5-羟色胺的生物学功能及其在肝脏缺血再灌注损伤中的作用

谢晨民，金俊飞②

(1. 桂林医学院附属医院广西肝脏损伤与修复分子医学重点实验室；
2. 桂林医学院附属医院肝胆胰外科实验室，广西 桂林 541001)

肝脏缺血再灌注损伤(hepatic ischemia reperfusion injur, HIRI)是一种临床上多见的病理生理现象，常发生于缺血性休克、脑卒中、外伤、肝切除尤其是多发于肝移植术后，可引起肝脏功能异常，进一步导致肝脏功能障碍乃至肝衰竭[1]，威胁生命健康。近年来，随着外科技术及设备日益改进，肝脏手术安全性得到一定的提升，但HIRI仍然是影响肝脏围手术期并发症发生、发展、患者治愈或死亡的重要因素，也使其成为亟待解决的临床问题[2]。因此，研究HIRI的分子机制，找到新的靶点，开发出新的药物或方法显得尤为迫切。

HIRI是指肝组织缺血一段时间后，缺血的肝组织经过血流再灌流而导致缺血肝组织进一步损伤的病理现象[3]，大多分为肝脏热缺血与冷缺血损伤两大类，涉及局部缺血损伤和炎症介导的再灌注损伤两个互相关联的阶段[4]。首先，当缺血发生时，随着血液供氧减少，组织器官内的氧逐渐耗尽引发细胞功能障碍造成细胞损伤；
其次，再灌注时带来的氧不但没有使其功能恢复，反而进一步扩大加剧了组织的损伤[5]。

目前，对HIRI的机制研究多集中在氧化应激、线粒体功能障碍、炎症反应、细胞凋亡等方面[6-7]。在正常生理情况下，细胞内活性氧(reactive oxygen species， ROS)的产生和消除保持在一个动态范围内。然而，当ROS含量增加或其清除酶活性降低时，平衡就会遭到破坏，过多的ROS会导致线粒体形态学和膜通透性的改变，从而破坏线粒体氧化呼吸链，抑制氧化磷酸化，致使系统能量代谢的紊乱，甚至破坏细胞膜结构的完整性，抑制蛋白质功能，导致DNA断裂，核酸破坏。有研究结果表明，在HIRI中，肝细胞线粒体氧化磷酸化受到抑制，ATP生成减少，细胞色素氧化功能失调，抗氧化酶活性降低和ROS增加[8]。ROS生成增多而抗氧化反应减弱所产生的不平衡会进一步引起肝细胞氧化应激损伤。同时，毛细血管内皮细胞内的黄嘌呤氧化酶不断增加，致使ROS大量形成[9]。过多的ROS不仅本身对细胞有损伤作用，且可破坏微血管完整性，改变细胞膜上跨膜离子梯度异常导致细胞肿胀和Ca2+过载。在生理状态下，细胞膜上Na+/Ca2+交换以平衡细胞静息下的低钙浓度，而缺血再灌注会导致Na+从细胞内排出，细胞外大量Ca2+进细胞内，Na+/Ca2+异常交换引发胞内钙离子过载，致使细胞能量代谢障碍和细胞膜及结构蛋白的分解，有氧氧化减少，缺氧情况下细胞进行厌氧代谢，导致细胞内乳酸和酮体等积累过多，进而发生代谢性酸中毒，致使细胞损伤。

此外，线粒体裂变、自噬和线粒体膜透性运输孔(mPTPs)是HIRI形成的重要机制。适度的线粒体分裂可以维持线粒体的数量，使其能够发挥更好的功能，而大量的线粒体分裂会导致线粒体碎片的形成，激活凋亡通路，加重IRI[10-11]。肝脏中有多种不同类型的免疫细胞，肝脏巨噬细胞介导的过度炎症反应被认为是HIRI的重要因素。肝损伤的显著特征是肝脏中巨噬细胞数量增加，这是由于血液中单核细胞的浸润，并向单核细胞来源的巨噬细胞分化。肝脏巨噬细胞根据其表型和功能的不同可分为促进炎症进展的M1巨噬细胞和抑制炎症进展的M2巨噬细胞。两者均可调节肝脏无菌性炎症，在触发、维持和改善HIRI中发挥重要作用[12]，参与HIRI的因素还有很多，比如血红素加氧酶HO-1、一氧化氮合酶[13]等，在HIRI的具体调控机制方面还有待深入研究。

5-羟色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)，别名血清素，主要由肠嗜铬细胞产生[14]。体内的5-HT合成主要来自色氨酸，色氨酸通过色氨酸羟化酶(tryptophan hydroxylase，TPH)羟化产生5-羟色氨酸(5-hydroxytryptophan， 5-HTP)，接着在L-芳香族氨基酸脱羧酶的作用下使5-HTP脱羧产生5-HT[15]。5-HT受体家族主要包括5-HT1R、5-HT2R、5-HT3R、5-HT4R、5-HT5R、5-HT6R和5-HT7R，除5-HT3R是阳离子通道，其余的5-HT受体均为G蛋白偶联受体超家族的成员[16]。5-HT的7种不同的受体亚型参与调节细胞迁移、增殖，以及细胞因子的产生和血管舒张。虽然体内90%的5-HT由肠道细胞合成，但是循环中的5-HT主要储存于血小板中，因为血小板对5-HT具有高亲和力，当血液循环中的血小板通过肠道循环时会结合5-HT，导致血小板中存在丰富的5-HT[17]。

肝细胞损伤是所有肝脏疾病的基础，5-HT通过影响肝细胞损伤在肝脏疾病过程中发挥着重要作用。早前研究发现酒精性肝硬化患者血小板内5-HT含量降低。后期研究陆续发现5-HT可通过5-HT2R介导肝脏mTOR的激活，加重肝脂肪变性[18]。这可能与5-HT参与代谢酶表达调控，影响肝脏能量代谢有关[19]。另外，5-HT通过调节炎症反应、氧化应激损伤和TGF-β1/Smads信号通路来缓减刀豆蛋白A诱导的肝纤维化[20]。Zhang等[21]研究发现， 肠道5-HT系统的功能障碍可以导致肠道屏障损伤，进而导致细菌内毒素易位到肝脏，从而促进非酒精性脂肪性肝病的发展。同时，调节肠肝神经轴和5-HT拮抗剂可改善非酒精性脂肪肝的脂肪和纤维化改变[22]。总之，在多种肝细胞损伤模型中均发现5-HT在其中发挥着重要的作用。

IRI本质上是一种由细胞损伤而导致的疾病。近年来，关于5-HT及其受体在心脏、脑、肠等不同组织的IRI修复方面有颇多研究。有研究发现，2、3、5、4′-四羟基二苯乙烯-2-O-beta-D-葡萄糖苷治疗大鼠脑IR损伤有效，推测其机制可能是通过激活5-HT/5-HTR途径，增加5-HT释放[23]。心经穴位电针预处理可有效减轻急性心肌缺血再灌注损伤(MIRI)大鼠心肌损伤，其中下丘脑外侧区和小脑顶核中的多巴胺和5-HT可能是重要的物质基础[24]。5-HT1B/1D受体通过抑制谷氨酸(Glu)释放间接激活了α7烟酸乙酰胆碱(α7-nACh)受体及其对炎症和氧化应激的保护作用。α7-nACh受体对肠道IR损伤的保护作用通过5-HT1B/1D受体对Glu释放的调节作用间接激活[25]。还有研究推测舒马曲坦可能通过激活5-HT1B/1D受体调节炎症反应，抑制IR诱导的肠道损伤[26]。另外，有研究报告，使用血小板减少症或血小板药理学受损的小鼠建立70%肝切除模型后，肝脏的再生能力受损，说明血小板衍生的5-HT在肝脏切除和再生中起着重要作用[27]。提示5-HT与细胞损伤修复有着密切的关联，深入研究5-HT及其受体及其作用机制可能是今后研究IRI的重要突破口。

随着实验技术、基因敲除模式动物发展，对5-HT与肝组织缺血再灌注损伤也陆续有些报道。Nocito等[28]证实5-HT可通过调控细胞增殖来促进缺血后肝脏组织再生及在缺血后组织修复。同样，在靶向敲除色胺酸羟化酶-1(tryptophan hydroxylase-1，TPH-1)基因的小鼠模型中发现，建立肝脏缺血再灌注模型时发现小鼠的肝再生和组织修复能力受到一定程度的损伤[27]。通过注射5-HTP，发现TPH-1-/-小鼠体内5-HT浓度上升，肝细胞再生能力明显增加，这表明5-HTP可经体内的氨基酸脱羧酶脱羧产生5-HT，从而促进损伤的肝脏细胞增殖和修复[29]。此外，也有研究发现5-HTP可通过大脑、神经调控参与肝脏再生[14]。另外，5-HT可以影响细胞周期刺激细胞有丝分裂。研究证实，在培养的肝细胞中添加5-HT可以促进肝细胞增殖，通过胸腺嘧啶核苷标记检测细胞增殖。结果发现胸腺嘧啶核苷掺入肝细胞DNA的量随5-HT剂量依赖性增加，这说明5-HT是有效的促分裂原，可刺激细胞的有丝分裂，在接近G1/S转变点时可促进肝细胞再生，5-HT可能是DNA合成的辅助因子[29]。Fang等[30]研究报告，5-HT可以通过上调YAP在L-O2细胞中的表达来促进细胞增殖。在YAP-siRNA后可显著降低5-HT介导的增殖能力，暗示5-HT-pERK-YAP轴在肝脏再生中的作用可能是一个潜在的促进再生和损伤修复的靶点。

5-HT除了影响细胞周期影响细胞增殖外，还通过调控细胞凋亡通路、细胞线粒体稳态以减轻IRI。在缺血缺氧条件下，细胞色素C(cytochrome C， Cyt-C)发挥着重要作用，细胞通过线粒体依赖性凋亡途径，促进线粒体释放凋亡蛋白激活因子-1与Cyt-C，活化下游半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3致使线粒体的形态学和生化改变[32]。5-HT通过调节线粒体靶标Bax和腺嘌呤核苷酸转运蛋白-1(ANT-1)的表达，抑制血清剥夺诱导的细胞凋亡。5-HT通过与磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/Akt和ERK1/2信号通路之间的相互作用，在血清剥夺后阻止Cyt-C释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时，触发IkB-α的磷酸化从而降解NF-kB核因子，NF-kB抑制剂的激活可以抑制血清剥夺产生的腺嘌呤核苷酸转运蛋白表达，以维持线粒体通透性[34]。另一方面，5-HT可以减少内质网应激的活化以及减少ROS的增加，降低JNK磷酸化对线粒体的破坏，降低过氧化应激对炎症因子和HIF-1α的诱导[35]，提示5-HT可能通过多种途径调控凋亡等通路，减少缺血再灌注引起的细胞损伤。这些研究为将来进一步阐明5-HT在HIRI中的机制提供依据。

目前，医学上已经使用多种方法来调控HIRI，包括药物治疗和肝脏调理、机械灌注等技术方法，来预防和缓解HIRI。但HIRI仍然被认为是影响术后死亡率和发病率的重要因素。当前对HIRI机制尚未明确，研发预防和治疗HIRI的药物是有效解决该难题的途径之一。而发现5-HT可减少IRI后细胞线粒体损伤，调控细胞周期促进肝细胞再生，有望成为缓解HIRI的突破口。但5-HT促进肝脏或肝细胞修复的具体分子机制仍需进一步研究。

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