一氧化碳释放分子在眼科疾病中的作用研究进展_章梦一.pdf

综 述基金项目:广东省基础与应用基础研究基金(2019A1515011732);广东省广州市科技计划项目(202002030413)第一作者简介:章梦一，在读硕士研究生，研究方向:白内障及眼底病。通信作者简介:邹玉平，博士，主任医师，研究方向:白内障及眼底病。一氧化碳释放分子在眼科疾病中的作用研究进展章梦一1，2周文杰1，3余洋洋1，2程天豪1，3邹玉平1，2，3(1 中国人民解放军南部战区总医院眼科，广东省广州市510010;2 南方医科大学第一临床医学院，广东省广州市510000;3 广州中医药大学，广东省广州市510000)【提要】近年来，一氧化碳释放分子作为多种眼科疾病的潜在治疗药物越来越受到关注，并被证实具有降低眼压、保护视网膜、促进角膜愈合的作用。本文对一氧化碳释放分子在眼科疾病中的作用研究进展进行综述，以期完善人们对一氧化碳释放分子的认识。【关键词】一氧化碳释放分子;血红素氧合酶;眼科疾病;作用;综述【中图分类号】77【文献标识码】A【文章编号】0253-4304(2023)03-0338-04DOI:10 11675/j issn 0253-4304 2023 03 16一氧化碳作为一种常见气体，其在眼科疾病方面的应用尚未引起重视。一氧化碳释放分子(carbonmonoxide-releasing molecule，COM)作为一种新型且特殊的外源性一氧化碳供体逐渐为研究者们所认识，并被广泛应用于各种疾病的动物模型中。考虑到眼科中有很多疾病都与炎症反应有关，COM 作为这些疾病的潜在治疗药物越来越受到关注。目前，COM已经被证实在青光眼模型中具有降低眼压、在黄斑变性模型中具有保护血-视网膜屏障、在视网膜缺血再灌注损伤(ischemia and reperfusion injury，I)模型中具有保护视网膜细胞、在角膜上皮损伤模型中具有促进角膜愈合的作用。因此，本文对 COM 在多种眼科疾病中的作用研究进展进行综述，以期完善人们对COM 的认识，为眼科疾病的治疗提供新思路。1COM 概述1 1COM 的分子结构一氧化碳气体具有极高的不可控性，将其直接应用于机体的弊端较多1。而某些过渡金属羰基配合物可以在人体内释放一氧化碳而不影响碳氧血红蛋白的合成，并能直接作用于靶点发挥作用，这些过渡金属羰基配合物即为 COM。COM 由 COM 球和药物球两个部分组成。COM球决定了可以释放的一氧化碳分子的数量、一氧化碳作用位点，以及引起一氧化碳释放的触发机制;药物球可以调节 COM 在各种体液和组织之间的分配比例，对于 COM 靶向进入人体治疗区域至关重要2。1 2COM 的作用机制1 2 1COM 与血红素氧合酶 1:血红素氧合酶(heme oxygenase，HO)是血红素分解过程中的限速酶，分为 HO-1、HO-2 和 HO-3 3 种亚型，其中 HO-1 为诱导型 HO，在受到刺激后可被激活并高表达。近年来的研究显示，HO-1 具有抗氧化、抗炎、抗凋亡等保护性作用，并参与调节机体多种病理生理过程3。对尼古丁和脂多糖共刺激的人牙周膜细胞，COM-3能够通过 HO-1 信号通路发挥抗炎和抗破骨细胞生成的作用4。Pan 等5 发现，采用 COM-3 预处理AW264 7 破骨细胞后，破骨细胞特异性标志物，如耐酒石酸酸性磷酸酶、核因子-B(nuclear factor-B，NF-B)受体活化因子等的表达降低，但沉默 HO-1后，上述作用消失，提示 COM-3 是通过 HO-1 信号通路发挥上述作用。1 2 2COM 与 miNA:miNA 是一种大小为18 26个核苷酸、高度保守的内源性非编码 NA 分子，可通过多个通路诱导靶基因降解或抑制靶基因转录，从而影响蛋白表达，参与炎症反应、氧化应激、细胞增殖、分化及凋亡等过程6。已有研究证实，COM可以通过影响细胞的 miNA 表达来调节细胞的功能状态，如 COM-2 可通过抑制 miNA-155-5p 的生成，减轻由肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF-)诱导的内皮型一氧化氮合酶表达下调，最终维持内皮细胞功能7。此外，COM-3 还可以下调 miNA-206表达，改善心肌梗死后的心脏功能和促进心肌结构的恢复8。833Guangxi Medical Journal，Feb 2023，Vol 45，No 32COM 与眼科疾病2 1COM 与青光眼青光眼是一种进展性视神经退行性疾病，其主要病理学改变为视网膜神经节细胞死亡、神经视网膜边缘缺失、视乳头凹陷增加、视乳头血管鼻侧移位和视乳头周围出血9。一项流行病学研究显示，青光眼为全球第一大不可逆失明原因10。目前青光眼的首选治疗方法仍是局部应用降眼压滴眼液11，结膜给药是最常见的给药途径。然而，经过眨眼、鼻泪管引流、角膜屏障保护作用后，到达靶部位的药物浓度较少，导致局部应用降眼压滴眼液达不到预期治疗效果。青光眼患者由于眼压增高，眼部血流量减少，眼部血流量与动脉压和眼内压之差呈正比。与一氧化氮、硫化氢等气体一样，一氧化碳可内源性产生于脊椎动物视网膜，而这些气体又可以通过调节血管内皮细胞和血管平滑肌细胞来调节血流量。但在青光眼患者中，仅凭内源性产生的一氧化碳来调节眼部血流量是远远不够的，视神经仍可能因为高眼压而处于压迫状态 12。Kiel 等 13 在研究 COM-3 对眼压的作用时发现，因房水产出减少所致的眼压降低占眼压降低类型的66%，而 COM-3 通过激活可溶性鸟苷酸环化酶(solubleguanylyl cyclase，sGC)并与sGC 的血红素部位结合，来促使环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)生成，而 cGMP 可进一步激活蛋白激酶 G，随后导致靶蛋白磷酸化，COM-3 通过 sGC、cGMP、蛋白激酶 G 等途径缩小小梁网细胞体积，加快房水流出小梁网和 Schlemms管的流速，这与Bucolo 等 9 的研究结果一致。Dong 等 14 发现，应用COM-3 可以刺激大电导钙激活钾通道(largeconductance calcium-activated potassium channel，BKCa)并增强其活性。Dismuke 等15 进一步研究发现，COM非依赖性 sGC 激活剂可以缩小小梁网细胞体积，其作用机制与 BKCa 有关，证实了 COM 不仅可通过sGC 途径，还可通过 BKCa 来调节小梁网细胞体积，从而调节房水流出量。Chen 等16 通过压迫 SD 大鼠视神经来构建青光眼模型，压迫后 1 h 立即给予大鼠吸入低浓度(250 ppm)的 COM，2 周后大鼠闪光视觉诱发电位和瞳孔对光反射显著改善，且视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell，GC)密度增大，Caspase-3 活性降低，提示 COM 的保护作用与 Caspase-3 有关。Stagni等 17 将浓度为50 UAE/100 mL 的糜蛋白酶注入兔子前房来构建青光眼模型，经 001%和 01%的 COM-3 处理后，兔子眼压分别降低3 mmHg 和7 mmHg，而经无活性的 COM-3 处理的兔子的眼压不受影响。由此可见，在 COM 家族中，一般是由 COM-3 发挥降眼压作用，但目前研究多为动物实验，COM-3 应用于人体的剂量及给药方法仍未明确，今后可开展相关研究进一步探究。2 2COM 与老年性黄斑变性老年性黄斑变性(age-related macular degeneration，AMD)是老年人失明的主要原因，其表现为视网膜和脉络膜之间的交界面发生变性，从而引起中心视力进行性丧失。渗出型 AMD 的发病机制与血管侵犯有关，血管内皮生长因子(vascular epithelial growth factor，VEGF)在血管异常生长中起着关键作用。目前渗出型 AMD 的治疗方法为玻璃体腔注射抗 VEGF 药物治疗，是否还存在其他机制可以治疗渗出型 AMD 是研究者们致力突破的关键点。研究显示，COM 通过模拟 HO-1 和一氧化碳气体的生物活性作用而发挥药理作用18，并通过调节细胞的氧化还原状态来保护视网膜色素上皮(retinalpigment epithelium，PE)细胞免受蓝光或氧化应激损伤 19，其可能为治疗 AMD 提供潜在的靶点，但 COM对 PE 细胞的保护机制仍未明确。因此，Yang 等 20 为明确 COM 保护 PE 细胞的分子作用机制展开研究，结果显示，采用 25 mmol/L 的 COM-2 或 COM-3预处理 PE 细胞3 h 或 12 h，可阻止蓝光诱导的细胞毒性，其中 COM-2 的保护作用更强。还有研究显示，单核细胞的黏附作用在 AMD 进展过程中发挥了重要作用，TNF-通过激活 NF-B 途径诱导细胞间黏附分子1(intercellular adhesion molecule1，ICAM-1)表达上调 21，而 COM-2 和 COM-3 均可显著抑制 ICAM-1表达，降低 TNF-诱导的抑制因子 B 降解和 NF-B核转位。VEGF 能够诱导内皮细胞迁移，而 COM 可以抑制内皮细胞的迁移 22。上述研究表明，除了抗VEGF 药物，COM 或许可以作为一个新的治疗靶点，通过发挥视网膜保护作用来治疗 AMD。2 3COM 与角膜损伤角膜上皮伤口的快速愈合不仅对维持角膜透明性具有重要作用，而且能保护角膜基质层免受进一步损伤和感染。角膜伤口的修复始于现有上皮细胞的迁移以覆盖伤口，随后是上皮细胞的增殖以恢复角膜的正常厚度并慢慢返回稳态。这一过程受多种生长因子、细胞因子和结构蛋白的调节，它们协调完成伤口愈合的必要步骤，包括迁移、黏附、增殖、分化及凋亡。COM 可抑制促炎细胞因子933广西医学2023 年 2 月第 45 卷第 3 期和趋化因子的表达，同时上调抗炎介质如白细胞介素10 的表达，对角膜上皮的损伤修复具有重要作用23。有研究表明，COM-A1 可以提高角膜上皮损伤的修复速度，但其具体机制尚未明确24。2 4COM 与视网膜 II视网膜 II 在糖尿病视网膜病变、视网膜动脉或静脉阻塞、前部缺血性视神经病变等多种眼科疾病中起着重要作用。II 通过诱导细胞凋亡或坏死而导致神经元不可逆的死亡，最终导致视力下降甚至致盲，严重影响患者的生活质量。研究证实，COM 可通过模拟 HO-1 和一氧化碳气体的生物活性效应而发挥药理作用25。Zeynalov等26 发现，在再灌注开始时立即给予吸入浓度为125 ppm、250 ppm 的 COM，可使短暂大脑中动脉闭塞模型小鼠的半球梗塞总体积分别缩小 30%、60%，并能延长缺血后 1 3 h 的治疗窗。在此研究基础上，Schallner 等27 发现，吸入 COM 的确能够起到保护视网膜缺血大鼠的 GC 免于凋亡和减轻神经炎症的作用。其主要机制为:(1)在视网膜 II 后，吸入COM 可以抑制 GC 凋亡，表现为抑制凋亡因子 B细胞淋巴瘤-2 相关 X 蛋白/Caspase-3 表达和切割Caspase-3，诱导抗凋亡因子 B 细胞淋巴瘤-2 表达，参与调节凋亡和存活信号传导相关的丝裂原活化蛋白激酶途径;(2)在视网膜 II 后，吸入 COM 可以有效抑制炎症反应，表现为抑制调节炎症因子 NF-B 的活化和 NF-B 的 DNA 结合，抑制 Mller 细胞活化，阻止增殖的小胶质细胞和巨噬细胞迁移到视网膜中 27。Costa 等 28 发现，在小鼠围产期缺血/再灌注前给予COM，COM 通过 sGC 发挥保护视网膜的作用。Ulbrich等29 认为，COM-ALF-186 可以抑制视网膜II 后的神经炎症，并通过 sGC 途径介导神经保护作用。有学者通过将 SD 大鼠眼压升高至120 mmHg 并维持60 min 来构建缺血损伤模型，发现 COM-ALF-186 通过 sGC-1 亚单位发挥神经保护作用，并能降低大鼠PE 细胞中由 II 诱导的 NF-B 表达和磷酸化，以及神经元组织和血清中炎性细胞因子白细胞介素 6 和TNF-的表达 30。以上研究表明，COM 或可为视网膜 II 争取更长的“治疗窗口”。3COM 的应用安全性虽然有研究显示，连续使用 1 个月 COM-3 并不会对实验动物产生明显的副作用31，但 COM 也并非百利而无一害。COM 与过渡金属的结合虽然不影响体内碳氧血红蛋白的合成，但是否会对机体产生毒性仍需要进一步的研究证实。还有学者发现，COM 的可用治疗浓度区间较窄32，并且其会降低细胞活力和线粒体酶的活性。4小结虽然 COM 具有很大的应用潜力，能够最大化模拟人体内源性一氧化碳功能，但是目前对 COM的认识尚不足，其具体的作用机制还有待研究。关于COM 在视网膜相关眼底疾病中的作用研究仍处于探索阶段，希望在未来的研究中能开发出靶向效应更好、对细胞毒性更小的 COM，从而为眼底疾病乃至黄斑疾病的治疗提供新的思路。参考文献 1 Hopper CP，Zambrana PN，Goebel U，et al A brief historyof carbon monoxide and its therapeutic originsJ NitricOxide，2021，111 112:45 63 2omo CC，Blttler WA，Seixas JD，et al Developing drugmolecules for therapy with carbon monoxide J Chem Socev，2012，41(9):3571 3583 3 Lin CC，Yang CC，Hsiao LD，et al Heme oxygenase-1induction by carbon monoxide releasing molecule-3 suppressesinterleukin-1-mediated neuroinflammationJ Front 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