熱休克蛋白保護(hù)缺血再灌注損傷的研究進(jìn)展

向都綜述 葉啟發(fā)，王彥峰審校

缺血再灌注(ischemia/reperfusion，IR)是指組織器官缺血后重新得到血液，臨床上常見于動(dòng)脈搭橋、溶栓療法、心肺腦復(fù)蘇、斷肢再植以及器官移植等。多數(shù)情況下，缺血再灌注可以使組織器官的功能恢復(fù)，但有時(shí)缺血再灌注，不僅組織器官功能不能恢復(fù)，還會(huì)加重組織器官的結(jié)構(gòu)障礙和功能損傷。如何減輕缺血再灌注損傷(ischemia/reperfusion injury, IRI)導(dǎo)致的細(xì)胞功能障礙、組織損傷仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。近年來大量研究報(bào)道熱休克蛋白(heat shock protein,HSP)在缺血再灌注損傷中的保護(hù)作用，文章就HSP在缺血再灌注損傷中的保護(hù)作用作一綜述。

1 缺血再灌注損傷

缺血再灌注損傷是臨床上一種常見的病理現(xiàn)象，是指在一定時(shí)間缺血的基礎(chǔ)上，恢復(fù)缺血組織和器官血液灌注過程中，反而導(dǎo)致組織、器官功能障礙和細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞加重，甚至發(fā)生不可逆性的病理現(xiàn)象，多見于直接創(chuàng)傷性組織損傷、壓力引起的損傷、燒傷、栓塞或者器官移植等[1]。IRI的病理機(jī)制至今仍未完全闡明，目前醫(yī)學(xué)界多認(rèn)為其與脂質(zhì)過氧化及氧自由基損傷、鈣離子代謝紊亂、細(xì)胞凋亡、炎性反應(yīng)損害、白細(xì)胞黏附和能量衰竭等有關(guān)[2]。主流學(xué)說認(rèn)為器官缺血后，機(jī)體產(chǎn)生大量的活性氧，能夠?qū)M織造成一定程度的損傷，缺血再灌注造成的細(xì)胞損傷主要是由于活性氧和抗氧化防御機(jī)制之間的不平衡導(dǎo)致的[3]。目前針對(duì)器官缺血再灌注損傷的預(yù)防和治療途徑多種多樣，主要包括抗炎性反應(yīng)、抗細(xì)胞凋亡、抗氧化應(yīng)激、調(diào)節(jié)相關(guān)免疫反應(yīng)、缺血預(yù)處理及缺血后處理和間充質(zhì)干細(xì)胞療法[2]。近些年，熱休克蛋白對(duì)器官缺血再灌注損傷的治療逐漸成為研究熱點(diǎn)，多項(xiàng)研究表明，熱休克蛋白可保護(hù)組織的缺血再灌注損傷，從而保護(hù)組織和器官免受氧化應(yīng)激反應(yīng)，維持器官組織功能[4]。

2 熱休克蛋白

熱休克蛋白又稱應(yīng)激蛋白(stress protein，SP), 最初由Ritossa于1962年在果蠅幼蟲唾液染色體中發(fā)現(xiàn)了熱休克反應(yīng)，隨后Tissieres從熱休克果蠅唾液中分離出一種特殊蛋白稱為熱休克蛋白[5]。熱休克蛋白是一組在結(jié)構(gòu)上高度保守的多肽，廣泛存在于自然界原核、真核細(xì)胞中[6]。熱休克蛋白多作為分子伴侶形式存在，在細(xì)胞因各類誘導(dǎo)因素刺激而呈現(xiàn)過表達(dá)狀態(tài)。這些誘導(dǎo)因素包括高溫、營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏、氧化應(yīng)激反應(yīng)的刺激、急慢性炎性反應(yīng)、病毒及細(xì)菌感染、缺血、重金屬以及過度運(yùn)動(dòng)等[7-10]。根據(jù)相對(duì)分子質(zhì)量的大小，HSP可以分為6個(gè)家族，分別為HSP110、HSP90、HSP70、HSP60、HSP40和小分子HSP，每個(gè)家族又有多個(gè)成員。熱休克蛋白具有多種生物活性，最主要的作用是作為分子伴侶參與新合成的蛋白質(zhì)的正確折疊、幫助受到壓力作用后被破壞的蛋白質(zhì)的復(fù)性、維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定等[11]。

熱休克蛋白參與了許多疾病的發(fā)生發(fā)展過程。據(jù)報(bào)道，HSP70和HSP60參與機(jī)體免疫調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)過程并能夠組成自身抗原復(fù)合物，從而影響機(jī)體的各類免疫性疾病或炎性疾病的發(fā)生，包括1型糖尿病、動(dòng)脈粥樣硬化、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、哮喘和過敏等[12]。此外，熱休克蛋白還參與了腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程。大量研究證實(shí)，HSP27 在一些腫瘤組織中高表達(dá)，包括胃癌、乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌等，HSP27主要與腫瘤浸潤侵襲、化療及放療耐受相關(guān)，其高表達(dá)提示預(yù)后不良[13-14]。熱休克蛋白在體內(nèi)發(fā)揮的生物活性具有明顯的多樣性，近年來熱休克蛋白對(duì)人體器官缺血再灌注損傷的保護(hù)作用逐漸成為研究熱點(diǎn)。

3 熱休克蛋白對(duì)器官缺血再灌注損傷的保護(hù)作用

3.1 熱休克蛋白對(duì)心臟的作用 心肌缺血/再灌注損傷是指缺血心肌在恢復(fù)血流再灌注后發(fā)生的一系列復(fù)雜的病理生理變化, 多表現(xiàn)為心肌梗死面積擴(kuò)大、心功能低下和心律失常等[15]。心肌缺血再灌注損傷多發(fā)生于早期溶栓、經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療、冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)等[16]。在心肌缺血再灌注損傷過程中，產(chǎn)生大量的脂質(zhì)過氧化代謝產(chǎn)物，例如丙二醛(MDA)可以導(dǎo)致心肌突變、衰老、甚至膜變性[17]。HSP70是一種內(nèi)源性的保護(hù)物質(zhì)，在抗心肌缺血再灌注損傷中發(fā)揮著重要作用，誘導(dǎo)HSP70上調(diào)有可能成為一種有效的治療方法[18]。HSP對(duì)心肌細(xì)胞保護(hù)作用可能是通過增強(qiáng)心肌細(xì)胞抗氧化防御能力、穩(wěn)定細(xì)胞大分子結(jié)構(gòu)、修復(fù)心肌細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)的。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們深入地研究了HSP70在心肌缺血/再灌注損傷中的保護(hù)作用。曲美他嗪預(yù)處理可以顯著提高缺血再灌注大鼠心肌HSP70，并降低丙二醛水平，保護(hù)心肌細(xì)胞，減少梗死面積。有研究表明JAK/STAT3通路的激活也可以啟動(dòng)心肌缺血再灌注損傷保護(hù)機(jī)制，苦參堿可以通過激活JAK/STAT3通路，提升HSP70的表達(dá)，保護(hù)心肌缺血再灌注損傷引起的心肌細(xì)胞壞死[19]。Jayakumar等[20]通過脂質(zhì)體將HSP70基因轉(zhuǎn)染入大鼠心臟后發(fā)現(xiàn)，HSP70基因轉(zhuǎn)染后的大鼠心臟相較于對(duì)照組而言，其心肌細(xì)胞線粒體的保護(hù)功能更加顯著，其心肌缺血/再灌注損傷也明顯減輕。Kim等[21]將HSP70基因?qū)氲酱笫篌w內(nèi)后，證實(shí)了心肌組織內(nèi)的HSP70能夠通過降低誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的活化程度來抑制一氧化氮的生成，從而明顯提高心肌細(xì)胞對(duì)缺血的耐受性，減少心肌梗死面積。此外，也有研究表明HSP90在調(diào)節(jié)阿片類藥物誘發(fā)的心肌缺血再灌注損傷保護(hù)方面的重要性，這種HSP90保護(hù)機(jī)制是在GSK3抑制下游進(jìn)行的[22]。魏水生等[23]使用H2S對(duì)H9C2心肌細(xì)胞預(yù)處理后，發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞內(nèi)高度表達(dá)HSP90，缺氧心肌細(xì)胞的缺氧/復(fù)氧損傷也得到明顯減輕，然而在使用H2S處理心肌細(xì)胞后, 心肌細(xì)胞存活率明顯降低、凋亡率明顯增高,表明 HSP90介導(dǎo)了H2S的心肌保護(hù)作用。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)血漿中的外泌體在急性環(huán)境中對(duì)心臟有保護(hù)作用，這種保護(hù)作用是由HSP70介導(dǎo)的，通過刺激TLR4信號(hào)，激活 ERK1/2、p38、MAPK通路，以及HSP27的磷酸化[24]。小分子熱休克蛋白也能對(duì)抗心肌氧化應(yīng)激，對(duì)心肌有極其強(qiáng)大的保護(hù)作用[25]。

3.2 熱休克蛋白對(duì)腎臟的作用 腎缺血再灌注損傷是一個(gè)常見的臨床問題，是造成急性腎衰竭和移植腎功能延遲恢復(fù)的主要原因之一。腎臟由于血流高灌注的特點(diǎn)，容易發(fā)生缺血再灌注損傷，其損傷機(jī)制還未完全明確，主要涉及活性氧、炎性因子的釋放以及細(xì)胞凋亡等。HSP27是一種抗凋亡蛋白，能夠減輕細(xì)胞壞死[26]。有研究表明內(nèi)毒素預(yù)處理能夠通過上調(diào)HSP27的表達(dá)，改善腎臟的缺血再灌注損傷[27]。盡管熱休克蛋白在腎臟中的完整功能和病理機(jī)制還未被研究徹底，但是HSP70在延遲腎臟細(xì)胞凋亡、保護(hù)細(xì)胞方面有重要作用[28]。肖博等[29]研究證實(shí)腎缺血再灌注損傷后 HSP70 表達(dá)明顯升高，而預(yù)先誘導(dǎo)HSP70 表達(dá)可以緩解腎再灌注損傷，阻斷 HSP70 產(chǎn)生反而增加腎損傷程度，提示HSP70在腎缺血再灌注損傷中發(fā)揮了明顯的保護(hù)作用。HSP72作為分子伴侶，是抗細(xì)胞損傷的一個(gè)主要分子，已經(jīng)被證實(shí)可以降低應(yīng)激反應(yīng)，保護(hù)腎小球內(nèi)皮細(xì)胞免受急性致死性損傷導(dǎo)致的細(xì)胞壞死和凋亡，它對(duì)細(xì)胞凋亡的影響可能是通過增加凋亡蛋白X-鏈接抑制劑在腎臟缺血再灌注損傷的細(xì)胞中的穩(wěn)定性[30-31]。此外，研究表明，預(yù)先誘導(dǎo)HSP90α 表達(dá)增高能保護(hù)心肌細(xì)胞對(duì)抗缺血和化學(xué)缺氧損傷，其機(jī)制可能與HSP90α 的抗氧化和保護(hù)線粒體的功能有關(guān)[32]。Barrera-Chimal等[33]在大鼠腎臟中轉(zhuǎn)染 HSP90α，發(fā)現(xiàn)HSP90α過表達(dá)能通過刺激內(nèi)皮一氧化氮途徑，而對(duì)大鼠腎缺血再灌注損傷發(fā)揮保護(hù)作用。

3.3 熱休克蛋白對(duì)肝臟的作用 肝硬化、肝癌等肝臟疾病在世界范圍內(nèi)嚴(yán)重威脅著人類的健康與生命，肝臟切除及移植是目前治療這些疾病的重要手段。然而，手術(shù)過程中引發(fā)的肝臟缺血再灌注損傷一直是嚴(yán)重制約臨床手術(shù)效果的瓶頸[34]。有研究發(fā)現(xiàn)肝臟缺血再灌注損傷過程中有多種HSP的表達(dá)[35]。其中以HSP70為最保守和最重要的熱休克蛋白，HSP70在正常細(xì)胞中表達(dá)水平較低，可因?yàn)槎虝喝毖⑷毖?、炎性反?yīng)、高溫和藥物等各種刺激從胞漿移入細(xì)胞核并有效迅速地大量表達(dá)[36]。誘導(dǎo)型的 HSP70能夠發(fā)揮分子伴侶作用，維護(hù)蛋白質(zhì)在肝臟的功能以應(yīng)對(duì)各種刺激。劉金剛等[37]研究表明，HSP70通過調(diào)控PI3K-Akt信號(hào)通路參與肝臟細(xì)胞的增殖、分化和抗凋亡等過程。HSP27是一種有效的抗細(xì)胞凋亡蛋白，在細(xì)胞受到外界各種應(yīng)激條件刺激下可與線粒體外膜結(jié)合，干擾細(xì)胞色素C等凋亡相關(guān)信號(hào)通路來抑制procaspase-9的活化。有報(bào)道證實(shí)上調(diào)小鼠體內(nèi)的HSP27表達(dá)量，能夠使小鼠肝臟IR損傷明顯減輕，這表明HSP27在肝臟IR損傷中具有保護(hù)肝細(xì)胞的作用[38]。夏雷等[39]研究表明脂多糖預(yù)處理能夠減輕大鼠肝臟IR損傷，其機(jī)制是通過上調(diào)HSP27來實(shí)現(xiàn)肝細(xì)胞保護(hù)作用。

3.4 熱休克蛋白對(duì)腦的作用 腦缺血再灌注損傷是指腦部血供中斷后，重新開通閉塞血管及恢復(fù)大腦血供后造成的腦組織損傷，它對(duì)人類的危害僅次于腫瘤和心臟疾病，是人類致死和致殘的重要原因之一[40-41]。腦缺血再灌注損傷的發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜，涉及到線粒體損傷、氧自由基大量生成、興奮性氨基酸毒性作用、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)異常、免疫炎性損傷等諸多因素。HSP90能夠通過AKt/P-AKT通路在腦缺血再灌注損傷中發(fā)揮作用，AKT磷酸化激活后的P-AKT可以增加一氧化氮合酶生成、抑制下游凋亡蛋白Caspase-9等表達(dá)，促進(jìn)抗凋亡蛋白Bcl-2等的表達(dá)而發(fā)揮抗凋亡作用[42-43]。也有研究發(fā)現(xiàn)，局灶性腦缺血后HSP70的表達(dá)增加，并且對(duì)大鼠進(jìn)行缺血后處理可以促進(jìn)HSP70表達(dá)的進(jìn)一步上調(diào)，提示HSP70對(duì)腦缺血性損傷有保護(hù)性作用[44]。HSP70在腦缺血、缺氧及缺血再灌注中發(fā)揮了保護(hù)作用，它能抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡，抵抗炎性因子，降低缺血壞死范圍，保證神經(jīng)細(xì)胞的能量供應(yīng)和神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞等作用[45]。HSPA12B是新發(fā)現(xiàn)的HSP70家族中的一員，可作為一種炎性反應(yīng)蛋白參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎性反應(yīng)，Ma等[46]研究發(fā)現(xiàn)HSPA12B對(duì)局灶性腦缺血有神經(jīng)保護(hù)作用，不僅可以減少腦缺血后的神經(jīng)功能缺損評(píng)分，還可以減少梗死面積，改善血腦屏障的完整性，其作用機(jī)制可能與激活磷脂酰肌醇3激酶 (phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)/ 絲氨酸—蘇氨酸蛋白激酶(serine-threoninekinase, AKt)有關(guān)。

3.5 熱休克蛋白對(duì)睪丸的作用 睪丸缺血再灌注損傷是睪丸扭轉(zhuǎn)后手術(shù)復(fù)位的主要病理生理過程，它容易損害男性生精功能，甚至使睪丸壞死萎縮導(dǎo)致不育[47]。研究表明單側(cè)睪丸缺血后會(huì)導(dǎo)致雙側(cè)睪丸的MDA和髓過氧化物酶 (MPO)活性增加，西維來司他和依達(dá)拉奉干預(yù)可以增加HSP70的表達(dá)，保護(hù)睪丸的缺血再灌注損傷[48]。暖休克時(shí)，HSP70-1和HSP70-3在熱應(yīng)激誘導(dǎo)下上調(diào)從而保護(hù)細(xì)胞并協(xié)助損傷的細(xì)胞恢復(fù)。有研究報(bào)道HSP70調(diào)控生精細(xì)胞的不同周期，它的異常表達(dá)將會(huì)影響男性的生殖功能[49]。精索靜脈曲張結(jié)扎可以通過線粒體轉(zhuǎn)導(dǎo)通路誘導(dǎo)HSP70的表達(dá)，HSP70能夠抑制細(xì)胞色素C的釋放，降低細(xì)胞凋亡，保護(hù)生精細(xì)胞[50]。

4 小 結(jié)

熱休克蛋白作為一種保護(hù)性蛋白，對(duì)很多器官、組織缺血再灌注有保護(hù)性作用，目前研究最為徹底的是在肝臟、腎臟、心臟以及神經(jīng)組織方面。對(duì)熱休克蛋白更加深入地探索及研究, 可以打開缺血再灌注損傷的另一條道路, 進(jìn)而為預(yù)防及治療缺血再灌注損傷提供更多理論依據(jù)。