血红素不仅是血红蛋白(Hb)的辅基，亦为肌红蛋白、细胞色素、过氧化物酶等的辅基，具有氧结合、电子传递、信号转导等重要作用。游离血红素是红细胞破裂后的代谢产物，易透过细胞膜，对组织、细胞产生氧化应激损伤。研究发现，诸多疾病与器官损伤的病理过程与游离血红素的细胞毒性作用有关，包括免疫与炎症，输血相关疾病，动脉粥样硬化，心、脑、肝、肾器官损伤等。笔者拟就游离血红素相关疾病病理过程的最新研究进展进行综述。
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血红素(heme)为一种铁卟啉化合物，由4个吡咯类亚基组成1个环状基团，其中心为亚铁离子(Fe2＋)，血红素主要在骨髓的未成熟红细胞中被合成。血红素为血红蛋白(hemoglobin, Hb)重要的非蛋白质组分，1个珠蛋白与4个血红素通过4条肽链连接形成Hb；每个血红素基团中间的亚铁离子，则可以与氧结合，使Hb成为氧合Hb[1,2]。血红素不仅是Hb的辅基，亦为肌红蛋白、细胞色素、过氧化物酶等的辅基，具有氧结合、电子传递、信号转导等重要作用[3,4]。
游离血红素为溶血产物，即红细胞破裂后的代谢产物。游离血红素疏水性强，易透过细胞膜，作为氧化剂具有直接的细胞毒性作用[5]。研究发现，诸多疾病的发生与器官损伤的病理过程，均涉及游离血红素的毒性作用，如游离血红素的肝、肾毒性，动脉粥样硬化病变形成，脑出血后的继发性损伤等。笔者拟就游离血红素相关疾病病理过程的最新研究进展进行综述，旨在为临床溶血或者高游离血红素相关疾病患者的治疗提供新的思路。
游离血红素降解系统在保护机体免受其氧化损伤中具有重要作用。游离血红素降解系统主要包括血红素降解酶系统与血红素相关结合蛋白系统。前者主要包括血红素加氧酶(heme oxygenase，HO)，可以通过分解作用降低细胞、组织中的游离血红素含量；后者包括结合珠蛋白(haptoglobin，HP)与血红素结合蛋白(hemopexin，HPX)，是通过形成无毒性或者低毒性的血红素复合物降低组织和血液循环中的游离血红素含量。
正常生理情况下，血液循环中受损与衰老的红细胞被肝、脾巨噬细胞吞噬，Hb分解为珠蛋白与血红素。其中，血红素通过HO分解为胆绿素与游离铁。HO为一种血红素降解酶，包括3种类型：氧应激诱导型HO(HO-1)、组成型HO(HO-2)及尚未明确分型的HO(HO-3)。HO-1为血红素代谢过程中的重要酶，广泛分布于哺乳动物的多种组织、细胞中，在机体正常生理状态与应激状态下均发挥重要作用。HO-1可由多种刺激因素诱导表达，刺激因素包括氧化应激、热休克、紫外线照射、缺血再灌注、重金属、细菌脂多糖及相关细胞因子等。HO-1分解血红素并产生CO，上调白细胞介素(interleukin，IL)-10与白细胞介素1受体(interleukin-1 receptor，IL-1R)拮抗剂表达水平，具有抗炎特性[1,5]。研究发现，伴HO-1缺陷的患者表现出广泛的内皮细胞损伤，这与多种疾病相关，涉及肝、肾、心、眼、胃肠道及骨代谢等，在HO-1基因敲除小鼠中亦观察到肝、肾内皮细胞的损伤[6]。
在溶血等病理情况下，体内游离Hb与游离血红素水平增高对机体造成不良影响，此时需要HP与HPX发挥清除作用。HP又称为触珠蛋白，主要在肝细胞内合成，其与游离Hb结合形成复合物后，会呈现出新的抗原决定簇，被单核巨噬细胞表面的Hb清除受体CD163识别，从而被吞噬、降解[7]。HPX亦为肝细胞合成的一种蛋白，对游离血红素具有高亲和力，与游离血红素形成复合物后，被受体CD91识别，通过循环至肝，进而被清除[8]。HP与HPX的作用相辅相成，HP与游离Hb形成复合物，HPX则与游离血红素形成复合物。当机体广泛溶血，产生大量游离Hb时，血清HP水平可下降至无法检出，游离Hb进一步降解为珠蛋白与游离血红素，而游离血红素与HPX形成复合物，通过外周血循环至肝，进而被分解。HPX可在血液循环中被反复利用。近年，亦有研究发现，血清白蛋白等其他蛋白能够清除游离血红素，但是其具体作用机制仍需进一步研究以阐明[9]。
机体内正常水平的游离血红素不会造成细胞、组织损伤[10]。接受异体输血的患者，其体内游离血红素的水平与输血量成正比。溶血性疾病患者，如镰状细胞性贫血与地中海贫血患者，外周血循环中存在有大量游离血红素。此外，感染与某些药物亦会引起游离血红素释放[11]。当体内出现高水平游离血红素，超出机体降解代谢的能力上限时，游离血红素将对机体造成不良影响[12]。
高水平游离血红素会影响相关免疫细胞分化与功能调节[13]。临床上，发生溶血的患者，尤其是伴慢性炎症性疾病的患者，其免疫功能通常受影响，并且容易发生感染与严重并发症。既往研究认为，镰状细胞性贫血与地中海贫血患者容易发生病原体感染，这与红细胞异常与清除破损红细胞导致的脾免疫功能缺陷相关，但是具体机制目前仍不确切。若溶血发生在血管外，网状内皮细胞可以吞噬与清除受损伤的红细胞；而当溶血发生在血管内时，游离血红素将直接释放至外周血循环中，影响免疫细胞分化及其效应细胞活性、迁移等[13]。
中性粒细胞处于抗感染体系的第一线，具有吞噬病原体的能力。中性粒细胞呼吸爆发对于灭活与降解病原体具有关键作用。血浆游离血红素可以通过活性氧族(reactive oxygen species，ROS)信号通路，诱导中性粒细胞的胞外诱捕网(neutrophil extracellular traps，NET)的产生。NET为由双链DNA染色质与镶嵌在染色质上的抗菌蛋白构成的纤维网格状结构，在炎症相关疾病的发生中发挥重要作用。中性粒细胞被刺激活化后，释放NET至细胞外，捕获并杀灭病原体。正常生理情况下，NET能够保护宿主免受感染，但是对于镰状细胞性贫血患者，NET与血管闭塞的发生相关。
中性粒细胞发育过程中，游离血红素可以通过诱导未成熟中性粒细胞中的HO-1表达，抑制呼吸爆发，而呼吸爆发为清除被吞噬的病原体所必需的。因此，游离血红素诱导HO-1表达水平增高，会增加宿主感染易感性。目前，相关研究者认为，上述过程仅限于未成熟的人中性粒细胞的体外实验，在体内成熟的人中性粒细胞中没有观察到游离血红素诱导HO-1表达的直接作用[13]。
游离血红素亦会使巨噬细胞发生促炎或抗炎表型的改变[14]。当体外培养的巨噬细胞暴露于游离血红素与次氮基三乙酸铁(iron-nitrilotriacetate，FeNTA)时，导致巨噬细胞向M1促炎表型转化；在镰状细胞性贫血小鼠模型中，红细胞破坏释放的游离血红素与亚铁离子负荷增加，会触发肝巨噬细胞发生类似的促炎表型改变[14]。巨噬细胞促炎表型改变的机制与ROS激活Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)4信号通路相关。进一步的研究结果证实，通过使用外源性HPX，清除游离血红素，能够保护小鼠巨噬细胞，减弱其促炎表型改变，并且减少相关细胞因子与ROS的产生[14]。游离血红素亦可以通过DOC8/Cdc42信号通路抑制巨噬细胞的细胞骨架重构，从而影响巨噬细胞的吞噬及其对病原体的清除作用[15]。
此外，游离血红素亦可以通过抑制效应T细胞应答所必需的树突状细胞的成熟，促进抗炎免疫细胞极化；通过调节非经典单核细胞中HO-1的表达，诱导调节性T细胞的增殖、分化；通过BACH1/Spic信号通路，诱导单核细胞分化成红髓巨噬细胞。这对于衰老红细胞的铁元素再循环十分重要。
临床上输注大量储存异体血液制品，会增加患者感染发生率。研究结果证明，这与输血后产生的游离血红素直接相关[16]。在创伤失血小鼠模型中，采用新鲜或者储存异体红细胞进行治疗，输血后采用铜绿假单胞菌K-菌株(P. Aeruginosa K-strain，PAK)感染小鼠肺，结果证实输注储存异体红细胞小鼠的肺感染发生率较输注新鲜红细胞小鼠高(P＝0.014)，肺水肿症状更严重(P＝0.003)，并且生存时间更短(P<0.001)。同时，该研究将新鲜与储存的滤白洗涤红细胞通过离心(3 000×g，4 ℃，5 min)分离出上清液与红细胞，其中新鲜血的红细胞与储存血的上清液混合，储存血的红细胞与新鲜血的上清液混合，分别输注于小鼠体内，结果发现，输注新鲜血的红细胞与储存血的上清液混合液与直接输注储存的滤白洗涤红细胞相比(探讨输注后红细胞破坏产生的游离血红素的影响)，前者小鼠的生存时间更长(P<0.001)，这说明输注后红细胞溶血产生的游离血红素在PAK诱导的感染致死中发挥作用；储存血的红细胞与新鲜血的上清液混合液与直接输注储存的滤白洗涤红细胞相比(探讨储存时红细胞产生的游离血红素的影响)，前者小鼠的生存时间更长(P<0.001)，这说明红细胞储存期间产生的游离血红素亦在PAK诱导的感染致死中发挥作用。该研究结果表明，红细胞储存期间产生的游离血红素与输注红细胞后溶血产生的游离血红素，在PAK诱导的感染致死中均发挥重要作用。游离血红素直接增加感染易感性可能与TLR-4及高迁移率族蛋白B(high mobility group box，HMGB)1敏感性抑制相关。与单独输注储存红细胞小鼠比较，输注HPX结合游离血红素小鼠，或者接受储存红细胞输注的TLR4基因缺失小鼠，感染致死率均降低(P<0.001)[16]。
有研究发现，对于重症监护病房(intensive care unit，ICU)输血患者，输血后其体内游离血红素水平升高，并且这与患者死亡率直接相关，输血后发生死亡的患者血浆游离血红素水平高于存活者(P＝0.03)[17]。虽然患者体内游离血红素水平与输血量呈正相关关系，但是游离血红素水平的增高亦与其他因素相关，如异体血的储存时间等。因此，进一步研究输血导致游离血红素释放的机制，对于改善ICU输血患者的预后具有重要意义[18]。此外，有研究亦发现，围术期输注红细胞会引起并加重术后静脉血栓[19]。这可能与游离血红素引起血管内皮细胞炎症反应相关，但是其具体机制尚不明确。
在HO-1功能缺陷的儿童患者中发现动脉粥样硬化斑块形成[20]，提示游离血红素与动脉粥样硬化具有相关性。动脉粥样硬化的病理过程包括早期的脂肪性病变与后期的易损斑块形成。最新研究发现，游离血红素与动脉粥样硬化的早期与晚期病变均相关。
游离血红素通过氧化修饰型低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein，OX-LDL)参与动脉粥样硬化的早期病变。有研究发现，游离血红素除了具有直接细胞毒性作用外，其亦可以作为低密度脂蛋白(low density lipoprotein，LDL)的氧化催化剂，产生OX-LDL。LDL本身可以将胆固醇运输至外周组织细胞，但是当LDL被氧化，尤其是OX-LDL过量时，其携带的胆固醇便积存在动脉壁上，引起血管动脉粥样硬化病变[12]。此外，当内皮细胞暴露于OX-LDL时，HO-1与铁蛋白水平上调[21]。在小鼠、兔等动物实验模型中，HO-1的表达对动脉粥样硬化具有保护作用，而过量的OX-LDL则会破坏血管内皮细胞的完整性，这一过程参与动脉粥样硬化的早期病变[22,23]。
当动脉粥样硬化病变已经形成，血管表面容易出现裂缝，从而发生红细胞浸润。红细胞浸润释放的游离血红素促进动脉粥样硬化的晚期病变。同时，动脉粥样硬化病变中存在脂质氧化产物，其为一种细胞毒性物质，会导致浸润的红细胞破坏，产生游离Hb与游离血红素。在游离Hb与脂质氧化产物的相互作用中，游离血红素可以进一步上调HO-1的表达水平，促进脂质氧化与内皮细胞毒性反应。同时，游离血红素可以被氧化裂解释放亚铁离子，亚铁离子能够驱动脂质氧化的前馈过程。也就是说，动脉粥样硬化的晚期病变，其内部为一个红细胞裂解的氧化环境，游离Hb释放游离血红素与亚铁离子，促进脂质氧化，加剧动脉粥样硬化斑块形成[21]。
血管壁动脉粥样硬化斑块内出血后，游离血红素的氧化损伤作用促进动脉粥样硬化病变。基于以上理论，有研究发现，游离血红素能引起人主动脉平滑肌细胞内质网的应激反应，揭示游离血红素以时间与剂量依赖性方式触发内质网应激反应，而抗氧化剂与HPX能够抑制相关反应[24]。
游离血红素与脑出血后的继发脑损伤相关。脑出血后红细胞代谢产物进入脑组织，引起氧化反应，导致血脑屏障破坏、细胞凋亡及坏死，从而导致脑水肿与酸中毒等。同时，游离血红素激活脑内的小胶质细胞，介导炎症性损伤，TLR4参与这一过程[25,26]。目前已有研究结果证实，HO-1具有神经保护作用，神经元细胞摄取游离血红素时通过诱导HO-1表达来保护神经[25]。但是，HO-1分解游离血色素时释放亚铁离子，亚铁离子沉积亦会造成神经元损伤，因此目前的研究认为，治疗脑出血后继发脑损伤需要使用2种以上药物，包括增加HO活性的药物与铁螯合剂等[25]。此外，脑脊液中含有丰富的HPX，研究发现HPX水平与脑出血患者预后相关[27]，而HPX基因缺失可加重脑损伤程度[28]。亦有研究发现，游离血红素除与脑出血后的继发脑损伤有关外，游离血红素的代谢可能与神经退行性疾病相关[29]。
研究发现，游离血红素会引起心肌细胞的氧化损伤[30]。当心肌细胞暴露于一定浓度的游离血红素时，其形态发生改变，钙离子依赖的心肌最大主动力降低，而非钙离子依赖性的心肌被动力升高，这种改变可以被抗氧化剂部分逆转。在溶血性疾病的小鼠模型中，给予HPX输注，能够降低活性氧生成并恢复心肌舒缩功能[30]。
游离血红素通过活性氧的形成影响心肌舒缩相关蛋白，该过程涉及2种机制，其一是翻译后蛋白修饰，游离血红素引起蛋白结构改变，肌球蛋白、肌动蛋白氧化生成次磺酸，最终造成蛋白功能的改变。其二是游离血红素直接与肌球蛋白轻链(myosin-light chain，MLC)-1结合，MLC-1的生理作用是促进肌球蛋白头部与肌动蛋白的结合，从而产生心肌舒缩相关蛋白应力，游离血红素与MLC-1结合干扰了蛋白的动力学，导致主动力的产生减少。总之，心肌舒缩相关蛋白结构的改变引起蛋白收缩力的改变，造成心肌舒缩功能障碍[30]。
血红素生物合成发生在红细胞分化过程中，发育中的红细胞必须合成正确数量的珠蛋白与血红素，如果珠蛋白过量会引起Hb结构异常[31]。游离血红素为一种有效的氧化分子，可以通过Fenton反应产生活性氧，有助于协调珠蛋白与血红素的合成，但是过量的游离血红素反而会影响红细胞本身的发育，对造血系统可能产生潜在的长期影响。红细胞系中血红素生物合成与铁代谢的调节密切相关。血红素生物合成缺陷引起的疾病以铁粒幼细胞性贫血为代表，其发病机制为由于亚铁离子利用不良，血红素合成障碍，造成低色素性贫血，同时亚铁离子在红细胞与组织内沉积，对机体造成系统性的影响[32]。在溶血性疾病中，正常红细胞数量减少，此时游离血红素引起活性氧水平增高，在外周血进一步破坏成熟红细胞，加重患者溶血与贫血症状[33]。
综上所述，游离血红素与多种疾病病理过程存在密切关系。通过减少游离血红素暴露或者增强内源性降解酶及结合蛋白系统预防游离血红素的毒性，有利于疾病的预后。外源性HPX与HP对于游离血红素所致疾病的治疗作用已经被相关研究证实，其可以恢复巨噬细胞表型，降低感染的发生风险等[34]。但是，对于机体已经发生的游离血红素所致的某些病理改变，HPX与HP并无逆转作用，如慢性溶血性疾病时出现的肝细胞凋亡相关肝损伤等。因此，对于游离血红素所致的相关疾病及其病理机制，仍需要进一步研究并优化治疗方案。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
