5-羥色胺的生物學功能及其在肝臟缺血再灌注損傷中的作用

謝晨民，金俊飛②

(1. 桂林醫學院附屬醫院廣西肝臟損傷與修復分子醫學重點實驗室；2. 桂林醫學院附屬醫院肝膽胰外科實驗室，廣西 桂林 541001)

1 肝臟缺血再灌注損傷概述

肝臟缺血再灌注損傷(hepatic ischemia reperfusion injur, HIRI)是一種臨床上多見的病理生理現象，常發生于缺血性休克、腦卒中、外傷、肝切除尤其是多發于肝移植術后，可引起肝臟功能異常，進一步導致肝臟功能障礙乃至肝衰竭[1]，威脅生命健康。近年來，隨著外科技術及設備日益改進，肝臟手術安全性得到一定的提升，但HIRI仍然是影響肝臟圍手術期并發癥發生、發展、患者治愈或死亡的重要因素，也使其成為亟待解決的臨床問題[2]。因此，研究HIRI的分子機制，找到新的靶點，開發出新的藥物或方法顯得尤為迫切。

HIRI是指肝組織缺血一段時間后，缺血的肝組織經過血流再灌流而導致缺血肝組織進一步損傷的病理現象[3]，大多分為肝臟熱缺血與冷缺血損傷兩大類，涉及局部缺血損傷和炎癥介導的再灌注損傷兩個互相關聯的階段[4]。首先，當缺血發生時，隨著血液供氧減少，組織器官內的氧逐漸耗盡引發細胞功能障礙造成細胞損傷；其次，再灌注時帶來的氧不但沒有使其功能恢復，反而進一步擴大加劇了組織的損傷[5]。

2 肝臟缺血再灌注損傷的機制研究

目前，對HIRI的機制研究多集中在氧化應激、線粒體功能障礙、炎癥反應、細胞凋亡等方面[6-7]。在正常生理情況下，細胞內活性氧(reactive oxygen species， ROS)的產生和消除保持在一個動態范圍內。然而，當ROS含量增加或其清除酶活性降低時，平衡就會遭到破壞，過多的ROS會導致線粒體形態學和膜通透性的改變，從而破壞線粒體氧化呼吸鏈，抑制氧化磷酸化，致使系統能量代謝的紊亂，甚至破壞細胞膜結構的完整性，抑制蛋白質功能，導致DNA斷裂，核酸破壞。有研究結果表明，在HIRI中，肝細胞線粒體氧化磷酸化受到抑制，ATP生成減少，細胞色素氧化功能失調，抗氧化酶活性降低和ROS增加[8]。ROS生成增多而抗氧化反應減弱所產生的不平衡會進一步引起肝細胞氧化應激損傷。同時，毛細血管內皮細胞內的黃嘌呤氧化酶不斷增加，致使ROS大量形成[9]。過多的ROS不僅本身對細胞有損傷作用，且可破壞微血管完整性，改變細胞膜上跨膜離子梯度異常導致細胞腫脹和Ca2+過載。在生理狀態下，細胞膜上Na+/Ca2+交換以平衡細胞靜息下的低鈣濃度，而缺血再灌注會導致Na+從細胞內排出，細胞外大量Ca2+進細胞內，Na+/Ca2+異常交換引發胞內鈣離子過載，致使細胞能量代謝障礙和細胞膜及結構蛋白的分解，有氧氧化減少，缺氧情況下細胞進行厭氧代謝，導致細胞內乳酸和酮體等積累過多，進而發生代謝性酸中毒，致使細胞損傷。

此外，線粒體裂變、自噬和線粒體膜透性運輸孔(mPTPs)是HIRI形成的重要機制。適度的線粒體分裂可以維持線粒體的數量，使其能夠發揮更好的功能，而大量的線粒體分裂會導致線粒體碎片的形成，激活凋亡通路，加重IRI[10-11]。肝臟中有多種不同類型的免疫細胞，肝臟巨噬細胞介導的過度炎癥反應被認為是HIRI的重要因素。肝損傷的顯著特征是肝臟中巨噬細胞數量增加，這是由于血液中單核細胞的浸潤，并向單核細胞來源的巨噬細胞分化。肝臟巨噬細胞根據其表型和功能的不同可分為促進炎癥進展的M1巨噬細胞和抑制炎癥進展的M2巨噬細胞。兩者均可調節肝臟無菌性炎癥，在觸發、維持和改善HIRI中發揮重要作用[12]，參與HIRI的因素還有很多，比如血紅素加氧酶HO-1、一氧化氮合酶[13]等，在HIRI的具體調控機制方面還有待深入研究。

3 5-羥色胺的生物學特性概述

5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)，別名血清素，主要由腸嗜鉻細胞產生[14]。體內的5-HT合成主要來自色氨酸，色氨酸通過色氨酸羥化酶(tryptophan hydroxylase，TPH)羥化產生5-羥色氨酸(5-hydroxytryptophan， 5-HTP)，接著在L-芳香族氨基酸脫羧酶的作用下使5-HTP脫羧產生5-HT[15]。5-HT受體家族主要包括5-HT1R、5-HT2R、5-HT3R、5-HT4R、5-HT5R、5-HT6R和5-HT7R，除5-HT3R是陽離子通道，其余的5-HT受體均為G蛋白偶聯受體超家族的成員[16]。5-HT的7種不同的受體亞型參與調節細胞遷移、增殖，以及細胞因子的產生和血管舒張。雖然體內90%的5-HT由腸道細胞合成，但是循環中的5-HT主要儲存于血小板中，因為血小板對5-HT具有高親和力，當血液循環中的血小板通過腸道循環時會結合5-HT，導致血小板中存在豐富的5-HT[17]。

4 5-羥色胺在肝細胞損傷及IRI的作用研究

肝細胞損傷是所有肝臟疾病的基礎，5-HT通過影響肝細胞損傷在肝臟疾病過程中發揮著重要作用。早前研究發現酒精性肝硬化患者血小板內5-HT含量降低。后期研究陸續發現5-HT可通過5-HT2R介導肝臟mTOR的激活，加重肝脂肪變性[18]。這可能與5-HT參與代謝酶表達調控，影響肝臟能量代謝有關[19]。另外，5-HT通過調節炎癥反應、氧化應激損傷和TGF-β1/Smads信號通路來緩減刀豆蛋白A誘導的肝纖維化[20]。Zhang等[21]研究發現， 腸道5-HT系統的功能障礙可以導致腸道屏障損傷，進而導致細菌內毒素易位到肝臟，從而促進非酒精性脂肪性肝病的發展。同時，調節腸肝神經軸和5-HT拮抗劑可改善非酒精性脂肪肝的脂肪和纖維化改變[22]?？傊?，在多種肝細胞損傷模型中均發現5-HT在其中發揮著重要的作用。

IRI本質上是一種由細胞損傷而導致的疾病。近年來，關于5-HT及其受體在心臟、腦、腸等不同組織的IRI修復方面有頗多研究。有研究發現，2、3、5、4′-四羥基二苯乙烯-2-O-beta-D-葡萄糖苷治療大鼠腦IR損傷有效，推測其機制可能是通過激活5-HT/5-HTR途徑，增加5-HT釋放[23]。心經穴位電針預處理可有效減輕急性心肌缺血再灌注損傷(MIRI)大鼠心肌損傷，其中下丘腦外側區和小腦頂核中的多巴胺和5-HT可能是重要的物質基礎[24]。5-HT1B/1D受體通過抑制谷氨酸(Glu)釋放間接激活了α7煙酸乙酰膽堿(α7-nACh)受體及其對炎癥和氧化應激的保護作用。α7-nACh受體對腸道IR損傷的保護作用通過5-HT1B/1D受體對Glu釋放的調節作用間接激活[25]。還有研究推測舒馬曲坦可能通過激活5-HT1B/1D受體調節炎癥反應，抑制IR誘導的腸道損傷[26]。另外，有研究報告，使用血小板減少癥或血小板藥理學受損的小鼠建立70%肝切除模型后，肝臟的再生能力受損，說明血小板衍生的5-HT在肝臟切除和再生中起著重要作用[27]。提示5-HT與細胞損傷修復有著密切的關聯，深入研究5-HT及其受體及其作用機制可能是今后研究IRI的重要突破口。

5 5-羥色胺在肝細胞損傷與修復中的機制研究

隨著實驗技術、基因敲除模式動物發展，對5-HT與肝組織缺血再灌注損傷也陸續有些報道。Nocito等[28]證實5-HT可通過調控細胞增殖來促進缺血后肝臟組織再生及在缺血后組織修復。同樣，在靶向敲除色胺酸羥化酶-1(tryptophan hydroxylase-1，TPH-1)基因的小鼠模型中發現，建立肝臟缺血再灌注模型時發現小鼠的肝再生和組織修復能力受到一定程度的損傷[27]。通過注射5-HTP，發現TPH-1-/-小鼠體內5-HT濃度上升，肝細胞再生能力明顯增加，這表明5-HTP可經體內的氨基酸脫羧酶脫羧產生5-HT，從而促進損傷的肝臟細胞增殖和修復[29]。此外，也有研究發現5-HTP可通過大腦、神經調控參與肝臟再生[14]。另外，5-HT可以影響細胞周期刺激細胞有絲分裂。研究證實，在培養的肝細胞中添加5-HT可以促進肝細胞增殖，通過胸腺嘧啶核苷標記檢測細胞增殖。結果發現胸腺嘧啶核苷摻入肝細胞DNA的量隨5-HT劑量依賴性增加，這說明5-HT是有效的促分裂原，可刺激細胞的有絲分裂，在接近G1/S轉變點時可促進肝細胞再生，5-HT可能是DNA合成的輔助因子[29]。Fang等[30]研究報告，5-HT可以通過上調YAP在L-O2細胞中的表達來促進細胞增殖。在YAP-siRNA后可顯著降低5-HT介導的增殖能力，暗示5-HT-pERK-YAP軸在肝臟再生中的作用可能是一個潛在的促進再生和損傷修復的靶點。

5-HT除了影響細胞周期影響細胞增殖外，還通過調控細胞凋亡通路、細胞線粒體穩態以減輕IRI。在缺血缺氧條件下，細胞色素C(cytochrome C， Cyt-C)發揮著重要作用，細胞通過線粒體依賴性凋亡途徑，促進線粒體釋放凋亡蛋白激活因子-1與Cyt-C，活化下游半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3致使線粒體的形態學和生化改變[32]。5-HT通過調節線粒體靶標Bax和腺嘌呤核苷酸轉運蛋白-1(ANT-1)的表達，抑制血清剝奪誘導的細胞凋亡。5-HT通過與磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/Akt和ERK1/2信號通路之間的相互作用，在血清剝奪后阻止Cyt-C釋放和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-9和-3激活[33]。并且5-HT在激活Akt時，觸發IkB-α的磷酸化從而降解NF-kB核因子，NF-kB抑制劑的激活可以抑制血清剝奪產生的腺嘌呤核苷酸轉運蛋白表達，以維持線粒體通透性[34]。另一方面，5-HT可以減少內質網應激的活化以及減少ROS的增加，降低JNK磷酸化對線粒體的破壞，降低過氧化應激對炎癥因子和HIF-1α的誘導[35]，提示5-HT可能通過多種途徑調控凋亡等通路，減少缺血再灌注引起的細胞損傷。這些研究為將來進一步闡明5-HT在HIRI中的機制提供依據。

6 結語

目前，醫學上已經使用多種方法來調控HIRI，包括藥物治療和肝臟調理、機械灌注等技術方法，來預防和緩解HIRI。但HIRI仍然被認為是影響術后死亡率和發病率的重要因素。當前對HIRI機制尚未明確，研發預防和治療HIRI的藥物是有效解決該難題的途徑之一。而發現5-HT可減少IRI后細胞線粒體損傷，調控細胞周期促進肝細胞再生，有望成為緩解HIRI的突破口。但5-HT促進肝臟或肝細胞修復的具體分子機制仍需進一步研究。