血红素氧合酶‑1/一氧化碳系统对脓毒症肺损伤时细胞器调控作用的研究进展

史佳1,2 余剑波1,2

1天津医科大学南开临床学院（天津市南开医院）麻醉科，天津 300100；2天津医科大学南开临床学院（天津市南开医院）重症医学科，天津 300100

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(9):988-992.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210601‑00640

 基金项目 

国家自然科学基金（82004076，81772106）；天津市卫生健康委员会科技项目青年项目（QN20027）

REVIEW ARTICLES

【综述】

脓毒症是感染引起的宿主反应失调，从而导致危及生命的多器官功能障碍综合征，急性肺损伤（acute lung injury, ALI）是其常见的致命性并发症之一。最新研究表明，全球脓毒症患者高达1 900万，病死率高达25%左右，而25%~40%脓毒症患者合并ALI，世界范围内平均病死率为43%，是当今急危重病医学面临的重大难题。近年来，细胞器（线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体、外泌体等）功能障碍已成为医学界研究脓毒症ALI发病机制的重点课题。研究表明，线粒体动力学平衡、内质网应激（endoplasmic reticulum stress, ERs）、高尔基体应激、溶酶体介导细胞自噬、外泌体分泌转移在脓毒症ALI发生、发展的病理生理过程中发挥重要作用，如何通过调控上述细胞器的功能和形态，在脓毒症ALI的初始阶段促进细胞内环境达到新的平衡与稳态，有望为脓毒症ALI的治疗提供新思路。

血红素氧合酶‑1（heme oxygenase‑1, HO‑1）又称热休克蛋白32（heat shock protein, HSP 32），广泛表达于机体不同的组织细胞中，是催化血红素降解为一氧化碳（carbon monoxide, CO）、胆红素和Fe2+的限速酶。HO‑1及其催化产物CO是应激状态下细胞重要的内源性保护机制之一，具有抗氧化应激、抗炎、抗凋亡等作用，在脓毒症ALI中发挥重要内源性防御功能。研究表明，HO‑1/CO系统激活可以增加肺泡巨噬细胞中免疫应答基因表达，减少TNF‑α产生，抑制肺内炎症反应，以减轻脓毒症ALI；细胞穿透肽PEP‑1介导HO‑1表达上调可减轻大鼠脓毒症ALI，其机制可能与抑制肺组织脂质过氧化反应、抑制细胞凋亡和全身炎症反应有关。近年来，越来越多的研究聚焦于细胞器功能障碍是脓毒症ALI的重要机制之一。本综述主要阐述HO‑1/CO系统对脓毒症ALI时细胞内各重要细胞器的调控作用，为脓毒症ALI基于发病机制的治疗提供新途径和理论依据。

1 HO‑1/CO系统促进线粒体融合，抑制其分裂

线粒体是一种高速动态的细胞器，其不断进行分裂和融合的动态过程称为线粒体动力学。线粒体融合/分裂运动相关基因蛋白是调控其形态运动的分子基础，动力相关蛋白1（dynamin‑related protein 1, Drp1）和线粒体分裂蛋白1（mitochondrial fission protein 1, Fis1）是线粒体分裂的关键调控基因；融合蛋白（mitofusin, Mfn） 1/2负责线粒体外膜的融合，视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1, OPA1）控制线粒体内膜的融合，这些均属于动力蛋白超家族成员，含GTP酶结构域且在生物进化上相对保守，它们通过调控线粒体融合/分裂运动平衡，完成线粒体DNA的正常合成与修复、新旧线粒体的更替以及异常线粒体的及时降解，对线粒体质量控制及功能调控具有重要意义。Murphy和Hartley研究表明，线粒体动力学平衡破坏是脓毒症患者死亡的主要原因之一。通过动物实验表明，脓毒症ALI时线粒体融合/分裂运动平衡被打破，表现为分裂增加而融合减少。

近年来，从在体和离体实验不同层面证实，HO‑1/CO系统可以促进线粒体融合，抑制其分裂，减轻线粒体氧化应激损伤，维持其功能及形态稳定性，以减轻内毒素ALI；外源性CO释放分子2和Hemin预处理可激活HO‑1/CO系统，促进肺泡Ⅱ型上皮细胞内线粒体Mfn1、Mfn2、OPA1表达，降低IL‑6、TNF‑α含量，减轻脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）诱导的细胞炎症反应；磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3‑kinase, PI3K）/丝氨酸/苏氨酸激酶（serine/threonine kinase, Akt）信号通路介导HO‑1/CO系统激活，通过抑制线粒体分裂蛋白Fis1的表达，减轻LPS诱发肺泡巨噬细胞的氧化应激损伤。Dong等通过建立大鼠内毒素ALI/LPS攻击肺泡巨噬细胞模型，证实p38丝裂原激活蛋白激酶通路介导HO‑1/CO系统激活，可上调Mfn1、Mfn2、OPA1表达，降低LPS诱发线粒体氧化应激损伤并抑制炎症反应。

2 HO‑1/CO系统抑制ERs      

内质网是真核细胞内蛋白质合成、修饰及钙储备的主要部位，其内环境的稳定是维持细胞生命的重要保障。ERs包括内质网未折叠蛋白反应、整合应激反应与内质网相关死亡3个相互耦联的动态反应。ERs是细胞重要的自我防御机能，既能通过修复早期或受损较轻的细胞清除晚期或受损较重的细胞以维持细胞内环境的稳态，又能在ERs持续存在或过强时最终启动细胞凋亡程序。内质网伴侣分子葡萄糖调节蛋白78（glucose regulated protein 78, GRP78）为ERs早期活化的标志性基因，增强子结合蛋白同源蛋白（enhancer‑binding protein homologous protein, CHOP）是ERs特异性的促凋亡蛋白，而门冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶‑12（caspase‑12）活化是ERs介导细胞凋亡的关键下游执行分子。研究表明，脓毒症ALI时，肺组织GRP78、CHOP及caspase‑12表达水平均上调，提示ERs参与了ALI发生、发展的病理生理过程，是脓毒症ALI的重要机制之一。

HO‑1主要定位于内质网，而HO‑1/CO系统可能是调控细胞ERs的内源性保护新机制。有研究表明，HO‑1/CO系统激活可下调蛋白激酶R样内质网激酶（protein kinase R‑like endoplasmic reticulum kinase, PERK）、磷酸化真核细胞翻译起始因子（phosphorylated eukaryotic initiation factor 2α, p‑elF2α）、转录激活因子4（activating transcription factor 4, ATF4）和CHOP蛋白表达，抑制ERs和肺组织细胞凋亡，减轻小鼠脓毒症ALI；而给予HO‑1阻断剂锌原卟啉预处理后，血浆及肺组织HO‑1及CO水平降低，同时GRP78、p‑PERK、p‑elF2α、CHOP及caspase‑12表达水平显著上调，证实HO‑1/CO系统被抑制会促进ERs发生，以加重LPS诱发大鼠脓毒症ALI。此外，HO‑1干扰小RNA转染肺泡巨噬细胞使细胞活力降低，HO‑1及CO表达下降，同时GRP78、CHOP、p‑PERK、磷酸化Ⅰ型内质网跨膜蛋白激酶、磷酸化应激活化蛋白激酶和caspase‑12表达水平上调，提示HO‑1/CO系统通过抑制ERs发挥其内源性保护作用，减轻LPS诱导肺泡巨噬细胞的氧化应激损伤。

3 HO‑1/CO系统抑制高尔基体应激     

高尔基体又称高尔基复合体，是真核细胞中内膜系统的主要组成成分，由一系列扁平囊叠加组成。扁平囊为圆形，边缘膨大，彼此间紧密排列，构成高尔基体的主体即高尔基堆。这些相互连接、高度有极性的囊堆在分泌和内吞通路中起至关重要的作用。高尔基体组织形态的维持依赖于高尔基体蛋白（Golgin）家族中高比例卷曲螺旋蛋白，如高尔基体基质蛋白（golgi matrix protein 130, GM130）、Golgin‑160、Giantin等的调控。研究表明，高尔基体与离子稳态、细胞凋亡、抗氧化作用和应激反应有关。在氧化应激、DNA损伤、促凋亡调节下，高尔基体整体结构和功能受损，诱发高尔基体断裂和细胞凋亡。因此，如何调控高尔基体应激反应已成为研究和治疗氧化应激相关疾病的新靶点。研究表明，在LPS诱导的大鼠支气管肺炎模型中，肺组织高尔基体应激反应程度改变，使炎症因子表达水平增加，以加重肺组织病理损伤。

Li等通过建立小鼠内毒素ALI/LPS攻击肺泡Ⅱ型上皮细胞模型证实，LPS诱发高尔基体应激反应发生，高尔基体移位至胞质并分裂为点状结构，同时GM130、Golgin‑97、甘露糖苷酶Ⅱ表达水平下调，高尔基体磷蛋白3（golgi phosphoprotein 3, GOLPH3）表达水平上调；给予甲基乙二酰基甘氨酸激活缺氧诱导因子1α/HO‑1通路后，使HO‑1表达增加，抑制高尔基体应激反应，使高尔基体分裂减少，GM130、Golgin‑97、甘露糖苷酶Ⅱ表达水平上调，而GOLPH3表达水平下调，提示HO‑1可抑制高尔基体应激反应，发挥其内源性肺保护作用。

4 HO‑1/CO系统介导溶酶体自噬     

自噬是细胞代谢过程中的衰老细胞器和异常蛋白质等成分降解的过程，是重度脓毒症时病原微生物清除的先天性免疫防御机制之一。与细胞凋亡不同，自噬被认为是第二种程序性细胞死亡模式，缺氧、感染、炎症等应激反应条件可诱导自噬，功能失调和衰老的细胞器或胞质成分被自噬体包裹，然后转移到溶酶体降解。完整的自噬过程依赖于正常的溶酶体功能，而溶酶体受损引起的自噬体降解抑制可导致自噬功能障碍。研究表明，细胞自噬水平的不足或降低、自噬体降解受抑制参与了脓毒症ALI的发病过程，自噬是脓毒症时肺组织炎症损伤的潜在治疗靶点。

Ryter研究表明，HO‑1/CO系统参与了脓毒症ALI时对细胞自噬的共调控过程，这是一种蛋白质和细胞器分解代谢循环的细胞内稳态程序。此外，HO‑1/CO系统激活可上调HO‑1及CO表达，促进自噬相关基因及蛋白Beclin‑1的表达，诱发细胞自噬，减少炎症因子的释放，以减轻小鼠脓毒症ALI，且PI3K/Akt信号通路介导了HO‑1/CO系统对细胞自噬的内源性调控作用。

5 HO‑1/CO系统介导外泌体分泌     

外泌体是由上皮细胞、肿瘤细胞和巨噬细胞等多种细胞释放分泌的纳米大小的多囊泡体（直径30~150 nm），在细胞通讯中起着关键作用。外泌体是许多信号分子［包括脂质、蛋白质、mRNA、微RNA（microRNA, miRNA）等］组成的天然载体，通过其特异性的细胞结合位点转运进入靶细胞，调节靶细胞的功能，而不受机体内各种酶的降解。外泌体miRNA已被证实参与炎症、细胞增殖、分化和凋亡等多种生物学过程，在肺部疾病的发病机制中具有重要意义，有望成为肺部疾病的一种新诊断和治疗的生物标志物。Cao等通过RNA测序结果显示，脓毒症ALI小鼠血清中外泌体内miR‑145水平明显降低，且给予miR‑145激动剂预处理后可减轻LPS诱导的肺组织炎症反应，使IL‑2、TNF‑α分泌下调，并延长脓毒症ALI小鼠总体生存期。

近年研究证实，小鼠脓毒症ALI时血清外泌体来源的miR‑155通过靶向作用于含有肌醇‑5′‑磷酸酶1的Src同源物2和细胞因子信号转导抑制蛋白1（miR‑155作用靶点），促进巨噬细胞增殖和炎症反应，以加重ALI程度，可作为脓毒症ALI的关键靶点。此外，Shen等通过建立在体和离体脓毒症模型证实，脂肪来源干细胞的外泌体通过激活核因子E2相关因子2/HO‑1轴上调HO‑1表达水平，促使肺泡巨噬细胞极化，以抑制LPS诱导炎症和氧化应激反应，减轻小鼠脓毒症ALI。

6 总结与展望      

综上所述，HO‑1/CO系统可以通过调控线粒体融合/分裂运动、抑制ERs、抑制高尔基体应激、介导细胞内溶酶体自噬以及外泌体miRNA分泌转移等机制，发挥脓毒症ALI的内源性肺保护作用。但目前关于HO‑1/CO系统对机体各细胞器的整体调控及分子机制研究较少，且尚无研究证实在脓毒症ALI的不同阶段，HO‑1/CO系统如何发挥对不同细胞器之间的相互调控作用。因此，进一步深入研究HO‑1/CO系统和细胞器的关系不仅对阐明脓毒症ALI发病机制有重要意义，也为临床预防或治疗脓毒症ALI提供新的思路和途径。

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