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各器官缺血再灌注损伤中热休克蛋白的保护功能探究
发布时间:2019-05-07

  摘    要: 热休克蛋白 (HSP) 是近年来的研究热点, 是一个高度保守的蛋白分子, 广泛存在于原核生物和真核生物体内。当机体暴露于高温等各种应激条件下, 就会刺激热休克蛋白的表达, 从而保护机体功能。文章主要就热休克蛋白对心脏、肾脏、肝脏、脑和睾丸缺血再灌注损伤的保护作用进行系统性阐述。

  关键词: 热休克蛋白; 缺血再灌注; 氧化应激; 保护作用;

  Abstract: Heat shock protein (HSP) is a highly conserved protein molecule, which widely exists in prokaryotes and eukaryotes. When the body is exposed to various stress conditions such as high temperature, it will stimulate the expression of heat shock protein, thus protecting the body's function. This article mainly elaborates the protective effects of heat shock protein on ischemia-reperfusion injury of heart, kidney, liver, brain and testis.

  Keyword: Heat shock protein; Ischemia reperfusion injury; Oxidative stress; Protective effect;

  缺血再灌注 (ischemia/reperfusion, IR) 是指组织器官缺血后重新得到血液, 临床上常见于动脉搭桥、溶栓疗法、心肺脑复苏、断肢再植以及器官移植等。多数情况下, 缺血再灌注可以使组织器官的功能恢复, 但有时缺血再灌注, 不仅组织器官功能不能恢复, 还会加重组织器官的结构障碍和功能损伤。如何减轻缺血再灌注损伤 (ischemia/reperfusion injury, IRI) 导致的细胞功能障碍、组织损伤仍然是一个挑战。近年来大量研究报道热休克蛋白 (heat shock protein, HSP) 在缺血再灌注损伤中的保护作用, 文章就HSP在缺血再灌注损伤中的保护作用作一综述。

  1、 缺血再灌注损伤

  缺血再灌注损伤是临床上一种常见的病理现象, 是指在一定时间缺血的基础上, 恢复缺血组织和器官血液灌注过程中, 反而导致组织、器官功能障碍和细胞结构破坏加重, 甚至发生不可逆性的病理现象, 多见于直接创伤性组织损伤、压力引起的损伤、烧伤、栓塞或者器官移植等[1]。IRI的病理机制至今仍未完全阐明, 目前医学界多认为其与脂质过氧化及氧自由基损伤、钙离子代谢紊乱、细胞凋亡、炎性反应损害、白细胞黏附和能量衰竭等有关[2]。主流学说认为器官缺血后, 机体产生大量的活性氧, 能够对组织造成一定程度的损伤, 缺血再灌注造成的细胞损伤主要是由于活性氧和抗氧化防御机制之间的不平衡导致的[3]。目前针对器官缺血再灌注损伤的预防和治疗途径多种多样, 主要包括抗炎性反应、抗细胞凋亡、抗氧化应激、调节相关免疫反应、缺血预处理及缺血后处理和间充质干细胞疗法[2]。近些年, 热休克蛋白对器官缺血再灌注损伤的治疗逐渐成为研究热点, 多项研究表明, 热休克蛋白可保护组织的缺血再灌注损伤, 从而保护组织和器官免受氧化应激反应, 维持器官组织功能[4]。
 

各器官缺血再灌注损伤中热休克蛋白的保护功能探究
 

  2、 热休克蛋白

  热休克蛋白又称应激蛋白 (stress protein, SP) , 最初由Ritossa于1962年在果蝇幼虫唾液染色体中发现了热休克反应, 随后Tissieres从热休克果蝇唾液中分离出一种特殊蛋白称为热休克蛋白[5]。热休克蛋白是一组在结构上高度保守的多肽, 广泛存在于自然界原核、真核细胞中[6]。热休克蛋白多作为分子伴侣形式存在, 在细胞因各类诱导因素刺激而呈现过表达状态。这些诱导因素包括高温、营养物质的缺乏、氧化应激反应的刺激、急慢性炎性反应、病毒及细菌感染、缺血、重金属以及过度运动等[7,8,9,10]。根据相对分子质量的大小, HSP可以分为6个家族, 分别为HSP110、HSP90、HSP70、HSP60、HSP40和小分子HSP, 每个家族又有多个成员。热休克蛋白具有多种生物活性, 最主要的作用是作为分子伴侣参与新合成的蛋白质的正确折叠、帮助受到压力作用后被破坏的蛋白质的复性、维持蛋白质结构和稳定等[11] 。

  热休克蛋白参与了许多疾病的发生发展过程。据报道, HSP70和HSP60参与机体免疫调节级联过程并能够组成自身抗原复合物, 从而影响机体的各类免疫性疾病或炎性疾病的发生, 包括1型糖尿病、动脉粥样硬化、类风湿性关节炎、哮喘和过敏等[12]。此外, 热休克蛋白还参与了肿瘤的发生发展过程。大量研究证实, HSP27 在一些肿瘤组织中高表达, 包括胃癌、乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌等, HSP27主要与肿瘤浸润侵袭、化疗及放疗耐受相关, 其高表达提示预后不良[13,14]。热休克蛋白在体内发挥的生物活性具有明显的多样性, 近年来热休克蛋白对人体器官缺血再灌注损伤的保护作用逐渐成为研究热点。

  3、 热休克蛋白对器官缺血再灌注损伤的保护作用

  3.1、 热休克蛋白对心脏的作用

  心肌缺血/再灌注损伤是指缺血心肌在恢复血流再灌注后发生的一系列复杂的病理生理变化, 多表现为心肌梗死面积扩大、心功能低下和心律失常等[15]。心肌缺血再灌注损伤多发生于早期溶栓、经皮冠状动脉介入治疗、冠状动脉旁路移植术等[16]。在心肌缺血再灌注损伤过程中, 产生大量的脂质过氧化代谢产物, 例如丙二醛 (MDA) 可以导致心肌突变、衰老、甚至膜变性[17]。HSP70是一种内源性的保护物质, 在抗心肌缺血再灌注损伤中发挥着重要作用, 诱导HSP70上调有可能成为一种有效的治疗方法[18]。HSP对心肌细胞保护作用可能是通过增强心肌细胞抗氧化防御能力、稳定细胞大分子结构、修复心肌细胞来实现的。随着分子生物学技术的不断发展, 人们深入地研究了HSP70在心肌缺血/再灌注损伤中的保护作用。曲美他嗪预处理可以显着提高缺血再灌注大鼠心肌HSP70, 并降低丙二醛水平, 保护心肌细胞, 减少梗死面积。有研究表明JAK/STAT3通路的激活也可以启动心肌缺血再灌注损伤保护机制, 苦参碱可以通过激活JAK/STAT3通路, 提升HSP70的表达, 保护心肌缺血再灌注损伤引起的心肌细胞坏死[19]。Jayakumar等[20]通过脂质体将HSP70基因转染入大鼠心脏后发现, HSP70基因转染后的大鼠心脏相较于对照组而言, 其心肌细胞线粒体的保护功能更加显着, 其心肌缺血/再灌注损伤也明显减轻。Kim等[21]将HSP70基因导入到大鼠体内后, 证实了心肌组织内的HSP70能够通过降低诱导型一氧化氮合酶的活化程度来抑制一氧化氮的生成, 从而明显提高心肌细胞对缺血的耐受性, 减少心肌梗死面积。此外, 也有研究表明HSP90在调节阿片类药物诱发的心肌缺血再灌注损伤保护方面的重要性, 这种HSP90保护机制是在GSK3抑制下游进行的[22]。魏水生等[23]使用H2S对H9C2心肌细胞预处理后, 发现心肌细胞内高度表达HSP90, 缺氧心肌细胞的缺氧/复氧损伤也得到明显减轻, 然而在使用H2S处理心肌细胞后, 心肌细胞存活率明显降低、凋亡率明显增高, 表明 HSP90介导了H2S的心肌保护作用。也有学者发现血浆中的外泌体在急性环境中对心脏有保护作用, 这种保护作用是由HSP70介导的, 通过刺激TLR4信号, 激活 ERK1/2、p38、MAPK通路, 以及HSP27的磷酸化[24]。小分子热休克蛋白也能对抗心肌氧化应激, 对心肌有极其强大的保护作用[25]。

  3.2、 热休克蛋白对肾脏的作用

  肾缺血再灌注损伤是一个常见的临床问题, 是造成急性肾衰竭和移植肾功能延迟恢复的主要原因之一。肾脏由于血流高灌注的特点, 容易发生缺血再灌注损伤, 其损伤机制还未完全明确, 主要涉及活性氧、炎性因子的释放以及细胞凋亡等。HSP27是一种抗凋亡蛋白, 能够减轻细胞坏死[26]。有研究表明内毒素预处理能够通过上调HSP27的表达, 改善肾脏的缺血再灌注损伤[27]。尽管热休克蛋白在肾脏中的完整功能和病理机制还未被研究彻底, 但是HSP70在延迟肾脏细胞凋亡、保护细胞方面有重要作用[28]。肖博等[29]研究证实肾缺血再灌注损伤后 HSP70 表达明显升高, 而预先诱导HSP70 表达可以缓解肾再灌注损伤, 阻断 HSP70 产生反而增加肾损伤程度, 提示HSP70在肾缺血再灌注损伤中发挥了明显的保护作用。HSP72作为分子伴侣, 是抗细胞损伤的一个主要分子, 已经被证实可以降低应激反应, 保护肾小球内皮细胞免受急性致死性损伤导致的细胞坏死和凋亡, 它对细胞凋亡的影响可能是通过增加凋亡蛋白X-链接抑制剂在肾脏缺血再灌注损伤的细胞中的稳定性[30,31]。此外, 研究表明, 预先诱导HSP90α 表达增高能保护心肌细胞对抗缺血和化学缺氧损伤, 其机制可能与HSP90α 的抗氧化和保护线粒体的功能有关[32]。Barrera-Chimal等[33]在大鼠肾脏中转染 HSP90α, 发现HSP90α过表达能通过刺激内皮一氧化氮途径, 而对大鼠肾缺血再灌注损伤发挥保护作用。

  3.3、 热休克蛋白对肝脏的作用

  肝硬化、肝癌等肝脏疾病在世界范围内严重威胁着人类的健康与生命, 肝脏切除及移植是目前治疗这些疾病的重要手段。然而, 手术过程中引发的肝脏缺血再灌注损伤一直是严重制约临床手术效果的瓶颈[34]。有研究发现肝脏缺血再灌注损伤过程中有多种HSP的表达[35]。其中以HSP70为最保守和最重要的热休克蛋白, HSP70在正常细胞中表达水平较低, 可因为短暂缺血、缺氧、炎性反应、高温和药物等各种刺激从胞浆移入细胞核并有效迅速地大量表达[36]。诱导型的 HSP70能够发挥分子伴侣作用, 维护蛋白质在肝脏的功能以应对各种刺激。刘金刚等[37]研究表明, HSP70通过调控PI3K-Akt信号通路参与肝脏细胞的增殖、分化和抗凋亡等过程。HSP27是一种有效的抗细胞凋亡蛋白, 在细胞受到外界各种应激条件刺激下可与线粒体外膜结合, 干扰细胞色素C等凋亡相关信号通路来抑制procaspase-9的活化。有报道证实上调小鼠体内的HSP27表达量, 能够使小鼠肝脏IR损伤明显减轻, 这表明HSP27在肝脏IR损伤中具有保护肝细胞的作用[38]。夏雷等[39]研究表明脂多糖预处理能够减轻大鼠肝脏IR损伤, 其机制是通过上调HSP27来实现肝细胞保护作用。

  3.4、 热休克蛋白对脑的作用

  脑缺血再灌注损伤是指脑部血供中断后, 重新开通闭塞血管及恢复大脑血供后造成的脑组织损伤, 它对人类的危害仅次于肿瘤和心脏疾病, 是人类致死和致残的重要原因之一[40,41]。脑缺血再灌注损伤的发病机制十分复杂, 涉及到线粒体损伤、氧自由基大量生成、兴奋性氨基酸毒性作用、细胞凋亡、细胞信号转导异常、免疫炎性损伤等诸多因素。HSP90能够通过AKt/P-AKT通路在脑缺血再灌注损伤中发挥作用, 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等表达, 促进抗凋亡蛋白Bcl-2等的表达而发挥抗凋亡作用[42,43]。也有研究发现, 局灶性脑缺血后HSP70的表达增加, 并且对大鼠进行缺血后处理可以促进HSP70表达的进一步上调, 提示HSP70对脑缺血性损伤有保护性作用[44]。HSP70在脑缺血、缺氧及缺血再灌注中发挥了保护作用, 它能抑制神经细胞凋亡, 抵抗炎性因子, 降低缺血坏死范围, 保证神经细胞的能量供应和神经递质的传递等作用[45]。HSPA12B是新发现的HSP70家族中的一员, 可作为一种炎性反应蛋白参与中枢神经系统的炎性反应, Ma等[46]研究发现HSPA12B对局灶性脑缺血有神经保护作用, 不仅可以减少脑缺血后的神经功能缺损评分, 还可以减少梗死面积, 改善血脑屏障的完整性, 其作用机制可能与激活磷脂酰肌醇3激酶 (phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K) / 丝氨酸—苏氨酸蛋白激酶 (serine-threoninekinase, AKt) 有关。

  3.5、 热休克蛋白对睾丸的作用

  睾丸缺血再灌注损伤是睾丸扭转后手术复位的主要病理生理过程, 它容易损害男性生精功能, 甚至使睾丸坏死萎缩导致不育[47]。研究表明单侧睾丸缺血后会导致双侧睾丸的MDA和髓过氧化物酶 (MPO) 活性增加, 西维来司他和依达拉奉干预可以增加HSP70的表达, 保护睾丸的缺血再灌注损伤[48]。暖休克时, HSP70-1和HSP70-3在热应激诱导下上调从而保护细胞并协助损伤的细胞恢复。有研究报道HSP70调控生精细胞的不同周期, 它的异常表达将会影响男性的生殖功能[49]。精索静脉曲张结扎可以通过线粒体转导通路诱导HSP70的表达, HSP70能够抑制细胞色素C的释放, 降低细胞凋亡, 保护生精细胞[50]。

  4、 小 结

  热休克蛋白作为一种保护性蛋白, 对很多器官、组织缺血再灌注有保护性作用, 目前研究最为彻底的是在肝脏、肾脏、心脏以及神经组织方面。对热休克蛋白更加深入地探索及研究, 可以打开缺血再灌注损伤的另一条道路, 进而为预防及治疗缺血再灌注损伤提供更多理论依据。

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