一氧化碳与缺血再灌注损伤

康元元，余剑波

一氧化碳与缺血再灌注损伤

康元元，余剑波

一氧化碳（CO）是一种与一氧化氮类似的体内重要信号分子，由于它的毒性而长期忽视了其生物学性能。外源性CO进入人体后，可立即与血红蛋白（Hb）结合形成HbCO,其亲和力比O2强300倍，但其与Hb解离却比O2慢3600倍，从而引起严重低氧血症，发挥毒性作用。血红素氧合酶-1（HO-1）作为血红素裂解的限速酶，可催化血红素从而有序的释放CO、胆绿素、游离铁，这即为内源性CO的主要来源。本文将围绕内源性一氧化碳与缺血再灌注损伤展开综述。

一氧化碳；细胞凋亡；缺血再灌注损伤；脏器保护

研究表明[1]，内源性一氧化碳（carbon monoxide，CO）则具有抗氧化、抗炎症、抗凋亡和抑制细胞增殖等作用，从而减轻缺血再灌注损伤(ischemia/reperfusion injury，IRI)，发挥器官保护作用。

1　一氧化碳

CO中氧原子的价电子层有6个电子，为满足其最外层电子轨道中必须具有8个电子的需求，须从碳原子的价电子层借用2个电子，碳原子最外层电子轨道的4个电子借出2个给氧原子，使氧原子与碳原子能以共价键形式形成CO分子。CO即以此分子结构为基础发挥其化学作用。外源性CO与人体内Hb或某些酶类的含铁血红素基团的结合能力大于氧气形成碳氧血红蛋白(carbon oxygen hemoglobin，Hb-CO）导致机体缺氧中毒。因此，长期以来CO一直被视为有毒气体[2]。直到20世纪90年代内源性CO的生物学特性才得到确认。内源性CO的来源主要有三个方面:一方面是吸入的空气中含有少量的CO；—方面是一些有机分子氧化产生，尤其是生物膜的脂质过氧化；而体内大部分CO主要是通过血红素在血红素氧合酶-1(heme oxygenase，HO-1)催化下氧化所产生[3]。目前在研究CO生理和病理功能时遇到一些阻力，因直接应用外源性CO会导致机体氧气运输与传送障碍，且很难精确控制量效关系。研究显示[4]，外源性给予CO能够模拟内源性CO在体内产生的病理生理过程，研究发现能够释放CO的过渡金属羰基化合物CORMs(carbon monoxide releasing molecules)，可通过溶解后不经机体代谢而直接作用于靶点组织释放CO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HbCO的浓度，这种新型CO供体可使对CO更深入的生物活性研究成为可能。研究表明[5]，外源性低浓度的CO在各种应激条件下可以弥补内源性CO的短缺，发挥抗氧化、抗炎和抑制细胞增殖等作用。

2　一氧化碳作用机制

CO分子是氧原子与碳原子以共价键形成的分子，由于碳原子的价电子层有4个电子，它与氧原子形成CO时，仅在价电子层中丢失2个电子，还剩2个电子呈游离状态，即表示CO尚能对其他化合物提供2个电子，从而使CO分子成为一个名副其实的还原剂。生物体内的诸多变化，从化学的角度分析，不是氧化，就是还原，CO在人体内诸多生理与病理生理作用，均以此为依据。研究发现[6]，低剂量外源性CO具有抗氧化作用。氧自由基可直接损伤核酸、蛋白质和脂质，活化凋亡蛋白酶和核酸内切酶，诱发细胞凋亡[7]。CO直接参与氧自由基的清除，阻止过氧化物代谢为氧自由基，降低组织过氧化物的含量，发挥抗氧化作用。Brugger等[8]在小鼠的全身性炎症模型中给予CO干预，发现CO可以减少组织细胞的脂质过氧化反应，平衡氧化-抗氧化系统，从而减少细胞损伤。活性氧（reactive oxygen species，ROS）是一类氧衍生的分子，参与了机体内各种组织以及细胞的氧化应激、炎症应激及凋亡、坏死，并证实和许多疾病的发生发展有密切的关系[9]。在体内线粒体偶联酶、细胞色素P450、黄嘌呤氧化酶、NADPH氧化酶等都能产生ROS[10]。研究证实[11]，CO也可能通过抑制细胞色素P450及NADPH氧化酶调整组织及细胞内ROS的产生，发挥一定的抗氧化作用。

研究发现[12]，CO不仅具有抗氧化作用，同时也有抗炎症作用。外源性CO可以抑制IRI所致的炎症因子如TNF-α、IL-1β、IL-6和促炎症调节因子iNOS的mRNA表达，也可以减少血液循环中的IL-6的浓度。CO通过下调黏附因子的表达和减少促炎症细胞进入受损组织，亦能抑制促炎症级联反应。CO可以明显减少单细胞和巨噬细胞的浸润，而单核细胞和巨噬细胞是IRI中介导损伤的主要细胞[13]。Florian等[14]在临床研究中发现，脂多糖（LPS）可以使血浆中各种促炎症因子（如TNF-α、IL-6、IL-8）等浓度的升高，而CO的吸入可以抑制这一变化，同时可以刺激抗炎因子IL-10的表达。研究显示[15]，CO可以激活可溶性鸟苷酸环化酶(soluble guanylyl cyclase，sGC)，而这一激活作用可以减少白细胞的黏附及中性粒细胞的迁移等炎性应激的过程来发挥其抗炎症作用。

研究发现[16]，CO具有抑制细胞增殖作用，缺氧对血管张力及细胞增殖有重要作用，在缺氧的条件下生成增加的内源性CO对平滑肌细胞发挥了普遍的抗增殖作用，而这一作用则被sGC特异性抑制剂所掩盖。CO抑制血管平滑肌细胞的增殖可能与cGMP水平增加，同时下调了细胞衍生因子的表达（如PDGF）有关[17]。

在一些疾病或组织损伤模型中，低浓度CO预处理具有抗凋亡效应。在细胞凋亡的过程中，凋亡酶半胱氨酸特异性蛋白酶（Caspase）家族扮演着重要的角色，它们引发的级联反应是细胞凋亡信号转导过程的中心环节，并可通过与众多蛋白因子的相互作用调控细胞凋亡[18]。细胞受到凋亡刺激时，在线粒体内膜的各种促凋亡因子的诱导下，细胞色素C（cytochome C）从线粒体内释放到胞浆，由此激活Caspase-9，进而激活下游效应蛋白Caspase-3，从而启动Caspase介导的凋亡级联反应[19]。低浓度CO吸入可降低细胞凋亡率，同时抑制Caspase-3 mRNA和蛋白表达[20]。细胞凋亡中信号分子间相互影响[18]，caspases、原癌基因、Cytochome C之间相互作用：Cytochome C能激活caspase，而有活性的caspase也能刺激线粒体释放Cytochome C，这样，上游分子和下游分子的凋亡信号呈级联放大效应。

3　一氧化碳与器官缺血再灌注损伤

IRI是急性器官损伤、器官移植、一般手术过程中缺血后恢复血液循环难以避免的一种损伤。其损伤不仅包括组织缺血一段时间后所造成缺血组织的直接损伤，还包括缺血后再灌注时产生的多种炎症介质、激活的炎症细胞如中性粒细胞在损伤部位及远处器官促发的由严重的炎症反应导致更严重的间接损伤。持续的组织缺血及缺血后再灌注均可导致细胞凋亡，尽管再灌注可减少凋亡细胞数，但却使不可逆转的细胞加速凋亡。细胞凋亡在IRI的扮演着重要的角色，细胞调亡率增加会加重IRI，有效抑制细胞调亡具有缓解IRI的作用[21]。组织再灌注是挽救缺血组织的必要措施。当再灌注发生时，内环境突然改变、线粒体膜电位变化、钙离子的运输等均导致了线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的突然开放，进而导致了ATP耗竭和细胞死亡的发生[22]。此外，当呼吸链被抑制后再次恢复氧供时，线粒体会迅速产生大量ROS。ROS是IRI的主要启动子。线粒体内高水平的Ca2+、ROS和过度氧化应激是导致mPTP大量开放的主要因素。mPTP大量开放会导致线粒体外膜破裂，继而形成线粒体水肿，并可导致来自线粒体膜间隙的促调亡因子的大量释放(如cytochome C)[23]。外渗的Cytochome C可活化caspase-9，caspase-9可活化凋亡执行蛋白caspase-3，并最终导致细胞调亡[24]。有研究表明，CO在器官损伤、移植器官排斥模型等都发现可以显著减轻损伤。

心肌IRI在临床较为常见，如冠脉搭桥、溶栓治疗、主动脉阻断、冠脉血管成形等都可引起心肌IRI。研究表明[25]，CO可增强细胞色素C氧化酶（COX）活性和Bcl-2的表达以及它们的相互作用，提高线粒体氧化磷酸化从而防止氧化应激诱导的细胞凋亡。心脏IRI时，CORM-2处理后显著降低心肌细胞触发的细胞凋亡，降低caspase-3的表达和细胞色素C的进一步释放，CO减少促凋亡蛋白Bak、Bax的表达以及线粒体、胞浆内Bax水平，减轻心肌I/R诱导的细胞凋亡，发挥心肌保护作用。

IRI对肺的损伤机制涉及中性粒细胞的聚集、激活，细胞因子释放和氧自由基产生增加，细胞内钙代谢紊乱等多种因素。炎性细胞黏附于血管内皮可产生蛋白酶、氧化剂等损伤内皮细胞，破坏毛细血管内皮的完整性，引起毛细血管通透性增加，进一步加重肺损伤。MPO主要存在于中性粒细胞内，肺组织中的MPO活性在一定程度上反映中性粒细胞在肺内的聚集程度。肺W/D可反映肺损伤程度，表明肺水肿程度，结合缺血后肺泡损伤数更能清楚说明肺组织的损伤情况。研究表明[26]，给予外源性低浓度CO后大鼠肺MPO活性显著下降，提示外源性低浓度CO可抑制中性白细胞在肺内的聚集；W/D明显下降，缺血后肺泡损伤数明显减少，提示外源性低浓度CO对肺IRI损伤具有保护作用。

CO可以减轻肾脏缺血再灌注损伤[27]。肾小管上皮细胞是IRI的主要靶细胞，其对缺血高度敏感，因此急性肾小管坏死常用来述肾IRI。CO在调节肾IRI时，具有抗炎、抗凋亡、血管舒张功能[28]。CO可以抑制IRI所致的炎症因子（如TNF-α，IL-1β，IL-6）和促炎症调节因子iNOS的mRNA表达；还可以通过下调黏附因子的表达和减少促炎症细胞进入受损组织，抑制促炎症级联反应，从而减轻IRI诱导的肾小管上皮细胞凋亡[29]。足细胞也是IRI的重要靶细胞之一，足细胞为调节肾小球滤过率的重要成分。IRI可以导致足细胞的严重受损，从而导致肾小球滤过率的改变。研究发现[27]，给予CO后可以维持足细胞的完整，从而阻止足细胞的受损和凋亡，改善肾IRI后的肾皮质血流，保护肾小球的血管结构，抑制细胞凋亡，提高肾小管上皮细胞、内皮细胞和足细胞的活力。研究显示[28]，CO还可以通过促进鸟苷酸环化酶(soluble guanylate cyclase，sGC)途径和抑制血小板聚集，松弛血管平滑肌因而对肾IRI有重要的细胞保护作用。

小肠IRI是临床常见的病理生理过程，其不仅可以引起肠道屏障功能不全，严重时还能通过多形核中性粒细胞(polymorphonuclear neutrophil，PMN)在组织中的聚集及多种细胞因子在小肠局部及全身的大量释放激发全身性炎症反应(systemic innammation response syndrome，SIRS)的同时损伤远隔器官（如肺、肝等），导致多器官功能障碍综合征(mutiple organdysfIlnction syndrome，MODS)[30]。研究表明[29]，肠IRI可致肠上皮大量微绒毛脱落，细胞之间连接松弛，胞质内大部分线粒体嵴溶解，导致小肠屏障功能严重受损。SIRS过程中大量释放的炎症介质TNF-α、IL-6等，诱导内皮细胞活化、白细胞迁移、粒细胞脱颗粒及抑制纤溶反应、增加微血管通透性、促进血栓形成等广泛的生物学效应，促使血管内皮细胞与器官组织细胞发生细胞凋亡，从而促进MODS的发生和发展。CO能通过抑制TNF-α产生和促进IL-10释放来调节肠IRI过程中细胞因子间的平衡，从而抑制多形核中性粒细胞(polymorphonuclear neutrophil，PMN)在组织中的聚集，抑制SIRS发生；CO还可调控抑制Fas、caspases表达，抑制细胞色素C释放并增强Bcl-2表达，从而抑制肠IRI中组织细胞凋亡的发生，防止小肠在结构和功能上进一步的损害并达到防治肠IRI所致多器官损伤的作用。最近的研究报道[29]，CO可减轻肠IRI引起的肾损害。

4　展望

综上所述，CO可通过抗氧化、抗炎症、抗凋亡等的作用，减少IRI过程中的炎症细胞浸润及炎症介质表达，从而减少细胞凋亡坏死，减轻IRI，发挥器官保护作用。因而具有良好的临床应用前景。但其对IRI确切的保护机制仍进一步研究，以利于把这些研究成果应用于临床。

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（收稿：2015-07-22修回：2015-09-02）

（责任编辑李文硕）

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