脑肠肽Ghrelin对器官缺血再灌注保护作用的研究进展*

谭婉仪 综述,石 斌 审校

(同济大学医学院/同济大学附属杨浦医院EICU,上海 200090)

缺血再灌注(I/R)是组织损伤的最常见原因。首先是缺血引起组织、器官的损伤,其次是I/R引起的后续损害。缺血再灌注损伤(IRI)是一个复杂的过程,涉及许多病理生理机制。脑肠肽Ghrelin是生长激素(GH)促分泌物受体的一种内源性配体,有促进GH释放的作用。Ghrelin及其受体在人体内广泛分布,发挥着极其重要的生物学作用。有研究表明,Ghrelin参与调节食欲[1]、能量代谢,以及调节胃肠道、心血管、免疫功能和细胞增殖与凋亡[2],还具有抗炎、抗氧化[3]等特点,且在许多病理状态及疾病发生发展过程中发挥着重要的作用。本文将回顾现有的Ghrelin对机体重要器官I/R的保护作用及相关保护机制,为其未来潜在的诊治提供新思路。

1 I/R对机体的影响

IRI是指各种原因造成的组织血液灌流量减少,使细胞发生缺血性损伤,最终导致细胞功能障碍和坏死,但组织恢复血液再灌注及氧供后,部分细胞功能代谢障碍及结构破坏反而加重的现象。事实上,I/R是一种矛盾的组织反应。临床常见于心肌梗死、缺血性脑卒中、急性肾衰竭、器官移植、休克等。缺血限制动脉血流导致缺氧,并引起线粒体作用的功能障碍。炎症反应此时被激活,促炎性细胞因子,如白细胞介素-1(IL-1)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、γ干扰素(IFN-γ)和趋化因子被增强,而这些细胞因子可以激活负责自由基产生的补体和蛋白酶。IRI涉及许多病理生理机制[4-5],包括微循环障碍、线粒体功能障碍、活性氧(ROS)产生的增多、钙超载、中性粒细胞累积等。如不及时纠正,可引起心肌梗死、急性心力衰竭、脑功能障碍、胃肠功能障碍、全身炎症反应综合征(SIRS)、多器官功能障碍综合征(MODS),甚至导致死亡。

2 Ghrelin概述

脑肠肽Ghrelin是从大鼠胃中提纯出来的活性肽[6]。Ghrelin又称为胃饥饿素,为典型G蛋白偶联受体家族中的一员,可以激活生长激素促分泌激素受体(GHSR),其被证实为 GHSR的天然性配体,可促进GH的分泌。循环中的Ghrelin主要是由胃黏膜X/A样细胞产生,由多种信号刺激产生后以脉冲的方式接分泌入血液中,另外,少量Ghrelin亦可由其他器官分泌,如脑干、垂体、胃肠道、肝脏、肾脏、心脏等[7]。Ghrelin在健康人血液中循环,血浆浓度为(117.2±637.2)fmol/mL[8]。

体内的Ghrelin主要有2种存在形式:一种是N端去辛酰基化(DAG),另一种是N端辛酰基化(AG),血液中DAG与AG比例约为9∶1[9],后者是受体结合及诱导其生物活性所必需的。但AG结构十分不稳定[7],因此,为确保Ghrelin可以充分发挥其作用,需经过一系列化学反应将AG转化为不活跃的去酰基化形式,即DAG,而后通过血液循环被运送到相应的靶器官,再在这些部位发生重新发生酰化反应,从而使Ghrelin再次具有生物学活性,发挥其相应的生物学作用[10]。

Ghrelin与GHSR结合发挥作用,刺激GH的释放。GHSR有1a型(GHS-R1a)和1b型(GHS-R1b)2种类型。目前有研究认为,GHS的促分泌效应主要是通过与GHS-R1a结合实现的[11]。GHSRla主要分布在下丘脑,在胃肠道、心血管、肺等组织中也有分布。另外一型GHSRlb也在体内广泛分布,其可能调节其他GHSRs,包括GHSR1a。GHSR的多部位分布,提示了Ghrelin对机体多组织器官具有广泛的作用。

由于Ghrelin具有抗炎、减轻氧化应激、保护线粒体代谢、调控细胞自噬等作用,Ghrelin已被证明对机体多种组织器官IRI具有保护作用。此外,Ghrelin其他疾病,如脓毒症也是有益的。人们越来越关注Ghrelin在器官I/R保护性应用的前景。

3 Ghrelin在I/R中的器官保护作用

3.1Ghrelin对心血管I/R的保护作用 急性心肌梗死是心血管疾病中的的急重症,发病率每年居高不下。早期予介入治疗或溶栓治疗是有效恢复心肌灌注、缩小梗死面积,挽救患者生命从而降低不良预后的有效方法。但有研究显示,急性心肌梗死的患者进行溶栓或介入治疗后,心肌IRI引起的如心律失常、心肌梗死面积增大、心力衰竭等不良心血管事件是目前面临的主要问题,影响着患者的预后。大量研究证实,Ghrelin可以抑制血管内皮细胞凋亡[12],改善心肌梗死后心肌重构,减少恶性心律失常的发生。同时Ghrelin具有强大的血管舒张作用,在不增加心率的情况下,增加心排血量,具有有益的血流动力学作用[13]。由此可见,Ghrelin对心血管系统具有明确的保护作用。

心肌细胞中含有丰富的线粒体,占心肌细胞体积的22%～37%[14]。有研究显示,线粒体通过自噬能够清除受损的线粒体,稳定心肌细胞内环境稳定,维持细胞内能量代谢及细胞内腺苷三磷酸(ATP)水平,对受损心脏起一定的保护作用[15],而Ghrelin促进缺血状态下的线粒体自噬发生。HUANG等[16]在大鼠心肌IRI组使用Ghrelin后发现大鼠心肌氧化应激减轻,线粒体超微结构破坏部分逆转,能量代谢得到改善,ATP含量显著增加。提示Ghrelin通过提高线粒体ATP合成,减少ROS的生成,稳定线粒体超微结构,维持心肌细胞能量代谢,从而起到减轻IRI,保护心肌的作用。近年来,研究已证实在缺血缺氧环境下,Ghrelin可启动FUNDC1受体途径介导线粒体自噬,进而有效减轻心肌I/R造成的心肌细胞损伤[17-18]。

Ghrelin可以通过神经体液途径调节心肌的损伤。有动物研究显示,无论是皮下注射还是脑室内给予Ghrelin治疗,均可以抑制急性心肌梗死引起的交感神经活性增强,提示Ghrelin可抑制交感神经毒性,并诱导迷走神经激活[19]。Ghrelin早期干预可以缩小急性心肌梗死面积、减轻心肌梗死导致的心肌细胞肥大,从而能减轻心肌重塑并预防心力衰竭。

除此之外,Ghrelin还可以通过多种信号通路来保护心脏免受IRI。Ghrelin预处理可降低促凋亡蛋白Bax和Caspase-3蛋白表达,并提高抗凋亡蛋白Bcl-2的表达,降低I/R后心肌细胞的凋亡率[20]。也有研究表明,Ghrelin可以通过激活腺苷-磷酸活化蛋白激酶(AMPK)通路来减少内质网应激造成的心肌损伤[21]。

3.2Ghrelin对中枢神经I/R的保护作用 脑卒中的年发病率和死亡率逐年上升,其中缺血性脑卒中占有很大比例。当积极采取措施恢复缺血脑组织血供时,反而对机体造成二次打击的现象,即脑IRI。已有研究证实,Ghrelin在脑缺血、创伤性脑损伤、急性脊髓损伤疾病模型上均具有神经保护作用,其作用机制涉及抗炎、抗氧化应激、抗凋亡等多个途径。GSHR位于中脑结构中,特别是在下丘脑弓状核和孤束核显著集中,且Ghrelin可以通过血脑屏障到达中枢系统的不同结构,如海马区、腹侧被盖区等[22],这构成了Ghrelin神经保护作用的解剖基础。

Ghrelin可以刺激神经祖细胞的增殖、迁移和分化,抑制炎性细胞因子,如TNF-α、IL-1β、IL-6的释放,保护脑组织免受IRI,减轻神经炎症[23]。在脂多糖(LPS)刺激的巨噬细胞实验中,Ghrelin可以作为巨噬细胞灭活因子抑制巨噬细胞产生促炎性细胞因子[24]。

在脑中动脉闭塞引起的脑缺血大鼠中,Ghrelin完全逆转I/R引起的组织学和生化改变,使血浆细胞因子水平和脑氧化应激标志物正常化,并提高了7 d生存率[25]。Ghrelin诱导的神经保护依赖于线粒体氧化还原状态,其可以通过活化线粒体解偶联蛋-2(UCP-2)依赖的线粒体机制抑制线粒体膜电位下降,促使抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)表达的下调、减少ROS生成,以及核因子κB(NF-κB)的易位,降低神经元内氧化应激水平。

有趣的是,Ghrelin还能够促进脑I/R后神经修复,并影响星形胶质细胞活化及神经生长因子表达。Ghrelin促进神经修复的机制可能与综合调控星形胶质细胞活化和神经调节蛋白1(NRG-1) 及脑源性神经营养因子(BDNF)表达相关[26]。同时在I/R时脑组织中神经生长蛋白-43(GAP-43)表达增高,提示Ghrelin也可能通过促进GAP-43大量表达而促进受损神经的再生与修复[27]。

3.3Ghrelin对胃肠道I/R的保护作用 急性肠系膜缺血是一种腹部急症,死亡率极高。胃肠黏膜即使是短时间的缺血也能诱导各种炎症介质的产生并激活白细胞,从而导致远端器官损伤和随后的死亡。Ghrelin除了具有调节食欲、维持能量平衡及促进胃肠道排空作用,其对缺血和随后的再灌注引起的胃肠道病变也具有明显的保护活性。

Ghrelin能够提高失血性休克大鼠胃黏膜血流量,改善胃黏膜IRI。PAWLIK等[28]认为Ghrelin诱导的肠道保护涉及其对血管扩张的作用肠系膜循环。Ghrelin引起胃黏膜[29]、肠壁毛细血管和肠系膜血管血流显著升高[30],进一步说明Ghrelin具有舒张血管、肌肉内脏动脉,以及增加向胃肠道黏膜的氧气和营养物质的输送作用。

Ghrelin可降低TNF-α和IL-6表达,减少氧化应激并抑制肠道中ROS的产生,发挥其强大抗炎作用[30]。肠道I/R时,肠微血管中免疫细胞的激活可诱导产生局部炎症反应,继而诱导出现全身炎症反应。除此之外,Ghrelin可抑制中性粒细胞的积累,进一步表明其对ROS可能来源的抑制作用。ZHANG等[31]通过建立I/R大鼠模型实验发现,给予Ghrelin的小鼠组小肠及肺组织中mTOR及p70S6K磷酸化水平明显增高,NF-κB通路下游因子则表达减少。由此得出,Ghrelin可能通过活化mTOR及p70S6K信号通路,抑制NF-κB通路,减轻肠道I/R所致相关器官的炎性损伤,改善器官损伤并降低死亡率。

Ghrelin也可通过刺激迷走神经激活胆碱能抗炎通路,减少肠道IRI[19]。完整的迷走神经神经支配是Ghrelin诱导的黏膜完整性增强的先决条件之一,此为脑肠轴的主要组成部分。Ghrelin刺激迷走神经抑制巨噬细胞和内皮细胞的激活,进而迅速减轻全身炎症反应,减少器官损伤。同时,Ghrelin激活胆碱能纤维后,释放血管保护介质,如降钙素基因相关肽(CGRP)。而神经肽如CGRP、P物质、一氧化氮(NO)不仅是有效的血管扩张剂,而且对IRI具有保护作用。Ghrelin在胃肠道的保护作用是一个有趣的领域,需要进一步的研究。

3.4Ghrelin对肝脏I/R的保护作用 在肝切除、肝移植和各种休克中,I/R是肝功能受损的一个常见原因。肝脏I/R可引起肝功能障碍、肝功能衰竭,甚至多器官功能衰竭。

Ghrelin能够缩短腺苷二磷酸(ADP)缺乏时间,并提高氧耗。在IRI过程中,缺氧会干扰氧化磷酸化,阻碍ATP的产生,导致线粒体耦合效率的降低及ROS的过度产生。ROSSETTI 等[32]研究了Ghrelin在肝脏I/R模型中潜在的临床作用,其通过实验证明,Ghrelin可作用于线粒体水平,保护线粒体结构及电子传递链调控蛋白的表达,限制ATP消耗和质子泄露。Ghrelin也影响着细胞色素C氧化酶、ATP合酶的活性、线粒体通透性转换孔(mPTP)的开放,从而提高缺氧状态下肝脏氧利用率,有效降低肝脏IRI引起的血浆谷丙转氨酶(GPT)及谷草转氨酶(GOT)水平。

Ghrelin对肝脏I/R的保护作用可能与AMPK激活水平相关[33]。经Ghrelin预处理的I/R小鼠,其肝细胞坏死情况明显减轻,AMPK磷酸化的上调作用也相应减轻,而Ghrelin基因受体敲除小鼠血浆炎症因子水平升高,肝脏AMPK磷酸化水平也明显增加[34]。AMPK的激活被认为是为了保持ATP水平,减少缺血期间的乳酸积累,从而减少再灌注后的肝损伤。

Ghrelin对肝脏IRI及肝纤维化具有较好的保护作用[9]。肝纤维化中异常沉积的细胞外基质(ECM)主要来源于活化的肝星状细胞(HSC)。HSC活化后,可以分泌大量基质金属蛋白酶(MMPs)与基质金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs),导致ECM中的微环境发生紊乱。在这个过程中MMPs/TIMPs 值下降会导致ECM沉积的量大于降解的量,形成肝纤维化。在肝脏遭受IRI后,无论是在肝纤维化早期或是进展期,Ghrelin对MMPs、TIMPs均有调控作用,可使MMPs/TIMPs的分泌重新处于新的平衡,促使肝脏中ECM降解,抑制肝纤维化的发生和发展。Ghrelin在肝脏损伤方面的保护作用正在不断被认识,可能会成为预防肝脏IRI一种新的治疗选择。

3.5Ghrelin对肺脏I/R的保护作用 组织可直接通过气体交换排出二氧化碳,还可通过肺动脉、支气管动脉双循环系统获取氧气,因此肺脏对缺血缺氧具有较强抵抗力[35]。但由于全身血流流经肺脏及肺脏丰富的免疫细胞,休克、远隔脏器的损害、感染、SIRS可以导致肺脏损伤。有研究证明,Ghrelin对肺损伤有许多积极的保护作用。

在多项动物实验中,外源性Ghrelin已被证明可通过抗炎和抗氧化作用,在肺损伤模型中提高生存率。外源性Ghrelin可通过抑制NF-κB信号通路,下调TNF-α、IL-6和IL-1等炎性细胞因子的表达水平,改善肺损伤。LI等[36]利用Ghrelin激动剂(生长激素释放肽-2)抑制炎性细胞因子释放,从而减轻大鼠急性肺损伤。这些结果均表明,Ghrelin可能作为一种肺保护分子,改善I/R引起炎性细胞因子,甚至炎症“风暴”进一步导致的肺损伤。

有研究表明,在肺脏I/R时,Ghrelin可以抑制大鼠肺中收缩血管物质如内皮素-1过表达,促进NO释放降低肺动脉压力,保护线粒体功能改变,提高对缺氧的耐受,对肺损伤起到保护作用[2]。

Ghrelin还可以通过防止缺氧诱导的血管生成和缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)和血管内皮生长因子(VEGF)表达的增加来防止缺氧诱导的肺损伤[37]。HIF-1α是在肺脏缺氧反应过程中被激活的最重要的信号通路之一[38],而VEGF主要表达于肺组织中。在许多组织中,缺氧是VEGF mRNA表达的强诱导剂[39]。在缺氧条件下,肺组织中的血管生成增加,而Ghrelin治疗对此条件下的血管生成过程有抑制作用。与对照组及缺氧组相比,缺氧条件下的Ghrelin治疗可降低肺组织中的HIF-1α及VEGF水平。故提示Ghrelin能通过降低HIF和VEGF水平来抑制肺组织的血管生成过程,进而保护肺脏IRI。Ghrelin可通过多种途径改善肺脏I/R,是治疗肺缺血损伤很有前途的一种药物。

3.6Ghrelin对肾脏I/R的保护作用 肾脏的血流量非常丰富,但对缺血十分敏感。缺血后,肾细胞就开始积累代谢废物,如乳酸、TNF-α、IL-6升高,出现细胞凋亡。血液重新灌注后,肾组织的功能不能得到立刻恢复,反而会进一步加剧损伤,这是引起急性肾损伤(AKI)的重要因素。Ghrelin已被证明可以改善肾功能,减轻肾纤维化和炎症[2]。

Ghrelin具有抗炎特性,可通过降低IL-6水平而减轻肾脏IRI后的肾组织损伤,改善肾功能[40]。在缺血后立即给予Ghrelin,可检测到肌酐、尿素氮等肾脏损伤指标的下调,全身和局部IL-6水平下降,肾脏中性粒细胞浸润减少,组织学完整性也被改善。IL-6产生的衰减也可改善肾脏和远端器官的组织损伤。

Ghrelin对肾脏IRI的有益作用可能部分是通过减弱肾脏I/R诱导的细胞凋亡来介导的。Bcl-2/Bax值是决定细胞凋亡的主要因素。肾脏IRI时,Bcl-2/Bax值下降,而Ghrelin干预可使Bcl-2/Bax值完全恢复到正常水平。在肾损伤、肾纤维化中,microRNA-21(miR-21)对细胞凋亡和炎症发挥保护作用。Ghrelin可通过提高miR-21水平,进而上调PI3K/AKT信号通路,抑制炎症反应和肾小管上皮细胞凋亡,对I/R诱导的AKI具有保护作用[41]。

在静脉或侧脑室内注射Ghrelin后,肾脏的交感神经活动下降。Ghrelin可以通过血脑屏障,因此Ghrelin对肾脏IRI的抗炎作用可能是由于其交感神经抑制特征。这表明Ghrelin对肾脏IRI的保护作用可归因于肾脏IRI中交感神经和迷走神经相互作用。

上述研究提示,Ghrelin可通过多种途径对肾脏IRI起防护作用。但到目前为止,关于Ghrelin治疗肾脏IRI的更多实验及临床证据仍有待进一步探索。

3.7Ghrelin对胰腺I/R的保护作用 急性胰腺炎(AP)是临床上最常见危重病之一。缺血性损伤在AP的发病机制中起着重要的作用。失血性休克、体外循环、腺体移植等各种临床事件均可引起AP。在严重的情况下,AP可进展为坏死性胰腺炎。炎细胞的激活和促炎性细胞因子的释放会导致局部胰腺损伤、SIRS和多器官功能衰竭(MOF)的发展。GHSR在胰岛和腺泡细胞中也有表达,这为Ghrelin对胰腺的保护作用提供了解剖基础。

Ghrelin的抗炎和抗氧化特性对I/R诱导的胰腺炎具有显著的治疗作用。Ghrelin能减少IL-1的释放,抑制白细胞浸润腺组织,显著增加SOD活性,改善胰腺组织损伤的形态学表现,从而保护胰腺免受损伤。显微镜组织学检查显示,Ghrelin消除了胰腺损伤的表现,包括腺泡细胞水肿、空泡化、出血、坏死等。大量研究表明,炎症因子的产生与AP的严重程度相关[42]。其中IL-1在急性炎症反应的发展中起着重要作用,其可刺激促炎级联反应的其他成员,如IL-6、TNF-α在远处的器官内产生的释放。事实证明,Ghrelin治疗后可抑制胰腺组织的白细胞浸润,并减少IL-1的产生,从而限制胰腺炎的严重程度。

Ghrelin可降低AP大鼠血清中消化的酶活性是其对AP有保护作用的一个有力证据。众所周知,血清脂肪酶和淀粉酶活性是AP严重程度指标,具有较高的敏感性和特异性。FABRE等[43]通过实验证实,Ghrelin对I/R诱导的AP的治疗作用与血清消化酶活性的衰减有关。

Ghrelin能促进AP诱导的胰腺DNA的合成,并且逆转AP引起的器官血流减少[45],增强胰腺组织的再生能力,促进胰腺组织的愈合。在AP的修复再生过程中,GH、胰岛素样生长因子(IGF-1)mRNA的表达增加。IGF-1可显著逆转胰腺血流量的下降,并增加抗炎细胞因子IL-10的血浆浓度[46]。前文已阐述,Ghrelin是GHSR的天然配体,可刺激GH的释放。故可推测,Ghrelin对胰腺的保护和治疗作用,部分依赖于GH和IGF-1的释放。总之,Ghrelin对I/R诱导的胰腺炎有显著的治疗作用,而其中的机制是多因素的。

4 结 语

I/R是一个复杂的过程,涉及许多病理生理机制。Ghrelin作为一种新发现的内源性调节肽,在I/R调节中占有重要地位,甚至可能参与了疾病的病理生理过程。但其详细的影响机制和作用过程还不是很清楚。Ghrelin要用于临床诊治,仍需要进行大量的临床试验研究。毋庸置疑,Ghrelin在器官I/R疾病中的治疗潜力是十分巨大的,这些潜在的治疗方法仍然为Ghrelin治疗人类疾病的疗效留下了广阔的空间来实现许多目前未满足的医疗需求。