血紅素加氧酶-1在感染性疾病中的作用及研究進展

王 凡，王宏娟 綜述，徐世明 審校

(首都醫科大學燕京醫學院生物化學與分子生物學教研室，北京 101300)

由細菌、真菌、寄生蟲和病毒引起的各類感染性疾病是導致人類高發病率和高病死率的主要原因。盡管抗生素不斷更新換代，但感染性疾病仍是世界十大死亡原因之一，其中主要的感染性疾病是艾滋病、結核病和瘧疾。近些年，抗體技術的進步和微生物感染輔助治療手段的增加，使調節宿主對病原體的免疫應答，減輕感染對機體的影響成為可能。血紅素加氧酶-1(heme oxygenase 1,HO-1)是一種具有免疫調節活性的細胞保護酶，可以被藥物調控來改變感染的結果[1]。HO-1可催化血紅素降解生成CO、膽綠素和亞鐵離子。CO作為第二信使，影響著諸多細胞功能，同時具有抗凋亡[2]、抗炎[3]、抗增殖[4]和促血管舒張活性[5]等作用。HO-1催化生成的膽綠素隨即被還原為膽紅素，膽綠素和膽紅素都具有抗菌活性[6]。分子鐵可誘導鐵蛋白的表達，最終減少細胞內的游離鐵，起到阻礙細胞內病原體生長的作用[7]。此外，HO-1可在其C端被裂解后，轉移到細胞核內，參與氧化應激誘導的轉錄調節作用[8]。已有研究分析了HO-1在心血管系統、消化系統、呼吸系統、泌尿系統、神經系統等多種疾病中的作用，但對HO-1與感染性疾病的關系，研究報道較少。本文對HO-1在由細菌、真菌、寄生蟲、病毒引起的各類感染性疾病中的作用，進行了綜述。

1 HO-1與細菌感染

1.1結核分枝桿菌(mycobacterium tuberculosis，Mtb)感染 對于HO-1在結核病發病機制中所起的作用是細胞保護或細胞毒性，學者們看法不一，一種觀點認為HO-1可以保護宿主免受結核分枝桿菌的感染，另一種觀點則認為HO-1增強了宿主細胞的易感性。2012年，REGEV等[9]研究證明HO-1是在感染禽Mtb后被誘導表達的。他們發現HO-1可通過對單核細胞趨化因子蛋白-1(MCP-1)和趨化因子受體2(CCR2)的調控，來影響HO-1-/-小鼠肉芽腫的形成，而這些趨化因子涉及單核細胞-巨噬細胞的轉運。該研究還說明，HO-1-/-小鼠對禽Mtb的感染很敏感。此后SILVA-GOMES等[10]研究證實，HO-1及其反應產物通過對促炎細胞因子IL-1b和IL-6的下行調節，來抑制細胞的促炎性反應，且在缺乏活性HO-1的情況下，血紅素的積累會導致巨噬細胞的壞死性凋亡。SILVA-GOMES等[10]發現對受感染小鼠的血紅素水平的調控可以阻斷小鼠肉芽腫的形成，證明HO-1具有對抗Mtb感染的作用。而該研究中，HO-1-/-小鼠被證明死于Mtb的感染，并且其體內有更高的細菌載量。這些表明，HO-1在保護機體免受Mtb的感染中起著重要作用。為了描述HO-1介導細胞保護的分子機制，有學者研究發現HO-1是γ-干擾素(IFN-γ)誘導自體吞噬的必要條件[11]。而IFN-γ誘發的自體吞噬在細胞內Mtb的清除中起著至關重要的作用，但其具體機制較復雜[12]。

相反，另一些研究表明HO-1可幫助宿主體內的Mtb存活。SCHARN等[13]發現，通過錫原卟啉IX(SnPPIX)抑制HO-1的表達，可以抑制Mtb的生長。研究也證明在Mtb誘導下，HO-1與Mtb會在細胞內進行共定位，且HO-1能夠促進巨噬細胞炎癥因子的產生。通過SnPPIX治療，可以降低細胞的Mtb細菌載量，并弱化炎性反應。此外，SnPPIX療法與傳統抗菌治療相結合，能快速有效清除Mtb。SnPPIX治療也會降低人單核細胞型淋巴瘤(THP1)細胞中的膿腫分枝桿菌的存活，可使THP1細胞內活性氧簇(ROS)的水平增加，并促進溶酶體與運載分枝桿菌的吞噬小體的融合[14]。HO-1的表達與結核病的相關性在家兔、小鼠和靈長目動物等模型中也得到證實[15]。然而，闡明HO-1在Mtb感染的發病機制中所起的作用，還有待深入的研究。

1.2其他細菌感染 HO-1在鼠傷寒沙門菌和綠膿桿菌等細菌感染中的作用，也有報道。

目前，HO-1在保護細胞抵抗鼠傷寒沙門菌感染方面的作用，爭議頗多。ONYIAH等[16]建立了小鼠感染鼠傷寒菌誘發結腸炎的模型，證明用鈷原卟啉(CoPP)誘導HO-1的表達，可以降低小鼠不同靶器官的細菌載量。該研究也證明，HO-1催化產生的CO，可誘導小鼠巨噬細胞的殺菌活性，以保護它們免受沙門菌的感染。與上面提到的研究結論相反，MITTERSTILLER等[17]證明，使HO-1基因沉默或使用HO-1抑制劑，能使沙門菌的存活率降低，這種對感染的控制效應是通過膜鐵轉運蛋白1(ferroportin 1,FPN1)介導的鐵減少引起的，并伴隨著白細胞介素-6(IL-6)、CC趨化因子配體20(CCL20)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、一氧化氮合酶(iNOS)等促炎癥細胞因子的產生。

綠膿桿菌是一種機會性病原體，在60%的囊性纖維化(CF)患者中發現該菌的感染。ZHOU[18]等分析了在CF患者中HO-1的表達，證明HO-1在CF感染部位有著很高的表達水平。此外，利用綠膿桿菌感染囊性纖維化呼吸道上皮細胞株(ib3.1)，發現HO-1的過表達能夠保護這些細胞免受細胞損傷和凋亡的影響[18]。

2 HO-1與真菌感染

白色念珠菌是一種機會性病原體，它在寄主體內是否致病，依賴一種毒性途徑的調控，并且這條途徑需在血紅蛋白的存在下起作用[19]。在與血紅蛋白接觸后，白色念珠菌會誘導纖連蛋白過表達，它有助于念珠菌的附著和感染的初步啟動[19]。血紅蛋白還可以一種鐵依賴的途徑誘導白色念珠菌HO-1的表達，HO-1能幫助宿主體內白色念珠菌的生長。在一定濃度CO的作用下，白色念珠菌的毒性增加，CO可以保護其免受宿主免疫系統的影響[20]。HO-1催化生成的CO可以降低IL-17的水平，有助于增強白色念珠菌的毒性。此外，HO-1基因敲除的白色念珠菌菌株顯示出毒性減弱，且可在吸入外源性CO后逆轉[20]。這些研究表明，HO-1有助于提高白色念珠菌的存活率和毒性。然而，宿主來源的HO-1在白色念珠菌病發病機制中的作用尚需要進一步的研究。

3 HO-1與寄生蟲感染

在寄生蟲病中，瘧疾是一個全球性的健康挑戰，2016年，瘧疾在世界范圍內，共有2.16億病例和44.5萬人死亡。當瘧疾寄生蟲成熟時，它會進入血液并感染紅細胞，紅細胞被寄生蟲溶解，產生無細胞血紅蛋白，最終導致血紅素的積累。血紅素具有細胞毒性，但可以被HO-1降解。PAMPLONA等[21]利用小鼠模型分析了HO-1在實驗性腦型瘧疾(ECM)中的作用。這項研究表明，通過藥物誘導HO-1表達，可以阻止ECM對機體的攻擊，同時可避免因ECM感染而導致的死亡。另一項研究表明，功能性HO-1的存在可以保護小鼠免受夏氏瘧原蟲的感染，而該項試驗中的HO-1-/-小鼠經歷了肝衰竭并最終死亡[22]。以上研究都表明，HO-1在瘧原蟲感染中對機體起保護作用。

然而，EPIPHANIO等[23]發現，HO-1-/-BALB/c小鼠可以抵御伯氏瘧原蟲和約氏瘧原蟲的感染。他的研究表明，瘧原蟲感染后對肝細胞HO-1基因的誘導，對瘧原蟲成功感染肝臟起著至關重要的作用，而HO-1過表達或外源性CO的干預，則會增加肝臟的瘧原蟲載量。基于以上推測，由HO-1作用產生的CO的濃度和感染的位點可能是瘧疾發病機制的重要影響因素。

4 HO-1與病毒感染

HO-1在控制病毒感染方面起著重要的作用，因此成為治療病毒感染最有希望的藥物靶標之一。研究表明，HO-1能控制某些病毒的復制能力，從而成為對抗病毒感染的重要手段。

4.1人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus，HIV) 艾滋病仍然是全球危害最嚴重的感染性疾病之一，由HIV引起。HIV是一種逆轉錄病毒，依靠逆轉錄酶進行RNA復制。在20世紀80年代，TSUTSUI和MUELLER證明了100 μmol/L的血紅素可以直接抑制小鼠白血病病毒的逆轉錄酶[5]，由于血紅素是HO-1的激活劑，推測 HO-1在減輕病毒感染方面起重要作用。DEVDAS等[24]利用人源化NOD-SCID小鼠，證實了這一假設，血紅素確實可以抑制HIV的復制。在單核細胞中重復該試驗，得到相似結果。后續研究發現，利用HO-1的抑制劑SnPPIX，可削弱血紅素對HIV的抑制作用。此外，利用脂多糖(LPS)可以抑制由單核細胞來源的巨噬細胞內HIV病毒的復制。研究發現，由LPS介導的HO-1的表達，可以導致細胞內趨化因子MIP1ɑ和MIP1β 的高表達，從而抑制HIV病毒的復制[25]。在HIV感染后，第1批表達的蛋白質是轉錄反式激活因子(Tat)，Tat對于宿主細胞內HIV的生存和復制是必不可少的，Tat會降低細胞內HO-1水平，導致血紅素的聚積，進而導致細胞內的H2O2積累，人為上調HO-1的表達可抑制Tat蛋白的活性，從而抑制病毒的感染和復制[26]。綜上所述，HO-1在減輕HIV感染方面有重要作用，可以作為治療HIV的靶標。

4.2乙型肝炎病毒(hepatitis B virus，HBV) HBV是一種DNA病毒，表現出與逆轉錄病毒相似的特征。一些感染HBV的患者會發展為活動性肝炎，進而發展為肝硬化和肝癌。研究發現，經HO-1的誘導可以減少小鼠模型中與炎癥相關的肝細胞的凋亡[27]。對于HO-1在控制HBV感染方面所起的作用，PROTZER等[28]使用小鼠急性乙型肝炎的模型(該小鼠基因組被嵌入HBV)，發現通過共聚聚丙烯(CoPP)誘導HO-1的表達，可以減少病毒的復制和減輕小鼠肝損傷，其機制是小鼠體內誘導產生的HO-1直接降低了HBV核蛋白的穩定性，從而抑制了HBV核中共價閉合環狀DNA的生成。這項研究還使用了慢性乙型肝炎感染的轉基因小鼠模型，在該模型中，誘導產生的HO-1，抑制了病毒的復制。上述研究表明，HO-1可直接抑制HBV病毒的復制，而不是通過誘導抗炎反應來抑制病毒復制的。

4.3流感病毒(influenza virus，FLU) 流行性感冒是由FLU引起的，FLU有4種血清型：A、B、C和D，已知A、B和C型會感染人類。HASHIBA等[29]在研究中先用帶有小鼠HO-1 cDNA的腺病毒處理小鼠，使HO-1過表達，再用流感病毒(H1N1)感染小鼠。結果發現，與對照組相比，HO-1減少了炎癥細胞向肺部的轉移，減輕了肺部病變，提高了小鼠存活率。HO-1所體現的保護性作用主要是通過抑制病原體引發的死亡信號轉導通路實現的。該結論得到了另一項研究的支持，在HO-1-/-小鼠中，流感病毒疫苗的反應減弱，流感感染惡化[30]。流感病毒感染上皮細胞、單核細胞或巨噬細胞后，HO-1還可調控這些細胞促炎癥趨化因子(如RANTES和MCP-1)的分泌。有研究表明，盧比甾酮酸衍生物可通過MAP-ERK途徑上調HO-1的表達，進而抑制流感病毒的復制[31]。HO-1的上調導致了1型干擾素的表達量升高，而干擾素則是體內天然的抗病毒物質[31]。此外，經血紅素誘導表達的HO-1，可以減輕流感病毒引起的肺炎，這種影響主要是通過對機體免疫反應的調節和減少肺損傷實現的[32]。

5 展 望

HO-1是應激反應的主要調節因子之一。血紅素被HO-1催化降解，其產物CO和膽綠素是細胞內強有力的抗氧化劑，可以殺死一些病原體，分子鐵在游離狀態下也是一種氧化介質。相關研究表明，HO-1與細菌、真菌、寄生蟲、病毒引起的感染性疾病有著密切關系。許多微生物感染都會引起細胞的氧化應激反應，HO-1可以保護細胞免受病原體感染引起的氧化應激損傷，氧化應激也可以誘發宿主細胞清除病原體的途徑。依賴于不同宿主細胞和不同病原體，HO-1可以保護宿主免受感染，或可能促進細胞內病原體的生長。HO-1在包括乙型肝炎病毒、HIV在內的幾種病毒感染中的細胞保護作用已得到證實。在真菌感染方面，白色念珠菌自身誘導表達的HO-1有助于提高其存活率和毒性。HO-1在瘧疾、結核桿菌和鼠傷寒沙門菌感染中的作用尚不明確。

綜上所述，HO-1可以發揮對宿主的保護作用，也有可能通過抑制炎癥途徑來促進某些病原體在細胞內的生長。相信進一步的研究將揭示HO-1在這些感染中的確切作用，為研究感染性疾病的治療策略和治療手段，提供新的思路。