第三节　一氧化碳与心血管疾病

一、内源性CO发现的历史

内源性一氧化碳（carbon monoxide，CO）是一种新发现的气体信号分子，与一氧化氮类似，也是双原子、小分子气态物质。CO与体内血红蛋白或某些酶类的含铁血红素结合从而引发CO中毒，所以一直被人们视作有毒气体。早在20世纪40年代初就有研究发现在人类及哺乳动物体内，血红素加氧酶（heme oxygenase，HO）可以催化血红素代谢生成CO、胆绿素及亚铁离子，但这些产物一直被视为代谢废物。直到内源性NO研究的历史性突破，发现小分子气体可作为信使分子在体内发挥重要的作用，CO才作为信号分子受到人们关注。

二、CO代谢与调节

人类和哺乳动物体内CO主要来源于血红素氧化分解的过程，催化其生成的酶是HO。HO是血红素代谢的起始酶和限速酶，有严格的底物特异性，最适宜的底物游离血红素80%~90%来源于衰老红细胞和无效造血所产生的血红蛋白，10%~20%来源于其他蛋白如肌红蛋白等。HO利用微粒体-NADPH-细胞色素P450还原酶将一个电子从NADPH传到血红素，再利用分子氧从α-亚甲基桥处切开血红素环生成胆绿素、亚铁离子和CO，在胆绿素还原酶作用下胆绿素很快被还原成胆红素（图9-3），CO大部分通过呼吸作用排出体外。

在人类和哺乳动物体内HO有三种存在形式HO-1、HO-2和HO-3。HO-1为诱导型，分子质量为31~33kDa，主要分布于单核巨噬细胞，在心血管系统中也有表达。HO-1亦称热应激蛋白32，其基因的启动子区包含热休克因子、NF-κB及金属调节子等结合区域。多种因素都可诱导HO-1的表达，包括低氧、氧化应激、内毒素、热休克、重金属、血红素、ox-LDL等。在正常情况下HO-1主要发挥心血管系统细胞的抗应激能力，保持心血管系统功能的完整性及稳定性。

HO-2为结构型，分子质量为34~36kDa，主要分布于中枢神经系统、血管内皮、血管平滑肌细胞，其表达和活性不受低氧、应激等诱导。生理情况下HO-2是主要存在形式，其催化生成的CO占内源性CO的95%。

HO-3的氨基酸结构与HO-2有90%的相似性，也为结构型，但尚未在心血管系统中发现，其催化血红素氧化作用较弱，据此推测HO-3不是一种催化蛋白而是一种具有血红素黏合能力的调节因子。

三、CO在心血管疾病中的生物学效应

人类和哺乳动物体内几乎所有的器官、组织、细胞都能合成和释放内源性CO，在体内各系统尤其是心血管系统中发挥重要的调节作用。内源性CO是血管源性的舒血管物质，可以舒张血管平滑肌、调节血管张力和血流；是一种气体小分子神经递质，在中枢及外周神经系统中发挥作用；具有细胞保护作用，适量表达可以减少细胞死亡，减少蛋白质和脂质过氧化；能阻止血小板黏附聚集、抑制血小板活化。

CO发挥生物学效应途径与NO类似，通过扩散以自分泌或旁分泌方式与自身或者邻近细胞胞质中可溶性鸟苷酸环化酶结合，使其构型改变、功能激活并催化GTP转化成cGMP，后者刺激PKG、磷酸二酯酶或通过调节离子通道发挥各种生理效应，如松弛血管平滑肌、抑制血小板聚集等。CO还可激活BK_ca的开放而发挥生物学效应；通过对通道蛋白组氨酸残基的拓扑结构进行化学修饰而直接导致通道开放，使其参与膜电压调节，从而参与血管张力和反应性调节。

HO/CO体系可以通过以下几方面发挥心血管系统保护作用：促进内皮细胞增殖，抑制内皮细胞炎症反应、氧化应激和凋亡；抑制平滑肌细胞增殖、氧化应激，促进平滑肌细胞凋亡；抑制心肌细胞氧化应激损伤、凋亡；抑制巨噬细胞炎症反应，促进巨噬细胞凋亡等（图9-4）。

（一）HO/CO与高血压

CO与NO有许多相似之处。内源性NO和CO都参与血管张力的调节，两者共同参与高血压的发生发展过程，具有相互代偿的作用。生理情况下，NO和CO对血管内皮细胞具有类似的生理功能，都是通过sGC-cGMP-PKG途径起作用，但由于NO激活sGC的能力是CO的100~400倍，所以NO发挥了更重要的生理作用。高血压重要的病理变化为外周阻力增加、血管平滑肌细胞异常增殖、血管壁增厚。VSMC内有HO的表达，当内皮细胞损伤引起NO减少，VSMC源性CO就成为血管内皮细胞和平滑肌细胞内cGMP重要调节者，在调节血管张力中发挥重要生物学作用（图9-5）。

血管血红素HO/CO系统作为肌紧张性调节的抑制剂可能对血压调节有重要影响。有研究者预先使用NO抑制剂处理离体的大、小动脉环（胸主动脉、股动脉）及一级小动脉环，在排除NO对血管的舒张作用以后研究CO对血管直径改变的作用。该研究应用HO抑制剂（铬中卟啉，CrMP）处理离体血管，研究发现CrMP引起的血管平滑肌收缩可能以小动脉为主，对大动脉没有影响，未加压的股薄肌小动脉也不收缩，而且CrMP对股薄肌小动脉的收缩效应是随压力变化而变化的。该实验还排除了sGC及内皮素的影响，揭示了CrMP诱导的缩血管作用与sGC的激活及内皮素的释放无关。由此推测内源性CO促进血管扩张的机制是其能够调节阻力血管肌紧张性，这一作用不依赖于中枢神经系统及循环内分泌激素的调节。

有研究报道，用HO诱导剂二氯化锡（SnCl₂）处理SHR后，其血管壁、肾脏HO-1 mRNA表达增高5~8倍，内源性CO产生增多，血压下降20%。HO的抑制剂2、4-二甘油次卟啉锌（ZnDPBG）可成功诱发大鼠产生高血压，给予外源性CO可达到降压效果，而血压正常对照组鼠给予外源性CO则不能降低血压。

用血红素精氨酸给SHR和正常大鼠（WKY）作用一段时间，观察发现血红素精氨酸能够通过增加HO选择性使SHR血压下降。有报道证实血红素-L-精氨酸盐和血红素-L-赖氨酸盐（两者均为HO的作用底物）能够明显降低SHR的血压，但不降低WKY的血压，而应用HO的抑制剂ZnDPBG可阻滞此效应。说明此降压作用是通过增加HO表达，从而增加内源性CO实现的。

CO是大脑中一种内源性的信号分子，通过作用于孤束核来调节压力感受反射对血压进行调节。研究者利用注射ZnDPBG至大鼠孤束核局部，可导致血压明显升高制备高血压鼠模型。在该模型孤束核局部微量注射CO，大鼠的平均动脉压在15min后开始下降，对心率无明显影响，由此可认为孤束核处HO/CO系统有潜在的降压作用。研究者再进一步给剥离了颈动脉窦的鼠孤束核局部注射ZnDPBG发现仍可复制出高血压模型，证明HO阻滞剂造成高血压的主要原因与感受器功能的改变无关，而与孤束核内CO的产生减少密切相关。

（二）HO/CO与动脉粥样硬化

高胆固醇饮食诱导的As家兔模型中主动脉HO-1活性降低，CO生成量明显减少，而给予外源性血红素-L-赖氨酸盐则可恢复主动脉CO生成量，减少As斑块面积。通过构建人HO-1基因的腺病毒载体，分别将其注入颈动脉血管成形术的兔体内及ApoE-/-的小鼠体内，与未转染HO-1基因组比较，转染组动物血管新生内膜、中膜面积，新生内膜厚度均显著减少，主动脉根和主动脉弓As病变范围减小。同样，在LDLR基因敲除小鼠及ApoE-/-小鼠中，抑制HO-1活性或敲除HO-1后As病变加重，HO-1过表达可缓解As病变。这些结果表明HO-1/CO系统受损与As的发生发展密切相关。

As是一种伴随有脂质沉积及炎症细胞浸润的慢性炎症性病变。在脂多糖（LPS）诱导的动物和细胞炎症模型中，上调HO-1表达或者予以注射CO可以减少促炎因子TNF-α、IL-1、MIP-1β的表达，增加抗炎因子IL-10的表达。HO-1基因敲除小鼠机体呈现慢性炎症状态，表现为外周血白细胞计数增高、肝血管壁炎症细胞浸润、单核细胞黏附至血管壁，腹腔巨噬细胞分泌的促炎因子MCP-1、IL-6明显增加。此外，HO-1代谢产物胆红素和胆绿素能够抑制E-selectin、VCAM-1、ICAM-1及MCP-1的表达分泌，改善内皮细胞功能紊乱，抑制单核细胞趋化，减少白细胞激活及与内皮细胞的黏附。

研究表明HO-1基因敲除小鼠肝脏脂质过氧化增加，其腹腔巨噬细胞ROS的水平增高。HO-1表达上调可以促进血红素的降解，生成具有抗氧化作用的胆绿素和胆红素、诱导产生对氧化损伤有保护效应的铁蛋白。

内皮源性的CO可弥散至邻近的平滑肌细胞，后者本身也能以自分泌的方式释放CO，通过变构激活sGC，使cGMP升高，从而抑制平滑肌细胞的增殖。在兔颈总动脉球囊拉伤模型中，实验前2h或者实验后24h内给予250mg/kg的CO处理，能够明显减轻内膜增生，这一作用是通过cGMP激活p38MAPK通路，增加内膜损伤处的caveolin-1，从而抑制平滑肌细胞增殖。另有报道，兔颈总动脉球囊拉伤模型中，以875μmol/L的CO溶液灌流30min以后，能够减少G1期蛋白cyclin A和cyclin E，减少平滑肌细胞增殖、减轻内膜增生。此外，平滑肌细胞释放的CO也可通过旁分泌作用抑制内皮细胞合成内皮素1（ET-1）及血小板衍生生长因子-β（PDGF-β）等促增殖物质的表达，进而抑制平滑肌细胞自身的增殖及迁移。研究表明在正常氧分压状态下CO对血管平滑肌细胞增殖无影响，但能够抑制低氧或细胞因子诱导条件下的血管平滑肌细胞增殖。

研究表明从HO-1基因敲除小鼠中分离获得的VSMC增殖能力和DNA的合成效应比野生型更强。通过外源性使用血红素或转基因的方法诱导HO-1的表达抑制了猪和大鼠的VSMC的增殖。HO-1源性CO可以通过sGC-cGMP途径或者通过MAPK途径抑制VSMC的增殖。

冠心病缘于冠状动脉血管发生As病变或血管痉挛而引起血管腔狭窄或阻塞，造成心肌缺血、缺氧或坏死。经皮冠状动脉腔内成型术及冠状动脉内支架术是有效和广泛应用的冠心病介入治疗方法，但此方法引起冠状动脉内膜撕裂，修复过程内膜及中膜增生引起血管再狭窄是临床亟待解决的难题。HO-1可促进血管内皮细胞增殖，对血管损伤修复起重要保护作用，而且通过抑制血管平滑肌增殖，防止不良性血管重构，有效降低冠脉再狭窄发生率。

（三）HO/CO与心肌缺血-再灌注损伤

HO/CO体系在心肌缺血-再灌注损伤中能够抗氧化、清除自由基，抗心律失常，抑制炎症细胞的激活、炎症介质的释放。

HO/CO对正常情况下心室的舒缩功能影响较小，在缺血-再灌注时能够减轻早期损伤比如心肌顿抑，预防再灌注性心室纤颤的发生，在心肌缺血-再灌注损伤的预处理过程中也起到重要的作用。

有观察发现用CoPP（内源性CO激动剂）在实验前24h进行大鼠腹腔注射预处理，心肌缺血-再灌注损伤模型的心功能指标如LVESP、LVDP得以改善，而对照组的心功能指标均下降，这说明内源性CO对心肌缺血-再灌注损伤具有一定的拮抗作用。

离体小鼠心肌缺血-再灌注模型组与对照组相比较时发现，缺血-再灌注性心室纤颤小鼠体内HO-1 mRNA的表达和酶的活性受到抑制，心室纤颤的发生与内源性CO的水平呈负相关，缺血-再灌注后没有发生心室纤颤的心肌HO-1 mRNA的表达和酶的活性明显升高。HO-1基因敲除小鼠组与野生型小鼠组比较，缺血-再灌注后发生心室纤颤的野生型小鼠心脏中HO-1 mRNA、蛋白和酶活性下降，而未发生心室纤颤的心脏无下降，HO-1基因敲除小鼠组均出现心室纤颤。以上结果提示HO/CO系统具有保护缺血-再灌注心肌，使其免于出现心律失常的作用。

利用不同水平HO-1过表达大鼠和无HO-1表达大鼠行离体心肌缺血-再灌注，结果发现前者能促进再灌注时心肌收缩功能的恢复，使心肌梗死面积明显减少，炎症细胞浸润和氧化损伤程度明显减轻，与HO-1表达的水平呈正相关。大鼠腹膜外注射HO的诱导剂氯化高铁血红素，2d后心脏HO-1表达升高2.8倍，缺血-再灌注后心肌梗死面积较对照组明显缩小。

再灌注时炎症细胞激活、炎症介质大量释放、白细胞与内皮细胞的黏附作用增强，内皮损伤通透性增加，细胞水肿，造成组织损伤。在腹膜外用氯化高铁血红素或外源性胆红素预处理使HO-1表达升高，缺血-再灌注后明显减少了白细胞黏附、聚集，P、E选择素表达减少，而用血红素氧合酶的抑制剂锌原卟啉（ZnPP）处理后可使白细胞黏附、聚集增加，P、E选择素表达增加。