外源性一氧化碳对烧伤早期炎症反应的干预作用
【关键词】 烧伤； 全身炎症反应综合征； 外源性一氧化碳
烧伤已成为危害人类健康的重要创伤之一，损伤在体表，反应在全身，且烧伤程度与全身反应程度成正比，目前烧伤后感染仍是烧伤首位的死亡原因。在严重烧伤早期，表现为全身炎症反应综合征的典型病理生理过程，并贯穿烧伤的整个病程中，与烧伤休克、感染及死亡率密切相关，对整个病程的、和预后均有重要的影响。所以如何控制烧伤早期炎症反应使其不至向更深层次发展，成为治疗烧伤的一个关键所在。随着20世纪80年代一氧化氮（nitric oxide，NO）及其重要功能的发现，1991年，Mark等［1］发现一氧化碳(carbon monoxide，CO)具有重要的生理作用，是继NO以后发现的第二种气体信使分子，同时也是一种神经递质。其实早在NO备受众人注目之前，界已经发现了生物机体内会产生CO［2］。可是由于高浓度的CO对机体是致命的，所以这种无色无味的惰性气体被公认为是有毒气体。然而研究发现CO在动物模型的许多病理状态下起着重要的作用，近几年的研究主要集中在CO的抗炎症、抗凋亡、抗增生以及细胞保护效应，这些都是在细胞应激状态下的保护作用。CO已经成为继NO以后又一个重要的气体信号分子。因此CO作为烧伤早期炎症反应一系列病理生理变化过程中的一种新的内源性介质和干预因子开始受到重视。本文将就CO 的来源、调节机制及对烧伤早期炎症反应的干预等方面作一综述。
1 CO的来源和调节机制
1.1 内源性CO的产生及调节
生物体内CO的生成至少有两条途径：第一是有机分子的氧化,特别是生物膜的脂质过氧化。第二是在血红素加氧酶（heme oxygenase，HO）的催化下,血红素分子中的α-中碳桥氧化断裂, 1分子血红素降解可生成2分子CO和1分子胆绿素，后者在胆绿素还原酶作用下被还原为胆红素, 这是内源性CO的主要来源，正常情况下占75%。HO在体内广泛存在，并涉及整个生长发育过程［3］。HO有三种同工酶HO-1，HO-2和HO-3。
HO-1是诱导型的蛋白，在降解血红蛋白源血红素中起重要作用,又被称为热休克蛋白32(heat-shock protein-32，HSP32) ［4］,在哺乳动物组织内广泛的存在，在脾和肝中含量较大。它在正常生理状态下，是为了降解衰老红细胞中血红蛋白上的血红素，内源性CO的产生为了转运吞噬细胞(消化了红细胞后)内的铁。HO-1可以被多种因素诱导，如：缺氧［3］、高氧、组织内氧过多［5］、缺血、脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、细胞因子、紫外线、过氧化氢、NO、重金属、有机化学物质等［6］。Kitada等［7］研究证实，在由卵清蛋白诱导的过敏性气道炎症反应中，HO-1的过量表达可以增加过敏性气道炎症反应，用HO-1的抑制剂锌原卟啉腹腔内注射可明显抑制气道高反应性和肺嗜酸性粒细胞、IL-5及IL-13的浸润。另外，HO-1的诱导性表达具有种间差异，Kitamuro等［8］证实，缺氧可使老鼠、牛及猴子细胞内的HO-1表达增加，但在人细胞内的表达却下降，可能与一种血红素调节转录抑制剂Bachl的诱导增加有关。总的来讲HO-1在氧化应激中起了细胞保护的作用［9, 10］，但是也有研究提出在某些条件下HO催化后产生的铁是氧化反应的前体［11,12 ］，尽管HO-1被认为是抗氧化的。
HO-2为结构型蛋白，在脑、睾丸、内皮、远侧肾单位段、肝脏、消化道的肠肌层网上表达。和HO-1一样，它也被认为是有细胞保护作用的［13］。 HO-2可认为是NO的吸收库(sink)［14］ 。HO-3是新发现的结构型HO，对血红素的催化作用较弱，其功能不清，但是在大鼠脑中获得克隆，提示可能和神经功能有关［15］。 H0-3的结构酷似HO-2，但是它对血红素的降解能力低。HO-2和HO-3的氨基酸序列有90%的相同；而HO-1和HO-2的氨基酸序列大约有40%的相同。因此它们有不同的调节机制和组织分布情况。在细胞内，HO-1(32 kD)主要定位于微粒体中，而HO-2(36 kD)则定位于线粒体中［16］。HO-2主要起细胞正常生理功能的调节作用，而HO-1则主要起在组织病理状态下的细胞保护作用 ［17］ 。
CO的其他次要来源途径包括：①依赖NADPH微粒体的脂质过氧化。②石炭酸、酚和甲烷盐的自动氧化；③有机化合物的光电氧化，膜脂质的过氧化等。
1.2 外源性CO的来源
近年来用外源性CO减轻炎症反应，目前外源性CO用于治疗的方案有：①直接吸入一定浓度的CO，但是对CO作用的有效浓度范围及其作用机制的研究还有很多矛盾之处；②服用可以被肝脏内的酶催化产生CO的前体药(如methylene chloride)［17］；③用特殊的CO载体把CO送入到体内，例如近年合成的一氧化碳释放分子（carbon monoxide-releasing molecules，CO-RMs），可通过溶解后释放的CO发挥生理作用，而且在一定的生理剂量时并不提高动物体内HbCO的浓度。
1.3 CO的作用机制（信号转导过程）
CO 通过扩散以自分泌或旁分泌方式与自身或邻近细胞胞质中可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)分子的血红素基团中的Fe 结合,使其构型轻度弯曲而激活,从而催化三磷酸鸟苷（GTP） 生成环磷酸鸟苷（cGMP）；升高的cGMP再刺激依赖cGMP 的蛋白激酶、磷酸二酯酶或通过调节离子通道而呈现各种生理效应［12］，如舒张血管，调节血压，维持正常血流动力学，并可抑制血小板聚集，防止血栓形成等［10］。
体内和体外的试验还证实,低浓度的CO能选择性抑制炎症细胞因子如TNF-α，IL-1等的表达,而增加抗炎症细胞因子IL-10 的表达，这种作用是通过有丝分裂原激活的蛋白激酶(MAPK)而不是通过cGMP 或NO途径实现的。同时这些研究也证实HO-1的表达或内皮细胞暴露于外源性CO时, 能通过TNF-α提高p38MAPK的活性而减少细胞凋亡,而且特异性抑制p38MAPK 活化会消除HO-1的抗细胞凋亡作用。MAPK的磷酸化作用及其随后的变化发生于细胞应激反应的早期［13］。
2 CO对严重烧伤早期炎症反应的干预
严重烧伤后机体免疫功能变化为双向性改变，一方面表现为以全身炎症反应综合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS）为特征的过度反应，另一方面表现为淋巴细胞功能，IL-2合成水平及吞噬细胞吞噬功能减弱为代表的免疫抑制状态。正是这两方面的共同作用，打破了机体的免疫平衡，导致免疫功能的紊乱，进一步诱发器官功能不全综合征(MODS)，这一病理过程贯穿烧伤的整个病程中，与烧伤休克、感染及死亡率密切相关，对整个病程的发展、治疗和预后均有重要的影响。
2.1 CO抑制炎症细胞因子的表达
CO在机体各个组织中都有作用，作为信号分子的CO，在神经系统内能调节神经递质和神经肽的释放、学习和记忆过程、嗅觉和很多其他的神经元活化。在心血管系统有舒张血管和保护应激状态下的心肌组织的作用。同时CO在免疫、呼吸、生殖、肠胃、肾脏、肝脏系统中都起着重要的作用。
相关研究表明CO的这种抗炎作用并不是通过经典的CO信号转导通路，即可溶性鸟苷酸环化酶通路，而是通过MAPK家族中的p38MAPK通路发挥作用的。在机体的炎症反应中, p38是MAPK家族最重要的成员之一，Morse等［18］指出CO通过从JNK/MAPK途径来下调IL-6的产量。激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)是JNK信号通路的转录调节因子，CO能抑制LPS诱导的IL-6的大量表达，但是如果将IL-6的启动子和AP-1结合的位点突变的话，CO的这种抑制作用就会被取消。
2.2 CO的扩血管作用
众所周知，炎症反应中炎症细胞的聚集可以阻塞血管，从而引起血管收缩，造成器官的血液循环障碍。CO是继NO之后血管中的又一血管调节物质，可以扩张血管，改善微循环，及时清除炎症反应中生成的氧自由基等有害物质。 以往的研究表明，CO扩张血管的作用是通过活化可溶性鸟苷酸环化酶，升高细胞内的环磷酸鸟苷途径介导的。Naik等［19］ 研究表明，外源性CO是通过环磷酸鸟苷途径介导的血管舒张，而由HO作用于底物血红素-L-赖氨酸产生内源性CO，其血管舒张效应是通过不依赖环磷酸鸟苷的钙激活的钾通道活化介导平滑肌细胞的超极化引起的。另外，CO还可能通过拮抗内皮素-1和血管紧张素的缩血管作用发挥其舒张血管的作用。Morita等［20］实验表明CO可以抑制内皮素-1、丝裂原及血小板源性生长因子mRNA的表达，这种作用可以被CO的清除剂血红蛋白清除。
2.3 烧伤早期模型的建立
研究表明以15％总体表面积（TBSA）Ⅲ度烧伤小鼠作为早期模型，用8.0 mg/kg CORM-2作为外源性CO来源较理想，从器官、细胞和核因子角度研究CO对烧伤早期模型动物的影响［21］。该研究发现，15％ TBSA烧伤后24 h血清ALT，AST明显升高。在CORM-2干预后，它们的水平明显降低。而作为溶剂的二甲基亚砜不表现出对肝功能有保护作用。肝脏、肺组织MPO活性在烧伤后明显增高，体内实验CORM干预后其活性明显降低。说明CORM-2可显著抑制烧伤后肝内中性粒细胞的趋化和渗出，最终引起氧化产物产生减少，减轻氧化损伤。另外，热损伤小鼠伤后24 h，肝、肺组织内VCAM-1和ICAM-1的表达水平明显增高，应用CORM-2可调节NF-κB的激活, 伴随着的是VCAM-1和ICAM-1表达的减少, 中性粒细胞黏附同时减少。从而减少热损伤小鼠肝脏、肺内白细胞的聚集，减轻由于炎症因子过量释放而导致的氧化损伤［22］。通过ICAM-1的表达测定和体外黏附实验等证实，CORM-2与白细胞的聚集和黏附有关，可能减轻肝、肺组织的炎症反应。应用CORM-2后使得在热损伤后增高的NF-κB的活性明显降低，随之可减少细胞黏附分子ICAM-1和VCAM-1的表达，减轻烧伤相关的肝、肺组织中的炎症反应 ［22］。
3 展望
炎症反应是感染或非感染因素刺激宿主免疫系统，释放细胞炎症介质，发生的一种临床病理过程。以细胞因子为代表的多种炎症介质的失控性释放，产生过度炎症反应，即SIRS。SIRS是严重感染和创伤早期脏器损害的基本病理生理变化。其共同特征是自身免疫失控而致的过激炎症反应损伤，体内白细胞大量激活，产生过量的炎症介质而引起全身多个脏器损伤。在烧伤早期减少或控制过量炎症介质释放，减轻感染和烧伤后SIRS的发生，目前已证实CO在体内发挥着重要的抗炎、抗凋亡作用，随着研究的深入,有可能为临床防治烧伤感染后一系列并发症提供一条新的途径。
【】
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