6　血红素结合蛋白在脑血管疾病治疗中的研究进展

血红素结合蛋白(Hemopexin,HPX)是一种急性期反应蛋白,由439个氨基酸残基组成的长链多肽糖蛋白,其分子量60kD,主要合成部位为肝脏,其中主要表达于肝实质细胞膜上,此外也表达于视网膜神经节及感光细胞、肾小球系膜细胞、周围神经系统及中枢神经系统中。正常成人血浆HPX含量范围为0.40～1.5mg/ml,在大量游离血红素的病理情况下其血浆含量可增加接近1倍。血红素(heme)是血红蛋白的辅基之一,生理条件下通过氧合和解离作用运输氧,是机体氧供的重要来源。但在严重溶血等病理情况下,红细胞裂解、血红蛋白中大量游离血红素过度释放可对机体产生毒性。HPX以其超强的结合能力结合并转运游离血红素,从而发挥保护作用。近年来研究发现,HPX在脑血管疾病,尤其是缺血性脑卒中等严重危害人类健康的疾病治疗中发挥着不可忽视的作用。因此,本文主要对HPX的主要生理学功能及其在脑血管疾病治疗中的应用进行综述。

一、生理学功能

(一)清除有害的游离血红素

1mgHPX可与1.11g的血红素结合,形成血红素—血红素结合蛋白(heme-Hpx)非共价复合物,通过CD91/LRP1受体介导的内吞作用被传递到肝细胞并进一步分解。目前唯一已知的heme-Hpx复合物受体即CD91/LRP1,主要表达在肝细胞、巨噬细胞、脑血管细胞、小胶质细胞及神经元细胞等部位。复合物通过CD91/LRP1转运到细胞内,复合物中的血红素被分解成一氧化碳、铁离子和胆绿素。通过这种方式,不仅减少血红素对机体的氧化损伤,还可以有效循环利用铁离子,并避免血红蛋白和血红素从肾脏排出体外,保护肾脏功能。

(二)抗炎抗氧化作用

血红素介导的氧化应激被认为是多种病理损伤发生发展的重要协同因素。血红素释放出的Fe2+和卟啉环结合后能极大增加氧化还原活性,促进ROS的释放和自由基的产生,刺激脂质过氧化反应,加重氧化损伤,生理浓度的HPX即可阻断血红素引起的过氧化反应。游离血红素可通过细胞膜上Toll样受体启动免疫应答,引导吞噬细胞并释放炎症介质,引起炎性因子水平上升和组织损伤。HPX能够抑制巨噬细胞IL-6、TNF-α的释放、中性粒细胞暴发及细胞内钙超载,起到抗氧化损伤的作用。此外,HPX可封闭血红素中前列腺素合成酶活性必需的基团,使前列腺素合成受阻、活性降低。

(三)抗凋亡作用

多数细胞系单独暴露于游离血红素(5～40μm)时并不出现细胞凋亡,而游离血红素和TNF等其他细胞毒性分子同时存在的情况下则发生剂量相关的细胞凋亡,这种情况称为“血红素敏化作用”。染色质凝聚、核固缩及半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3的激活是凋亡出现的主要因素。HPX可以通过降解血红素、诱导HO-1来抑制由血红素和TNF等引起的细胞凋亡。

(四)免疫调节作用

HPX的免疫调节作用与机体铁代谢密切相关。通过调节机体的铁代谢,heme-HPX复合物可诱导淋巴细胞HO-1激活来抑制自身免疫反应,调节循环中T淋巴细胞数量,限制T细胞活化。此外,HPX抑制脂多糖诱导的淋巴细胞增殖,调节巨噬细胞的功能。

(五)维持体内铁的稳态

血红素蓄积过多对脑组织具有明显毒性损害作用,这种作用主要是通过其降解产物实现,具有铁离子依赖性的特征。铁作为血红素的主要代谢产物,可以通过脂质氧化、催化自由基反应主要代谢产物、激活MMPs等途径加重脑损伤和水肿。HPX结合血红素并被肝细胞内吞后,可迅速下调肝细胞表面的转铁蛋白受体并增加铁蛋白的合成,抑制铁超载和铁离子催化的氧化损伤,与铁反应元件结合影响铁在脑组织内的负荷、分布,调节转铁蛋白以及铁蛋白的表达。

(六)促进血管生成

HPX具有促进新生血管的内皮细胞生长和分化的作用,可以被视为一种重要的血管生成因子,在慢性炎症、创伤及肿瘤等病理条件下,可促进细胞迁移、新生血管的形成和组织修复。

(七)其他作用

HPX可以与二价金属离子结合,因此参与了血液中及蛋白之间金属离子的运输交换过程,具有降低金属离子的毒性损伤的作用。作为血红素降解的代谢产物之一,一氧化碳(CO)有扩张血管、免疫调节等作用。heme-HPX复合物可与CO可逆性结合,维持体内稳态。NO既可以抗氧化,又能在病理状态下作为一种强氧化剂产生细胞毒性,heme-HPX可与NO可逆性结合,减轻其毒性,在创伤、炎症、溶血、卒中以及缺血再灌注等病理状态下对血管内皮细胞和神经元发挥保护效应。

二、HPX作用机制

(一)血红素加氧酶(HO)

血红素由HPX从血流转运至肝细胞及巨噬细胞,在血红素加氧酶(HO)的作用下降解成胆绿素、Fe2+和CO。HO目前共有3种亚型,分别为HO-1,HO-2及HO-3。HO-1和HO-2的氨基酸同源性约为45%,但二者部分二级结构100%相同,因此可作用于相同的催化位点。在HPX的神经保护作用中,HO-1可被快速大量诱导产生,而HO-2在脑细胞中基础表达更高。HO-3降解血红素的能力较低,目前相关研究较少。

HO-1是一种应激蛋白,其基因对氧化应激状态极为敏感,在氧化剂作用、脑出血和创伤等应激状态下可以被快速诱导生成从而对抗血红素的毒性损伤。Hada等人以重组HPX与血红素结合作用于Hepa-lclc7肝细胞和THP-1巨噬细胞,发现HPX与血红素的结合物通过受体相关内吞作用进入细胞,可作为一种细胞外信号因子,直接结合并下调HO-1转录抑制因子Bach-1表达,从而增强HO-1基因转录,因此HO-1的诱导表达依赖于HPX。与正常细胞相比,HO-1-/-细胞中的HPX不能减轻由血红素或自由基引起的神经元细胞死亡,提示血红素-HPX诱导HO-1上调是其保护作用的机制之一。此外,血红素代谢产生的CO与HO-1共同作用可以激活毛细血管扩张性共济失调症突变蛋白(ATM),修复病理损伤的DNA双链。

HO-2在大部分脑细胞,尤其是神经元、内皮细胞和胶质细胞中均有表达,是大脑中血红素加氧酶的主体成分,生理情况下HPX介导的血红素再利用是通过HO-2起作用。有研究表明,在氧化应激条件下,HO-2也可以快速降解血红素。该理论也在HO-2-/-动物实验中也得到证实,提示HO-2在脑缺血及脑出血等病理过程中也可以减轻细胞损伤,起到脑保护作用。

(二)金属蛋白酶1(MT-1)

除了诱导核内HO-1,目前研究认为HPX还可以通过金属蛋白酶1(MT-1)发挥作用。这种诱导作用是通过对阻遏物的抑制或钝化达到的,在金属离子稳态的维持、重金属的解毒以及细胞对抗应激反应等方面起着重要作用。

三、HPX在脑血管疾病治疗中的应用

脑血管疾病是危害人类健康的常见病和多发病,主要包括短暂性脑缺血发作、缺血性脑卒中、脑出血、蛛网膜下腔出血及静脉系统血栓等。脑血管疾病急性期机体处于应激状态,组织缺血缺氧、炎症反应、毒性代谢产物共同作用,造成严重脑损伤。HPX通过多种机制起到清除毒性代谢产物、抗氧化、抗凋亡及神经保护作用,对脑血管疾病患者的病情改善有着重要意义。

(一)缺血性脑卒中

脑卒中后大量氧自由基生成造成组织损伤,线粒体功能障碍导致脑细胞能量耗竭,神经细胞内钙超载、兴奋性氨基酸毒性以及炎症反应,以上机制共同作用,使缺血性脑卒中的病情复杂化。

一系列炎性细胞因子在缺血性脑卒中的过程中被激活,而IL-6,IL-1β及TNF-α等炎性细胞因子都被证明是HPX基因的潜在启动子,使HPX在脑卒中后大量表达于神经元及小部分星状胶质细胞。实验证明,与野生型相比,HPX敲除大鼠经中动脉闭塞术造成缺血再灌注损伤24小时后,其脑缺血半暗带面积较大,行为学障碍更加严重。大鼠中动脉闭塞术后外源性注射HPX可以缩小缺血半暗带面积,改善缺血再灌注损伤,对于缺血性脑卒中具有长效神经保护作用。

(二)脑出血

脑出血(ICH)是指原发性非外伤性脑实质内出血。ICH后病理生理学机制涉及血肿占位、血肿降解产物的释放、炎症反应、颅内压增高、局部脑血流量减少、凝血纤溶系统的改变等。

脑出血后,结合珠蛋白(Hp)和HPX作为血红蛋白和血红素的“清道夫”,共同协助清除血肿。通过定量分析Hp清除血红蛋白的能力,Deuel JW等人发现只有大量的Hp才能对血红蛋白的毒性起到保护作用,而HPX的浓度及其保护作用的线性关系显示,HPX在过量游离血红素存在的条件下反而体现出更高效能。因此,在脑出血的血肿清除中,HPX起到了更为重要的作用。

(三)蛛网膜下腔出血

蛛网膜下腔出血(SAH)后,脱离细胞的血红蛋白经过逐步分解最终形成变性珠蛋白和游离血红素。血红素具有氧化还原反应活性和亲脂结构,在损伤部位引起基底的共价修饰、易于嵌入细胞膜脂质双层、引起脂质过氧化,破坏膜稳定性进而引起细胞的功能紊乱及死亡。HPX大量在脑中表达,少量从血流转运至大脑,使脑脊液中HPX含量呈现双峰样。HPX清除血肿中的血红素以减轻其氧化还原反应。

(四)脑血管疾病后感染及脓毒症

卒中、脑出血、创伤等脑损伤后,各种感染或非感染因素刺激免疫系统释放体液和细胞介质,机体常会迅速发生炎症反应甚至出现脓毒症。中性粒细胞及其他吞噬细胞产生大量ROS,而血红素可与体内脂质过氧化物代谢物发生反应,加重氧化应激反应。HPX与血红素结合可以限制血红素与ROS的接触,减轻脂质过氧化反应。HPX对抗血红素及ROS的神经元保护作用依赖HO-1的激活。

Jung JY等人发现,严重内毒素血症大鼠血清内HPX含量较低,而在脓毒症患者中,死亡患者的血清HPX浓度明显低于存活患者。此外,血清HPX浓度可以协助预测脓毒症休克患者28d死亡率。因此HPX与脓毒症严重程度相关并可评估脓毒症休克患者预后。另有研究表明HPX可以抑制血红素/血红蛋白与HMGB1、LPS等炎症刺激物的协同效应。

(五)脑血管疾病后脑水肿

脑血管疾病如脑出血后,组织氧化与抗氧化失衡,氧自由基产生增加,与脑组织生物膜发生脂质过氧化连锁反应,直接或间接途径破坏血-脑屏障,进而引起脑水肿。脑组织内存在炎细胞浸润、小胶质细胞激活、炎症介质释放等为特征的炎症反应,加重脑水肿和继发性脑损伤。HPX减少血红素及其降解产物在脑组织内的蓄积,可将毒性作用降低90%;抑制铁超载介导的自由基反应和脂质氧化;诱导脑组织抗氧化酶表达增加,保护自由基清除系统功能;抑制炎细胞浸润和炎症介质释放,对脑水肿的形成具有抑制作用。

(六)神经损伤修复

HPX通过与游离血红素结合维持游离态和结合态血红素的平衡,并诱导HO-1基因表达,保护皮质神经元及血管内皮细胞免受氧化应激损伤,发挥神经保护效应。该保护作用在大鼠脑卒中、脑出血等模型中均有证实。

四、展望

HPX作为血浆对血红素亲和力最强的蛋白,在血红素代谢分解中起到的作用毋庸置疑。除此以外,HPX还通过不同机制在机体应激状态下起着抗氧化、抗凋亡、免疫调节、神经保护等多种作用。在脑血管疾病及其他系统疾病中,HPX可能成为灵敏的检测指标用于疾病诊断,或者作为新型药物用于疾病治疗,无论从哪个方面,HPX的研究都有着重要意义和广阔前景。然而,HPX的保护作用是否具有普遍性以及其作用机制仍然需要进一步探讨。深入研究HPX的作用不但有助于解释脑血管疾病的发生发展,更能够为今后的临床治疗提供新的线索。

(杨永妍　董贝贝　于泳浩)

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