幽門螺桿菌感染致機體應激反應在胃黏膜疾病中的作用

張冬雪 石巖巖 丁士剛

北京大學第三醫院消化內科 北京大學第三醫院臨床流行病學研究中心(100183)

幽門螺桿菌(Hp)引起的胃細胞應激適應機制的改變在慢性感染和胃黏膜疾病進展過程中具有重要作用[1-2]。發生Hp感染相關性胃炎后，激發機體過度的氧化反應，激活的中性粒細胞、巨噬細胞和胃上皮細胞過度表達活性氧(reactive oxygen species, ROS)和活性氮(reactive nitrogen species, RNS)，同時Hp本身亦可生成ROS，導致機體ROS/RNS過度累積[3]。Hp感染引起胃炎后產生的ROS會影響胃上皮細胞間的信號轉導，同時過表達的ROS/RNS產物也會引起細胞凋亡和胃上皮細胞DNA損傷。Hp在進化過程中生成了一系列逃逸氧化應激的機制，使機體的氧化應激反應不但未能清除細菌，反而更有助于Hp感染，同時氧化應激破壞了機體自身系統的平衡并造成炎癥等多種應激損傷，產生惡性循環，從而促進炎癥環境[3]。由于氧化應激生成的過氧化物、一氧化氮(NO)等產物的過表達使胃黏膜損傷加劇，繼而明顯增強慢性非萎縮性胃炎、萎縮性胃炎、腸化生、遠端胃腺癌的風險[1]。此外，亞硝化應激和內質網應激亦參與該過程。本文就Hp感染引發的應激的相關機制及其在胃黏膜疾病中的作用作一綜述。

一、氧化應激

Hp導致ROS產生的生化途徑主要有兩條，即NADPH氧化酶(NOX)和精胺氧化酶(SMOX)[2]。NOX是一種通過質膜傳遞電子的酶，其電子受體是氧，反應產物是過氧化物。目前已鑒定出7個同源物，分別NOX1～NOX5和2個雙氧化酶(DUOX)。有研究發現，Hp感染期間可見NOX1、NOX2和DUOX2表達[4]。一旦病原菌進入體內，中性粒細胞立即吞噬細菌形成吞噬小體，并通過NOX產生的ROS殺死吞噬的病原體。在吞噬過程中，NOX的催化亞單位gp91phox被激活，并接受來自細胞質NADPH的電子。隨后，NOX將這個電子給予吞噬小體內或吞噬細胞外的分子氧，產生過氧化物，可被超氧化物歧化酶(SOD)催化或吞噬小體中的非酶歧化為H2O2。H2O2可被動滲透細胞膜，在髓過氧化物酶(MPO)的介導下轉化為次氯酸，其毒性為H2O2的100倍[3,5]。亞鐵存在的情況下，H2O2還與過氧化物發生非酶反應生成羥自由基。一般而言，這些高活性的ROS被吞噬細胞用來殺死病原菌。而SMOX在上皮細胞和巨噬細胞中表達，并通過對精胺的氧化過程產生H2O2。

感染Hp后，通過一系列氧化應激機制，產生過量ROS，可能是胃黏膜損傷的主要原因。

1. 細胞毒素相關基因A(CagA)：CagA是一種高免疫原性蛋白，分子質量為120～140 kDa(1 Da=0.992 1 u)，由CagA基因編碼，其基因位于致病島末端(CAG PAI)。CagA通過Ⅳ型分泌系統(T4SS)轉送至宿主細胞中[6-7]。多項研究結果表明，CagA陽性Hp菌株的感染與更高級別的胃黏膜炎癥和嚴重萎縮性胃炎有關，在胃癌的發生、發展中起有重要作用[6-8]。

Hp感染胃黏膜產生ROS的主要來源是宿主的中性粒細胞，而CagA陽性可影響胃上皮細胞產生ROS。具體機制為：①研究發現CagA陽性Hp感染可使中性粒細胞大量積聚并誘導中性粒細胞氧化爆發增加，產生更多的ROS[2]。②除中性粒細胞外，胃上皮細胞中的ROS產生也顯著增加。Hp CagA可上調胃上皮細胞SMOX表達，SMOX將多胺精胺代謝成亞精胺，并產生H2O2，引起ROS積聚、DNA損傷和細胞凋亡[9]。③CagA陽性與腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細胞介素(IL)-8表達增加顯著相關，而這兩個指標均為炎癥和氧化應激的標志物[9]。④CagA還可誘導線粒體產生ROS：研究發現將CagA基因轉染至胃上皮細胞，部分CagA蛋白定位于線粒體，產生大量ROS并伴有線粒體電子傳遞功能的受損和過氧化物的產生。線粒體DNA(MtDNA)因其離電子傳遞鏈很近，且缺乏保護性組蛋白或DNA結合蛋白，相比核DNA更容易受到ROS損傷，可能表現出電子傳遞功能受損，從而增加電子泄漏和ROS的產生，進一步加劇線粒體的氧化應激和氧化損傷[7]。因此，CagA可誘導胃黏膜發生氧化應激，損傷細胞成分，增強炎癥反應，從而可能導致胃癌的發生。

2. 空泡細胞毒素A(VacA)：VacA基因編碼VacA蛋白，VacA蛋白由Hp通過V型自轉錄系統分泌，并通過內吞作用進入宿主細胞，可促進Hp定植，并與炎癥和胃癌的風險增加相關。其具體機制為：①VacA通過靶向作用于線粒體膜的內層，誘導Ca2+內流和ROS的產生，從而導致NF-κB的激活和趨化因子表達上調[9-10]。②研究表明VacA通過激活ROS而誘導自噬破壞反應，從而促進Hp的持續定植。VacA通過與低密度脂蛋白受體相關蛋白1(LRP1)結合來誘導自噬，即與LRP1結合導致ROS積聚，促進Akt激活、MDM2磷酸化、p53降解和誘導自噬[9]。③VacA通過降低細胞內谷胱甘肽水平，引起ROS積聚和Akt激活，誘導自噬和CagA降解。總之，VacA可導致細胞ROS的增加，并在Hp感染期間促進炎癥和腫瘤環境的形成。

3. 尿素酶和中性粒細胞激活蛋白A(NapA)：尿素酶和NapA是Hp的兩個毒力因子，有助于中性粒細胞浸潤和ROS的產生。具體機制為：①NapA對中性粒細胞和單核細胞具有趨化作用，通過G蛋白、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)、Src家族酪氨酸激酶和胞內鈣離子濃度等信號通路，使NOX在質膜上組裝，從而誘導活性氧中間體(ROI)的產生[4,11]。②NapA還可招募中性粒細胞至感染部位，NapA和尿素酶誘導中性粒細胞發生氧化爆發，將大量ROS泄漏至感染的微環境中，從而導致細胞應激和DNA氧化損傷[12]。③感染過程中尿素酶可誘導巨噬細胞產生反應性氮物質NO，從而促進炎癥的發生[9]。Uberti等[13]的研究還發現尿素酶可誘導中性粒細胞浸潤、高水平炎癥和ROS的產生，并可與其他因子放大胃部的炎癥過程。

4. γ-谷氨酰轉肽酶(GGT)：Gong等[14]的研究已證實Hp的GGT可誘導宿主細胞氧化應激，導致DNA損傷、細胞凋亡和炎癥途徑的激活。GGT可引起宿主細胞谷氨酰胺和谷胱甘肽的消耗和ROS的產生[15]。具體機制為：①Hp感染后在周質中產生谷胱甘肽，在宿主細胞中具有抗氧化作用，但Hp的GGT可導致黏膜中谷氨酰胺和谷胱甘肽的消耗，降低細胞外谷胱甘肽水平，降低宿主細胞對ROS的抵抗力，并誘導細胞凋亡或壞死[14-15]。②GGT可通過硫醇依賴的鐵還原產生ROS(如H2O2)，通過激活p38MAPK、AKT和NF-κB，進而誘導產生COX-2、誘導型一氧化氮合酶(iNOS)、生長因子和IL-8[15-16]。IL-8在Hp誘導的炎癥相關黏膜損傷中起主要作用，而COX-2過表達在Hp相關性胃癌的發生、發展中起關鍵作用。③研究表明Hp的GGT可導致8-羥基脫氧葡萄糖(8-OH-dG)含量增加，8-OH-dG為DNA損傷的直接標志物和體內ROS產生的替代標志物，從而可認為GGT引起氧化性DNA損傷[9,14]。

5. 脂多糖(LPS)：Hp細菌外膜上LPS可激活中性粒細胞，增強氧化應激反應的啟動，其可在中性粒細胞上通過依賴PI3K/RAC1途徑誘導NOX1的表達，還可通過刺激Hp表面Toll樣受體4(TLR4)產生過氧化物，增加炎癥細胞和胃上皮細胞中iNOS表達，從而促進ROS的產生[17]。LPS還可誘導中性粒細胞快速氧化爆發，使Hp感染持續存在，從而誘導宿主炎癥反應和氧化應激，導致慢性炎癥、消化性潰瘍、胃炎和進一步胃癌的發生[16]。

二、亞硝化應激

Hp可誘導胃黏膜上皮細胞、血管內皮細胞或浸潤的炎癥細胞表達iNOS[18-19]，將L-精氨酸轉化為NO，也可上調內皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表達生成NO，NO會產生各種RNS[19]。NO可與金屬離子，如血紅素和鐵硫蛋白中的Fe2+產生亞硝酰化反應，從而影響細胞功能[20-21]。NO與NADPH氧化酶產生的超氧化物結合生成一種強氧化劑過氧亞硝酸鹽(ONOO-)[17,21]，分別通過產生硝基酪氨酸和DNA加合來損傷蛋白質和DNA[22]，從而產生毒性效應。此外，細胞內的游離金屬或與蛋白質結合的金屬可促進NO單價氧化成亞硝酸根離子，其與谷胱甘肽相連接形成有毒的S-亞硝基谷胱甘肽[23]。NO可自動氧化成N2O3并導致DNA堿基脫氨[17]，過氧亞硝酸根也促進DNA堿基的硝化，從而誘導DNA損傷，對Hp和宿主組織產生毒性作用[24]。實驗表明在Hp感染引發的慢性胃炎中，NO、iNOS、eNOS表達顯著增加[19,22]。與此同時，iNOS和eNOS過表達也促使機體產生更多的氧自由基，氧化應激反應會促使eNOS發生谷胱甘肽化反應，加劇超氧化物的產生。NOS與ROS協同作用，創造一個有利于DNA損傷和腫瘤轉化的環境[9]。

三、內質網應激

內質網主要通過控制蛋白質的折疊和運輸在細胞中發揮關鍵作用，從而參與維持細胞功能和存活。

內質網應激是由于未折疊和(或)錯誤折疊的蛋白質在內質網管腔中聚集，可激活未折疊蛋白反應(UPR)，通過激活細胞內信號級聯反應，從而導致內質網結構和功能失衡。UPR早期通過各種機制以重建細胞內外平衡以及恢復穩態和正常的內質網功能，但當壓力超出UPR的代償功能時，會導致細胞炎癥和凋亡[25-26]。內質網的應激轉導因子包括蛋白激酶樣內質網激酶(PERK)、肌醇需求因子1 (IRE1)和活化轉錄因子6(ATF6)[25]。在正常生理狀態下，內質網腔區域的3個跨膜受體蛋白PERK、IRE1和ATF6與鈣網織蛋白和葡萄糖調節蛋白78(GRP78/BiP)處于結合狀態，形成穩定的復合物，處于未激活狀態。當未折疊蛋白在內質網中增加時，GRP78從PERK、ATG-6和IRE1中釋放，從而激活3個內質網壓力傳感器，產生UPR信號級聯反應[23]。尤其是PERK的激活，可通過真核起始因子(EIF2)-α的磷酸化而誘導C/EBP同源蛋白(CHOP)表達[27]。CHOP抑制抗凋亡蛋白Bcl的表達，激活促凋亡BH3蛋白，是內質網應激誘導細胞凋亡的關鍵介質。另一個關鍵蛋白IRE1α可直接結合腫瘤壞死因子受體相關因子2(TRAF2)，促進凋亡信號調節激酶(ASK1)及其下游激酶活化，最終過通JNK激活caspase-12，誘導細胞凋亡[28]。

慢性Hp感染的壓力會導致內質網應激，Baird等[29]發現Hp陽性的胃癌與內質網應激的激活和UPR顯著相關(92%)，HSPA5在Hp陽性患者腸化生中的表達增加，而HSPA5高表達與多種UPR效應器失調有關，并與人類和小鼠胃黏膜中與Hp有關的腫瘤級聯反應中的非細胞自主誘導內質網應激有關。在長時間內質網應激下，Hp可能通過激活UPR促進腫瘤細胞的增殖。說明對UPR的誘導發生在腸化生至異型增生的演變早期。還有研究發現在Hp陽性的腸化生中，由內質網應激所激活的UPR中關鍵因子Bip、CHOP、IRE1α等的表達高于無萎縮的胃黏膜[25,30]，表明Hp誘導的內質網應激可能在癌前病變形成的早期階段發揮重要作用。研究發現Hp VacA可誘導胃上皮細胞的內質網應激，其分泌抗原HP0175來激活PERK，從而激活ATF4和CHOP，誘導AGS細胞自噬和凋亡[25,30-31]。

急性Hp感染時缺乏內質網應激反應，提示UPR激活可能是胃上皮細胞對慢性Hp感染的一種修復反應。在Hp感染的胃黏膜中，慢性炎癥所致的長時間內質網應激觸發了UPR的激活，而CHOP介導的細胞凋亡可促進黏膜萎縮的發展，HSPA5過表達驅動的增殖可誘導腸化生向胃癌進展。UPR作為一種適應性反應，Hp所致的慢性炎癥時可能促使細胞沿著腸化生-異型增生途徑進展。

四、結語

綜上所述，Hp感染后炎癥的發生是由于多種損傷因素疊加引起的，包括應激，尤其是氧化應激、亞硝化應激和內質網應激。總結并研究應激相關的機制，有助于更好地了解Hp感染在胃黏膜疾病中的重要作用，可能是治療Hp相關胃炎的慢性炎癥并阻止癌變發生的一個重要的新策略。