白文婭，楊 淵，霍思穎，楊 鑫，邵建林

（昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院麻醉科，云南 昆明 650032）

衰老紅細(xì)胞的代謝在維持機(jī)體正常生理功能方面必不可少，紅細(xì)胞被巨噬細(xì)胞破壞后，釋放出血紅素（血紅蛋白），血紅素在脾臟的網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)被血紅素氧合酶（HO）催化成膽綠素（Biliverdin）、一氧化碳（CO）和鐵離子（Fe2+），膽綠素又被膽綠素還原酶（biliverdin reductase，BVR）還原成膽紅素（Bilirudin）。研究發(fā)現(xiàn)在正常生理范圍內(nèi)的膽綠素、膽紅素具有多種生理作用[1]。此外有研究發(fā)現(xiàn)，在膽綠素和膽紅素相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，可以形成一個(gè)抗氧化的循環(huán)系統(tǒng)，并將其稱為膽綠素-膽紅素氧化還原系統(tǒng)，膽綠素、膽紅素發(fā)揮生理作用與此系統(tǒng)息息相關(guān)。因此通過(guò)對(duì)膽綠素、膽紅素、膽綠素還原酶結(jié)構(gòu)與代謝以及生理特性的研究，對(duì)目前許多疾病的預(yù)防和治療具有重要意義。本文系統(tǒng)闡述了膽綠素、膽紅素的結(jié)構(gòu)與代謝、膽綠素-膽紅素氧化還原系統(tǒng)、以及膽綠素的作用及機(jī)制，以期為未來(lái)膽綠素在臨床當(dāng)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 膽綠素的結(jié)構(gòu)與代謝

膽綠素是一種無(wú)毒、水溶性、帶有2 條丙氨酸側(cè)鏈的線性四吡咯分子。研究發(fā)現(xiàn)，在爬行動(dòng)物、兩棲動(dòng)物、鳥類和魚類當(dāng)中，膽綠素是血紅素代謝的終產(chǎn)物[2]。做為蛋殼的主要成分之一，膽綠素可通過(guò)清除氧自由基、減少突變、抑制病毒復(fù)制等作用，保護(hù)胚胎免受外界刺激的損傷[3-4]。但在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，膽綠素在數(shù)分鐘內(nèi)即可被膽綠素還原酶還原成膽紅素[5]。

膽綠素有α、β、γ、δ 4 個(gè)亞基，由于血紅素α 位碳原子具有高度選擇性，所以哺乳動(dòng)物體內(nèi)95%～97%的膽綠素異構(gòu)體是膽綠素-Ⅸα，其余3%～5%為膽綠素-IXβ/δ，前者由膽綠素還原酶A 催化，后者由膽綠素還原酶B 催化[6]。在膽綠素轉(zhuǎn)化成膽紅素的過(guò)程中，兩個(gè)膽綠素分子與膽綠素還原酶結(jié)合，其中一個(gè)膽綠素分子接受還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide A denosine phosphare hydrogen，NADPH）提供的氫原子，另一個(gè)膽綠素分子通過(guò)鄰近的精氨酸殘基向第一個(gè)膽綠素分子提供一個(gè)質(zhì)子，接著膽綠素還原酶水解膽綠素分子中的γ-甲基橋，最終生成膽紅素[7]。此外有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)十二指腸給藥后，在腸道菌群的作用下，膽綠素可轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的膽紅素磺酸鹽[8]，但具體的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程還需要進(jìn)一步探索。

2 膽紅素的結(jié)構(gòu)與代謝

膽紅素是一種親脂性的線性四吡咯分子，通常筆者所指的膽紅素是膽紅素-IXα，它是由膽紅素還原酶A 催化膽綠素-IXα 而來(lái)。膽紅素在人體的正常范圍為1.71～17.1 μmol/L，如若超過(guò)34.2 μmol/L 將會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生毒性作用。20 世紀(jì)40 年代，由德國(guó)科學(xué)家Hans Fisher 首次提出膽紅素的化學(xué)結(jié)構(gòu)[9]，研究認(rèn)為膽紅素分子內(nèi)的氫鍵是保持其穩(wěn)定構(gòu)象及生理功能的關(guān)鍵，也正是這些氫鍵使膽紅素具有明顯的親脂性，從而影響其本身的代謝[10]。此外膽紅素分子還能夠通過(guò)結(jié)合氧自由基，使C10 位上的氫原子由無(wú)活性轉(zhuǎn)化為有活性，從而發(fā)揮抗氧化作用[11]。

在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，80%～85%的膽紅素由血紅素代謝而來(lái)，15%～20%來(lái)源于骨髓中破壞的紅細(xì)胞前體等物質(zhì)。由細(xì)胞色素P450提供氧氣分子和電子，血紅素氧合酶打開血紅素環(huán)，接著膽紅素還原酶利用NADPH 提供的質(zhì)子和電子，將膽綠素還原成間接膽紅素（未結(jié)合膽紅素）[12]。未結(jié)合膽紅素釋放入血后，迅速被血液中的白蛋白識(shí)別結(jié)合，使膽紅素不能發(fā)揮細(xì)胞毒性作用。然后膽紅素隨血液循環(huán)進(jìn)入到肝臟，在尿苷二磷酸葡糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶（UGTs）的作用下，發(fā)生葡萄糖醛酸化反應(yīng)，形成直接膽紅素，直接膽紅素在細(xì)胞表面的多藥耐藥相關(guān)蛋白（multidrug resistancerelated protein，MRP）的作用下以濃度梯度的方式排泄入膽汁[13]，最后通過(guò)腸道及腎臟排出或者經(jīng)過(guò)腸肝循環(huán)再次利用。

3 膽綠素-膽紅素氧化還原系統(tǒng)

如前所述，在膽綠素與膽紅素相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，構(gòu)成了一個(gè)可以不斷的消耗氧自由基的循環(huán)系統(tǒng)，將其稱為膽綠素-膽紅素氧化還原系統(tǒng)[14]（圖1）。根據(jù)膽紅素與膽綠素的結(jié)構(gòu)與代謝特點(diǎn)，很多人就提出疑問(wèn)，為什么要再次經(jīng)過(guò)復(fù)雜的還原步驟，將無(wú)毒的膽綠素轉(zhuǎn)化成有毒的膽紅素？后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化過(guò)程可能與以下原因有關(guān)：（1）膽紅素能與kelch 樣ECH 關(guān)聯(lián)蛋1（Keap1）蛋白結(jié)合，激活核因子E2 相關(guān)因子2（Nrf2），上調(diào)血紅素氧合酶的表達(dá)[15]；（2）在此系統(tǒng)中可以激活膽綠素還原酶，膽綠素還原酶不僅在機(jī)體的生理代謝過(guò)程中也同樣發(fā)揮著不可替代的作用[16-17]，且可放大膽綠素/膽紅素的生理作用[18]；（3）也有研究認(rèn)為正是此氧化還原系統(tǒng)的存在，使膽綠素和膽紅素的抗氧化能力明顯強(qiáng)于其他抗氧化劑[19]。

圖1 膽綠素、膽紅素氧化還原系統(tǒng)Fig.1 The biliverdin-bilirubin redox recycling system

4 膽綠素的作用及機(jī)制

4.1 膽綠素的抗氧化作用及機(jī)制

氧化損傷是指在外界各種不利因素的刺激下，導(dǎo)致機(jī)體的氧化和抗氧化作用失衡，引起活性氧的生成過(guò)多和/或清除障礙，最終通過(guò)多種機(jī)制引起組織器官的損傷。由于膽綠素和膽紅素在相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程種，可以不斷的消耗氧自由基，所以膽綠素的抗氧化作用一直是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。研究發(fā)現(xiàn)，一分子的膽綠素可消耗4.7 分子的氧自由基，從而在許多疾病中發(fā)揮重要作用[20]。Manish 等[21]研究表明，膽綠素可以通過(guò)清除氧自由基，抑制NADPH 氧化酶的活性，增加糖尿病患者的血糖耐受。還有研究發(fā)現(xiàn)，膽綠素可通過(guò)不斷的消耗氧自由基，減輕腦死亡致大鼠肺損傷[22]。此外在神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)傳遞過(guò)程中，膽綠素/膽紅素通過(guò)消耗超氧陰離子，減少神經(jīng)元死亡，起到神經(jīng)?；钭饔肹23]。Maria J 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在由膽汁酸堆積引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)中，膽綠素可以不依賴于膽紅素還原酶或者血紅素氧合酶系統(tǒng)，減輕肝細(xì)胞損傷。在由中波紫外線引起的角膜以及皮膚損傷過(guò)程中，膽綠素可通過(guò)抑制MAPK 信號(hào)通路抑制脂質(zhì)過(guò)氧化，從而減輕氧化損傷[25-26]。

4.2 膽綠素的抗炎作用及機(jī)制

炎性反應(yīng)是導(dǎo)致許多疾病發(fā)生發(fā)展的主要原因之一。其中NF-κB 信號(hào)通路，JAK-STAT 信號(hào)通路以及MAPK 信號(hào)通路是細(xì)胞內(nèi)3 條主要的炎癥信號(hào)通路?；钚匝跏侵饕难仔越橘|(zhì)，因此我們有理由相信膽綠素在發(fā)揮抗氧化作用的同時(shí)，也具有一定的抗炎作用。龔睿等[27]研究證實(shí)，膽綠素可以通過(guò)影響NF-κB 信號(hào)通路，進(jìn)而抑制NLRP3 炎性體的形成。在膽紅素還原酶的協(xié)同作用下，膽綠素可通過(guò)eNOS/NO/TLR4 信號(hào)軸抑制炎癥反應(yīng)[28]。在肝缺血再灌注損傷中，膽綠素可通過(guò)NF-κB 或者PI3K/Akt 信號(hào)通路，降低細(xì)胞粘附分子的表達(dá)，抑制單核細(xì)胞浸潤(rùn)改善肝功能[29]。膽綠素還可通過(guò)MAPK 等信號(hào)通路減輕肺缺血再灌注損傷[30]。本課題組利用大鼠MACO/R模型也研究發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)膽綠素處理組（單純腦缺血-再灌注組，C 組）相比，SD 大鼠于再灌注前15 min，再灌注后4 h，第2 天開始每天2 次經(jīng)腹腔注注射35 mg/kg 的膽綠素后（腦缺血-再灌注損傷+膽綠素處理組，BV 組），SD 大鼠再灌注后1 d，2 d，3 d，4 d，5 d 的神經(jīng)功能損傷程度減輕；再灌注48 h 后的腦梗死體積減??；再灌注3 h，6 h，12 h 后腦缺血-再灌注側(cè)TNF-α、IL-6、IL-1β表達(dá)下調(diào)；此外膽綠素還可降低缺血側(cè)腦組織中小膠質(zhì)細(xì)胞的表達(dá)和Iba-1/CD68 蛋白的表達(dá)，通過(guò)抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化而減輕大鼠腦缺血再灌注損傷[31-32]，且通過(guò)全轉(zhuǎn)錄組基因分析發(fā)現(xiàn)，差異表達(dá)的基因主要富集與NF-κB 信號(hào)通路[33]。由于膽綠素的抗炎作用，膽綠素也與膿毒癥性休克、下頜關(guān)節(jié)炎等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[34-35]。

4.3 膽綠素抑制免疫反應(yīng)的作用及機(jī)制

免疫反應(yīng)是一種機(jī)體清除異己成分或者突變自體成分的防御機(jī)制，但過(guò)度的免疫反應(yīng)會(huì)毒機(jī)體造成許多不可避免的損傷。尤其是在器官移植過(guò)程中，需要采取有效的措施抑制過(guò)度免疫反應(yīng)。免疫反應(yīng)總是與炎癥反應(yīng)密不可分，膽綠素在發(fā)揮抗氧化、抗炎的同時(shí)，也具有一定的免疫抑制作用。膽綠素可通過(guò)抑制T 細(xì)胞增殖，提高受體對(duì)同種異體心臟移植物的耐受性，其機(jī)制可能是膽綠素可降低活化T 細(xì)胞核因子（nuclear factor of activated T cell，NFAT）的表達(dá)及抑制NF-κB 信號(hào)通路的活化有關(guān)[36]。Ferenc Zsila 等[37]利用光譜等技術(shù)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性膽綠素可能為α1-酸糖蛋白（α1-acid glycoprotein，AAG）的配體，AAG 是人類血清的急性期成分，能夠調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，而膽綠素則可通過(guò)與AAG 結(jié)合抑制免疫反應(yīng)。膽綠素還可用來(lái)治療一些免疫炎癥性疾病，如痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎[38]，膠原蛋白誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎[39]。Melissa P.Homsher 等[40-41]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生免疫反應(yīng)時(shí)，白鵪鶉脾臟中的膽綠素濃度會(huì)降低，進(jìn)一步表明膽綠素可能與免疫反應(yīng)有關(guān)，但具體的機(jī)制仍待一進(jìn)步闡明。

4.4 膽綠素抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖的作用及機(jī)制

血管平滑肌細(xì)胞在應(yīng)對(duì)炎性刺激以及氧化應(yīng)激損傷的過(guò)程中，常常會(huì)發(fā)生異常過(guò)度增殖，進(jìn)而引起內(nèi)皮功能障礙及動(dòng)脈硬化性疾病。同時(shí)在器官移植等手術(shù)過(guò)程中，由于需要對(duì)血管進(jìn)行操作，不可避免的會(huì)引起血管平滑肌細(xì)胞的增殖和損傷，最終導(dǎo)致器官缺血、血管狹窄、心肌梗死等嚴(yán)重并發(fā)癥[42]。因此抑制血管平滑肌細(xì)胞的過(guò)度增殖的研究具有重要意義。膽綠素可通過(guò)影響MAPK 信號(hào)通路，抑制細(xì)胞周期蛋白D1、A 和細(xì)胞周期數(shù)依賴性蛋白激酶（Cyclin-dependent kinase，CDK）的表達(dá)，抑制細(xì)胞增殖，減輕動(dòng)靜脈移植或者球囊成形術(shù)過(guò)程中的血管損傷[43]，影響動(dòng)脈硬化性疾病的結(jié)局[44]。Moraes 等[45]研究發(fā)現(xiàn)，血管平滑肌細(xì)胞異常增殖的過(guò)程中，可引起膽綠素異常增多，這些物質(zhì)又可以反饋的抑制血管平滑肌細(xì)胞的增殖，減輕炎癥因子以及氧自由基對(duì)血管平滑肌的損傷。此外還有研究表明，膽綠素可以通過(guò)影響表皮生長(zhǎng)因子受體的表達(dá)，以及PI3K/Akt 信號(hào)通路，抑制頭頸癌細(xì)胞的增殖[46]。

4.5 膽綠素調(diào)控細(xì)胞凋亡的作用及機(jī)制

細(xì)胞凋亡是由一系列分子和信號(hào)通路參與調(diào)控的細(xì)胞自主有序的死亡方式。在氧化應(yīng)激損傷、炎癥反應(yīng)的過(guò)程中，必然伴有細(xì)胞凋亡的發(fā)生。膽綠素調(diào)控細(xì)胞凋亡的機(jī)制可能與其清除氧自由基，影響線粒體功能，抑制凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)有關(guān)[47]。呂倩等[48]研究發(fā)現(xiàn)，膽綠素可通過(guò)抑制氧化損傷，減少順鉑誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。此外，孫潔蕓等研究證實(shí)，膽綠素可通過(guò)抑制人Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞凋亡，從而減輕肺缺血-再灌注損傷[49]。也有研究發(fā)現(xiàn)，在腦缺血-再灌注損傷中，膽綠素可通過(guò)抑制凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)，從而減輕腦缺血-再灌注損傷[50]?？v然有很多研究證實(shí)，膽綠素可以抑制細(xì)胞凋亡的發(fā)生，但是細(xì)胞凋亡是由多個(gè)分子，多條信號(hào)通路參與的，因此未來(lái)筆者需要更多的研究來(lái)證實(shí)膽綠素抑制細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制。

4.6 膽綠素的最新應(yīng)用研究進(jìn)展

雖然在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，膽綠素易被還原成膽紅素，使其不能像膽紅素那樣可以做為臨床許多疾病的診斷參考指標(biāo)。但是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，目前仍然可以利用一些新的技術(shù)來(lái)測(cè)定膽綠素濃度，例如低通量、高效液相色譜或涉及測(cè)定吸光度變化率的酶測(cè)定方法，或者利用膽綠素與紅外熒光蛋白選擇性結(jié)合的特性，利用熒光免疫方法測(cè)定膽綠素濃度[51-52]，而且目前已有研究證實(shí)可以將膽綠素和一些化合物或者蛋白結(jié)合，形成穩(wěn)定不易降解的化合物[53]，這就為未來(lái)膽綠素做為一種臨床診斷和檢測(cè)指標(biāo)，甚至于臨床治療提供了依據(jù)。作為一種線性四吡咯分子，膽綠素不僅具有優(yōu)越的生物相容性，還具有明確的代謝途徑，最近越來(lái)越多的研究利用膽綠素制成穩(wěn)定的膽綠素納米劑，進(jìn)而在臨床當(dāng)中進(jìn)行診斷和治療[54-55]。相信隨著新技術(shù)的發(fā)展，膽綠素未來(lái)在臨床的應(yīng)用將會(huì)取得突破性的進(jìn)展。

5 小結(jié)

綜上所述，膽綠素做為血紅素主要的代謝產(chǎn)物之一，依靠膽綠素-膽紅素氧化還原系統(tǒng)，發(fā)揮抗氧化、抗炎、抑制免疫反應(yīng)、穩(wěn)定血管內(nèi)皮細(xì)胞、調(diào)控細(xì)胞凋亡等作用，進(jìn)而使其在許多疾病發(fā)生發(fā)展的過(guò)程中具有潛在的治療作用（圖2）。而且隨著對(duì)其探索的不斷深入，以及目前醫(yī)學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，膽綠素未來(lái)在臨床的應(yīng)用將會(huì)取得突破性的進(jìn)展。

圖2 膽綠素作用及機(jī)制圖Fig.2 Role of biliverdin in different pathophysiological processes