丙酮酸乙酯及其抗炎癥作用
【摘要】 近年來的研究發現,原作為食品添加劑被使用的丙酮酸乙酯,通過對多種炎癥反應中起關鍵作用的炎性介質的抑制、抗氧化等,可降低炎癥損傷,保護臟器功能。具有臨床研究與應用的前景。
【關鍵詞】 丙酮酸乙酯;抗氧化;炎性介質
在危重病如膿毒癥、急性胰腺炎、ARDS、多器官功能不全等的發生發展過程中,炎癥反應起決定性作用并貫穿病程的始終,而抑制炎癥反應的努力也貫穿治療的始終。近年來對丙酮酸乙酯(Ethyl Pyruvate,EP)的大量的動物實驗研究發現,丙酮酸乙酯不僅對感染引起的炎癥反應(如膿毒癥、內毒素血癥)和非感染性炎癥(如急性胰腺炎)具有抗炎作用,并且在休克、缺血-再灌注損傷中具有抑制炎癥因子的表達、保護臟器的功能[1]。
1 概述
對丙酮酸乙酯的抗炎作用研究最初開始于對丙酮酸抗氧化作用的研究。丙酮酸是糖酵解的終產物及三羧酸循環及糖異生途徑的的起始物,是機體能量代謝的主要中間產物,當機體氧供充足時丙酮酸在線粒體內氧化為乙酰輔酶A,維持三羧酸循環;當氧供不足時在乳酸脫氫酶作用下直接轉化成乳酸,迅速為機體供能。丙酮酸在細胞內可能作為內源性抗氧化物,無需酶就能降解過氧化氫,產生二氧化碳和水,丙酮酸消除過氧化氫的反應高效迅速。除了清除過氧化氫,丙酮酸也能清除羥基、一氧化氮等其他活性氧,以減清氧化應激損傷。多項研究發現丙酮酸鈉能保護由活性氧(ROS)導致器官損傷及改善心肌梗死、腸或肝缺血/再灌注模型引起的器官功能紊亂或器官損傷[2-4]。但是丙酮酸在水溶液中穩定性差,容易轉化為2-羥基-2-甲基-酮戊二酸,這是一種有潛在毒性的物質,能抑制α酮戊二酸脫羧基形成琥珀酰輔酶A,阻斷三羧酸循環,因此臨床上的應用受到限制。
丙酮酸乙酯是丙酮酸親脂性的酯化物,其分子式為CH�3COCOOCH�2-CH�3,相對分子質量為116.12,原為一種化工原料,常被作為食品添加劑廣泛使用,最先作為丙酮酸的替代品用于動物實驗。2001年,Sims[5]等研究發現林格氏丙酮酸乙酯溶液(REPS)較丙酮酸溶液更穩定,且無毒性。丙酮酸乙酯和丙酮酸具有相同的藥理作用,且丙酮酸乙酯比丙酮酸的藥理作用更加有效,另一方面它還可能有不同于丙酮酸的藥理作用。
2 丙酮酸乙酯抗炎癥作用與機制
2.1 丙酮酸乙酯的抗氧化作用 當膿毒癥、休克、缺血-再灌注損傷、ARDS、多器官功能不全時,機體產生大量的活性氧物質,引起細胞功能紊亂,導致組織和器官的損傷。活性氧(ROS)是生物體內產生的超氧陰離子(O�-�2)、過氧化氫(H�2O�2)、羥自由基(HO�-)、一氧化氮(NO)等活性含氧化合物的總稱。作為信號分子,參與內分泌、循環、免疫、神經等系統的調節,產生途徑有外源性和內源性兩種。在膿毒癥、休克等病理狀況下,體內產生過量的活性氧,體內抗氧化能力與之失衡,形成氧化應激反應,進而增加一些有特定功能的蛋白:如誘導型一氧化氮合酶(iNOS)mRNA、環氧化酶-2(COX-2)mRNA、腫瘤壞死因子-a(TNF-α)mRNA表達上調,釋放大量細胞因子,包括TNF-α、白細胞介素(IL)-1、IL-6、IL-8、IL-12和一氧化氮(NO)等,引起失控的炎性反應。丙酮酸乙酯的a-酮基具有抗氧化性能,無需酶的催化可降低H�2O�2的產生,可以快速、直接中和H�2O�2、ONOO、OH-。同時丙酮酸乙酯水解后產生等分子量的丙酮酸和乙醇,丙酮酸迅速進入體內發揮其抗氧化作用。作為一種有效的抗氧化劑和活性氧清除劑,已在多種動物實驗中被證實其作用[6-8]。
寇秋野[9]等利用丙酮酸乙酯干預膿毒癥休克犬,通過對比氧化應激指標丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD) 活力、總抗氧化能力(T-AOC)、一氧化氮(NO)水平,得到丙酮酸乙酯能改善膿毒癥休克犬的氧化應激狀態,對多種臟器功能具有保護作用的結論。Karabeyoglu[10]等將EP(40 mg/kg)應用于燒傷大鼠,結果EP可減輕燒傷后的腸道氧化應激損傷和抑制細菌移位。Yang[11]等也發現作為活性氧清除劑,丙酮酸乙酯可以抑制由休克引起的腸系膜淋巴結細菌移位,抑制肝、腸黏膜的脂質過氧化,改善腸黏膜的過高通透性,阻止腸源性內毒素血癥的發生。
2.2 丙酮酸乙酯的抗炎性介質作用 隨著全身炎癥反應的加重,機體免疫系統釋放大量炎性介質,引發炎癥介質級聯反應,即“瀑布樣”炎癥反應。促炎細胞因子過度釋放及其與抗炎細胞因子比例的失衡,使機體損傷不斷加深。由巨噬細胞、中性粒細胞釋放早期炎癥介質TNF-α、IL-lB、IL-6等,進而誘導iNOS mRNA的表達,使細胞釋放NO增多,NO又可使炎癥介質的生物活性增強。更多的實驗也表明丙酮酸乙酯可以減少早期炎癥介質的表達,減輕炎癥反應和缺血-再灌注等引起的組織器官損傷。陳敏英[12]等研究表明丙酮酸乙酯干預可使膿毒癥小鼠IL-6/IL-10比值趨于正常,降低體內促炎、抗炎因子失衡狀態,逆轉膿毒癥的失控炎癥反應。Ulloa[13]等采用大鼠在注射致死量LPS前先給予丙酮酸乙酯預防的方法,發現能顯著降低循環中TNF濃度,提高大鼠生存率。
在炎癥的持續發展中,隨著時間的延續,早期炎癥介質TNF-α和IL-l水平往往已經恢復正常,但患者的病情持續加重直到死亡。因此提示存在某些晚期炎癥介質維持并延長著病理過程 。高遷移率族蛋白B-l(HMGB1)是最近研究新發現的一種重要的晚期炎癥介質,其分泌高峰較TNF-α、IL-lB等炎癥介質晚,作為晚期炎癥介質參與膿毒癥,內毒素血癥等病理生理過程。炎癥狀態下,HMGB1可由巨噬細胞或單核細胞主動分泌,亦可由壞死組織細胞被動釋放[14,15]。HMGB1不僅在炎癥物質刺激下由固有免疫細胞分泌,其本身也能夠誘導單核/巨噬細胞、中性粒細胞和樹突狀細胞等合成并分泌炎癥介質,這些介質又能夠加強HMGB1的分泌效應,形成一個復雜的細胞因子分泌調節網絡。其在炎癥反應的細胞因子網絡中具有核心作用。
在動物模型中發現,丙酮酸乙酯是一種具有劑量依賴性和時間依賴性的抗炎制劑,不同劑量和不同時間的給予會產生不同的效果[16]。對由LPS刺激的巨噬細胞釋放HMGBl有抑制作用,可以明顯降低膿毒癥大鼠血漿中HMGB1水平,改善膿毒癥大鼠生存率[13]。欒正剛[17]等及楊智勇[18]等的研究均發現HMGBl作為晚期炎癥因子參與了重癥急性胰腺炎大鼠的全身炎癥反應。延遲的EP治療仍能降低重癥急性胰腺炎大鼠血清HMGB1水平,降低胰腺及胰外臟器的損傷,延長動物生存時間。
嚴重持續的全身炎癥反應可引起組織損傷、休克,多器官功能衰竭,在全身炎癥反應的早期階段,臨床治療的窗口期比較窄,針對早期炎癥介質的治療尚難取得明顯的效果。而HMGBl作為晚期炎癥介質,其釋放較早期炎癥介質TNF-α、IL-lB延遲,故為臨床治療提供了更寬的窗口期。
2.3 丙酮酸乙酯抑制炎癥信號轉導通路NF-κB是一種重要的核轉錄因子,是誘導許多基因表達的重要調節因子,廣泛存在于真核細胞的胞漿及胞質中,是調節免疫反應、腫瘤、應激反應、凋亡和炎癥的中心環節,與p38MAP激酶共同組成炎癥因子釋放的關鍵信號通路,廣泛參與炎癥介質和細胞因子(TNF-α、IL-1、IL-6)、黏附分子(ICAM-l、VCAM-1)趨化因子和一些炎性相關酶等基因的調控 [19]炎癥介質和超氧陰離子(O�2-) H�2O�2等均可激活NF-κB信號傳導,使其誘導炎性細胞因子表達,NF-κB的過度刺激及長時間激活與炎癥的發生、發展有密切關系。研究發現丙酮酸乙酯可以抑制NF JB的活性及其信號傳遞,通過與活化的巨噬細胞相互作用抑制p38 MAPK通路,并最終抑制了包括TNF、HMGB1 等在內的一部分炎癥介質的釋放[20]。另有研究認為由于氧化應激能夠激活NF-κB依賴的基因轉錄,丙酮酸乙酯可能是通過降低細胞內谷胱甘肽(GSH)的水平,清除ROS,進而抑制NF-κB的活性,產生抗炎效應[21]。郭家龍[22]等通過對大鼠缺血再灌注損傷心肌的觀察,認為丙酮酸乙酯可能是通過減少氧自由基而抑制NF-κB過度表達。總之,目前對丙酮酸乙酯可以通過抑制NF-κB過度表達而降低炎癥損傷是肯定的,但具體作用機制說法不一,有待進一步研究。
3 展望
丙酮酸乙酯在膿毒癥、內毒素血癥、休克、器官缺血-再灌注損傷、多器官功能不全、急性胰腺炎等急性危重疾病中均有大量動物實驗證明其具有抗氧化、抗炎癥介質、保護臟器功能的作用,但目前對其治療作用的研究尚處于動物實驗和體外實驗階段,其抗炎作用機制、藥理作用尚待進一步闡明,其量-效關系及安全性仍需進一步的研究驗證。丙酮酸乙酯已被美國FAD列為對人體安全的物質,愈來愈多的動物實驗對其療效的肯定,這些都為進行臨床研究與治療提供了一條充滿希望的途徑。
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