细胞的高表达预示它们可能是肠道损伤的指示因子。其能通过诱发细胞内线粒体ROS(mitochondrial ROS，mtROS)的产生引起细胞损伤，加重肠道炎症和肠道损伤。在肠上皮细胞中，TNF-α诱导细胞凋亡，ROS调控机体健康与疾病平衡过程。在线粒体电子传递链中产生氧代谢产物，对细胞信号传导起着重要作用，线粒体内的抗氧化剂(phenyl-tert-butynitrone，PBN)能够抵抗TNF或ROS诱导的肠上皮细胞损伤[19]。在小鼠小肠上皮细胞系(mouse intestinal epithelial cell line,MODE-K)细胞中，由TNF-α导致的细胞死亡中过多的ROS主要来源于线粒体和氮氧化物[28]。同时ROS也是引起肠道缺血再灌注损伤的原因之一[29]。文献[30]指出益生乳酸杆菌GG能够诱导体内体外肠上皮细胞ROS的产生并能够阻止TNF-α诱导激活NF-κB信号通路。

3 NF-κB通路参与ROS调控

NF-κB为一个转录因子蛋白家族，包括5个亚单位：Rel(cRel)、P65(RelA、NF-κB3)、RelB和P50(NF-κB1)、P52(NF-κB2)。NF-κB是一种重要的信号分子，在不同的细胞类型及各种组织中参与高氧所导致的生理反应[31]。NF-κB也可以调节炎症反应和肺上皮细胞的损伤或死亡[32]。有文献[33]报道，氧化应激和NF-κB核酸因子的激活在炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)的发病机理中起着关键作用。IBD时，白细胞渗透进入肠道组织，导致ROS诱发肠道损伤[34]。

同时，ROS作为基因表达的重要信号分子在细胞因子诱导的基因表达中也发挥着重要作用，当其在高水平表达时可能导致氧化应激和细胞损伤[35]。随着ROS产生的增加，细胞凋亡率逐渐增加[36]。ROS直接参与NF-κB炎症通路，REL-A和REL-B二聚化后形成有功能的NF-κB，它调控着基因编码急性期反应蛋白、细胞因子、细胞黏附分子和免疫调节分子等。通过调控多种基因的表达，NF-κB参与免疫反应、炎症反应、细胞凋亡、肿瘤发生等多种生物进程。适当的ROS对阻止NF-κB通路的过度活化是必需的，但过高的ROS水平会对细胞和基因结构造成损伤，异常的ROS通过细胞毒作用或抑制NF-κB活性将引起肠道损伤，引起肠道炎症病变[30，37]。当机体受到高氧刺激时，机体产生的H2O2增加，受损组织可以释放ROS使浓度降低，表明ROS可以协调组织的炎症反应[38]。Jin等[39]研究发现H2O2诱导的氧化应激能增加细胞的凋亡。H2O2可以显著增加细胞内的自由基，导致严重的DNA损伤同时显著降低超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶、脂肪酶的激活[40]。

4 展望

高氧环境中的ROS对机体的作用机制十分复杂，至今仍未完全阐明，深入了解ROS在高氧环境中对机体的影响将有助于我们认识许多免疫性疾病的发生、发展过程，对探究病因和研究治疗方法具有重要意义。近年来，相关研究已取得一定成果，如高氧动物模型肠黏膜SIgA和肠道pIgR/SC的检测；体外培养研究发现长期过度高氧(60%、90%浓度高氧)可杀伤肠上皮细胞Caco-2，对其生长有抑制作用，影响肠上皮细胞表达pIgR/SC，高氧环境中肠道损伤的相互作用机制已被部分揭示，但还有很多重要问题没有解决，如高氧环境中SIgA的作用机制、信号通路的改变过程、氧中毒的病理机制、如何应对高氧对肠道免疫系统造成的损伤等。随着基础免疫学的研究进展和学科间的渗透，研究ROS是否为高氧导致肠上皮细胞损伤的主要原因将会对机体各系统的免疫防御和疾病治疗有重要的指导意义。探明ROS在高氧损伤肠道中的作用，为探讨高氧对肠道屏障的变化及其机制作了铺垫，为进一步研究高氧对远隔器官影响奠定基础，为深入探索防治氧疗后遗症新途径奠定实验基础。

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(责任编辑：马 军)

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

国家自然科学基金(30871158、81170604)，盛京自由研究者

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

刘冬妍，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