血红素加氧酶-1在眼科疾病中的应用

张 丹，赵 军，张娟美

0引言

在疾病状态下，机体内的氧化与抗氧化系统失衡，为维持健康状态机体会调用各种抗氧化酶。血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)是目前已知的最易诱导的抗氧化酶之一。HO-1是血红素代谢过程中限速酶，其可将血红素分解成为一氧化碳(carbon monoxide，CO)、铁离子、胆绿素，最终联合其代谢产物发挥着抗炎、抗氧化、抗凋亡等作用[1]。氧化应激机制在许多疾病的发生与发展中起重要作用，HO-1已在心血管系统、消化系统、呼吸系统、泌尿系统疾病及各类实体肿瘤中得到广泛研究与应用。近年来，HO-1在眼科疾病中的作用机制研究越来越多。本文将通过角膜病、白内障、青光眼、糖尿病视网膜病变、眼部肿瘤五个方面将HO-1在眼科疾病中的研究作一综述。

1 HO家族

20世纪80年代，Maines等[2]在动物和人体的肝脾脏、肺、脑和睾丸等组织中获得HO及其同工酶。迄今为止，我们已经发现了三种HO，HO-1为诱导型；HO-2、HO-3为结构型。

HO-1位于染色体22q12上，在体内广泛存在，是眼部组织中的重要抗氧化酶之一。20世纪80年代Abraham等[3]在人体角膜上皮细胞中首次发现HO的活性。此后的研究证实，在各种病理因素诱导下视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)细胞、视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell，RGC)、晶状体上皮细胞(human lens epithelial cells，LECs)和小梁网细胞等均有HO-1的表达[4-7]。

HO-2是组成型酶，多认为其与CO的神经信使有关[8]。Caglayan等[9]最近发现在圆锥角膜上皮中HO-2的表达显著低于屈光不正对照组，推测HO-2在圆锥角膜的发病机制中起一定的作用。HO-3虽广泛分布，但活性很弱，目前暂无HO-3在眼部组织中表达的报道。

2 HO-1调节因素及作用

正常情况下HO-1主要在肝、脾内高表达，在其他组织中低表达，一旦受到缺氧、细胞因子、紫外线、过氧化氢、重金属离子等刺激后表达上调，以维持细胞稳态、降低氧化损伤、减少细胞凋亡等。HO-1的调节主要集中于转录水平，其基因包括4个内含子和5个外显子。HO-1基因启动子内含有两个增强子区E1和E2，多个顺式作用元件，包括抗氧化反应元件、肿瘤基因结合位点、过氧化氢酶元件、血红素反应元件等[10]。不同的刺激条件可激活上游活化激酶，如丝裂素活化蛋白激酶、蛋白激酶A、蛋白激酶C等，然后促使转录因子Nrf2、AP-1、NF-kB等与DNA结合，最终诱导HO-1表达上调。

游离的血红素本身可诱导氧化应激炎症，并可促进活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生。血红素具有亲脂性，与细胞膜结合促进炎症因子的表达，导致白细胞黏附、聚集，甚至导致血管通透性水肿和血栓的形成。HO-1的诱导表达可及时、有效地把游离血红素代谢成CO、铁离子、胆绿素，从而起到保护机体的作用。同时伤害性刺激可导致体内游离血红素释放增加，游离血红素又以底物水平升高方式促进HO-1表达形成反馈环路[11]。机体在氧化损伤刺激下，可形成“呼吸爆发”进而激活HO-1-CO途径，保护机体免受损伤[12]。CO是体内重要的信号转导分子，可上调环鸟苷酸(cGMP)，直接产生舒张血管和抗血小板凝集的作用，此外CO可通过旁分泌和自分泌的作用，与细胞内可溶性鸟苷酸环化酶结合。CO还可通过影响自主神经系统的活性来间接发挥扩张血管的作用。低浓度的CO可通过p38/MAPK途径减少细胞凋亡。胆绿素可通过胆绿素还原酶途径，转换成胆红素。胆红素作为体内一种强抗氧化剂，可清除ROS。铁离子可诱导铁蛋白的产生。铁蛋白进而可作为一“储存库”限制铁离子参与过氧化氢和超氧阴离子的生成，减少细胞内游离铁的蓄积，减轻ROS所造成的细胞损伤。

3 HO-1与眼科疾病

3.1 HO-1与角膜病眼表炎性反应对眼表功能的损伤起到关键作用。糖尿病可通过影响渗透压影响泪膜稳定性，改变泪膜和结膜上皮的状态[13]。据报道显示，钴原卟啉(一种HO-1的诱导剂)诱导HO-1表达上调，加速糖尿病角膜病变的愈合。Sun等[14]在小鼠高糖模型中抑制可溶性环氧化物水解酶(sEH)，可阻止泪液缺乏的发展，加速角膜上皮闭合的速率，并增加HO-1的表达。角膜内皮细胞是角膜透明的关键。日本的一项调查显示，白内障术后穿透性角膜移植术占据了24.2%，同时英国最近一项调查显示，在角膜内皮移植术的适应证中，白内障术后仅次于Fuchs角膜营养不良。在白内障超声乳化过程中，超声波诱导形成羟基(·OH)，可致角膜内皮氧化损伤。氢气可通过调节HO-1mRNA的表达，保护角膜内皮细胞[15]。近年来随着角膜屈光手术的开展，圆锥角膜的发现率逐步提高。圆锥角膜病变主要特征是高度近视和严重的不规则散光，中重度病变可影响角膜前后弹力层，甚至遗留角膜瘢痕。Liu等[16]证明萝卜硫素可通过激活Nrf2/HO-1信号转导途径在圆锥角膜中起保护作用。这些研究表明HO-1表达增加在角膜病中起细胞保护作用。

3.2 HO-1与白内障白内障是世界性致盲性眼病。“视觉2020，人人享有看见的权利”的全球倡议中就把白内障列为其中。目前白内障发病机制尚无确论，其中氧化损伤是其中一种重要的作用机制。ROS不仅可以诱导晶状体上皮细胞分化为纤维细胞，还可影响Na+-K+-ATP酶的活性[17]。HO-1及其代谢产物可发挥一定的保护作用，同时在内皮细胞中具有重要的氧化还原调节功能。马天驹[18]在过氧化氢介导的人晶状体上皮细胞中，发现HO-1可减少氧化物质(ROS等)的生成，增加抗氧化物质(谷胱甘肽等)的生成，减少晶状体上皮细胞凋亡，并可增强细胞的抗氧化损伤的作用。而白藜芦醇对于过氧化氢诱导的晶状体上皮细胞具有保护作用，可以减少活性氧的积累，并增加HO-1、过氧化氢酶等表达水平[19]。Liu等[20]发现金樱子在高葡萄糖培养的白内障SRA01/04细胞模型中可调节HO-1表达上调，降低ROS的水平，同时改变细胞线粒体膜电位(MMP)，这可能提高了晶状体上皮细胞的耐受性。关于HO-1作为白内障的干预靶点需更加详细的研究。

3.3 HO-1与青光眼青光眼目前已成为全世界不可逆致盲性眼病首位，尤其是亚洲后裔，且有一定的遗传倾向。病理性高眼压是青光眼危险因素之一。实验表明高眼压可视乳头轴浆流不同程度的中断造成视乳头选择性缺氧。眼压急剧变化可引起视网膜缺血/再灌注损伤。而氧化应激反应是急性青光眼视网膜缺血/再灌注损伤的关键一环，是RGC损害的重要原因之一[21]。青光眼患者要制定“个体化理想眼压”，并控制或延缓青光眼视神经病变。在Koriyama等[22]研究中发现，ɑ-硫辛酸可通过Keap1-Nrf2途径诱导HO-1表达，从而起到保护作用。曲美他嗪最初因为具有改善缺血性肌细胞代谢的作用被用于抗心绞痛。研究表明曲美他嗪可通过Nrf2-HO-1途径改善高眼压所致的视网膜损伤和视网膜神经节细胞的凋亡，有望成为新的青光眼治疗药物[23]。HO-1代谢产物CO作为眼压的调节因子参与青光眼眼压的调节[24]。近年来，中药在青光眼研究中越来越受到关注。从中医角度来讲，青光眼的治疗应注意平衡眼压、疏肝理气、活血化瘀。活血化瘀汤、益精杞菊地黄颗粒在一定程度上具有保护视网膜的作用，并减少了RGC的凋亡[25-26]。芍药苷为我国传统医药，是一种单萜糖苷，现已证实在脑损伤小鼠动物模型中，其可通过上调HO-1的表达，减弱氧化应激反应，对神经起到保护作用[27]。芍药苷将在青光眼视神经保护方面具有很大的研究价值。

3.4 HO-1与糖尿病视网膜病变糖尿病视网膜病变是糖尿病最常见、最严重的眼部微血管并发症，是发达国家劳动适龄人群失明的首要原因。现研究发现糖尿病神经病变更早发生，主要表现为神经细胞的凋亡和胶质细胞的活化，提出“神经-血管”单位的概念[28]。越来越多的证据证明，氧化应激机制在糖尿病视网膜病变的形成和发展过程中起着重要作用。高血糖和相应的缺血-再灌注(I/R)损伤显著影响视网膜病的发展[29]。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)过量表达可致血管渗透性增加，促使内皮细胞增殖、迁移，导致细胞外基质变性，增加炎症因子的释放、黏附因子的表达，诱导多元醇代谢途径。在DR早期，VEGF的表达就开始增多，并且后期与病变的严重性呈正相关[30]。有研究发现在链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠视网膜内，对照组Nrf2+/+的小鼠视网膜神经节细胞未受影响，并且无新生血管的出现，同时HO-1表达增加，推测Nrf2途径通过HO-1表达起到保护视网膜血管的作用。张思远[31]发现通过tBHQ途径可上调HO-1的表达，降低血糖，减轻胰岛素抵抗，增加胰岛素敏感性，减轻视网膜病变程度，同时相对性地下调了VEGF的表达。蔡晶晶等[32]观察HO-1在糖尿病视网膜病变患者外周血单个核细胞中的表达，发现HO-1在糖尿病视网膜病变患者和增殖性糖尿病视网膜病变患者中的表达降低，提示HO-1在此过程中发挥一定的保护作用。当然越来越多的研究从氧化应激着手寻找糖尿病视网膜病变新的治疗方法。圣草酚属于黄酮类化合物，具有抗炎、抗氧化和抗糖尿病活性。研究表明在高糖大鼠模型中，圣草酚通过Nrf2的核转位使HO-1表达上调，改善大鼠RGC的活力，同时降低视网膜细胞中ROS，增加了抗氧化物(谷胱甘肽、超氧化物歧化酶等)的表达[33]。酸樱桃种子提取物通过HO-1可减轻糖尿病视网膜病变的损伤程度，同时对于缺血-再灌注也有一定的保护作用[34]。当然关于糖尿病视网膜病变功能性食物的开发和药用价值还需要进一步的探索。

3.5 HO-1与眼部肿瘤HO-1虽是机体中抗氧化应激的保护酶，但在肿瘤中却是一把“双刃剑”。Kutty等[35]首次在Y-79视网膜母细胞瘤中发现了HO-1及其mRNA的表达。BTG2为肿瘤抑制物。Lim等可通过抑制成视网膜母细胞瘤蛋白pRb下调细胞周期调节蛋白D1的表达并和Cdk2结合, 抑制肿瘤细胞的增殖。现已有各种实验证实，HO-1与肿瘤增殖、血管发生和凋亡等生物学关系密切[36-37]。胆绿素及其终产物胆红素在消化系统肿瘤中对癌细胞具有一定抗凋亡作用，可能为Bcl-2上调及Bcl-2拮抗蛋白Bax下调的结果[38]。铁蛋白的增多在一定程度上可降低肿瘤细胞对氧化损伤的敏感度[39]。在肿瘤形成阶段，HO-1可清除ROS，减少ROS对肿瘤细胞的损伤；在肿瘤发展阶段，HO-1又可增加肿瘤细胞对凋亡的抵抗力。正常情况下，Keap1存在于胞质中，与Nrf形成的复合物可被泛素蛋白酶体降解，使得Nrf2维持于较低水平。但在氧化应激的刺激下，Keap1-Nrf2复合物被破坏，Nrf2可进入细胞核内，启动包括HO-1在内的多种细胞因子参与细胞保护作用。研究发现在很多肿瘤细胞中，Keap1突变失活或构象改变或Nrf2结构突变使表达增强，最终导致Nrf2活性增强，从而渐近性促进肿瘤的发生、发展[40]。转录因子Bach1最新公认且经过验证的低氧调解器[41]，对氧化应激条件下具有遏制人类细胞HO-1基因表达的作用，有望成为干预肿瘤进展的一个重要靶点。

4展望与总结

氧化应激反应是体内极其广泛复杂的系统，其中涉及各种各样的转录途径和炎症因子，HO-1及代谢产物与多个炎症因子的相互关联性已被证实。HO-1在角膜病、白内障、青光眼、糖尿病视网膜病变等中具有重要地位，特别是其抗氧化损伤作用受到越来越多的关注。虽然已有实验证实HO-1与肿瘤的增殖、侵袭、转移等生物学密切相关，降低了肿瘤细胞的放疗敏感性,但运用HO-1在基因水平改变眼科的形成和发展有着良好的应用前景。关于HO-1表达增多到底是病理性的还是调节性的，尚无明确认识。然而HO-1相关研究补充揭示了眼科各类疾病的发病机制，有望成为新的潜在的治疗干预靶点。