一氧化碳的細胞保護作用及其在臨床應用中的研究進展

王 燦，汪 麗 綜述，史 源審校

（第三軍醫大學大坪醫院兒科，重慶400042）

一氧化碳（carbon monoxide，CO）這種雙原子氣體，近年來被證實對于體內某些病理情況有著細胞保護作用或診斷價值，其體內主要來源于血紅素裂解產物。諸如體內肺損傷所致炎癥，CO可減少炎癥因子產生從而抗炎；體內細胞凋亡，CO可通過抑制活性氧而阻止細胞死亡；此外，可通過降低炎癥因子而對缺血再灌注有保護作用，從而可用于保護器官移植；還可通過測定CO濃度而體現危重病嚴重度，從而用于重癥監護室危重病的監測；基于這些作用，CO對一系列疾病有治療或診斷作用。現針對其細胞保護作用及其在臨床中的應用若干進展作一綜述。

1 CO的來源和作用機制

1.1 CO的來源 以往對CO普遍認識是被認為是一種可燃氣體，這種雙原子氣體作為一種血液中的潛在的化學窒息劑。來自自然界的不完全燃燒和汽車廢氣中以及吸煙均可以產生CO，它可以跟血紅蛋白結合，阻止血紅蛋白與氧結合，使血液喪失運輸氧的功能。因此，早期對CO研究也主要是聚焦在其導致的組織缺氧而產生的毒性上［1］。在20世紀中葉，對CO的研究已經證實，它是一種氧化血紅素代謝的內源性產品，體內主要來源于血紅素裂解。機體由于重金屬暴露，氧化應激，熱應激，炎癥細胞因子的誘導，導致體內血紅素加氧酶（HO）激活，血紅素加氧酶尤其是HO－1作為血紅素裂解的限速酶，可催化血紅素從而有序的釋放CO、膽綠素、游離鐵［2－4］。這即為內源性CO的主要來源，是體內CO產生細胞保護作用的基本。

1.2 CO在細胞保護中的作用機制 最近一些研究表明，低濃度CO可能會出現細胞保護功能，其中CO給予保護的幾個組織損傷模型包括高氧肺損傷；肺，心臟，腎臟，和胃腸道缺血再灌注（I／R）損傷［5－6］；移植的心臟［7］；肝功能障礙［8］和小腸移植失敗等［9－10］。

CO被證明在調節血管張力中發揮重要作用，它通過激活可溶性鳥苷酸環化酶（sGC）產生環磷酸鳥苷（cGMP），從而升高cGMP水平引起平滑肌松弛［11－12］。這種刺激sGC和提高cGMP水平行為影響細胞功能，如離子通道，磷酸二酯酶和蛋白激酶［13］。因此，該sGC／cGMP通路形成 HO－CO內源性系統的一個重要組成部分，且可能是CO參與調解一些抗炎作用的一種分子機制。除了上述sGC／cGMP通路機制，CO還作用于多個含血紅素蛋白靶點的酶，從而對調制炎癥，氧化應激和細胞凋亡產生重要的影響。這些酶包括煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶，細胞色素P450，誘生型一氧化氮合酶（iNOS）。例如，CO通過與酶上的血紅素蛋白靶點結合，抑制可能導致生成活性氧（ROS）的細胞色素c氧化酶的產生，以維持細胞三磷腺苷水平和增加線粒體膜電位［14］，從而發揮其細胞保護作用；此外，通過某種復雜的過程CO能抑制細胞色素P450和NADPH氧化酶。即CO的靶點可能是參與細胞自由基生產，氧化應激，和氧化應激誘導細胞凋亡的多種酶［15］。通過抑制此類導致體內產生自由基等對機體的有害因子的酶，和激活半胱天冬酶這類對細胞有保護作用的酶，從而對某些機體病理狀況下起到細胞保護作用。CO還有一個重要的下游靶點是轉導氧化應激和炎癥信號通路的絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）級聯［16］，即對促炎細胞因子如 TNF－α、IL－1B［17］釋放所需的MAPK通路的抑制。由此可見，由HO－1所催化的內源性CO，對細胞的保護作用如抗炎、抗增殖和凋亡與其在體內的多種酶上的靶點有關，這些酶與自由基生產，氧化應激，和氧化應激誘導細胞凋亡有關。通過作用于此類酶的靶點，發揮其生理和病理的有效作用。這也是作為以后研究其在動物或者臨床上效益作用的基礎。

2 CO在肺損傷中的作用機制及其可能的不良反應

2.1 CO在肺損傷中的作用 CO在肺疾病一個作用是對肺部炎癥損害的保護作用。有研究表明，吸入CO對體內肺損傷和炎癥模型的有效性，這些炎癥損傷可通過博萊霉素，產花粉植物、酸刺激等引起。實驗通過對肺部有炎癥的小鼠吸入CO，從而研究其產生的療效和安全性，結果表明24h吸入CO 100ppm或更多能降低肺泡內40%～50%的中性粒細胞浸潤，其機制可能是由于阻止了中性粒細胞從骨髓動員。

此外，CO在急性肺損傷諸如發生于高氧、敗血癥或在不適當的機械通氣，即呼吸機所致肺損傷（VILI），急性肺損傷（ALI）和其更嚴重形式的急性呼吸窘迫綜合征（ARDS），以及I／R引起的肺損傷也適用。許多實驗研究表明，CO對各種類型的組織損傷的進程是有好處的，尤其是當其在250～400 ppm范圍內的低劑量吸入是有效的，CO有抗炎，抗纖維化和抗凋亡作用。由此可見，吸入劑用于治療肺疾病顯然有很大的潛力。

盡管有實驗表明，CO對肺損害情況有保護效應，但尚存在爭議。Clayton等［18］發現，吸入CO沒有明顯減輕在大鼠模型中由高氧引起的肺損傷，研究建立了3種不同的小鼠急性肺損傷體內模型，并用呼吸機運送預混合的500ppm CO／O2混合氣進入動物肺部進行實驗觀察CO的保護作用，但實驗結果表明吸入CO在這些模型里對ALI并沒有好處［19］。此外，迄今的人類研究涉及健康志愿者和慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者，也表明吸入CO在減輕肺部炎癥上沒有顯著好處。這些明顯的矛盾可能反應，對于認識CO作用機制還有差距。也可能表明，CO的療效局限于特定物種和（或）損傷／炎癥的病因，或者對于CO治療潛力的劑量使用和時間控制方面關注得還不夠，需要進一步的實驗研究以揭示矛盾背后的真相。

2.2 CO在肺損傷的作用機制及可能的不良反應 動物實驗數據顯示，吸入100ppm CO對減少肺損傷引起的肺內中性粒細胞聚集是有效地，這是通過一種新的機制：即與從骨髓動員白細胞的減少有關。此外，動物實驗研究表明，吸入低劑量CO從而對肺損傷產生保護是通過其抗氧化、抗炎、抗凋亡和上調HO－1表達而引起的。具體的細胞機制可見上述CO在細胞保護作用中的機制。

然而，CO在保護肺損傷的同時，其不良反應也被重視。研究表明，500ppm CO暴露可產生重大不良反應。研究表明，CO作為一種細胞保護作用的氣體，具有抗炎、抗增殖和凋亡的作用，但是有嚴格的條件限制，包括其使用的治療劑量，治療暴露的時間等，因此必須考慮其安全性，即對其毒性應嚴格控制。實驗表明，增加CO Hb水平到10%（正常：非吸煙者健康者小于2%～3%）可引起急性臨床癥狀，如呼吸困難，頭暈，和頭痛。水平高于30%能導致中毒和惡心，嘔吐，暈厥和心律失常的癥狀。長期暴露于50%是致命的。此外，即便使用低于一般用于臨床前研究CO的劑量，甚至100ppm CO單獨使用，似乎也會導致肺血管內皮／上皮細胞屏障通透性增加，這說明，CO治療肺炎癥和肺損傷可能是有效的，但治療時間窗可能較小。這些研究結果提供了一個警示：即使低劑量CO在肺部也存在潛在的不良影響。當CO作為治療臨床病理狀態時，更應該考慮其條件的限制和毒性機制。

3 CO在I／R和器官移植中的作用

目前，器官移植是治療很多器官衰竭末期的惟一選擇，然而排除供體器官的可用性等因素，就算是很理想的供體器官在受體內遭受I／R損傷，也沒有辦法對其提供最佳的保護。因此，在術后早期移植的器官頻繁宣布失敗，主要是由于非特異性器官損傷或由于復雜的細胞和體液免疫反應所導致。其中，氧自由基和某些細胞因子是供體保存、再灌注損傷和在急性和慢性排斥反應中有牽連的效應機制［20－21］。本文上述所說，CO對氧自由基和某些導致機體損害的細胞因子有抑制作用，因而也可以想到CO在I／R損傷和器官移植中有可能的作用。實際上，已經有了部分臨床前實驗研究表明，CO對機體器官移植術后的生存和保健有好處，CO通過增加HO－1的產生，從而抑制免疫反應而延長移植的存活率；肝臟、腎臟、肺臟移植以及小腸移植后，通過吸入CO而降低促炎因子而改善I／R損傷。

結合上述的臨床前研究，目前關于CO對移植的作用及應用，已展開了進一步的臨床研究，患者接受腎移植，當對其進行吸入氣的管理時，評價增加CO的劑量水平時安全性和耐受性。由此可見，CO對I／R和器官移植有保護作用，且已經有進入臨床實驗的報道。

4 CO的診斷價值

對于CO在臨床上的診斷價值，主要是通過呼出CO的監測，從而反映體內疾病過程的嚴重度和治療進程，可用于多種疾病的診斷，有其特殊的臨床診斷價值。

呼出CO測定是一個非侵入性工具，它可能反映了系統性和肺部的內源性HO表達和CO產生的動力學。有研究通過在哮喘患者和非吸煙者和吸煙健康對照組中的肺活量演習測量呼出CO濃度［22］，顯示哮喘患者呼出高量的CO，經過糖皮質激素治療后呼出的CO量隨之降低，這表明測量呼出的CO量可能反映哮喘肺的炎癥狀態。對于患有急性哮喘和急劇加重的囊性纖維化而需要緊急治療的患者，他們呼出CO是升高的，這也表明呼出CO是氣道炎癥較好的生物標志物。盡管也有研究表明，呼出一氧化氮（NO）比呼出CO是氣道炎癥更好的生物標志物，但呼出的CO仍然是另外一種有效的生物標志物，特別是對于兒童疾病方面的應用，非侵入性的測量呼出CO可作為評估兒童哮喘控制的補充手段，研究表明CO水平升高是非特異性的，可能與一種急性病毒疾病相關［23］。對于支氣管擴張癥課題的研究中，提示呼出的CO也是增加的［24］。上述測量是在不考慮任何抗感染治療情況下實施的，可以反映這些患者的炎癥氣道中巨噬細胞和中性粒細胞產生的炎癥細胞因子或者超氧陰離子可能誘導HO－1的表達，即增加CO的產生。因此，呼出CO在提示肺部炎癥狀態有很好的標志作用。CO的升高而也可以作為慢性阻塞性肺疾病（COPD）急性發作的一個很好的指標［25］。在對危重患者呼出的CO的測量表明，危重病患者體內血紅素分解增加了，它能被呼出的CO所監測出來，其呼出氣中的CO濃度可能反映出疾病的嚴重度。因此，呼出的CO也可用作重癥監護治療的測定指標。

5 CO的臨床治療前景

基于上述對CO在體內的細胞保護作用的描述，可知其適用于臨床疾病有臟器損傷所致炎癥；再灌注損傷如固體器官移植；急性器官損傷和慢性退行性疾病；危重癥的嚴重程度和治療好轉效果的監測等。另有研究表明，CO的抗增殖作用可能在動脈粥樣硬化和糖尿病微血管病變有臨床作用。近年來，一些臨床開展的實驗也證實了CO在人體的有效作用。關于CO的細胞保護作用，進一步的臨床研究是必要的，臨床應用CO應充分考慮其治療劑量，暴露時間，測定呼出CO的器械的選擇，證實其作用效用的因子的檢測，以及充分考究其毒性的程度和范圍。這些，均是當前臨床研究面臨的問題。

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