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器官移植是治疗终未期器官功能衰竭的有效方法，但影响器官移植存活率的因素很多，主要有缺血再灌注损伤和急慢性排斥反应。血红素加氧酶-1（Heme oxygenase-1，HO-1）是血红素蛋白代谢产生胆红素、CO、Fe2+ 途径中的限速酶，具有明显的细胞保护作用。大量研究发现，HO-1表达增加对移植物起到保护作用并且延长移植物存活时间。本文从HO-1在器官移植中的保护作用及其作用机制予以综述。
1 HO-1在器官移植中的保护作用
HO-1在器官移植中的保护作用，表现为减轻缺血再灌注损伤、诱导移植物耐受以及抑制移植后动脉硬化。
1.1 HO-1对缺血再灌注损伤的保护作用 缺血再灌注损伤（Ischaemia-Reperfusion Injury，IRI）是影响器官移植存活率和远期效应的重要因素之一。IRI不仅可以引起超急性排斥期移植器官功能障碍，而且可以增加急性和慢性排斥反应的发生 ［1］ 。IRI发生机制尚未完全清楚，推测可能有以下一些因素:（1）再灌注前由于缺氧引起钙离子聚积，激活花生四烯酸系统使缩血管物质产生增加，如血小板活化因子血栓素A 2 、内皮素，而扩血管物质减少，如一氧化氮、前列腺素I 2 ，使血管持续收缩;当再灌注时造成再灌注障碍，局部缺氧明显。（2）再灌注时氧供应远远超过组织需求，这种过多的氧在组织细胞黄嘌呤氧化酶、细胞色素酶P-450及中性粒细胞产生的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸作用下产生大量的氧自由基（Oxygen Free Radicals，OFR）。（3）OFR、中性粒细胞、单核-巨噬细胞可激活内皮细胞使其表达粘附分子如P-选择素、中性粒细胞特异性的整合素，趋化更多中性粒细胞、单核巨噬细胞、T淋巴细胞聚集，加剧产生OFR和炎症介质如PG、PAF、IL-1、TNF-α、INF-γ、GM-CSF，造成内皮细胞进一步损伤、凋亡。（4）OFR和炎症介质亦可激活T淋巴细胞、巨噬细胞、中性粒细胞，活化后进一步产生OFR和炎症介质，造成恶性循环。（5）OFR使内皮细胞表面产生缺氧抗原（ischaemia antigen），激活补体系统产生排异反应。上述因素共同作用则造成血管内皮损伤，激活凝血系统，引起移植器官内广泛血栓形成，最终造成原发性器官无功能和慢性移植物功能障碍。因而，OFR、T淋巴细胞、巨噬细胞、中性粒细胞激活以及内皮细胞激活损伤在IRI中起着十分重要的作用 ［2］ 。IRI与移植器官的存活密切相关，如何克服IRI则成为目前研究的热点。HO-1作为保护蛋白已愈来愈受到关注。研究表明HO-1在肝脏 ［3］ 、心脏 ［4］ 、肾脏IRI中表达明显增加，并且发现HO-1高表达对IRI具有明显保护作用，表现为白细胞如多形核中性粒细胞、T淋巴细胞、巨噬细胞在心脏、肝脏、肾脏移植器官中的浸润明显减轻 ［5～10］ ，促炎因子如IL-1、IL-6、MCP-1及MIP-2水平显著下降 ［10］ ，通过抑制内皮细胞凋亡，增加局部灌注量，改善微循环障碍，而明显延长了移植器官的存活时间。
1.2 HO-1在诱导移植耐受中的作用 器官移植常常因供体脏器缺乏受到制约，而异种器官移植是解决这一矛盾的潜在途径。但异种器官移植存在诸多问题，关键之一就是如何诱导耐受的产生，使移植器官长期存活。所谓耐受是指血管化移植器官尽管在有抗移植物抗体和补体的存在下仍然长期存活的现象。移植物耐受的机制目前仍不清楚，研究表明移植物内皮细胞和组织细胞中HO-1、bcl-2、bcl-xl和A20等保护基因的表达以及组织细胞因子Th1型向Th2型转化在耐受中起到重要作用。Tabata、Shen等 ［11，12］ 分别在肺脏、肝脏移植模型中发现:耐受供体内皮细胞和平滑肌细胞中HO-1等保护基因的表达明显增加，组织细胞因子以Th2型为主;而被排斥供体未能表达保护基因，并且组织细胞因子以Th1型为主。这些保护基因的上调不仅可以阻滞炎前因子的产生，抑制内皮细胞凋亡，并且认为HO-1等保护基因可能是通过核因子NF- κ B通路来发挥作用。可见HO—1在诱导移植耐受中起着十分重要的作用。
1.3 HO-1在抑制移植后动脉硬化中的作用 移植后动脉硬化是移植器官慢性排斥中的主要问题，其产生的确切机制仍不清楚。目前认为免疫和非免疫机制与移植后动脉硬化的发生相关。T淋巴细胞、B淋巴细胞、NK细胞、巨噬细胞等参与以及IRI，最终引起迟发性变态反应的发生，造成内膜下平滑肌增生、中层平滑肌移行至内膜下而引起的内膜层增厚和外层纤维化引起的血管缩窄，其结果导致移植器官血供不足，功能障碍，最终致慢性排斥。Tung等在大鼠心脏移植模型中用rAAV/HO—1基因处理供体心脏后抑制移植器官动脉硬化和脏器纤维化的发生，明显延长了移植器官的存活时间，而在移植后的不同时间用HO-1的抑制剂锌-原卟啉处理则可阻止这种保护作用 ［13］ 。
2 HO-1在器官移植中保护作用机制
目前认为HO-1在移植中的保护作用机制是由HO-1及降解血红素产生的代谢产物—CO、胆绿素、胆红素、Fe2+ 而实现的，其作用包括:（1）抗氧化应激;（2）改善微循环;（3）抗炎;（4）调节细胞周期。
2.1 抗氧化应激作用 HO-1抗氧化应激作用主要通过以下几个方面来实现:（1）HO-1在参与代谢一分子血红素时可消耗3分子氧和7个电子，减轻再灌注时体内氧负荷过重，从而减少氧自由基的产生。（2）通过酶解以清除体内过多的血红素，再灌注时由于红细胞破坏等导致体内血红素增加，血红素不仅可直接破坏脂质双层、细胞骨架、酶和DNA等，而且可通过产生氧自由基造成移植物氧化应激损伤。（3）酶解产生的胆绿素和胆红素是哺乳动物中最为丰富的内源性抗氧化剂，承担了血浆中大部分抗氧化作用，两种化合物可以抑制脂质过氧化，并认为是一种有效的自由基清除剂，可以清除H 2 O 2 、HO - 和O -2 等。（4）代谢产生的Fe 2+ 可与铁调节蛋白（Iron Regulatory Protein，IRP）结合，使其从铁蛋白mRNA脱落，启动铁蛋白的合成。铁蛋白的合成一方面清除细胞内的游离铁，另一方面也减少了细胞内的超氧化物基团，从而降低了细胞内的氧化应激状态，从而起到抗氧化应激作用。（5）CO具有明显的抗氧化作用。研究表明，动物在低浓度的CO（50～500PPM）下可表现出对氧过度损伤的耐受现象。CO抗氧化作用的具体机制可能是通过扩张血管平滑肌，抑制血小板聚集，改善微循环，从而有利于消除自由基对组织的损伤;抑制细胞色素P-450，抑制其参与自由基反应;通过与一氧化氮合成酶（NOS）上的吡咯环结合，直接抑制NOS活性，减少 NO及ONOO - 的含量。氧化应激在IRI发生发展中起着十分关键的作用，HO-1通过它的抗氧化应激作用对移植物起到保护作用。
2.2 改善微循环 移植器官内微循环障碍，血栓形成可引起移植器官无功能，最终被宿主排斥。HO-1降解血红素产生的主要代谢产物之一CO具有扩张血管，改善微循环的作用。内皮细胞产生的内源性CO可弥散到邻近平滑肌细胞，通过激活可溶性鸟苷酸环化酶（sGC）使细胞内环鸟苷酸（cGMP）浓度升高，引起血管平滑肌舒张，抑制血小板聚集，防止血栓形成。另外，CO分别通过干扰环氧化酶、脂加氧酶和NOS抑制前列腺素、白三烯和NO的合成，从而进一步改善微循环，使移植物存活时间明显延长 ［14］ 。Fujita ［15］ 等在一个缺血性肺损伤研究中发现吸入外源性CO可明显抑制纤维蛋白溶酶原激活抑制因子的产生，而后者在肺血栓形成中起着关键作用。
2.3 抗炎作用 大量研究表明HO-1高表达后具有明显的直接或间接抗炎作用。其抗炎作用表现为:（1）抑制炎症细胞的浸润:HO-1高表达后可明显抑制白细胞如多形核中性粒细胞、T淋巴细胞、巨噬细胞在心脏、肝脏及肾脏移植器官中的浸润 ［5～10，13］ 。Coito ［5］ 等用转基因方法处理IRI大鼠模型发现转入Ad-HO-1基因后明显减少了巨噬细胞浸润。中性粒细胞、T淋巴细胞、巨噬细胞在移植物中的浸润和活化在IRI中起着十分重要的作用，直接影响着移植物的存活时间。（2）抑制炎前因子产生:Minamino等在低氧性肺损伤研究中发现肺组织HO-1高表达后IL-1、IL-6、MCP-1、MIP-2水平显著下降 ［10］ ，该类细胞因子可通过激活血管内皮细胞使其表达粘附分子，介导白细胞与血管内皮细胞的粘附，趋化巨噬细胞和中性粒细胞，引起白细胞浸润并使其活化;激活T细胞，促进T细胞增殖分化，增强免疫应答;激活炎症细胞释放炎症介质如白三烯。由此可见该类细胞因子在趋化和活化中性粒细胞、T淋巴细胞、巨噬细胞中起着重要作用，最终导致IRI的产生，造成移植物功能丧失而被排斥。HO-1通过抑制这些细胞因子的释放，从而在IRI中起到保护作用。Otterbein等通过LPS诱导的炎症模型证实了CO的抗炎作用，该作用与浓度呈依赖关系，故推测HO-1对炎前因子的抑制可能由其代谢副产物CO介导，并且认为这种抗炎作用机制并不涉及cGMP途径，也非NO介入所致，可能与丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK），尤其是MAPK3/P38（MAP Kinase Kinase3/P38，MKK3/P38）途径有关 ［16，17］ 。（3）调节Th细胞反应:Th1型细胞（IL-2，INF-γ）向Th2型细胞（IL-4，IL-10等）的转化与移植物耐受形成相关。Th2细胞反应可以通过阻碍APC细胞共刺激信号来影响初始T细胞向Th1分化 ［18］。部分研究提示HO-1高表达后可诱导组织细胞因子类型由Th1型向Th2型转化，并在免疫耐受形成中起到积极作用。Shen等在大鼠同种异基因肝脏移植模型中发现:用Ad-HO-1转染使肝组织高表达HO-1后，IL-4、IL-10mRNA表达水平明显增加，而IL-2、INF-γmRNA表达水平相对减少，提示组织细胞因子表达由Th1型向Th2型转变。HO-1调节Th细胞反应的机制并不清楚，用二氯甲烷处理受体大鼠使CO产生增加后发现组织细胞因子类型呈Th2转化，因而推测HO-1调节Th细胞反应与CO有关 ［12］ 。（4）抑制粘附分子表达:粘附分子可以介导炎症细胞由血管进入组织导致炎症的发生，并与炎症性质和轻重程度相关，在IRI中起着重要的作用。HO-1能抑制活化的血管内皮细胞中选择素的表达，并可抑制白细胞聚集，而HO-1抑制剂则加剧聚集。Vachharjani等 ［19］ 研究了HO-1在调节不同血管床中选择素的表达时发现，LPS可使鼠肺脏、肝脏及肾脏等血管内皮细胞上P选择素和E选择素表达增加，如在LPS刺激前先用胆红素前处理，可使P选择素和E选择素的表达减弱，而用锌-原卟啉处理则表达增加。Wagener ［20］ 在体外也证实HO-1抑制剂可以上调人内皮细胞粘附分子（ICAM-1）、血管细胞粘附分子（VCAM-1）、E选择素的表达，用血红素处理人脐静脉内皮细胞，发现ICAM-1表达以浓度依赖方式递减，用锡-中卟啉预先抑制HO活性则使ICAM-1表达升高2倍，用C o Cl 2 预先诱导HO-1表达后ICAM-1下降33%。经HO-1和HO-2反义寡核苷酸分别处理后发现HO-1反义寡核苷酸组粘附分子表达增加，而HO-2反义寡核苷酸组不增加，提示HO-1抑制了粘附分子表达。（5）促进抗炎细胞因子IL-10的分泌:目前认为IL-10是一种抗炎细胞因子，有明显的免疫抑制、抗炎和组织保护作用，可抑制TNF-α、INF-γ、GM-CSF、IL-6、MMP-9等细胞因子的产生 ［21］。TNF-α、INF-γ、GM-CSF是重要的炎前因子，在IRI以及迟发性异种移植物排斥反应（Delayed Xenograft Rejection，DXR）中起着十分重要的作用，而MMP-9在炎症部位细胞外基质的降解和重塑，可导致动脉硬化、狭窄，并在移植物慢性排斥反应中起到重要作用。研究表明在肺脏移植中，体内IL-10水平的提高可抑制急慢性排斥反应 ［22］ 以及闭塞性毛细支气管炎的发生 ［23］ 。HO-1与IL-10两者之间存在十分密切的关系，一方面IL-10可以诱导HO-1的表达，HO-1抗炎作用一部分是通过IL-10来实现的;另一方面HO-1又可以促进IL-10的分泌，IL-10的抗炎作用可能是通过HO-1和CO来实现的。可见HO-1和IL-10两者呈正相关 ［21］ 。Inoue等 ［24］ 在动物模型中用HO-1cDNA转基因处理以增加HO-1表达，发现IL-10水平增加，并对LPS诱导的肺损伤耐受。
2.4 调节细胞周期作用 HO-1对不同组织细胞的细胞周期有着不同的调节作用。在血管内皮细胞，HO-1高表达后可抑制内皮细胞凋亡，而在血管平滑肌细胞则可以促进平滑肌细胞的凋亡。内皮细胞凋亡在IRI、DXR以及慢性排斥的动脉硬化中均起着重要作用。由于炎性介质、细胞因子、氧自由基等各种因素引起内皮细胞凋亡、脱落，血管完整性受损，内皮细胞下基质曝露，激活凝血系统，血栓形成，导致移植物无功能而被排斥。大量研究表明HO-1在急慢性排斥反应中的保护作用都伴有细胞凋亡的抑制 ［25～27］ 。HO-1通过促进内皮细胞生长，抑制内皮细胞凋亡来保护内皮细胞，维持血管壁内膜的完整性，从而在IRI、DXR起到保护作用。有研究表明HO-1抑制内皮细胞凋亡作用是通过CO并经激活p38MAPK途径实现的 ［28］ 。
血管平滑肌细胞过度增生在动脉硬化狭窄中起着重要作用，HO-1对血管平滑肌的过度增生有抑制作用。一方面HO-1代谢产生的CO可以以自分泌的方式使平滑肌细胞生长停滞在G 0 /G 1 期，并使p21蛋白表达增加 ［29］ ;另一方面HO-1高表达后可以促进平滑肌细胞的凋亡 ［30］ ，这种作用可能是通过HO-1代谢产生的胆绿素和胆红素来完成。
3 结语
综上所述，HO-1在器官移植中起着十分重要的保护作用。细胞因子、氧自由基等因素上调HO-1表达，产生CO、铁蛋白、胆绿素和胆红素，该类代谢产物一方面可以消除氧自由基起到抗氧化应激作用，另一方面可以通过减少炎症细胞浸润、抑制炎前因子产生、促进抗炎细胞因子IL-10的分泌、抑制粘附分子表达、抑制补体系统和调节Th1型细胞向Th2型细胞转化来阻断炎症反应进一步发展，起到抗炎作用。同时HO-1还能调节细胞周期，抑制血管平滑肌增生、抑制内皮细胞凋亡。HO-1正是通过以上作用来保护移植物，减轻IRI和预防移植后动脉硬化的产生，并诱导移植物耐受。但HO-1在器官移植中保护作用的确切机制尚未完全清楚，有待作进一步研究。
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（收稿日期:2004-07-02）
ˇ 基金项目:本项目获得上海市教委重点开发基金、上海交通大学-上海第二医科大学合作基金资助
作者单位:200025上海第二医科大学附属瑞金医院儿科（ Δ 综述， ΔΔ 审校）
（编辑毅 文）