王 燦，汪 麗 綜述，史 源審校

（第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院兒科，重慶400042）

一氧化碳（carbon monoxide，CO）這種雙原子氣體，近年來被證實(shí)對于體內(nèi)某些病理情況有著細(xì)胞保護(hù)作用或診斷價(jià)值，其體內(nèi)主要來源于血紅素裂解產(chǎn)物。諸如體內(nèi)肺損傷所致炎癥，CO可減少炎癥因子產(chǎn)生從而抗炎；體內(nèi)細(xì)胞凋亡，CO可通過抑制活性氧而阻止細(xì)胞死亡；此外，可通過降低炎癥因子而對缺血再灌注有保護(hù)作用，從而可用于保護(hù)器官移植；還可通過測定CO濃度而體現(xiàn)危重病嚴(yán)重度，從而用于重癥監(jiān)護(hù)室危重病的監(jiān)測；基于這些作用，CO對一系列疾病有治療或診斷作用?，F(xiàn)針對其細(xì)胞保護(hù)作用及其在臨床中的應(yīng)用若干進(jìn)展作一綜述。

1 CO的來源和作用機(jī)制

1.1 CO的來源 以往對CO普遍認(rèn)識是被認(rèn)為是一種可燃?xì)怏w，這種雙原子氣體作為一種血液中的潛在的化學(xué)窒息劑。來自自然界的不完全燃燒和汽車廢氣中以及吸煙均可以產(chǎn)生CO，它可以跟血紅蛋白結(jié)合，阻止血紅蛋白與氧結(jié)合，使血液喪失運(yùn)輸氧的功能。因此，早期對CO研究也主要是聚焦在其導(dǎo)致的組織缺氧而產(chǎn)生的毒性上［1］。在20世紀(jì)中葉，對CO的研究已經(jīng)證實(shí)，它是一種氧化血紅素代謝的內(nèi)源性產(chǎn)品，體內(nèi)主要來源于血紅素裂解。機(jī)體由于重金屬暴露，氧化應(yīng)激，熱應(yīng)激，炎癥細(xì)胞因子的誘導(dǎo)，導(dǎo)致體內(nèi)血紅素加氧酶（HO）激活，血紅素加氧酶尤其是HO－1作為血紅素裂解的限速酶，可催化血紅素從而有序的釋放CO、膽綠素、游離鐵［2－4］。這即為內(nèi)源性CO的主要來源，是體內(nèi)CO產(chǎn)生細(xì)胞保護(hù)作用的基本。

1.2 CO在細(xì)胞保護(hù)中的作用機(jī)制 最近一些研究表明，低濃度CO可能會出現(xiàn)細(xì)胞保護(hù)功能，其中CO給予保護(hù)的幾個組織損傷模型包括高氧肺損傷；肺，心臟，腎臟，和胃腸道缺血再灌注（I／R）損傷［5－6］；移植的心臟［7］；肝功能障礙［8］和小腸移植失敗等［9－10］。

CO被證明在調(diào)節(jié)血管張力中發(fā)揮重要作用，它通過激活可溶性鳥苷酸環(huán)化酶（sGC）產(chǎn)生環(huán)磷酸鳥苷（cGMP），從而升高cGMP水平引起平滑肌松弛［11－12］。這種刺激sGC和提高cGMP水平行為影響細(xì)胞功能，如離子通道，磷酸二酯酶和蛋白激酶［13］。因此，該sGC／cGMP通路形成 HO－CO內(nèi)源性系統(tǒng)的一個重要組成部分，且可能是CO參與調(diào)解一些抗炎作用的一種分子機(jī)制。除了上述sGC／cGMP通路機(jī)制，CO還作用于多個含血紅素蛋白靶點(diǎn)的酶，從而對調(diào)制炎癥，氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡產(chǎn)生重要的影響。這些酶包括煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶，細(xì)胞色素P450，誘生型一氧化氮合酶（iNOS）。例如，CO通過與酶上的血紅素蛋白靶點(diǎn)結(jié)合，抑制可能導(dǎo)致生成活性氧（ROS）的細(xì)胞色素c氧化酶的產(chǎn)生，以維持細(xì)胞三磷腺苷水平和增加線粒體膜電位［14］，從而發(fā)揮其細(xì)胞保護(hù)作用；此外，通過某種復(fù)雜的過程CO能抑制細(xì)胞色素P450和NADPH氧化酶。即CO的靶點(diǎn)可能是參與細(xì)胞自由基生產(chǎn)，氧化應(yīng)激，和氧化應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的多種酶［15］。通過抑制此類導(dǎo)致體內(nèi)產(chǎn)生自由基等對機(jī)體的有害因子的酶，和激活半胱天冬酶這類對細(xì)胞有保護(hù)作用的酶，從而對某些機(jī)體病理狀況下起到細(xì)胞保護(hù)作用。CO還有一個重要的下游靶點(diǎn)是轉(zhuǎn)導(dǎo)氧化應(yīng)激和炎癥信號通路的絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）級聯(lián)［16］，即對促炎細(xì)胞因子如 TNF－α、IL－1B［17］釋放所需的MAPK通路的抑制。由此可見，由HO－1所催化的內(nèi)源性CO，對細(xì)胞的保護(hù)作用如抗炎、抗增殖和凋亡與其在體內(nèi)的多種酶上的靶點(diǎn)有關(guān)，這些酶與自由基生產(chǎn)，氧化應(yīng)激，和氧化應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡有關(guān)。通過作用于此類酶的靶點(diǎn)，發(fā)揮其生理和病理的有效作用。這也是作為以后研究其在動物或者臨床上效益作用的基礎(chǔ)。

2 CO在肺損傷中的作用機(jī)制及其可能的不良反應(yīng)

2.1 CO在肺損傷中的作用 CO在肺疾病一個作用是對肺部炎癥損害的保護(hù)作用。有研究表明，吸入CO對體內(nèi)肺損傷和炎癥模型的有效性，這些炎癥損傷可通過博萊霉素，產(chǎn)花粉植物、酸刺激等引起。實(shí)驗(yàn)通過對肺部有炎癥的小鼠吸入CO，從而研究其產(chǎn)生的療效和安全性，結(jié)果表明24h吸入CO 100ppm或更多能降低肺泡內(nèi)40%～50%的中性粒細(xì)胞浸潤，其機(jī)制可能是由于阻止了中性粒細(xì)胞從骨髓動員。

此外，CO在急性肺損傷諸如發(fā)生于高氧、敗血癥或在不適當(dāng)?shù)臋C(jī)械通氣，即呼吸機(jī)所致肺損傷（VILI），急性肺損傷（ALI）和其更嚴(yán)重形式的急性呼吸窘迫綜合征（ARDS），以及I／R引起的肺損傷也適用。許多實(shí)驗(yàn)研究表明，CO對各種類型的組織損傷的進(jìn)程是有好處的，尤其是當(dāng)其在250～400 ppm范圍內(nèi)的低劑量吸入是有效的，CO有抗炎，抗纖維化和抗凋亡作用。由此可見，吸入劑用于治療肺疾病顯然有很大的潛力。

盡管有實(shí)驗(yàn)表明，CO對肺損害情況有保護(hù)效應(yīng)，但尚存在爭議。Clayton等［18］發(fā)現(xiàn)，吸入CO沒有明顯減輕在大鼠模型中由高氧引起的肺損傷，研究建立了3種不同的小鼠急性肺損傷體內(nèi)模型，并用呼吸機(jī)運(yùn)送預(yù)混合的500ppm CO／O2混合氣進(jìn)入動物肺部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察CO的保護(hù)作用，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明吸入CO在這些模型里對ALI并沒有好處［19］。此外，迄今的人類研究涉及健康志愿者和慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者，也表明吸入CO在減輕肺部炎癥上沒有顯著好處。這些明顯的矛盾可能反應(yīng)，對于認(rèn)識CO作用機(jī)制還有差距。也可能表明，CO的療效局限于特定物種和（或）損傷／炎癥的病因，或者對于CO治療潛力的劑量使用和時間控制方面關(guān)注得還不夠，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究以揭示矛盾背后的真相。

2.2 CO在肺損傷的作用機(jī)制及可能的不良反應(yīng) 動物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，吸入100ppm CO對減少肺損傷引起的肺內(nèi)中性粒細(xì)胞聚集是有效地，這是通過一種新的機(jī)制：即與從骨髓動員白細(xì)胞的減少有關(guān)。此外，動物實(shí)驗(yàn)研究表明，吸入低劑量CO從而對肺損傷產(chǎn)生保護(hù)是通過其抗氧化、抗炎、抗凋亡和上調(diào)HO－1表達(dá)而引起的。具體的細(xì)胞機(jī)制可見上述CO在細(xì)胞保護(hù)作用中的機(jī)制。

然而，CO在保護(hù)肺損傷的同時，其不良反應(yīng)也被重視。研究表明，500ppm CO暴露可產(chǎn)生重大不良反應(yīng)。研究表明，CO作為一種細(xì)胞保護(hù)作用的氣體，具有抗炎、抗增殖和凋亡的作用，但是有嚴(yán)格的條件限制，包括其使用的治療劑量，治療暴露的時間等，因此必須考慮其安全性，即對其毒性應(yīng)嚴(yán)格控制。實(shí)驗(yàn)表明，增加CO Hb水平到10%（正常：非吸煙者健康者小于2%～3%）可引起急性臨床癥狀，如呼吸困難，頭暈，和頭痛。水平高于30%能導(dǎo)致中毒和惡心，嘔吐，暈厥和心律失常的癥狀。長期暴露于50%是致命的。此外，即便使用低于一般用于臨床前研究CO的劑量，甚至100ppm CO單獨(dú)使用，似乎也會導(dǎo)致肺血管內(nèi)皮／上皮細(xì)胞屏障通透性增加，這說明，CO治療肺炎癥和肺損傷可能是有效的，但治療時間窗可能較小。這些研究結(jié)果提供了一個警示：即使低劑量CO在肺部也存在潛在的不良影響。當(dāng)CO作為治療臨床病理狀態(tài)時，更應(yīng)該考慮其條件的限制和毒性機(jī)制。

3 CO在I／R和器官移植中的作用

目前，器官移植是治療很多器官衰竭末期的惟一選擇，然而排除供體器官的可用性等因素，就算是很理想的供體器官在受體內(nèi)遭受I／R損傷，也沒有辦法對其提供最佳的保護(hù)。因此，在術(shù)后早期移植的器官頻繁宣布失敗，主要是由于非特異性器官損傷或由于復(fù)雜的細(xì)胞和體液免疫反應(yīng)所導(dǎo)致。其中，氧自由基和某些細(xì)胞因子是供體保存、再灌注損傷和在急性和慢性排斥反應(yīng)中有牽連的效應(yīng)機(jī)制［20－21］。本文上述所說，CO對氧自由基和某些導(dǎo)致機(jī)體損害的細(xì)胞因子有抑制作用，因而也可以想到CO在I／R損傷和器官移植中有可能的作用。實(shí)際上，已經(jīng)有了部分臨床前實(shí)驗(yàn)研究表明，CO對機(jī)體器官移植術(shù)后的生存和保健有好處，CO通過增加HO－1的產(chǎn)生，從而抑制免疫反應(yīng)而延長移植的存活率；肝臟、腎臟、肺臟移植以及小腸移植后，通過吸入CO而降低促炎因子而改善I／R損傷。

結(jié)合上述的臨床前研究，目前關(guān)于CO對移植的作用及應(yīng)用，已展開了進(jìn)一步的臨床研究，患者接受腎移植，當(dāng)對其進(jìn)行吸入氣的管理時，評價(jià)增加CO的劑量水平時安全性和耐受性。由此可見，CO對I／R和器官移植有保護(hù)作用，且已經(jīng)有進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)的報(bào)道。

4 CO的診斷價(jià)值

對于CO在臨床上的診斷價(jià)值，主要是通過呼出CO的監(jiān)測，從而反映體內(nèi)疾病過程的嚴(yán)重度和治療進(jìn)程，可用于多種疾病的診斷，有其特殊的臨床診斷價(jià)值。

呼出CO測定是一個非侵入性工具，它可能反映了系統(tǒng)性和肺部的內(nèi)源性HO表達(dá)和CO產(chǎn)生的動力學(xué)。有研究通過在哮喘患者和非吸煙者和吸煙健康對照組中的肺活量演習(xí)測量呼出CO濃度［22］，顯示哮喘患者呼出高量的CO，經(jīng)過糖皮質(zhì)激素治療后呼出的CO量隨之降低，這表明測量呼出的CO量可能反映哮喘肺的炎癥狀態(tài)。對于患有急性哮喘和急劇加重的囊性纖維化而需要緊急治療的患者，他們呼出CO是升高的，這也表明呼出CO是氣道炎癥較好的生物標(biāo)志物。盡管也有研究表明，呼出一氧化氮（NO）比呼出CO是氣道炎癥更好的生物標(biāo)志物，但呼出的CO仍然是另外一種有效的生物標(biāo)志物，特別是對于兒童疾病方面的應(yīng)用，非侵入性的測量呼出CO可作為評估兒童哮喘控制的補(bǔ)充手段，研究表明CO水平升高是非特異性的，可能與一種急性病毒疾病相關(guān)［23］。對于支氣管擴(kuò)張癥課題的研究中，提示呼出的CO也是增加的［24］。上述測量是在不考慮任何抗感染治療情況下實(shí)施的，可以反映這些患者的炎癥氣道中巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞產(chǎn)生的炎癥細(xì)胞因子或者超氧陰離子可能誘導(dǎo)HO－1的表達(dá)，即增加CO的產(chǎn)生。因此，呼出CO在提示肺部炎癥狀態(tài)有很好的標(biāo)志作用。CO的升高而也可以作為慢性阻塞性肺疾?。–OPD）急性發(fā)作的一個很好的指標(biāo)［25］。在對危重患者呼出的CO的測量表明，危重病患者體內(nèi)血紅素分解增加了，它能被呼出的CO所監(jiān)測出來，其呼出氣中的CO濃度可能反映出疾病的嚴(yán)重度。因此，呼出的CO也可用作重癥監(jiān)護(hù)治療的測定指標(biāo)。

5 CO的臨床治療前景

基于上述對CO在體內(nèi)的細(xì)胞保護(hù)作用的描述，可知其適用于臨床疾病有臟器損傷所致炎癥；再灌注損傷如固體器官移植；急性器官損傷和慢性退行性疾??；危重癥的嚴(yán)重程度和治療好轉(zhuǎn)效果的監(jiān)測等。另有研究表明，CO的抗增殖作用可能在動脈粥樣硬化和糖尿病微血管病變有臨床作用。近年來，一些臨床開展的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了CO在人體的有效作用。關(guān)于CO的細(xì)胞保護(hù)作用，進(jìn)一步的臨床研究是必要的，臨床應(yīng)用CO應(yīng)充分考慮其治療劑量，暴露時間，測定呼出CO的器械的選擇，證實(shí)其作用效用的因子的檢測，以及充分考究其毒性的程度和范圍。這些，均是當(dāng)前臨床研究面臨的問題。

［1］Piantadosi CA.Biological chemistry of carbon monoxide［J］.Antioxid Redox Signal，2002，4（2）：259－270.

［2］Keyse SM，Tyrrell RM.Heme oxygenase is the major 32－kDa stress protein induced in human skin fi broblasts by UVA radiation，hydrogen peroxide，and sodium arsenite［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，1989，86（1）：99－103.

［3］Ewing JF，Haber SN，Maines MD.Normal and heat－induced patterns of expression of heme oxygenase－1（HSP32）in rat brain：hyperthermia causes rapid induc－tion of mRNA and protein［J］.J Neurochem，1992，58（3）：1140－1149.

［4］Otterbein LE，Choi AM.Heme oxygenase：colors of defense against cellular stress［J］.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2000，279（6）：L1029－1037.

［5］Fujita T，Toda K，Karimova A，et al.Paradoxical rescue from ischemic lung injury by inhaled carbon monoxide driven by derepression of fi brinolysis［J］.Nat Med，2001，7（5）：598－604.

［6］Nakao A，Kimizuka K，Stolz DB，et al.Carbon monoxide inhalation protects rat intestinal grafts from ischemia／reperfusion injury［J］.Am J Pathol，2003，163（4）：1587－1598.

［7］Clark JE，Naughton P，Shurey S，et al.Cardioprotective actions by a water－soluble carbon monoxide－releasing molecule［J］.Circ Res，2003，93（2）：e2－8.

［8］Kyokane T，Norimizu S，Taniai H，et al.Carbon monoxide from heme catabolism protects against hepatobiliary dysfunction in endotoxintreated rat liver［J］.Gastroenterology，2001，120（5）：1227－1240.

［9］Nakao A，Moore BA，Murase N，et al.Immunomodulatory effects of inhaled carbon monoxide on rat syngeneic small bowel graft motility［J］.Gut，2003，52（9）：1278－1285.

［10］Maines MD，Raju VS，Panahian N.Spin trap（N－t－butylphenylnitrone）－mediated suprainduction［J］.J Pharmacol Exp Ther，1999，291（2）：911－999.

［11］Steiner AA，Branco LG.Carbon monoxide is the heme oxygenase product with a pyretic action：evidence for a cGMP signaling pathway［J］.Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2001，280（2）：R448－457.

［12］Ryter SW，Otterbein LE，Morse D，et al.Heme oxygenase／carbon monoxide signaling pathways：regulation and functional signifi cance［J］.Mol Cell Biochem，2002，234－235（1／2）：249－263.

［13］Lucas KA，Pitari GM，Kazerounian S，et al.Guanylyl cyclases and signalling by cyclic GMP［J］.Pharmacol Rev，2000，52（3）：375－414.

［14］Zuckerbraun BS，Chin BY，Bilban M，et al.Carbon monoxide signals via inhibition of cytochrome c oxidase and generation of mitochondrial reactive oxygen species［J］.FASEB，2007，21（4）：1099－106.

［15］Von Burg R.Toxicology update ［J］.J Appl Toxicol，1999，19：379－386.

［16］Brouard S，Otterbein LE，Anrather J，et al.Carbon monoxide generated by heme oxygenase－1suppresses endothelial cell apoptosis［J］.J Exp Med，2000，192（7）：1015－1026.

［17］Otterbein LE，Bach FH，Alam J，et al.Carbon monoxide has anti－infl ammatory effects involving the mitogen－activated protein kinase pathway［J］.Nat Med，2000，6（4）：422－428.

［18］Clayton CE，Carraway MS，Suliman HB，et al.Inhaled carbon monoxide and hyperoxic lung injury in rats［J］.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2001，281（1）：L949－957.

［19］Ghosh S，Wilson MR，Choudhury S，et al.Effects of inhaled carbon monoxide on acute lung injury in mice［J］.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2005，288（6）：L1003－1009.

［20］Land WG.The role of postischemic reperfusion injury and other nonantigen－dependent infl ammatory pathways in transplantation［J］.Transplantation，2005，79（5）：505－514.

［21］Vos R，Cordemans C，Vanaudenaerde BM，et al.Exhaled carbon monoxide as a noninvasive marker of airway neutrophilia after lung transplantation［J］.Transplantation，2009，87（10）：1579－1583.

［22］Zayasu K，Sekizawa K，Okinaga S，et al.Increased carbon monoxide in exhaled air of asthmatic patients［J］.Am J Respir Crit Care Med，1997，156（4Pt 1）：1140－1143.

［23］Uasuf CG，Jatakanon A，James A，et al.Exhaled carbon monoxide in childhood asthma［J］.J Pediatr，1999，135（5）：569－574.

［24］Horvath I，Loukides S，Wodehouse T，et al.Increased levels of exhaled carbon monoxide in bronchiectasis：a new marker of oxidative stress［J］.Thorax，1998，53（10）：867－870.

［25］Kharitonov SA，Barnes PJ.Effects of corticosteroids on noninvasive biomarkers of infl ammation in asthma and chronic obstructive pulmonary disease［J］.Proc Am Thorac Soc，2004，1（13）：191－199.