青海大学研究生院，青海，西宁

收稿日期：2023年5月21日；录用日期：2023年6月14日；发布日期：2023年6月26日

摘要

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是一种中老年人常见的神经变性疾病，至今还没有治愈方法，该疾病的诊断目前在临床上缺乏特异性指标，无法在早期作出明确诊断，因此，寻找有效的生物标志物干预疾病的进展，减缓疾病的过程引起了广泛的关注。研究发现，血红素加氧酶-1 (heme oxygenase-1, HO-1)和PD密切相关，HO-1是一种应激蛋白，能把血红素分解成一氧化碳、铁以及胆绿素。在这篇综述中，我们谈论了HO-1及其代谢产物在PD中的作用，旨在为PD的早期诊断及预后开辟新的道路和方向。

关键词

帕金森病，血红素加氧酶-1，氧化应激，铁，神经保护

Research Progress of Heme Oxygenase-1 and the Diagnosis of Parkinson’s Disease

Xi Liu^*, Xiaoli Yang^#

Graduate School of Qinghai University, Xining Qinghai

Received: May 21^st, 2023; accepted: Jun. 14^th, 2023; published: Jun. 26^th, 2023

ABSTRACT

Parkinson’s disease (PD) is a common neurodegenerative disease in middle-aged and elderly people, and there is no cure for PD so far. The diagnosis of the disease is currently lack of specific indicators in clinical practice, and it is impossible to make a clear diagnosis in the early stage. Therefore, the search for effective biomarkers to intervene the progression of the disease and slow down the process of the disease has aroused wide attention. Studies have found that heme oxygenase-1 (HO-1) is closely related to PD. HO-1 is a stress protein that can break down heme into carbon monoxide, iron, and biliverdin. In this review, we talk about the role of HO-1 and its metabolites in PD, aiming to open up a new way and direction for the early diagnosis and prognosis of PD.

Keywords:Parkinson’s Disease, Heme Oxygenase-1, Oxidative Stress, Iron, Neuroprotection

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)，又名震颤麻痹(paralysis agitans)，是一种中老年人常见的神经系统变性疾病，是不可逆的、进展性的神经变性病，因脑黑质变性、多巴胺分泌减少所致的运动障碍性疾病。临床表现为静止性震颤，肌张力增高，动作迟缓，姿势平衡障碍，伴有睡眠障碍，嗅觉障碍，认知障碍，精神障碍和自主神经功能障碍等非运动症状。PD具有起病隐匿、进展缓慢等特点，已有研究报道，PD的患病率随着年龄的增长而上升，且男性比女性略高，仅有4%的PD患者在50岁之前确诊 [1] 。我国是世界上人口最多的国家，据统计，到2050年，近23.9%~26.9%的人口将超过65岁，到2030年，帕金森病患病人数将从2005年的199万人增加到500万人，这将会是全球帕金森病患者人数的一半 [2] 。然而PD目前尚未有治愈的方法，目前，在临床上，PD的诊断缺少特异的标志物，主要是根据患者的临床症状和体征，我们迫切需要发展PD早期诊断的生物标志物，有效的生物标志物有助于干预疾病的发生，因此，积极寻找具有早期诊断价值的生物学标志物，已成为当前社会关注的热点话题之一。近年来，国内外学者对生物标志物的发现，有了显著的进步，随着人们对PD的病理生理机制认识的不断深入，涌现出了许多PD诊断的生物学标志，包括临床标志物、基因学标志物、功能影像学标志物和生物学标志物等等，使我们可以更加准确地判断疾病的发展 [3] 。关于生物学标志物，目前国内外研究主要聚集在α-突触核蛋白、DJ-1等方面，对于血红素加氧酶-1 (HO-1)的研究较少，因此，本文旨在深入了解HO-1作为生物学标志物和PD诊断的相关性研究。

2. HO-1的结构和功能

血红素加氧酶(HO)最早被发现于1969年，其催化血红素氧化生成胆绿素，并经过烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)依赖性胆绿素还原酶途径生成胆红素 [4] 。在进化过程中，血红素加氧酶具有高度保守性，HO系统有三种异构体：HO-1、HO-2和HO-3，它们被各自的基因编码。HO作为一种限速酶，通过释放一氧化碳(CO)、胆绿素(BV)和亚铁离子(Fe²⁺)降解内源性铁原卟啉血红素，可回收用于血红素稳态 [5] 。HO的天然底物是血红素，被氧化后产生CO，具有抗炎、抗氧化和信号传导的作用。Fe²⁺也可被血红素加氧酶降解，有助于调节细胞功能，为铁蛋白和血红蛋白合成所需要 [6] 。在这里我们主要讨论血红素加氧酶-1，HO-1也叫热休克蛋白，是超家族中的一种32 kDa细胞应激反应蛋白，是目前研究最多的一种同工酶，可以通过促进α-突触核蛋白和tau蛋白酶的降解，来降低中毒性蛋白聚集体的积累 [7] 。有关HO系统分布的研究表明，HO-1普遍表达，主要存在于肝脏和脾脏。该亚型作为一种诱导蛋白，受重金属、生长因子、细胞因子和血红素等不同刺激上 [8] 。在大脑和其他组织中，HO-1与NADPH氧化酶细胞色素P450还原酶协同作用，将血红素代谢为胆绿素、Fe²⁺和CO，胆绿素继续被氧化成胆红素，这有助于恢复更有利的组织氧化还原微环境 [9] 。胆绿素通过HO-1介导的反应从血红素衍生而来，防止细胞发生氧化应激损伤，主要位于内质网中并发挥作用 [10] 。HO-1启动子包含一系列反应元件，使其对多巴胺、一氧化氮、MPTP样外源性物质、白细胞介素-1b、肿瘤坏死因子a、过氧化氢、重金属(与PD病理生理学有关的因子)以及血红素、类胡萝卜素、脂多糖、高氧和紫外线的诱导极为敏感 [11] 。

3. HO-1与PD的关系

3.1. HO-1和氧化应激在PD中的作用

多数PD的发病原因为多因素所致，多为遗传与环境因素共同作用所致。1992年以来，通过对PD患者死后脑的观察，氧化应激(oxidative stress, OS)假说得以提出 [12] 。尽管帕金森病的病理生理机制尚未完全阐明，然而，已有多项研究报道OS损伤与PD的发病机制密切相关，并且在多巴胺能神经元死亡中发挥主要作用 [13] 。越来越多的研究表明，OS参与了PD的发病机制，例如PD患者脑内高水平的氧化修饰脂质、DNA损伤和羰基化作用蛋白的增多 [14] 。OS最早是由Helmut Sies在1985年提出的，他说“在促氧化/抗氧化系统中有利于前者的干扰可以被表示为OS” [15] 。大量证据显示，PD中OS的主要来源包括线粒体功能障碍、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶(NOX)激活、多巴胺自氧化代谢和铁(Fe²⁺)积累 [14] 。PD中存在OS进一步得到了PD动物模型的支持，这些模型中含有可导致OS的毒素，包含1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP) [16] 、1-甲基-4-苯基吡啶(MPP+) [17] 、杀虫剂鱼藤酮 [18] 、6-羟基多巴胺(6-OHDA) [19] ，这些神经毒素会损伤多巴胺能神经元，诱发PD。

正常情况下，HO-1的表达量较低，但在氧化应激和毒素的刺激下可被诱导表达。相关资料表明，MPP+可以通过提高HO-1的表达水平，进而加剧MPP+引发的氧化应激反应，这为HO-1参与抑制MPP+引发的细胞毒性提供了有利证据 [20] 。MPTP穿过血脑屏障，通过单胺氧化酶B转化为MPP+。HO-1水平的升高可以防止6-OHDA和MPP+氧化应激诱导神经毒元损伤 [21] 。一方面，HO-1的过表达对MPTP、MPP+所致的黑质多巴胺能神经元损伤起到了保护的作用，另一方面可通过减少活性氧的产生来保护神经元免受谷氨酸毒性，防止MPP+引发的多巴胺神经元死亡 [22] 。综上，HO-1可以通过抑制导致OS的神经毒素来保护神经。

3.2. HO-1和铁沉积在PD中的作用

铁是神经系统正常发育所必需的金属，像其他器官一样，大脑需要铁来维持神经元的代谢。众所周知，在神经发育的关键时期，缺铁会导致行为障碍。然而，脑内铁的过量积累会导致PD的发病 [23] 。铁沉积是由出血后的血红素释放、铁转运蛋白或其他调节分子失调引起 [24] 。最近几年，随着核磁共振成像(MRI)技术的不断发展，更多的证据显示PD患者黑质内铁沉积明显增多，在大脑的其他区域，包括壳核、红核和苍白球，也观察到铁沉积增加 [25] 。一些研究检查了各种PD动物模型中铁含量的变化，结果发现，铁不但存在于退化的多巴胺细胞中，而且在周围的基质和神经胶质细胞也有，且铁含量升高与多巴胺能细胞死亡程度显著相关 [23] 。在PD中，黑质致密部的胶质细胞及多巴胺能神经元中的铁沉积尤其显著，铁的含量与病情的严重性有关，黑质致密部铁异常沉积，作为一种神经毒素引发氧化应激，导致自由基生成，进而引起膜脂质过氧化等一系列氧化损伤 [26] 。铁的异常积累可能是由于铁调节蛋白的改变导致铁稳态的不平衡，神经元和神经胶质中的铁积累是PD的一个显著特征。此外，铁可以促进α-突触核蛋白的构象从α-螺旋结构转变为β-片状结构，这在路易体中可以观察到 [27] 。在20世纪后期，有研究报道，通过对正常人脑组织铁浓度的定量测定，结果显示，苍白球和壳核中铁含量最高，铁在大脑中的分布相当不均匀，基底节区的铁含量与年龄呈正相关 [28] 。由此可见，PD患者黑质(SN)中铁的含量增加，铁的过量沉积和PD的发病显著相关。

大脑受到氧化应激刺激后，HO-1迅速被诱导释放出大量的Fe²⁺、CO，这些可能导致PD的病理过程，PD患者星形胶质细胞中HO-1的持续过表达造成血红素降解生成大量Fe²⁺以及CO，然后造成脑内铁沉积异常和线粒体氧化损伤，导致认知能力下降 [29] 。过量的铁刺激活性氧和活性氮(RNS)的产生和脂质过氧化，而适当的铁循环对神经血管系统具有保护作用 [30] 。HO-1的表达导致铁蛋白和ATP酶泵的快速表达，从而主动去除细胞内的铁，发挥细胞保护作用 [29] 。HO-1可以通过挤压细胞中的铁来防止细胞死亡，此外，HO-1活性的增加可能通过去除游离血红素而起到保护氧化应激的作用，因为血红素和铁都是自由基生成的催化剂 [30] 。简而言之，HO-1可能在某些应激条件下通过促进铁从细胞外排发挥神经保护作用。

3.3. HO-1和PD的神经保护作用

HO-1是一种强效抗氧化酶，受Nrf2的调控将把血红素分解为CO、Fe²⁺和胆绿素 [31] 。胆绿素经胆绿素还原酶催化后，再被氧化成胆红素，从而起到保护细胞的作用，而胆红素是血红素氧化还原代谢的最终产物，同时也是PD发生发展的重要代谢物。在应激细胞中，HO-1的上调可以通过加速促进胆绿素和胆红素的生成而发挥保护作用 [32] 。Tyrrell等人首次揭示了HO-1的细胞保护作用，表明在培养的人成纤维细胞中，诱导HO-1表达介导了对OS的适应性细胞保护反应 [14] 。在动物模型和组织培养中，HO-1诱导被认为暴露在多种PD相关神经毒素时具有神经保护作用 [33] 。在过去的几年，通过研究在神经元中过表达HO-1的转基因(Tg)小鼠体内体外的HO-1具有神经保护作用。结果表明，过表达HO-1的神经元可抵抗氧化应激介导的细胞死亡，在急性刺激下作为一种有效的神经保护因子 [30] 。此外，当HO-1过表达时，可以提高胶质细胞源性神经营养因子的表达，保护神经元免受MPP+诱导的毒性 [34] 。有研究表明，从紫苏叶中发现的神经保护剂2’,3’-二羟基-4’,6’-二甲氧基查尔酮(DDC)对Nrf2-ARE通路有激活作用，DDC可以显著提高HO-1的表达水平，通过提供多巴胺能神经元保护以对抗6-OHDA诱导的毒性的机制 [35] 。通过研究BDNF和GDNF在中脑神经元–神经胶质共培养中多巴胺能神经元存活中的作用，结果表明，BDNF和GDNF都是重要的内源性释放的神经营养因子，对多巴胺能神经元的存活和HO-1诱导拯救的神经营养因子缺乏诱导的神经元死亡至关重要，体内HO-1诱导可增强BDNF和GDNF的表达，从而保护受损的神经细胞 [36] 。PD运动障碍的发生是由黑质致密部多巴胺能神经元丢失和细胞内α-突触核蛋白的聚集以及路易小体的形成所引起的。有关表明，HO-1诱导增加α-突触核蛋白蛋白酶体降解 [37] ，通过促进神经营养因子的产生，防止多巴胺能神经元死亡 [35] 。并促进抗氧化反应 [38] 。此外，HO-1的保护作用不仅归因于其抗氧化特性，还归因于其蛋白酶体降解tau和α-突触核蛋白的潜力 [34] 。事实上，HO-1诱导在神经发病机制中是否起到细胞保护可能与不同的信号通路有关 [34] 。相关资料表明Nrf2/HO-1通路对神经发病机制具有细胞保护作用。因此，HO-1反应物可通过调控细胞凋亡、炎症及血管新生等途径发挥对细胞的保护作用。

4. 小结与展望

近年来，国内外学者不管是在对PD发病机制的认识，还是在寻找早期诊断的生物标记物方面，都取得了很大的进展。目前，对PD的诊断主要是根据患者的临床症状来进行的，然而当患者出现显著的临床症状时，其神经元损伤已经达到了不可代偿的阶段。因此，随着人们对PD的病理生理机制认识的不断深入，在PD诊断上出现了许多生物学标志。通过以上研究，我们发现HO-1可与患者的临床参数建立联系，使我们可以更加准确地判断疾病的发展。所以未来的研究将致力于从更易于获得的组织中发现可靠的生物标记物，相比于脑脊液取材的不便、易污染，以及血液取材会发生血细胞溶血影响结果等不便，可以考虑从唾液提取。唾液是一种易于获取的生物样本，具有非侵入性、低成本等优点，适用于神经类疾病的早期诊断，特别是在多次采样疗效评价方面更是得心应手。然而，单一的生物标志物的诊断价值有限，而且具有很大的局限性。因而，对于PD的诊断，以及疾病的进展方面，今后的发展方向是将多个生物标志物结合起来，以此来延缓PD发展，改善病人的预后，提高病人的生活质量。

文章引用

刘 茜,杨晓莉. 血红素加氧酶-1与帕金森病诊断的研究进展
Research Progress of Heme Oxygenase-1 and the Diagnosis of Parkinson’s Disease[J]. 临床医学进展, 2023, 13(06): 10009-10015. https://doi.org/10.12677/ACM.2023.1361399

参考文献