血红素加氧酶1及其产物在脑出血中的作用

刘明君，戚基萍

(哈尔滨医科大学附属第一医院病理科，哈尔滨 150001)

脑出血，又称脑实质内的非创伤性自发性出血，是一种高致死率和致残率的卒中亚型，约占亚洲卒中总患病率的25%[1]，每年发病率为24.6/10万，并且随着抗凝药物、抗血小板药物的应用，以及人口老龄化的加剧，这个数字仍在不断的上升[2]。脑出血后伴随的神经功能障碍也严重影响患者的生存质量。目前临床对于脑出血的治疗方法包括干细胞移植、微创清除颅内血肿、降低颅内压、使用抗神经炎症、抗氧化及神经营养药物、重组因子Ⅶa治疗、免疫抑制治疗等，但治疗效果并不显著[3]。大量实验研究证明，血红素加氧酶- 1(heme oxygenase- 1,HO- 1)在脑出血后被血红素迅速诱导表达，参与各种代谢过程[4- 6]，但其对疾病具体的调控机制仍然存在争议。因此，深入研究HO- 1及其产物在脑出血后继发性脑损伤中的作用，为疾病严重程度的判断、治疗及预后提供重要的理论依据。

1 HO- 1概述

血红素加氧酶是血红素分解代谢过程中的限速酶。主要由HO- 1、HO- 2和HO- 3三种同工酶组成。HO- 1属于诱导型酶，正常生理条件下，HO- 1主要存在于血管内皮细胞，在中枢神经系统中表达很低，但在脑出血后HO- 1可被快速诱导并参与氧化应激、炎症反应和细胞凋亡等过程[7]。与HO- 1不同，HO- 2属结构型酶，主要在大脑中稳定表达，对神经元起保护作用，在缺氧性脑损伤中作用更加明显[8]。HO- 3分子结构与HO- 2更相似，但催化活性却远低于HO- 2。由于脑出血后干扰HO- 1有较大的治疗潜力，所以HO- 1在脑出血中的作用成为研究的焦点。

HO- 1,又称热激蛋白32，由HMOX1基因编码，位于人体第22号染色体上，含有4个内含子和5个外显子。脑出血后，HO- 1催化血红素分解代谢产生胆绿素、亚铁离子和一氧化碳(carbon monoxide,CO)，胆绿素通过胆绿素还原酶转化为胆红素发挥抗氧化作用[9]。而核因子红系2相关因子2是HO- 1经典的上游调控因子，参与细胞氧化还原状态调节的氧化还原，生理条件下，通过与Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白- 1结合存在于细胞质中，脑出血后Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白- 1的构象随之改变，并释放核因子红系2相关因子2，核因子红系2相关因子2进入细胞核与抗氧化应答元件结合，促使HO- 1的转录翻译及表达[10]。

2 HO- 1在脑出血后的临床研究

目前已有数例关于HO- 1在临床试验中的研究，在一项纳入40例脑出血患者与40例单纯头痛患者的研究中，脑出血患者的血清中HO- 1、总胆红素、直接胆红素水平较单纯头痛患者升高，但HO- 1对脑出血患者的作用尚不明确[11]。此外，另有研究通过分析41例Fisher Ⅲ级动脉瘤性蛛网膜下腔出血患者脑脊液中HO- 1、铁蛋白等指标水平，发现HO- 1水平与患者的不良预后呈正相关，认为HO- 1可以作为评估该类疾病患者预后的指标，但该研究仅分析了单一时间点脑脊液中的生化标志物水平[12]。可见，HO- 1在脑出血后对于患者病情诊治及预后评估有重要价值，但目前研究数据尚不足以充分判断HO- 1在患者体内表达的程度及时间与病情具体的相关性，仍需进一步增加检测HO- 1的时间点、扩大样本量。

临床前研究证明，HO- 1对于脑出血的作用具有两面性，一方面对组织具有保护作用，而另一方面加重组织损伤。例如：HO- 1通过促进血红素分解代谢而发挥强烈的抗氧化和抗炎的作用，但脑出血早期上调HO- 1会增加活性氧水平，造成组织细胞损伤[13]；HO- 1分解血红素产生过量的游离铁沉积于脑内可引起脑水肿，但也可以促使铁蛋白合成，增加多余游离铁的消耗，达到细胞保护的目的[14]。所以，仍需深入研究HO- 1对脑出血的作用机制，为脑出血的治疗提供新思路。

3 HO- 1在脑出血后的作用

3.1HO- 1在小胶质细胞中表达的作用 小胶质细胞是中枢神经系统中重要的免疫细胞，在脑出血后最先激活。活化的小胶质细胞的主要作用是吞噬血肿及细胞碎片，从而维持组织稳态，并促进神经功能恢复。然而，小胶质细胞还可以产生促炎症细胞因子、活性氧、一氧化氮合酶等，加重脑损伤[15]。

Zhang等[13]研究发现，HO- 1在脑出血早期小胶质细胞中大量表达，可增加小胶质细胞活化数量，促进炎细胞浸润，诱发炎症反应，并加重神经损伤；但是，在疾病的恢复期，HO- 1水平增加有助于神经功能恢复。然而，HO- 1相关炎症反应的信号转导通路尚不清楚。Toll样受体4(Toll- like receptor 4,TLR4)是模式识别受体家族成员之一，脑出血后在活化的小胶质细胞上表达明显增多，并且通过调节其下游衔接的信号分子髓样分化因子88和TLR结构域衔接蛋白诱导核因子κB活化向核内转移，产生大量炎症因子，如肿瘤坏死因子- α和白细胞介素- 1β，这些因素导致脑出血后发生炎症损伤并加重神经功能障碍[16]。目前脑出血后HO- 1是否能够调控TLR4尚未得到证实。但在脑缺血、急性肺损伤、肝纤维化等疾病中，TLR4的表达均受到HO- 1的调控[17- 19]。由此推测，HO- 1对于TLR4在脑出血后小胶质细胞中可能具有调控作用，具体调控机制值得深入探讨。

脑出血后，活化的小胶质细胞除了能够早期诱发炎症反应外，在脑出血恢复期，其吞噬功能处于主导地位。小胶质细胞的表面有若干受体介导吞噬作用，CD36属于B型清道夫受体家族，临床研究证实，脑出血患者中CD36基因缺乏患者的血肿吸收速率较CD36表达正常的患者明显减慢，TLR4及肿瘤坏死因子- α能够抑制小胶质细胞表面CD36的表达，从而减弱小胶质细胞对血肿的吞噬作用[20]。

此外，CD163在脑出血中的研究也受到关注，CD163是血红蛋白清道夫受体，在小胶质细胞膜上表达。检测蛛网膜下腔出血患者脑脊液中CD163的表达水平发现，CD163增高的患者血肿清除效果更好，对改善疾病预后有益[21]。有文献证实，CD163与HO- 1在脑出血后可协同发挥抗炎、促血肿吞噬的作用[22- 23]。

这些证据表明，脑出血后小胶质细胞激活与HO- 1密切相关，并且HO- 1调控小胶质细胞发挥作用与疾病发生时间有关，下一步可明确HO- 1在小胶质细胞中作用发生改变的时间点，为HO- 1的靶向治疗提供时间依据。

3.2HO- 1在星形胶质细胞中表达的作用 星形胶质细胞是中枢神经系统中最主要的神经胶质细胞，能够为中枢神经系统提供支持、分隔、营养神经细胞的作用，同时还能通过其氧化应激防御能力在维持氧化还原稳态中发挥关键作用[24]。

血红蛋白作为脑出血后溶血释放的主要成分，是星形胶质细胞的有效激活剂。实验证实，经过血红蛋白预处理而激活的星形胶质细胞可以抵抗血红蛋白分泌产物血红素的毒性，减少活性氧的积累及细胞的凋亡[25]。这种病理过程被称为脑出血后的适应性自卫，由核因子红系2相关因子2与HO- 1途径介导[25]。使用胶原酶构建小鼠脑出血模型，与野生型脑出血小鼠相比，大脑星形胶质细胞中HO- 1基因过表达的小鼠在造模后死亡率显著降低，野生型脑出血小鼠在脑出血灶周边神经元损伤约40%，而大脑星形胶质细胞过表达HO- 1的转基因小鼠神经元损伤只占野生型小鼠的一半，且血脑屏障破坏和神经功能障碍在短期内均有所缓解[6]。此外，HO- 1在星形胶质细胞中发挥正向作用还归因于其能促进神经营养因子的产生，研究证实，脑源性神经营养因子和神经胶质细胞衍生神经营养因子分别产生于多巴胺能神经元和神经胶质细胞，HO- 1继而通过其下游产物参与神经元和星形胶质细胞中脑源性神经营养因子和神经胶质细胞衍生神经营养因子表达的调节[26]。

脑出血后HO- 1在星形胶质细胞中过表达保留了神经元活性，通过抗氧化、促神经营养因子产生等多种方式发挥保护作用。HO- 1在脑出血早期通过小胶质细胞介导炎症反应，后期可促进小胶质细胞吞噬作用，加快脑内血肿吸收。

4 HO- 1分解产物在脑出血后的作用

4.1胆绿素/胆红素 脑出血后，HO- 1催化游离的血红素产生胆绿素，随后在胆绿素还原酶的作用下迅速转化为胆红素。作为人体血清中最丰富的内源性抗氧化剂，胆红素的表达水平反映了各种疾病发生氧化应激的程度。此外，胆红素还能够清除羟基自由基、单线态氧和超氧阴离子，并抵抗低密度脂蛋白和脂质过氧化，以此发挥强大的抗氧化作用[27]。研究发现，与对照组相比，脑出血后患者血清中胆红素与HO- 1水平显著升高，提示脑出血后HO- 1及胆红素水平与氧化应激程度密切相关[11]。

4.2CO 作为脑出血后HO- 1代谢血红素产物之一，CO的释放能够使HO- 1在脑中发挥保护作用，如：CO可促进平滑肌松弛，从而减少蛛网膜下腔出血后脑血管痉挛的发生[28]。此外，CO通过调节可溶性鸟苷酸环化酶和促分裂原活化的蛋白激酶途径，发挥抗细胞凋亡和抗炎的作用[29]。不仅如此，在活化的小胶质细胞中，HO- 1可通过CO抑制脂多糖刺激产生的一氧化氮，继而削减小胶质细胞在急性炎症期的迁移及吞噬能力，并逆转神经轴突外向生长受抑制的情况，具有重要的细胞保护作用[30]。同时，还有研究显示，HO- 1/CO在蛛网膜下腔出血中可通过增加小胶质细胞的吞噬能力来降低脑中血红蛋白的负荷，从而改善神经元损伤及认知功能障碍[5]。Schallner等[31]发现脑出血后，患者脑脊液中负责调控人体生物节律的Per- 2基因表达升高，进一步研究发现，敲除HO- 1基因后，小鼠的Per- 1，Per- 2和神经元PAS结构域蛋白2等调控生物节律的基因表达降低，神经细胞凋亡率上升，而低剂量吸入CO后上述状况可明显好转，证明脑出血后HO- 1/CO有助于生物节律的调节及神经保护，同时也为疾病的治疗提供了新的思路。

4.3铁 由HO- 1催化的游离铁是血红素降解的另一种产物。脑出血后红细胞释放的血红素短期内被HO- 1降解产生大量的游离铁,这些游离铁沉积在体内可通过氧化应激、炎症反应或者直接神经毒性作用导致脑水肿、血脑屏障破坏、神经和认知功能障碍及脑萎缩[32]。而去铁胺作为铁螯合剂，通过与三价铁离子络合形成复合物经尿液将多余的铁排出体外，以达到脑出血后减轻神经功能损害的目的，目前已成为脑出血治疗研究的焦点，并进入Ⅱ期临床试验[33]。米诺环素作为另外一种铁螯合剂，具有良好的脂溶性和易透过血脑屏障的特点，被用于神经系统疾病的研究。研究表明米诺环素可以减轻大鼠脑出血后铁超负荷和铁诱导的神经功能缺损[34]。证实预防铁介导的毒性对脑出血的治疗有积极作用。尽管目前对于脑出血后铁沉积已有潜在的治疗方法，但仍缺乏有效无创方法对脑出血后脑铁沉积量及降铁疗效进行评估。磁共振成像因分辨率高、磁敏感性强等特点已被初步用于研究铁定量，虽然有一定局限性，但可以体外无创监测患者脑内铁含量，为临床个体化精准用药提供辅助诊断依据，同时提高患者的生存率及生存质量[35]。

5 小 结

脑出血后HO- 1在大脑内被迅速激活，通过血红素代谢产物及其所活化的细胞发挥抗炎、抗氧化及调节细胞凋亡的作用。而在此过程中，HO- 1对于脑出血后的干预作用会随时间而发生改变。脑出血早期HO- 1增加小胶质细胞活化数量可诱发炎症反应并加重神经功能损伤。但在疾病恢复期，HO- 1的缺乏造成小胶质细胞吞噬功能减弱，反而阻碍了神经功能的恢复。有研究证实急性脑损伤时活化的小胶质细胞可极化形成经典的M1(促炎症)表型或M2(抗炎促吞噬)表型，且随着疾病的发展，活化的小胶质细胞可以动态地改变表型，以维持神经系统的稳态[36]。

HO- 1除可以在小胶质细胞、星形胶质细胞中发挥作用外，还可以在少突胶质细胞中对细胞产生影响。该机制是通过药物刺激HO- 1活化，继而促进脑源性神经营养因子、神经胶质细胞衍生神经营养因子和转化生长因子- β等神经营养因子的产生，从而对少突胶质细胞中脂多糖诱导的细胞毒性发挥保护作用[37]。这一发现为HO- 1改善脑出血预后提供了新的可能，未来可以继续深入研究HO- 1与脑出血后发挥功能的细胞之间的关系，此外，也可以探寻是否能通过检测HO- 1及其代谢产物的表达水平精准评估疾病的进展，继而实施个体化治疗。这些问题仍需进一步探索，为临床脑出血的治疗提供更多的新思路。