核因子‑红细胞2相关因子2/血红素氧化酶信号通路在急性肺损伤中的作用

张录1 赵伟红1 钱克俭2 罗佛全3

1南昌大学第一附属医院麻醉科，南昌 330006；2南昌大学第一附属医院重症医学科，南昌 330006；3浙江省人民医院麻醉科，杭州 310014

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(11):1228-1232.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20220202-00687

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【综述】

急性肺损伤（acute lung injury, ALI）是由各种致病因素损伤肺泡上皮细胞和毛细血管内皮细胞，造成肺间质和肺泡水肿，氧气交换、弥散障碍的一种严重呼吸系统疾病。严重感染、创伤、休克、烧伤、远隔器官缺血再灌注和机械通气等因素均可导致ALI。ALI作为ICU中的常见呼吸系统并发症，具有高发病率和高病死率的特点，严重影响患者预后。近年来，ALI相关的研究虽取得了一定的进展，但其发病机制尚未完全清楚，目前仍缺乏有效的针对性治疗措施。以往研究认为，ALI的发病机制主要与炎症反应、氧化应激、凝血异常、细胞凋亡等因素相关，但其具体的信号调控通路尚未明确。核因子‑红细胞2相关因子2（nuclear factor‑erythroid 2 related factor 2, Nrf2）是细胞内调节抗炎、抗凋亡和抗氧化基因表达的重要分子，可调控下游血红素氧化酶1（heme oxygenase 1, HO‑1）、Bcl‑2、Bcl‑xL等因子的转录。Nrf2/HO‑1信号通路是调节氧化应激和炎症反应的重要通路之一，具有多器官保护作用。有研究发现，Nrf2/HO‑1信号通路还参与调节细胞凋亡、自噬、铁死亡和细胞焦亡等过程，对ALI发挥保护作用。现就Nrf2/HO‑1信号通路在ALI中的作用及机制的研究进展进行综述，以期为临床ALI的治疗提供新的治疗靶点及策略。

1 Nrf2/HO‑1信号通路     

Nrf2是CNC（Cap‑nCollar）碱性亮氨酸拉链转录激活因子家族的成员，由一个高度保守的碱性亮氨酸拉链结构和6个功能结构域（Neh1~Neh6）组成。细胞静息状态下，Nrf2与Keap1蛋白结合形成复合体，存在于细胞质中，内生的Nrf2以泛素化方式降解，从而维持Nrf2核内低水平状态；而受到亲电物质或氧化剂刺激之后，Nrf2磷酸化并与Keap蛋白解耦联，进入细胞核内参与基因转录。细胞核内的Nrf2和小分子蛋白Maf结合形成二聚体，然后与抗氧化反应元件（antioxidant response element, ARE）结合，调控下游HO‑1基因的转录。HO‑1绿素、一氧化碳和游离铁等内源性保护物质，参与调节细胞氧化反应和细胞凋亡等过程。此外，Nrf2/HO‑1信号通路还参与调控细胞的炎症反应、自噬、焦亡和铁死亡等病理生理过程，产生器官保护作用。 

2 Nrf2/HO‑1信号通路的器官保护作用机制

2.1　抑制氧化应激和细胞凋亡

氧化应激是体内氧化与抗氧化反应失衡的一种状态，伴随着大量氧化中间产物［如活性氧自由基（reactive oxygen species, ROS）及脂质过氧化物］的产生。ROS可促进过氧化产物的生成，损害DNA、脂质及蛋白质等细胞大分子物质，诱导细胞凋亡；ROS还能上调凋亡相关基因的表达，促进凋亡反应。因此，大量的ROS超过机体的抗氧化能力时，便可导致氧化还原失衡，造成组织和细胞的氧化应激损伤，促使细胞凋亡。Nrf2是细胞抵抗氧化应激和维持细胞内氧化平衡的关键分子。Nrf2与ARE结合，可调节细胞内重要的氧化还原缓冲物质（如谷胱甘肽、氧硫还原蛋白等）的表达。Nrf2下游基因的表达产物（如醌氧化还原酶、葡萄糖‑6‑磷酸脱氢酶、HO‑1等）对于解除ROS的毒性作用至关重要。研究发现，激活Nrf2/HO‑1信号通路能抑制葡萄糖激酶3的活性，增加一氧化碳的生成，上调超氧化物歧化酶表达，诱导线粒体内抗氧化基因的表达，调节线粒体结构和功能，对抗氧化应激损伤。另有研究证实，激活Nrf2/HO‑1信号通路可通过减少ROS的产生和上调Bcl‑2家族抗凋亡蛋白的表达，抑制细胞凋亡。因此，Nrf2/HO‑1信号通路通过调节细胞内氧化与抗氧化物质的产生，维持氧化还原平衡，减轻氧化应激反应，抑制细胞凋亡。

2.2　减轻炎症反应

当感染或非感染损伤因素作用于机体时，损伤相关分子模式激活细胞膜上Toll样受体4，启动核NF‑κB信号通路，介导炎症因子释放，触发炎症级联反应，导致组织细胞损伤。受损的组织细胞和炎症细胞还可产生大量ROS，加重组织损害。研究发现，Nrf2/HO‑1信号通路可与NF‑κB信号通路产生交互作用，抑制NF‑κB信号通路的激活，减轻组织细胞的炎性损伤。有研究显示，Nrf2的高表达可通过下游基因产物HO‑1调节NF‑κB的表达，使NF‑κB活性降低。HO‑1还能抑制炎症因子IL‑1β、TNF‑α的表达，减少趋化因子配体介导的白细胞在局部组织中聚集。此外，Nrf2/HO‑1信号通路激活还能抑制炎症小体NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD‑like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3）的表达，减轻炎症反应。由此可见，Nrf2/HO‑1信号通路虽不直接参与炎症反应，但可间接调节促炎基因的表达，抑制炎症反应，减轻组织损伤。

2.3　调节自噬

自噬是细胞吞噬自身细胞质蛋白或细胞器与溶酶体融合形成自噬溶酶体，发生自我降解的过程，是机体调节内部环境稳定的一种自然保护机制。适当诱导自噬可减少损伤，对机体有利；过度的自噬则可导致组织损害。研究发现，依赖腺苷酸活化蛋白激酶（amp‑activated protein kinas, AMPK）激活的自噬与Nrf2信号通路存在相互作用，自噬可通过p62蛋白Keap1产生直接相互作用，自噬的失调能够以p62蛋白依赖的方式导致Nrf2的激活。体内过度激活的自噬损伤器官的结构和功能时，Nrf2/HO‑1信号通路又能抑制这种反应，对组织器官产生保护作用。Chung等发现，诱导Nrf2下游基因HO‑1等的表达，能下调自噬相关蛋白的表达，减轻器官损伤。因此，Nrf2/HO‑1信号通路激活能调节自噬，防止过度自噬导致组织损伤。

2.4　抑制铁死亡

铁死亡由Dixon于2012年首次报道，是一种在形态学上完全不同于自噬和细胞凋亡的程序性细胞死亡方式。其生物学特性为细胞死亡过程中产生大量的铁积累和脂质过氧化产物，电镜下可见线粒体嵴减少、线粒体膜密度增加，线粒体外膜破裂而细胞核保持完整。除线粒体外，高尔基体、内质网和溶酶体等细胞器均参与铁死亡过程，脂质过氧化、氧化应激和铁离子累积是铁死亡发生的主要机制。由于Nrf2/HO‑1信号通路是调节脂质过氧化、氧化应激和铁离子稳态的重要信号通路，因此也可参与调节铁死亡。有研究显示，Nrf2过表达或Keap1基因敲除能抑制铁死亡。另有研究证实，激活Nrf2/HO‑1信号通路可通过抑制铁死亡产生器官保护作用。但Nrf2/HO‑1信号通路抑制铁死亡的具体机制还需进一步深入研究。

2.5　抑制细胞焦亡

细胞焦亡是由caspase‑1介导的一种程序性细胞坏死方式，其特点是细胞渗透压改变、细胞膜破裂、炎症物质释放，进而导致细胞死亡。NLRP3炎症小体是调节炎症反应的关键因子，可诱导炎症因子的释放及caspase‑1依赖的细胞焦亡。Nrf2信号通路激活能够抑制氧化应激和NLRP3炎症小体信号轴，减轻炎症反应和细胞焦亡。Chung等的研究发现，二氢杨梅素预处理能抑制棕榈酸诱导的细胞焦亡，同时减少ROS产生和激活Nrf2信号轴；而敲除Nrf2基因可减弱二氢杨梅素对ROS产生和细胞焦亡的抑制作用。另有研究显示，在肾缺血再灌注损伤模型中，激活Nrf2/HO‑1信号轴能减轻氧化应激诱导的肾小管上皮细胞焦亡。因此，Nrf2/HO‑1信号通路主要通过调节氧化应激和NLRP3炎症小体抑制细胞焦亡，从而减轻器官损伤。

2.6　小 结

综上，氧化应激是各种致伤因素导致组织器官损伤的首要机制之一。氧化应激反应中产生的ROS、脂质过氧化物等有害物质也是诱导炎症反应，促进凋亡、焦亡、铁死亡和自噬等细胞程序性死亡的重要因素。氧化应激与炎症反应、细胞程序性死亡之间具有相互影响、相互促进的作用。Nrf2/HO‑1信号通路激活主要通过上调抗氧化基因的表达和调控NF‑κB、NLRP3、AMPK等信号通路的激活调节细胞损伤过程，阻断组织细胞损伤的不良循环，对器官产生保护作用。

3 Nrf2/HO‑1信号通路介导的肺保护作用

3.1　脓毒症性ALI

脓毒症是由细菌感染引起的炎症反应失调，病死率高达30%~50%。肺是首先受累的器官，常出现脓毒症相关性ALI或急性呼吸窘迫综合征。研究发现，抑制Nrf2表达将显著增加感染性休克小鼠的炎症反应和病死率。在Nrf2基因敲除小鼠中，脂多糖处理可诱导肺组织中大量炎症因子及与固有免疫反应相关的基因表达；激活Nrf2依赖性的抗氧化通路可诱导抗氧化基因的表达，减轻脓毒症诱导的肺组织炎症反应，降低病死率。另有研究发现，Nrf2的下游靶基因HO‑1能抑制炎症因子IL‑1β、TNF‑α的表达，减少趋化因子配体介导的白细胞在肺泡隔聚集，降低肺微血管内皮细胞通透性，保护肺血管屏障。因此，Nrf2/HO‑1信号通路通过激活抗氧化基因表达，间接抑制炎症反应，减轻脓毒症性ALI。

3.2　呼吸机相关性ALI

机械通气联合高浓度氧疗是治疗ALI/急性呼吸窘迫综合征危重患者及早产儿的重要手段。然而，传统的高潮气量机械通气（12 ml/kg）会导致肺泡过度膨胀，使肺血管通透性增加，促炎介质释放，诱导呼吸机所致肺损伤（ventilation‑induced lung injury, VILI）。已有相关研究证实Nrf2能减轻机械通气导致的炎症反应，对肺组织产生保护作用。Papaiahgari等的研究发现，Nrf2基因敲除小鼠进行机械通气后，肺组织中促炎因子水平增加，ARE诱导的谷胱甘肽合成酶减少，氧化还原平衡紊乱，肺组织炎症反应更明显，肺泡通透性改变更严重。而给予抗氧化剂N‑乙酰半胱氨酸处理后，Nrf2基因敲除小鼠的VILI显著减轻。研究结果提示，Nrf2可通过调节氧化应激减轻VILI。进一步研究发现，Nrf2改变氧自由基平衡可能是VILI新的有效治疗靶点。因此，Nrf2可能作为机械通气应激的新型感应器和机械通气应激相关基因表达的重要调节者。

3.3　远隔器官缺血再灌注性肺损伤

严重创伤、大面积烧伤、休克及肠梗阻等因素诱发的肠缺血再灌注性损伤，是导致ALI发生的一个重要因素。肠缺血再灌注损伤时，肠黏膜屏障损坏，肠道细菌和毒素移位，大量细胞因子和炎症介质释放入血，导致全身炎症反应和肺等远隔器官损害。肠缺血再灌注性肺损伤的发病机制尚不完全清楚，可能与细胞凋亡、铁死亡有关。研究发现，Nrf2通过促进HO‑1和溶质载体家族7成员重组蛋白11的表达，抑制铁死亡，对肠缺血再灌注性肺损伤起着保护作用。Nrf2信号通路在创伤性肢体损伤导致的ALI中也起着保护作用。Ning等发现，硫氢化钠通过上调Nrf2表达，减轻炎症反应和氧化应激，减轻大鼠肢体创伤导致的ALI，而用siRNA敲除Nrf2基因后，硫氢化钠的肺保护作用减弱。上述研究提示，Nrf2信号通路激活可调节下游HO‑1、谷胱甘肽等分子的表达，减轻氧化应激、炎症反应及铁死亡，从而改善远隔器官缺血再灌注诱导的ALI。

3.4　放射性肺损伤（radiation induced lung injury, RILI）

RILI是由于对胸部的恶性肿瘤进行放射治疗引起的并发症，发生率为16.7%~50.3%。Nrf2信号通路是调节抗氧化级联反应的关键因子，对减轻RILI起着重要作用。Tian等的研究显示，Nrf2缺失可加重放射导致的肺组织炎症细胞浸润和过氧化物蓄积，增加血清促炎因子IL‑6、MCP‑1、IFN‑γ、 TNF水平，降低抗炎因子IL‑10和抗氧化蛋白水平；而Nrf2过表达则呈现出相反的情况。这些结果表明，Nrf2信号通路对放射诱导的肺损伤具有保护作用，抗氧化治疗可能是RILI的潜在治疗方式。

4 展望

Nrf2是调控细胞对抗氧化损伤的关键转录因子。Nrf2/HO‑1信号通路激活不仅能减轻组织细胞氧化应激损伤，还能间接调节炎症反应、细胞凋亡、自噬、细胞焦亡及铁死亡等过程。因此，Nrf2/HO‑1信号通路在各种因素导致的细胞损伤中均起着关键性的调控作用。激活Nrf2/HO‑1信号通路可以多途径地减轻组织细胞损伤，产生器官保护作用。已有相关证据表明，激活Nrf2/HO‑1信号通路对感染、创伤、机械通气及放疗等因素导致的ALI均有保护作用；提示Nrf2/HO‑1信号通路在ALI中起着重要作用，可能是将来研究ALI新的治疗方法和药物的关键切入点。Nrf2/HO‑1信号通路作为一种重要的内源性器官保护通路，激活后对全身重要器官均有保护作用。但该信号通路激活的具体机制和上游调控因子尚不明确，进一步研究和探讨其激活调控机制对于重要器官保护、改善危重症患者预后具有重要意义。