丙酮酸乙酯及其抗炎症作用
【摘要】 近年来的研究发现,原作为食品添加剂被使用的丙酮酸乙酯,通过对多种炎症反应中起关键作用的炎性介质的抑制、抗氧化等,可降低炎症损伤,保护脏器功能。具有临床研究与应用的前景。
【关键词】 丙酮酸乙酯;抗氧化;炎性介质
在危重病如脓毒症、急性胰腺炎、ARDS、多器官功能不全等的发生发展过程中,炎症反应起决定性作用并贯穿病程的始终,而抑制炎症反应的努力也贯穿治疗的始终。近年来对丙酮酸乙酯(Ethyl Pyruvate,EP)的大量的动物实验研究发现,丙酮酸乙酯不仅对感染引起的炎症反应(如脓毒症、内毒素血症)和非感染性炎症(如急性胰腺炎)具有抗炎作用,并且在休克、缺血-再灌注损伤中具有抑制炎症因子的表达、保护脏器的功能[1]。
1 概述
对丙酮酸乙酯的抗炎作用研究最初开始于对丙酮酸抗氧化作用的研究。丙酮酸是糖酵解的终产物及三羧酸循环及糖异生途径的的起始物,是机体能量代谢的主要中间产物,当机体氧供充足时丙酮酸在线粒体内氧化为乙酰辅酶A,维持三羧酸循环;当氧供不足时在乳酸脱氢酶作用下直接转化成乳酸,迅速为机体供能。丙酮酸在细胞内可能作为内源性抗氧化物,无需酶就能降解过氧化氢,产生二氧化碳和水,丙酮酸消除过氧化氢的反应高效迅速。除了清除过氧化氢,丙酮酸也能清除羟基、一氧化氮等其他活性氧,以减清氧化应激损伤。多项研究发现丙酮酸钠能保护由活性氧(ROS)导致器官损伤及改善心肌梗死、肠或肝缺血/再灌注模型引起的器官功能紊乱或器官损伤[2-4]。但是丙酮酸在水溶液中稳定性差,容易转化为2-羟基-2-甲基-酮戊二酸,这是一种有潜在毒性的物质,能抑制α酮戊二酸脱羧基形成琥珀酰辅酶A,阻断三羧酸循环,因此临床上的应用受到限制。
丙酮酸乙酯是丙酮酸亲脂性的酯化物,其分子式为CH�3COCOOCH�2-CH�3,相对分子质量为116.12,原为一种化工原料,常被作为食品添加剂广泛使用,最先作为丙酮酸的替代品用于动物实验。2001年,Sims[5]等研究发现林格氏丙酮酸乙酯溶液(REPS)较丙酮酸溶液更稳定,且无毒性。丙酮酸乙酯和丙酮酸具有相同的药理作用,且丙酮酸乙酯比丙酮酸的药理作用更加有效,另一方面它还可能有不同于丙酮酸的药理作用。
2 丙酮酸乙酯抗炎症作用与机制
2.1 丙酮酸乙酯的抗氧化作用 当脓毒症、休克、缺血-再灌注损伤、ARDS、多器官功能不全时,机体产生大量的活性氧物质,引起细胞功能紊乱,导致组织和器官的损伤。活性氧(ROS)是生物体内产生的超氧阴离子(O�-�2)、过氧化氢(H�2O�2)、羟自由基(HO�-)、一氧化氮(NO)等活性含氧化合物的总称。作为信号分子,参与内分泌、循环、免疫、神经等系统的调节,产生途径有外源性和内源性两种。在脓毒症、休克等病理状况下,体内产生过量的活性氧,体内抗氧化能力与之失衡,形成氧化应激反应,进而增加一些有特定功能的蛋白:如诱导型一氧化氮合酶(iNOS)mRNA、环氧化酶-2(COX-2)mRNA、肿瘤坏死因子-a(TNF-α)mRNA表达上调,释放大量细胞因子,包括TNF-α、白细胞介素(IL)-1、IL-6、IL-8、IL-12和一氧化氮(NO)等,引起失控的炎性反应。丙酮酸乙酯的a-酮基具有抗氧化性能,无需酶的催化可降低H�2O�2的产生,可以快速、直接中和H�2O�2、ONOO、OH-。同时丙酮酸乙酯水解后产生等分子量的丙酮酸和乙醇,丙酮酸迅速进入体内发挥其抗氧化作用。作为一种有效的抗氧化剂和活性氧清除剂,已在多种动物实验中被证实其作用[6-8]。
寇秋野[9]等利用丙酮酸乙酯干预脓毒症休克犬,通过对比氧化应激指标丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD) 活力、总抗氧化能力(T-AOC)、一氧化氮(NO)水平,得到丙酮酸乙酯能改善脓毒症休克犬的氧化应激状态,对多种脏器功能具有保护作用的结论。Karabeyoglu[10]等将EP(40 mg/kg)应用于烧伤大鼠,结果EP可减轻烧伤后的肠道氧化应激损伤和抑制细菌移位。Yang[11]等也发现作为活性氧清除剂,丙酮酸乙酯可以抑制由休克引起的肠系膜淋巴结细菌移位,抑制肝、肠黏膜的脂质过氧化,改善肠黏膜的过高通透性,阻止肠源性内毒素血症的发生。
2.2 丙酮酸乙酯的抗炎性介质作用 随着全身炎症反应的加重,机体免疫系统释放大量炎性介质,引发炎症介质级联反应,即“瀑布样”炎症反应。促炎细胞因子过度释放及其与抗炎细胞因子比例的失衡,使机体损伤不断加深。由巨噬细胞、中性粒细胞释放早期炎症介质TNF-α、IL-lB、IL-6等,进而诱导iNOS mRNA的表达,使细胞释放NO增多,NO又可使炎症介质的生物活性增强。更多的实验也表明丙酮酸乙酯可以减少早期炎症介质的表达,减轻炎症反应和缺血-再灌注等引起的组织器官损伤。陈敏英[12]等研究表明丙酮酸乙酯干预可使脓毒症小鼠IL-6/IL-10比值趋于正常,降低体内促炎、抗炎因子失衡状态,逆转脓毒症的失控炎症反应。Ulloa[13]等采用大鼠在注射致死量LPS前先给予丙酮酸乙酯预防的方法,发现能显著降低循环中TNF浓度,提高大鼠生存率。
在炎症的持续发展中,随着时间的延续,早期炎症介质TNF-α和IL-l水平往往已经恢复正常,但患者的病情持续加重直到死亡。因此提示存在某些晚期炎症介质维持并延长着病理过程 。高迁移率族蛋白B-l(HMGB1)是最近研究新发现的一种重要的晚期炎症介质,其分泌高峰较TNF-α、IL-lB等炎症介质晚,作为晚期炎症介质参与脓毒症,内毒素血症等病理生理过程。炎症状态下,HMGB1可由巨噬细胞或单核细胞主动分泌,亦可由坏死组织细胞被动释放[14,15]。HMGB1不仅在炎症物质刺激下由固有免疫细胞分泌,其本身也能够诱导单核/巨噬细胞、中性粒细胞和树突状细胞等合成并分泌炎症介质,这些介质又能够加强HMGB1的分泌效应,形成一个复杂的细胞因子分泌调节网络。其在炎症反应的细胞因子网络中具有核心作用。
在动物模型中发现,丙酮酸乙酯是一种具有剂量依赖性和时间依赖性的抗炎制剂,不同剂量和不同时间的给予会产生不同的效果[16]。对由LPS刺激的巨噬细胞释放HMGBl有抑制作用,可以明显降低脓毒症大鼠血浆中HMGB1水平,改善脓毒症大鼠生存率[13]。栾正刚[17]等及杨智勇[18]等的研究均发现HMGBl作为晚期炎症因子参与了重症急性胰腺炎大鼠的全身炎症反应。延迟的EP治疗仍能降低重症急性胰腺炎大鼠血清HMGB1水平,降低胰腺及胰外脏器的损伤,延长动物生存时间。
严重持续的全身炎症反应可引起组织损伤、休克,多器官功能衰竭,在全身炎症反应的早期阶段,临床治疗的窗口期比较窄,针对早期炎症介质的治疗尚难取得明显的效果。而HMGBl作为晚期炎症介质,其释放较早期炎症介质TNF-α、IL-lB延迟,故为临床治疗提供了更宽的窗口期。
2.3 丙酮酸乙酯抑制炎症信号转导通路NF-κB是一种重要的核转录因子,是诱导许多基因表达的重要调节因子,广泛存在于真核细胞的胞浆及胞质中,是调节免疫反应、肿瘤、应激反应、凋亡和炎症的中心环节,与p38MAP激酶共同组成炎症因子释放的关键信号通路,广泛参与炎症介质和细胞因子(TNF-α、IL-1、IL-6)、黏附分子(ICAM-l、VCAM-1)趋化因子和一些炎性相关酶等基因的调控 [19]炎症介质和超氧阴离子(O�2-) H�2O�2等均可激活NF-κB信号传导,使其诱导炎性细胞因子表达,NF-κB的过度刺激及长时间激活与炎症的发生、发展有密切关系。研究发现丙酮酸乙酯可以抑制NF JB的活性及其信号传递,通过与活化的巨噬细胞相互作用抑制p38 MAPK通路,并最终抑制了包括TNF、HMGB1 等在内的一部分炎症介质的释放[20]。另有研究认为由于氧化应激能够激活NF-κB依赖的基因转录,丙酮酸乙酯可能是通过降低细胞内谷胱甘肽(GSH)的水平,清除ROS,进而抑制NF-κB的活性,产生抗炎效应[21]。郭家龙[22]等通过对大鼠缺血再灌注损伤心肌的观察,认为丙酮酸乙酯可能是通过减少氧自由基而抑制NF-κB过度表达。总之,目前对丙酮酸乙酯可以通过抑制NF-κB过度表达而降低炎症损伤是肯定的,但具体作用机制说法不一,有待进一步研究。
3 展望
丙酮酸乙酯在脓毒症、内毒素血症、休克、器官缺血-再灌注损伤、多器官功能不全、急性胰腺炎等急性危重疾病中均有大量动物实验证明其具有抗氧化、抗炎症介质、保护脏器功能的作用,但目前对其治疗作用的研究尚处于动物实验和体外实验阶段,其抗炎作用机制、药理作用尚待进一步阐明,其量-效关系及安全性仍需进一步的研究验证。丙酮酸乙酯已被美国FAD列为对人体安全的物质,愈来愈多的动物实验对其疗效的肯定,这些都为进行临床研究与治疗提供了一条充满希望的途径。
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