一氧化碳释放分子抗心肌缺血再灌注损伤作用的研究进展

郭昊 张祥宇 江力勤

急性心肌梗死已成为威胁居民健康的重要杀手之一。冠状动脉血流恢复后发生的心肌缺血再灌注损伤也为急性心肌梗死的治疗带来巨大挑战。心肌缺血再灌注损伤的机制主要涉及炎症反应、氧化应激、细胞凋亡等方面。研究表明，一氧化碳（CO）及其衍生物CO释放分子（carbon monoxide releasing molecules，CORMs）能够通过抑制炎症反应，抗氧化应激，减少细胞凋亡途径减轻心肌缺血再灌注损伤。

1 CO概述

CO是碳的双原子氧化物,在标准状况下是一种无色、无臭、无刺激性的气体。传统的观点认为CO是一种有毒气体，因为其对还原铁血红蛋白有强大的亲和力，较血红蛋白对分子氧的亲和力高出220倍，可以与血红蛋白可逆结合形成COHb，造成细胞缺氧和CO中毒[1]。19世纪40年代，Sjostrand等发现人体内存在少量的CO。随后大量的研究发现体内CO有3种来源：（1）血红素加氧酶（Hemeoxygenase，HO）催化血红素氧化成胆绿素、CO和游离铁[2]。在哺乳动物中有两种HO同种型的HO-1和HO-2，HO-1的表达由氧化应激诱导，主要存在于脾脏和肝脏中，HO-2主要存在于大脑和睾丸中[3]；（2）体内脂质过氧化作用会产生少量的CO；（3）吸入的空气中含有少量CO。

CO与一氧化氮类似，是内源性信使分子[4]，参与体内信号传导过程[5]，调节体内许多生理和病理过程。CO在人体内有以下作用：调节血管张力，抑制炎症反应，抑制血小板聚集，激活离子通道，抗氧化应激，抗细胞凋亡[6-11]。

2 CORMs

尽管CO在体内有巨大的治疗潜在价值，但由于气态CO难以储存和输送，CO的临床应用受到严重阻碍。因此为了安全有效地利用CO，Motterlini提出了CORMs的概念，即利用CO载体实现CO定点释放。CORMs可通过溶解后不经机体代谢而以稳定的化学形式储存和携带CO，较CO气体以更可控的方式携带和供应CO到靶点组织发挥生理作用，而且在一定的生理剂量范围内并不提高体内血红蛋白浓度，用药时机和用药剂量更易于控制。

Wrighton等在1975年发现CO可以与有机溶剂中的过渡金属结合形成稳定的羧基化合物。在此基础上，羧基作为配体配位结合在一些重金属比如镍、铁、钴等上形成配合物，合成CORMs。从体外对这些物质进行的无机化学研究可知，金属配合物中的某些配体可以通过空间或电子途径促进CO的解离[12]，某些CORMs可以在光解条件下释放CO。过渡金属丰富化学特性使得CORMs能够通过将生物配体配位到金属中心上来有效地修饰以使分子具有较低的毒性，具有较高的水溶性，并且对CO的释放进行精细调节。按照CO释放激活的方式对CO释放分子分为：溶剂触发的CORM，光-CORM，酶触发的 CORM（ET-CORMs），热触发的 CORM，氧化触发的CORM，pH触发的CORM等[13]。按照CORMs的化学 成 分 可 以 分 为 CORM-1、CORM-2、CORM-3、CORM-F和CORM-A1及其衍生物。

3 CORMs在心肌缺血再灌注损伤中的作用

心肌缺血再灌注损伤是指在短时间心肌血供中断一定时间内恢复血供,原缺血心肌发生较血供恢复前更严重的损伤。体内HO降解血红素产生的内源性CO能够减轻心肌缺血再灌注损伤[14-15]。研究证明，低浓度的CORMs可模拟HO-1衍生的内源性CO的活性，能够减少心肌梗死面积，减轻心肌缺血再灌注损伤[16]。

3.1 抗氧化应激 心肌缺血再灌注时的第一个破坏性事件是活性氧的爆发，活性氧的爆发直接对线粒体产生氧化损伤，破坏腺苷三磷酸的产生[17]，从而导致复合物Ⅰ和复合物Ⅲ位点的电子泄漏形成过量的活性氧，这些活性氧进一步加重线粒体损伤和功能障碍。在严重的氧化应激下，促进线粒体通透性转换孔的开放[18-19]，导致膜电位去极化，基质肿胀，线粒体外膜破裂，以及细胞色素c等促凋亡分子释放到细胞内[20]，最终导致灌注后心肌细胞的坏死和凋亡[21]。线粒体中的活性氧不仅会引发心肌急性损伤，还会引发再灌注后数分钟，数天和数周内发生的病变。大量研究发现，低浓度的CORM-3、CORM-2可以通过轻微的线粒体呼吸解偶联来减少线粒体中活性氧的产生，保护线粒体功能，减少心肌细胞坏死和凋亡和抑制炎症反应，从而减轻心肌缺血再灌注损伤[22]。在缺氧状态下，一氧化氮合酶的活性增加，产生高浓度的一氧化氮通过形成氧亚硝酸盐形成导致心肌细胞氧化损伤，细胞凋亡和坏死，研究表明，CORM-2可以通过抑制一氧化氮合酶的活性减轻心肌细胞的氧化损伤[23]。

3.2 抗心肌细胞凋亡 心肌梗死期间，心肌细胞坏死占据优势，血管再通后为细胞提供了必不可少的氧气和糖分，同时为心肌凋亡提供了所需的能量。细胞凋亡主要通过外源性和内源性途径导致半胱天冬酶（caspase）激活。参与心肌缺血再灌注细胞凋亡外源性途径的死亡配体（例如CD95/Fas配体，TNF-α）与其同源细胞表面死亡受体（例如CD95/Fas，TNF-α 受体）结合，激活 caspase-8，caspase-3以及促凋亡Bcl-2家族成员Bid，启动级联放大反应，导致细胞凋亡[24]。内源性途径主要是由线粒体产生的活性氧通过调节Bcl-2蛋白家族成员的表达和（或）活性，引起细胞色素c从线粒体中释放，细胞质细胞色素c引起Apaf1衔接子的构象变化，然后募集上游caspase-9、caspase级联的激活导致细胞凋亡[25]。CORMs 通过激活 NF-κB、STAT1、STAT3等信号传导通道，增加一系列抗凋亡蛋白在心肌细胞内的水平，这些蛋白会影响线粒体依赖性以及死亡受体介导的凋亡途径[26]。CORMs能够恢复线粒体呼吸和超微结构改变，保护线粒体功能，减少活性氧的产生，降低细胞色素c的释放和caspase-3表达，减少心肌细胞凋亡[27]。低浓度的CORMs可以通过激活MKK3/p38通路从而降低Fas/FasL水平以及随后的下游效应物发挥抗凋亡作用，降低促凋亡Bcl-2家族成员Bid，增加抗凋亡Bcl-2家族成员水平[28]，发挥抗凋亡作用。

3.3 抗炎作用 1983年Joseph等观察到通过提前消耗循环中的中性粒细胞，暂时夹闭犬冠状动脉产生的心肌梗死面积大大减小，证实了中性粒细胞在心肌缺血再灌注损伤中的作用。心肌缺血再灌注使NLRP3炎性体包含caspase募集蛋白[29]，caspase募集蛋白的衔接分子凋亡相关斑点样蛋白和诱导胱天蛋白酶 -1活化成 caspase-1[30]，caspase-1是IL-1b的转换酶，其活化使pro-IL-1b成为其成熟形式并诱导IL-1b释放，从而导致炎症反应和组织损伤[31]。心肌缺血再灌注导致血管内皮细胞黏附分子表达增加，释放促炎细胞因子如TNFα，IL-6和IL-8[32-34]。缺血再灌注通过抗体依赖性经典途径，旁路途径和甘露糖结合凝集素-甘露糖结合凝集素相关丝氨酸蛋白酶途径激活补体5[35]，c5b可以使细胞膜中的孔形成，导致细胞死亡。研究表明，CORMs可以通过抑制细胞因子激活核因子B基因的表达，阻止中性粒细胞表面CD11b和干扰内皮细胞或选择素（E-选择素，P-选择素或细胞因子）上免疫球蛋白超家族黏附分子（如细胞间黏附分子1，血管细胞黏附分子1）的表达[36]，从而抑制中性粒细胞粘附至血管内皮细胞。另外研究表明，CORMs可通过调节丝裂原活化蛋白激酶活性减少TNF-α、IL-8、IL-6等炎症介质的产生[37-38]，增加抗炎因子IL-10的产生。CORM-2还可以下调caspase-1活化和IL-1b成熟和分泌[39]。

综上，CORM作为一种高效的CO载体，能最大程度模拟人体内源性CO的抗心肌缺血再灌注损伤作用，在临床上有巨大的应用潜力。