血紅素加氧酶-1在眼科疾病中的應用

張 丹，趙 軍，張娟美

0引言

在疾病狀態下，機體內的氧化與抗氧化系統失衡，為維持健康狀態機體會調用各種抗氧化酶。血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)是目前已知的最易誘導的抗氧化酶之一。HO-1是血紅素代謝過程中限速酶，其可將血紅素分解成為一氧化碳(carbon monoxide，CO)、鐵離子、膽綠素，最終聯合其代謝產物發揮著抗炎、抗氧化、抗凋亡等作用[1]。氧化應激機制在許多疾病的發生與發展中起重要作用，HO-1已在心血管系統、消化系統、呼吸系統、泌尿系統疾病及各類實體腫瘤中得到廣泛研究與應用。近年來，HO-1在眼科疾病中的作用機制研究越來越多。本文將通過角膜病、白內障、青光眼、糖尿病視網膜病變、眼部腫瘤五個方面將HO-1在眼科疾病中的研究作一綜述。

1 HO家族

20世紀80年代，Maines等[2]在動物和人體的肝脾臟、肺、腦和睪丸等組織中獲得HO及其同工酶。迄今為止，我們已經發現了三種HO，HO-1為誘導型；HO-2、HO-3為結構型。

HO-1位于染色體22q12上，在體內廣泛存在，是眼部組織中的重要抗氧化酶之一。20世紀80年代Abraham等[3]在人體角膜上皮細胞中首次發現HO的活性。此后的研究證實，在各種病理因素誘導下視網膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)細胞、視網膜神經節細胞(retinal ganglion cell，RGC)、晶狀體上皮細胞(human lens epithelial cells，LECs)和小梁網細胞等均有HO-1的表達[4-7]。

HO-2是組成型酶，多認為其與CO的神經信使有關[8]。Caglayan等[9]最近發現在圓錐角膜上皮中HO-2的表達顯著低于屈光不正對照組，推測HO-2在圓錐角膜的發病機制中起一定的作用。HO-3雖廣泛分布，但活性很弱，目前暫無HO-3在眼部組織中表達的報道。

2 HO-1調節因素及作用

正常情況下HO-1主要在肝、脾內高表達，在其他組織中低表達，一旦受到缺氧、細胞因子、紫外線、過氧化氫、重金屬離子等刺激后表達上調，以維持細胞穩態、降低氧化損傷、減少細胞凋亡等。HO-1的調節主要集中于轉錄水平，其基因包括4個內含子和5個外顯子。HO-1基因啟動子內含有兩個增強子區E1和E2，多個順式作用元件，包括抗氧化反應元件、腫瘤基因結合位點、過氧化氫酶元件、血紅素反應元件等[10]。不同的刺激條件可激活上游活化激酶，如絲裂素活化蛋白激酶、蛋白激酶A、蛋白激酶C等，然后促使轉錄因子Nrf2、AP-1、NF-kB等與DNA結合，最終誘導HO-1表達上調。

游離的血紅素本身可誘導氧化應激炎癥，并可促進活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產生。血紅素具有親脂性，與細胞膜結合促進炎癥因子的表達，導致白細胞黏附、聚集，甚至導致血管通透性水腫和血栓的形成。HO-1的誘導表達可及時、有效地把游離血紅素代謝成CO、鐵離子、膽綠素，從而起到保護機體的作用。同時傷害性刺激可導致體內游離血紅素釋放增加，游離血紅素又以底物水平升高方式促進HO-1表達形成反饋環路[11]。機體在氧化損傷刺激下，可形成“呼吸爆發”進而激活HO-1-CO途徑，保護機體免受損傷[12]。CO是體內重要的信號轉導分子，可上調環鳥苷酸(cGMP)，直接產生舒張血管和抗血小板凝集的作用，此外CO可通過旁分泌和自分泌的作用，與細胞內可溶性鳥苷酸環化酶結合。CO還可通過影響自主神經系統的活性來間接發揮擴張血管的作用。低濃度的CO可通過p38/MAPK途徑減少細胞凋亡。膽綠素可通過膽綠素還原酶途徑，轉換成膽紅素。膽紅素作為體內一種強抗氧化劑，可清除ROS。鐵離子可誘導鐵蛋白的產生。鐵蛋白進而可作為一“儲存庫”限制鐵離子參與過氧化氫和超氧陰離子的生成，減少細胞內游離鐵的蓄積，減輕ROS所造成的細胞損傷。

3 HO-1與眼科疾病

3.1 HO-1與角膜病眼表炎性反應對眼表功能的損傷起到關鍵作用。糖尿病可通過影響滲透壓影響淚膜穩定性，改變淚膜和結膜上皮的狀態[13]。據報道顯示，鈷原卟啉(一種HO-1的誘導劑)誘導HO-1表達上調，加速糖尿病角膜病變的愈合。Sun等[14]在小鼠高糖模型中抑制可溶性環氧化物水解酶(sEH)，可阻止淚液缺乏的發展，加速角膜上皮閉合的速率，并增加HO-1的表達。角膜內皮細胞是角膜透明的關鍵。日本的一項調查顯示，白內障術后穿透性角膜移植術占據了24.2%，同時英國最近一項調查顯示，在角膜內皮移植術的適應證中，白內障術后僅次于Fuchs角膜營養不良。在白內障超聲乳化過程中，超聲波誘導形成羥基(·OH)，可致角膜內皮氧化損傷。氫氣可通過調節HO-1mRNA的表達，保護角膜內皮細胞[15]。近年來隨著角膜屈光手術的開展，圓錐角膜的發現率逐步提高。圓錐角膜病變主要特征是高度近視和嚴重的不規則散光，中重度病變可影響角膜前后彈力層，甚至遺留角膜瘢痕。Liu等[16]證明蘿卜硫素可通過激活Nrf2/HO-1信號轉導途徑在圓錐角膜中起保護作用。這些研究表明HO-1表達增加在角膜病中起細胞保護作用。

3.2 HO-1與白內障白內障是世界性致盲性眼病。“視覺2020，人人享有看見的權利”的全球倡議中就把白內障列為其中。目前白內障發病機制尚無確論，其中氧化損傷是其中一種重要的作用機制。ROS不僅可以誘導晶狀體上皮細胞分化為纖維細胞，還可影響Na+-K+-ATP酶的活性[17]。HO-1及其代謝產物可發揮一定的保護作用，同時在內皮細胞中具有重要的氧化還原調節功能。馬天駒[18]在過氧化氫介導的人晶狀體上皮細胞中，發現HO-1可減少氧化物質(ROS等)的生成，增加抗氧化物質(谷胱甘肽等)的生成，減少晶狀體上皮細胞凋亡，并可增強細胞的抗氧化損傷的作用。而白藜蘆醇對于過氧化氫誘導的晶狀體上皮細胞具有保護作用，可以減少活性氧的積累，并增加HO-1、過氧化氫酶等表達水平[19]。Liu等[20]發現金櫻子在高葡萄糖培養的白內障SRA01/04細胞模型中可調節HO-1表達上調，降低ROS的水平，同時改變細胞線粒體膜電位(MMP)，這可能提高了晶狀體上皮細胞的耐受性。關于HO-1作為白內障的干預靶點需更加詳細的研究。

3.3 HO-1與青光眼青光眼目前已成為全世界不可逆致盲性眼病首位，尤其是亞洲后裔，且有一定的遺傳傾向。病理性高眼壓是青光眼危險因素之一。實驗表明高眼壓可視乳頭軸漿流不同程度的中斷造成視乳頭選擇性缺氧。眼壓急劇變化可引起視網膜缺血/再灌注損傷。而氧化應激反應是急性青光眼視網膜缺血/再灌注損傷的關鍵一環，是RGC損害的重要原因之一[21]。青光眼患者要制定“個體化理想眼壓”，并控制或延緩青光眼視神經病變。在Koriyama等[22]研究中發現，ɑ-硫辛酸可通過Keap1-Nrf2途徑誘導HO-1表達，從而起到保護作用。曲美他嗪最初因為具有改善缺血性肌細胞代謝的作用被用于抗心絞痛。研究表明曲美他嗪可通過Nrf2-HO-1途徑改善高眼壓所致的視網膜損傷和視網膜神經節細胞的凋亡，有望成為新的青光眼治療藥物[23]。HO-1代謝產物CO作為眼壓的調節因子參與青光眼眼壓的調節[24]。近年來，中藥在青光眼研究中越來越受到關注。從中醫角度來講，青光眼的治療應注意平衡眼壓、疏肝理氣、活血化瘀。活血化瘀湯、益精杞菊地黃顆粒在一定程度上具有保護視網膜的作用，并減少了RGC的凋亡[25-26]。芍藥苷為我國傳統醫藥，是一種單萜糖苷，現已證實在腦損傷小鼠動物模型中，其可通過上調HO-1的表達，減弱氧化應激反應，對神經起到保護作用[27]。芍藥苷將在青光眼視神經保護方面具有很大的研究價值。

3.4 HO-1與糖尿病視網膜病變糖尿病視網膜病變是糖尿病最常見、最嚴重的眼部微血管并發癥，是發達國家勞動適齡人群失明的首要原因。現研究發現糖尿病神經病變更早發生，主要表現為神經細胞的凋亡和膠質細胞的活化，提出“神經-血管”單位的概念[28]。越來越多的證據證明，氧化應激機制在糖尿病視網膜病變的形成和發展過程中起著重要作用。高血糖和相應的缺血-再灌注(I/R)損傷顯著影響視網膜病的發展[29]。血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)過量表達可致血管滲透性增加，促使內皮細胞增殖、遷移，導致細胞外基質變性，增加炎癥因子的釋放、黏附因子的表達，誘導多元醇代謝途徑。在DR早期，VEGF的表達就開始增多，并且后期與病變的嚴重性呈正相關[30]。有研究發現在鏈脲佐菌素誘導的糖尿病小鼠視網膜內，對照組Nrf2+/+的小鼠視網膜神經節細胞未受影響，并且無新生血管的出現，同時HO-1表達增加，推測Nrf2途徑通過HO-1表達起到保護視網膜血管的作用。張思遠[31]發現通過tBHQ途徑可上調HO-1的表達，降低血糖，減輕胰島素抵抗，增加胰島素敏感性，減輕視網膜病變程度，同時相對性地下調了VEGF的表達。蔡晶晶等[32]觀察HO-1在糖尿病視網膜病變患者外周血單個核細胞中的表達，發現HO-1在糖尿病視網膜病變患者和增殖性糖尿病視網膜病變患者中的表達降低，提示HO-1在此過程中發揮一定的保護作用。當然越來越多的研究從氧化應激著手尋找糖尿病視網膜病變新的治療方法。圣草酚屬于黃酮類化合物，具有抗炎、抗氧化和抗糖尿病活性。研究表明在高糖大鼠模型中，圣草酚通過Nrf2的核轉位使HO-1表達上調，改善大鼠RGC的活力，同時降低視網膜細胞中ROS，增加了抗氧化物(谷胱甘肽、超氧化物歧化酶等)的表達[33]。酸櫻桃種子提取物通過HO-1可減輕糖尿病視網膜病變的損傷程度，同時對于缺血-再灌注也有一定的保護作用[34]。當然關于糖尿病視網膜病變功能性食物的開發和藥用價值還需要進一步的探索。

3.5 HO-1與眼部腫瘤HO-1雖是機體中抗氧化應激的保護酶，但在腫瘤中卻是一把“雙刃劍”。Kutty等[35]首次在Y-79視網膜母細胞瘤中發現了HO-1及其mRNA的表達。BTG2為腫瘤抑制物。Lim等可通過抑制成視網膜母細胞瘤蛋白pRb下調細胞周期調節蛋白D1的表達并和Cdk2結合, 抑制腫瘤細胞的增殖。現已有各種實驗證實，HO-1與腫瘤增殖、血管發生和凋亡等生物學關系密切[36-37]。膽綠素及其終產物膽紅素在消化系統腫瘤中對癌細胞具有一定抗凋亡作用，可能為Bcl-2上調及Bcl-2拮抗蛋白Bax下調的結果[38]。鐵蛋白的增多在一定程度上可降低腫瘤細胞對氧化損傷的敏感度[39]。在腫瘤形成階段，HO-1可清除ROS，減少ROS對腫瘤細胞的損傷；在腫瘤發展階段，HO-1又可增加腫瘤細胞對凋亡的抵抗力。正常情況下，Keap1存在于胞質中，與Nrf形成的復合物可被泛素蛋白酶體降解，使得Nrf2維持于較低水平。但在氧化應激的刺激下，Keap1-Nrf2復合物被破壞，Nrf2可進入細胞核內，啟動包括HO-1在內的多種細胞因子參與細胞保護作用。研究發現在很多腫瘤細胞中，Keap1突變失活或構象改變或Nrf2結構突變使表達增強，最終導致Nrf2活性增強，從而漸近性促進腫瘤的發生、發展[40]。轉錄因子Bach1最新公認且經過驗證的低氧調解器[41]，對氧化應激條件下具有遏制人類細胞HO-1基因表達的作用，有望成為干預腫瘤進展的一個重要靶點。

4展望與總結

氧化應激反應是體內極其廣泛復雜的系統，其中涉及各種各樣的轉錄途徑和炎癥因子，HO-1及代謝產物與多個炎癥因子的相互關聯性已被證實。HO-1在角膜病、白內障、青光眼、糖尿病視網膜病變等中具有重要地位，特別是其抗氧化損傷作用受到越來越多的關注。雖然已有實驗證實HO-1與腫瘤的增殖、侵襲、轉移等生物學密切相關，降低了腫瘤細胞的放療敏感性,但運用HO-1在基因水平改變眼科的形成和發展有著良好的應用前景。關于HO-1表達增多到底是病理性的還是調節性的，尚無明確認識。然而HO-1相關研究補充揭示了眼科各類疾病的發病機制，有望成為新的潛在的治療干預靶點。