Nrf2- ARE信号通路在百草枯中毒中的研究进展

王瑜，喻安永，李建国，陆元兰

(1.遵义医学院附属医院 急诊科，贵州 遵义 563000；2.遵义医学院第五附属(珠海)医院， 广东 珠海 519100)

·综述·

Nrf2-ARE信号通路在百草枯中毒中的研究进展

王瑜1，喻安永1，李建国2，陆元兰1

(1.遵义医学院附属医院 急诊科，贵州 遵义 563000；2.遵义医学院第五附属(珠海)医院， 广东 珠海 519100)

百草枯(PQ)中毒是一个世界性难题，中毒后的死亡率高达50%～80%，迄今为止尚无特效解毒药。研究发现氧化应激反应在PQ中毒中起非常重要的作用，而近年来Nrf2- ARE信号通路作为抗氧化研究领域的一个热点，该信号通路可启动多种抗氧化基因及下游Ⅱ相解毒酶的转录，减少活性氧(ROS)的产生，可进一步减轻PQ导致的脏器损伤，该信号通路在PQ中毒和治疗中的作用受到关注。本文作者将对Nrf2- ARE信号通路在PQ中毒中的研究进展作一综述。

百草枯； Nrf2- ARE； 氧化应激； 综述

百草枯(1,1’- 二甲基4- 4’- 联吡啶二氯化物,PQ)是一种剧毒的季铵类除草剂，又名对草快、克无踪，因其具备广谱、高效、环境污染小、使用方便、不伤根系和保持水土等特点[1]，自1962年发现以来就被作为全球第二广泛应用的除草剂应用于农牧业生产，由于其对人类及动物具有剧毒性，无论以何种途径进入哺乳动物体内均能迅速分布全身，造成多器官功能衰竭[2]，尝试自杀或误服者大多数摄取的为PQ溶液，由于目前特效解毒药及特效治疗策略的缺乏，造成PQ中毒死亡率一直居高不下，死亡率高达50%～80%[3]，因此PQ中毒仍是国内外急诊医学研究领域所面临的重大难题之一。

PQ中毒机制复杂，目前PQ致机体损害的机制主要包括氧化应激、炎症反应、核转录因子过度表达、凋亡等。大量研究已发现氧化应激反应在PQ中毒机体损伤中发挥重要作用，PQ中毒可诱导机体内产生大量的活性氧(ROS)，打破机体自身氧化物及抗氧化物的平衡状态，是导致PQ中毒患者高死亡率的首要原因，因此降低ROS成为PQ治疗的重点，近年来有研究发现红系衍生的核因子相关因子2(Nrf2)在ROS的解毒中起关键作用，被称为“氧化应激敏感保护者”，Nrf2激活后启动Nrf2- ARE信号通路，不仅可使机体抗氧化基因的表达上调，还可以防止细胞毒性造成的脂质过氧化及谷胱甘肽(GSH)的耗竭，改善体内氧化还原失衡状态，并且可抑制机体产生炎症因子[4]。目前国内外关于Nrf2- ARE信号通路在PQ中毒的机制及治疗方面的研究一直是热点，本文中作者就Nrf2- ARE信号通路与急性PQ中毒的研究进展作一综述，为PQ中毒的发病机制和治疗方案的研究提供可靠的参考。

1 Nrf2- ARE信号通路与氧化应激

氧化应激是指机体在受到各种有害刺激时，体内产生过多的ROS和活性氮自由基(RNS)，其中ROS包括超氧阴离子、过氧化氢和羟自由基。RNS包括一氧化氮、二氧化氮和过氧化二硝酸盐等。目前发现氧化应激参与很多疾病的病理生理反应，ROS可诱导各种疾病，包括急性中毒、心血管疾病、炎症、缺血再灌注损伤、各种病毒性损伤、药物性组织损伤、高血压与耐药突变体的形成以及老年退行性病变等。ROS可破坏机体氧化系统与抗氧化系统的平衡状态，导致组织细胞脂质过氧化、蛋白质损伤、DNA断裂等，需要使用抗氧化剂和自由基清除剂来减轻或阻止机体损伤。Nrf2作为氧化应激的重要调节因子，在内环境稳定的情况下，Nrf2与Keapl结合且活性被抑制，在受到ROS或亲电试剂、炎症因子的刺激后，Keapl与Nrf2解耦联，通过P38/ERK/JNK等途径与巨噬细胞活化因子(Maf)蛋白结合成杂化二聚体识别并结合抗氧化反应元件(ARE)，诱导下游保护性Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶的表达，这些下游的基因有血红素氧合酶(HO- 1)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽硫转移酶(GST)、醌氧化还原酶(NQO1)等[5]，从而提高细胞及组织的抗氧化、抗肿瘤、抗炎、抗凋亡能力, 达到细胞保护的作用,Nrf2- ARE信号通路是目前发现的最重要的内源性抗氧化应激通路，在氧化应激疾病中发挥强大的抗氧化作用[6- 7]。目前已经证实，Nrf2- ARE信号通路在氧化应激参与的心血管系统、中枢神经系统、消化系统、泌尿系统疾病中均起很重要的作用[8]。

2 PQ中毒与氧化应激

PQ是一种亲氧化剂，一旦进入机体，在烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)- 细胞色素P450还原酶、NO合酶及烟酰胺腺嘌呤二核苷(NADH)泛醌氧化还原酶的催化下被还原成PQ+，再经过一系列的氧化还原循环反应产生大量的ROS[9]，机体多种生化反应被干扰，细胞脂质、DNA、蛋白质均受到损伤，细胞内防御系统崩溃进一步引起细胞凋亡，改变机体细胞及器官的功能，有报道认为体内ROS的大量生成是导致PQ死亡的主要原因[10]。卢晗等[11]发现氧化应激是PQ损伤的主要机制，通过体外运用具有抗氧化作用的姜黄素可明显减轻PQ诱导的A549细胞的氧化损伤。He等[12]发现同样具有抗氧化抗炎作用的白藜芦醇10 μmol·L-1可显著抑制PQ毒性。Wei等[2]发现PQ诱导的肾损伤与氧化应激有关, β- 羟丁酸可明显减弱细胞内氧化应激反应。从甘草中提取的甘草酸二胺具有抗炎及抗氧化作用，可以抑制脂质过氧化物产生，提高抗氧化蛋白的表达，在PQ中毒中发挥保护作用[13]。Mitsopoulos等[14]研究发现,PQ中毒后细胞内促炎性因子释放，大量ROS产生，N- 乙酰半胱氨酸脂质体通过提高抗氧化能力来减轻PQ毒性。目前为止已通过大量实验证实PQ中毒后实验动物体内作为脂质过氧化损伤重要标志的丙二醛(MDA)含量明显升高，而作为可以衡量机体抗氧化能力大小的GSH和SOD含量在PQ中毒的脏器组织中明显降低，表明氧化损伤是PQ毒理机制之一[15]。近年来有学者将PQ作为氧化应激所致疾病模型制备的药物，用来探讨氧化应激在自然衰老中的作用[16]，目前已有充足的实验证明PQ中毒导致各个脏器损伤主要是由于机体发生了氧化应激反应，有实验研究发现敲除小鼠氧化应激反应相关基因，可减轻PQ中毒后的小鼠脏器损伤[17]。

3 Nrf2- ARE信号通路与PQ中毒

PQ中毒主要的作用机制是氧化应激损伤, Nrf2是细胞内抗氧化、抗凋亡及抗炎症通路的关键调节因子。在生理条件下,活性氧的生成与机体的抗氧化能力保持平衡。PQ作为一个强有力的ROS诱导物，进入机体后生成的ROS远远超过机体的清除能力，造成机体ROS过剩，ROS可激活或调节细胞凋亡通路，在细胞凋亡及capase依赖的线粒体凋亡通路中均起着重要的作用，ROS还可直接损伤和诱导细胞内转录因子、促炎细胞因子，诱导一氧化氮合酶(iNOS)、环氧合酶(COX)等引起炎症和组织破坏[18]。机体在存在大量ROS的情况下会启用抗氧化通路，此时Nrf2因子被诱导激活，Nrf2作为一个顺式作用元件与ARE相互作用，进一步调节编码下游的抗氧化蛋白，进而发挥抗氧化应激反应。Nrf2- ARE 通路是目前PQ中毒的一大研究热点。有实验发现PQ中毒后小鼠肺组织细胞核内Nrf2蛋白含量及Nrf2 mRNA表达均明显升高，充分说明PQ中毒可导致Nrf2与Keapl发生解离，从而进入细胞核与ARE结合，启动机体内源性抗氧化功能，实验发现在α硫辛酸的刺激下可激活体内Nrf2，并最终将Nrf2作为转录因子在PQ导致的人类支气管上皮细胞中发挥保护作用[19]。Wei等[2]通过对PQ诱导后大鼠的病理组织及血清生化指标的测定，发现PQ诱导的肾损伤与氧化应激有关，其中Caspase凋亡通路以及Nrf2通路均起了重要作用。近年来有研究发现PQ中毒后可通过Nrf2通路维持谷胱甘肽的有效浓度来达到氧化抗氧化的动态平衡，进一步防止PQ诱导的神经元细胞损失[20]。Hong等[21]发现米非司酮可通过诱导Nrf2- ARE途径来改善PQ导致的肺损伤。也有研究发现罗格列酮作为PPAR- γ激动剂能诱导Nrf2的表达和抑制NF- κB活性，对大鼠PQ引起的急性肺损伤起到保护作用[22]。PQ进入机体后，血必净和地塞米松一样可有效发挥抗氧化应激反应减轻肺部炎症及改善肺功能，姜黄素、沙利度胺等物质可通过激活Nrf2- ARE信号通路显著降低PQ诱导的肺泡Ⅱ型上皮细胞及急性中毒大鼠的病死率[23]。具有抗炎、抗氧化特性的天然膳食多酚鞣花酸(EA)作用于PQ诱导的A549细胞，可明显提高细胞的生存能力,而且发现EA干预的A549细胞中Nrf2、HO- 1和醌氧化还原酶1均明显表达，EA能够显著降低细胞内的活性氧水平,克服A549细胞中谷胱甘肽水平的降低，证明EA的抗氧化作用可能与激活Nrf2- ARE信号通路有关[4]。同样作为多酚类物质的水飞蓟宾被发现作用于PQ诱导的人类A549细胞，可以通过Nrf2信号通路发挥抗氧化作用，且将来可能被应用于人类PQ中毒[24- 25]。PQ中毒后机体中脱乙酰酶SIRT1的超表达可显著增加Nrf2蛋白，提高Nrf2的转录活性和调节Nrf2下游基因的表达,从而抑制细胞凋亡； 而SIRT1的活性被抑制的情况下则会导致机体MDA含量升高,加重机体氧化损伤，说明SIRT1可通过激活Nrf2- ARE通路减轻PQ所致的肺损伤[26]。目前也有实验研究发现白藜芦醇可通过调节Nrf2信号通路减轻机体氧化还原反应造成的损伤。有研究者通过建立PQ诱导的小鼠急性肺损伤模型，发现氧化应激反应在PQ中毒中发挥很重要的作用，而沙利度胺可通过激活Nrf2- ARE信号通路来减轻小鼠的肺损伤[27]。

综上，目前关于Nrf2- ARE信号通路在PQ中毒中的作用以及寻找可以上调Nrf2药物的研究已成为热点及难点。今后还需要大量的动物及临床试验来寻找能够有效调节Nrf2、启动机体Nrf2- ARE信号通路的药物以及临床用药的有效、安全剂量和用药时间，避免长期使用使机体Nrf2持续表达的药物对机体造成不良后果，为PQ中毒治疗的研究提供新的思路及方法。

[1] BLANCO- AYALA T,ANDERICA- ROMERO A C,PEDRAZA- CHAVERRI J.New insights into antioxidant strategies against paraquat toxicity[J].Free Radic Res,2014,48(6):623- 640.

[2] WEI T,TIAN W,LIU F,et al.Protective effects of exogenous β- hydroxybutyrate on paraquat toxicity in rat kidney[J].Biochemical and Biophysical Research Communications,2014,447(4):666- 671.

[3] 何庆,艾娇,黄煜.百草枯所致血管内皮损伤与p120连环蛋白的关系及芒果苷的保护作用[J].中华危重病急救医学,2014,26(6):369- 373.

[4] PODDER B,KIM Y S,ZERIN T,et al.Antioxidant effect of silymarin on paraquat- induced human lung adenocarcinoma A549 cell line[J].Food and Chemical Toxicology,2012,50(9):3206- 3214.

[5] 周燕,高大庆,栾洁.hOGG1重组腺病毒载体在人视网膜色素上皮细胞的表达及其抗氧化应激作用研究[J].东南大学学报:医学版,2015,34(5):783- 788.

[6] ITOH K,WAKABAYASHI N,KATOH Y,et al.Keap1 represses nuclear activation of antioxidant responsive elements by Nrf2 through binding to the amino- terminal Neh2 domain[J].Genes & Development,1999,13(1):76- 86.

[7] 章海风,姜明霞,程音,等.三种膳食纤维对脂代谢紊乱大鼠糖脂代谢及氧化应激的作用[J].东南大学学报:医学版,2016,35(1):83- 88.

[8] WAKABAYASHI N,ITOH K,WAKABAYASHI J,et al.Keap1- null mutation leads to postnatal lethality due to constitutive Nrf2 activation[J].Nat Genet, 2003,35:238- 245.

[9] KIM Y S,ZERIN T,SONG H Y.Antioxidant action of ellagic acid ameliorates paraquat- induced A549 cytotoxicity[J].Biological and Pharmaceutical Bulletin,2013,36(4):609- 615.

[10] SIEGEL M P,KRUSE S E,KNOWELS G,et al.Reduced coupling of oxidative phosphorylationinvivoprecedes electron transport chain defects due to mild oxidative stress in mice[J].PLoS One,2011,6(11):e26963.

[11] 卢晗,常子娟,韩文文,等.姜黄素活化Nrf2- ARE 通路对百草枯诱导Ⅱ型肺泡细胞氧化损伤的保护作用[J].中华劳动卫生职业病杂志,2014,32(1):44- 49.

[12] HE X,WANG l,SZKLARZ G,BI Y,et al.Resveratrol inhibits paraquat- induced oxidative stress and fibrogenic response by activating the nuclear factor erythroid 2- related factor 2 pathway[J].Pharmacol Exp Ther,2012,342:81- 90.

[13] 张伟，张剑锋，李浩.甘草酸二铵对百草枯致急性肾损伤大鼠IL- 17表达的影响[J].蛇志,2015,27(2):103- 105.

[14] MITSOPOULOS P,SUNTRES Z E.Protective effects of liposomal N- acetylcysteine against paraquat- induced cytotoxicity and gene expression[J].J Toxicol,2011,2011:808967.

[15] 赵光举,蔡晓霞,佘兴蓉,等.沙利度胺对百草枯诱导的小鼠肺氧化损伤的干预及机制[J].中华劳动卫生职业病杂志,2014,32(11):806- 812.

[16] DISS L,DYBALL S,GHELA T,et al.Acute paraquat exposure impairs colonic motility by selectively attenuating nitrergic signalling in the mouse[J].Autonomic Neuroscience,2016,195:8- 15.

[17] 胥伶杰.自噬反应在百草枯致急性呼吸窘迫综合征和肺泡上皮细胞死亡过程中的作用及其机制研究[D].北京:协和医学院,2014.

[18] AMIRSHAHROKHI K,KHALILI A R.Carvedilol attenuates paraquat- induced lung injury by inhibition of proinflammatory cytokines,chemokine MCP- 1,NF- κB activation and oxidative stress mediators[J].Cytokine,2016,88:144- 153.

[19] KIM Y S,PODDER B,SONG H Y.Cytoprotective effect of alpha- lipoic acid on paraquat- exposed human bronchial epithelial cells via activation of nuclear factor erythroid related factor- 2 pathway[J].Biological and Pharmaceutical Bulletin,2013,36(5):802- 811.

[20] LEE H J,HAN J,JANG Y,et al.Docosahexaenoic acid prevents paraquat- induced reactive oxygen species production in dopaminergic neurons via enhancement of glutathione homeostasis[J].Biochemical and Biophysical Research Communications,2015,457(1):95- 100.

[21] HONG G L,CAI Q Q,TAN J P,et al.Mifepristone- inducible recombinant adenovirus attenuates paraquat- induced lung injury in rats[J].Human & Experimental Toxicology,2015,34(1):32- 43.

[22] LIU Z N,ZHAO M,ZHENG Q,et al.Inhibitory effects of rosiglitazone on paraquat- induced acute lung injury in rats[J].Acta Pharmacol Sin,2013,34(10):1317- 1324.

[23] LIU M,SU M,ZHANG W,et al.Protective effect of Xuebijing injection on paraquat- induced pulmonary injury via down- regulating the expression of p38 MAPK in rats[J].BMC Complementary and Alternative Medicine,2014,14(1):1.

[24] ZHAO F,SHI D,LI T,et al.Silymarin attenuates paraquat‐induced lung injury via Nrf2‐mediated pathwayinvivoandinvitro[J].Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology,2015,42(9):988- 998.

[25] DING Y W,ZHAO G J,LI X L,et al.SIR1 exerts protective effects against paraquat- induced injury in mouse type II alveolar epithelial cells by deacetylating NRF2invitro[J].International Journal of Molecular Medicine,2016,37(4):1049- 1058.

[26] LI S,ZHAO G,CHEN L,et al.Resveratrol protects mice from paraquat- induced lung injury:The important role of SIRT1 and NRF2 antioxidant pathways[J].Molecular Medicine Reports,2016,13(2):1833- 1838.

[27] ZHAO G,CAI X,SHE X,et al.Effect of thalidomide in a mouse model of paraquat- induced acute lung injury and the underlying mechanisms[J].Zhonghua Lao Dong Wei Sheng Zhi Ye Bing Za Zhi,2014,32(11):806- 812.

2016- 11- 25

2017- 06- 25

遵义市科技局基金资助项目[遵市科合社字(2013)42号];遵义医学院附属医院基金资助项目[院字(2014)32号]

王瑜(1988-)，女，山西太原人，医学硕士。 E- mail：1003964132@qq.com

李建国 E- mail：389557764@qq.com；陆元兰 E- mail：1135210228@qq.com

王瑜，喻安永，李建国，等. Nrf2- ARE信号通路在百草枯中毒中的研究进展[J].东南大学学报:医学版,2017,36(5)：868- 871.

R139.3

A

1671- 6264(2017)05- 0868- 04

10.3969/j.issn.1671- 6264.2017.05.038

(本文编辑：何彦梅)