作者：张萌，谢颖馨，胡礼宏，宁波大学附属李惠利医院麻醉科

缺血再灌注损伤（ischemia reperfusion injury，IRI）是指细胞、组织或器官缺血一定时间后再恢复灌注不仅未使细胞组织器官功能恢复, 反而使缺血所致功能代谢障碍和结构破坏进一步加重。再灌注状态下，线粒体损伤和电解质失衡通过激活烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（reduced nicotinamideadenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX）、一氧化碳合酶（nitricoxidesynthase，NOS）系统和黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XOD）系统促进氧化应激的产生，氧化应激被认为在IRI 中起重要作用。

核因子E2- 相关因子2（nuclear factor erythroid-2 related factor 2，Nrf2）是近年来发现的一种抗氧化应激的重要的转录因子，在机体抗氧化应激过程中起着关键作用，可调节抗氧化蛋白的表达。大量研究证实，Nrf2 及其信号通路可通过减轻氧化损伤、降低炎症因子水平、抑制细胞凋亡等机制保护组织器官，发挥抗IRI 作用。Nrf2 在IRI 中的保护机制十分复杂，本文就Nrf2 在大脑、心脏、肾脏、肝脏等器官IRI的保护机制作一综述。

1. Nrf2结构、功能和相关信号通路

1.1 Nrf2 结构

Nrf2 是Cap'n'collar 转录因子家族中的成员之一，分子量66 kU，位于2q31 染色体上，含有一高度保守的碱性亮氨酸拉链（basic leucime zipper，bZIP）结构。Nrf2包含6个保守的环氧丙氯相关蛋白同源结构域（Nrf2-erythroid-derived cap'n'-collar homology domain，Neh），即Neh1～Neh6。Neh1区通过bZIP结构域与核内sMaf蛋白形成异二聚体，帮助Nrf2 识别并结合抗氧化反应元件（antioxidant response element，ARE）上的相关序列，从而启动目标基因转录。

Neh2区通常与胞浆蛋白中的Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1（Kelch ECH-associating protein-1，Keap1）结合，对Nrf2 的活性起到负性调节作用，与Keap1的结合使得Nrf2被锚定于胞质中而处于失活状态。Neh3区对激活下游基因的转录极其重要。Neh4 和Neh5 区则通过与一种称为环磷腺苷效应元件结合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）结合，调控Nrf2转录活性。

Neh6区含有一个降解因子，参与Nrf2 的降解。但Nrf2 的结构数据非常少，这些区域均未被证明具有独立的三级结构，因此可能不是传统意义上的新结构域。

1.2 Nrf2 功能

Nrf2 调节数百种细胞保护分子的转录，包括抗氧化剂、解毒剂和分子伴侣（热休克蛋白）。正常情况下，Nrf2 分子与胞浆中的Keap1 蛋白分子相结合而处于非活性状态，通过胞浆内的泛素化途径进行降解，以维持细胞内Nrf2的低水平。

在应激下，Nrf2 逃脱蛋白酶体降解机制，从细胞质积累并转移到细胞核，在细胞核Neh1 结构域与Maf蛋白二聚，并与靶基因启动子中的ARE 序列TGCnnn（G/C）TCA（T/C）结合并触发其表达，同时促进下游的二相解毒酶和抗氧化蛋白基因的表达，从而发挥其抗炎、抗凋亡、抗氧化应激等细胞保护作用。此外，Nrf2 靶基因调控氧化还原稳态、自噬、蛋白酶体降解、DNA 修复和线粒体生理。

1.3 Nrf2 相关信号通路

1.3.1 Nrf2/ARE 通路

Nrf2/ARE 通路是迄今为止发现的人体内最为重要的内源性抗氧化应激通路。ARE 位于超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）等保护性基因5' 端的启动序列，激活后启动抗氧化酶基因的表达，保护组织正常功能。Nrf2/ARE 通路可在不同水平上调节，包括其在细胞质中的稳定性、核易位、磷酸化、氧化剂/ 亲电试剂的侵袭以及结合DNA 和引起相关基因的反式激活的能力。

正常条件下，ARE 依赖基因仅需基础水平表达，因此Nrf2 被隔离在细胞质，被阻止转位进入细胞核并通过泛素化降解。对于这一过程，目前至少有两种机制较受认可：第一种机制是通过Keap1介导，系指氧化剂/ 亲电试剂的侵袭，修饰了关键的半胱氨酸残基，引起Nrf2 的泛素化不允许构像，破坏或阻止Nrf2-keap1 相互作用，从而导致Nrf2 与Keap1 解偶联，使Nrf2 激活，由胞浆转入细胞核中与ARE 结合。

第二种机制通过糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）介导，受Nrf2 水平小波动的影响。在氧化应激条件下，GSK3β 介导的负调控机制受到干扰，导致多种细胞磷酸酶的抑制，细胞内肌醇-3- 磷酸水平的增加，并激活蛋白激酶B（protein kinase B，Akt），进而使GSK3β 磷酸化导致其失活，使Nrf2 逃脱抑制复合物，介导ARE 基因表达。另外，Nrf2 在细胞核Neh1 结构域与Maf 等蛋白二聚，并与靶基因启动子中的ARE 序列结合并触发它们表达。Nrf2/ARE通路在抗肿瘤、抗应激、抗凋亡、抗炎症反应、神经保护等方面发挥重要的细胞保护功能。

1.3.2 Nrf2/血红素加氧酶1（hemeoxygenase-1，HO-1）通路

HO-1 是一种重要的细胞保护酶，主要由转录因子Nrf2/ARE 激活调节，也可由Akt 通路对Keap1 的抑制诱导。活性氧（reactive oxygen，ROS）水平的变化可诱导Nrf2/HO-1 通路，当ROS水平升高时，Nrf2 进入细胞核后与ARE 结合进而增强包括HO-1 在内抗氧化应激蛋白的转录。

通过促分裂原活化的蛋白激酶途径使Nrf2 磷酸化或核易位，激活HO-1 在内抗氧化应激蛋白的基因转录，诱导多种内源性抗氧化酶的产生，从而减少或清除氧自由基，增强组织器官的抗氧化作用。此外，甲基巴多索隆（bardoxolone methyl，BARD）是Nrf2 的一个激活剂，BARD 可与Keap1 的半胱氨酸残基相互作用，抑制Keap1-Nrf2 结合，导致Nrf2 核易位，诱导HO-1 mRNA 和蛋白表达。

Fujiki 等研究发现，托伐普坦通过磷酸化蛋白激酶RNA 样内质网激酶（protein kinase R-like ER kinase，PERK）激活Nrf2/HO-1 抗氧化通路，BARD 和托伐普坦可协同激活Nrf2 核易位，增加HO-1 mRNA 和蛋白表达，并且PERK 磷酸化仅由托伐普坦诱导。HO-1 具有抗氧化、扩血管、改善组织微循环、抑制细胞凋亡及抗炎等多种生物学功能，能够调节并参与机体IRI 中抗氧化应激、抗炎及抗凋亡的过程。

2. Nrf2在器官IRI 中的保护机制

2.1 脑

脑IRI 可导致一系列严重的脑疾病或不同程度的残疾，甚至可导致死亡。Nrf2 可以通过抗氧化应激、抗炎、抗凋亡和促进血管生成来减轻脑IRI。Hou 等研究结果显示，在大鼠大脑中动脉缺血再灌注模型中，通过激活Nrf2、硫氧还蛋白（thioredoxin1，Trx1），发现激活Nrf2/ARE 可以促进Trx1 在细胞核的表达，Trx1 在细胞核中与硫氧还蛋白互作蛋白（thioredoxin interacting protein，TXNIP）紧密结合形成Trx1/TXNIP 复合物，减少了游离TXNIP进入细胞质中，进而抑制了NLRP3 炎性小体及其下游的胱天蛋白酶1、白介素-1b和白介素-18的表达和激活，减轻神经元的凋亡和炎症反应，而敲除Nrf2、Trx1 则呈现相反的结局。

研究结果提示Nrf2 在脑IRI 中通过激活Trx1 基因表达，减少Trx1/TXNIP 复合物的解离，抑制NLRP3 炎性小体的激活，进而减轻缺血再灌注导致的神经元的凋亡和炎症反应，这可能代表了对IRI 治疗的创新见解。也有学者通过动物实验研究发现，通过激活PI3K/Akt 信号通路后Nrf2 磷酸化和核易位，增加HO-1、醌氧化还原酶1（quinone oxidoreductase 1，NQO1）和SOD 的表达，抑制脑缺血再灌注所致的氧化应激损伤。

Wen等研究结果显示，6'-O-没食子酰芍药苷（6'-O-Galloylpaeoniflorin，GPF）通过激活PI3K/Akt通路上调PC12 细胞Nrf2 表达并促进核转位，可显著降低脑IRI 的梗死体积，改善神经功能缺损，降低氧化应激、炎症和神经元凋亡，可能是一种潜在的治疗脑梗死的药物。Liu等建立脑IRI 大鼠模型发现，绿原酸可通过降低氧化应激，以剂量依赖的方式改善脑缺血再灌注诱导的脑组织病理和皮层细胞凋亡，此过程也涉及Nrf2信号通路的激活。

2.2 心脏

心脏是人体最重要的器官之一，心肌IRI 常见于心搏骤停、休克、心肌梗死和心脏移植。Nrf2 可以通过抗氧化应激、抗炎和抗凋亡减轻心肌IRI。Fukunaga 等建立小鼠异位心脏移植过程中IRI 模型，结果显示，萝卜硫素以剂量效应的方式增加Nrf2 蛋白的表达，Nrf2 通过其抗氧化特性抑制核因子κB 的激活，导致IRI 后移植物功能的保留，此外还可以防止同种异体心脏血管病变的后续发展。

在新近的一项研究中，Zhou 等通过建立心肌IRI动物模型，发现应激诱导蛋白Sestrin2 是Nrf2 的激活剂，同时其也被Nrf2 上调。Sestrin2 通过促进Keap1 的去除，从而产生一个正反馈回路，进一步激活Nrf2 调控的抗氧化信号通路，介导木犀草素对糖尿病心肌IRI 的保护作用。

此外，Yuan 等研究发现，通过激活Akt 和上调Nrf2 及其下游抗氧化基因的表达，可显著降低梗死体积，改善血流动力学，减轻心肌损伤。另外，Meng等研究发现，心肌IRI 可通过调控Akt/GSK3β/Nrf2 信号通路抑制PHLDA3基因的表达，减轻氧化应激和炎症反应，在心肌IRI中发挥保护作用。

最近Wang等研究发现，右美托咪定可显著增加Nrf2 表达水平，通过激活AMP 依赖的蛋白激酶[adenosine 5'-monophosphate（AMP）-activated protein kinase，AMPK]/GSK3β/Nrf2 信号通路，减轻心脏IRI 过程中引起的氧化应激、炎症反应和细胞凋亡，从而降低了心肌梗死发生风险，改善患者心脏功能。

此外，Cheng 等研究发现，毛竹苷A 通过半胱氨酸诱导的构象变化负调控Nrf2 的激活，显著促进了Nrf2 向细胞核的易位，在蛋白水平上增加了HO-1 和NQO1 的表达，从而抑制Nrf2的泛素化并激活抗氧化酶，并且抑制NLRP3 炎性小体的激活，减轻炎症反应，进而在心肌IRI 过程中起保护作用。

2.3 肾脏

大量研究表明，肾脏IRI 过程中产生大量的氧自由基，造成组织细胞凋亡甚至死亡，而氧化应激诱导的细胞凋亡可能是肾脏IRI 的主要致病机制。Nrf2 可以通过抗氧化应激、抗炎和抗凋亡等途径减轻肾脏IRI。Diao等通过小鼠肾脏IRI 模型及相关研究，证明了抑制蛋白质精氨酸甲基化转移酶5（protein arginine methylation transferase 5，PRMT5）后，可激活Nrf2/HO-1 信号通路抑制ROS 诱导的炎症和凋亡，促进肾小管细胞增殖，从而对肾脏IRI 起保护作用。

在新近的一项研究中，Li等通过建立细胞和动物模型，发现茶黄素通过激活Nrf2-NQO1/HO-1 通路抑制氧化应激和凋亡，并纠正线粒体功能障碍，从而对肾脏IRI 具有保护作用。此外，Zheng等研究证实，地氟烷预处理后通过激活Nrf2-Keap1-ARE 信号通路，抑制炎症、细胞凋亡、氧化应激和脂质过氧化，减轻了模型大鼠的肾功能和组织学损伤，从而对肾脏IRI 起到保护作用。

2.4 肝脏

IRI 仍是肝移植或肝脏部分切除术后常见的并发症，Nrf2 可通过抗氧化应激、抗炎、抑制细胞凋亡等作用来减轻肝脏IRI。Yi 等通过建立小鼠肝静脉静脉损伤模型研究发现，在肝脏IRI 中肝细胞Nrf2 抗氧化反应可被免疫反应基因1（immune-responsive gene 1，IRG1）激活，IRG1 缺失可加重缺血再灌注后肝损伤。

Yuan 等研究发现，转录因子Nrf2 的磷酸化，正向调节HO-1 的基因表达，通过减少组织氧化应激和炎症保护肝脏IRI。很多药物也可激活Nrf2 及其信号通路。Ma 等建立动物模型，采用七氟醚预处理后，发现大鼠肝脏损伤程度和凋亡程度明显缓解，HO-1 和核Nrf2 表达水平显著增加，胞质Nrf2 表达水平降低，并且4%浓度的七氟醚对缺血再灌注诱导的肝细胞损伤的缓解效果最好，表现为乳酸脱氢酶和丙二醛含量、炎症因子、凋亡率、ROS 降低，有效促进Nrf2 入核或核易位，激活Nrf2/HO-1 通路。

同样也有研究表明，IRI后，大鼠肝脏组织中Nrf2 的表达明显降低，而七氟醚后处理抑制了Nrf2 的下调和血清miR-122、肝脏p53 的表达，促进了Nrf2 从细胞质到细胞核的运输，从而增加了HO-1 的表达，通过激活Nrf2/HO-1信号通路，减轻炎症反应、氧化应激和细胞凋亡，从而减轻肝脏IRI。Mohamed 等研究结果表明，AMPK/S317-ULK1/Nrf2 信号通路诱导肝脏IRI 后的保护性自噬，通过奥曲肽适当上调自噬和Nrf2 通路是缓解肝脏IRI 过程中损伤的必要条件。

来源：张萌,谢颖馨,胡礼宏.核因子E2-相关因子2在器官缺血再灌注损伤保护机制的研究进展[J].心电与循环,2024,43(03):302-306.

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