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氧化應(yīng)激與心血管疾病關(guān)系的研究進(jìn)展

2014-01-26 22:40王全偉凡文博王智昊
中國老年學(xué)雜志 2014年1期
關(guān)鍵詞:內(nèi)皮內(nèi)皮細(xì)胞心肌細(xì)胞

王全偉 凡文博 王智昊 吳 揚(yáng)

(吉林大學(xué)白求恩第一醫(yī)院心血管疾病診治中心,吉林 長春 130021)

交感神經(jīng)系統(tǒng)激活、血管內(nèi)皮功能異常、腎素-血管緊張素系統(tǒng)活性增高及某些細(xì)胞因子水平變化等參與心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展。文獻(xiàn)報道〔1,2〕,氧化應(yīng)激(OS)參與心血管疾病發(fā)生、發(fā)展多種病理生理過程,引發(fā)動脈粥樣硬化、心力衰竭、高血壓、心肌損傷等多種心血管疾病。

1 OS

OS是指機(jī)體在遭受各種有害刺激時,體內(nèi)高活性分子活性自由基(FR)產(chǎn)生過多,氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡,大量FR不斷聚積,從而導(dǎo)致組織損傷,引發(fā)各種疾病。OS的標(biāo)志物包括活性氧自由基(ROS)如:陰離子(O2-)、羥自由基(OH)和過氧化氫(H2O2)等和活性氮自由基(RNS),如:一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和過氧化亞硝酸鹽(ONOO-)等。細(xì)胞內(nèi)的ROS有多種來源,許多細(xì)胞內(nèi)的酶促成化學(xué)反應(yīng)途徑均生成ROS。除線粒體呼吸鏈外,內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合酶(eNOS)、黃嘌呤氧化酶、細(xì)胞色素P450氧化酶、NADPH氧化酶〔2〕、脂氧合酶和環(huán)氧化酶催化的反應(yīng)均伴有ROS的產(chǎn)生〔3〕。肥胖基因(Ob基因)的表達(dá)物瘦素蛋白可以引起內(nèi)皮細(xì)胞增殖、內(nèi)皮功能紊亂等,從而引起OS,促進(jìn)血小板聚集和血管平滑肌細(xì)胞遷移及增殖,參與動脈粥樣硬化(AS)的形成〔4〕。紫外線照射、電磁輻射、吸煙也可促進(jìn)ROS形成,導(dǎo)致OS〔5〕。

2 機(jī)體內(nèi)ROS介導(dǎo)的生理功能

(1)ROS對轉(zhuǎn)錄因子的活化及調(diào)控基因表達(dá)的作用 ROS通過直接修飾轉(zhuǎn)錄因子,或?qū)Ψg后的轉(zhuǎn)錄因子磷酸化和去磷酸化,調(diào)節(jié)蛋白激酶活性,調(diào)控基因表達(dá)〔6〕。(2)ROS促細(xì)胞凋亡作用 OS通過線粒體、死亡受體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等途徑介導(dǎo)細(xì)胞凋亡〔7〕,也可能通過激活絲裂原活化蛋白激酶通路、活化核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)并誘導(dǎo)其表達(dá)、激活caspases等途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。(3)ROS在促細(xì)胞生長信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用 ROS促進(jìn)細(xì)胞增殖是通過多個位點對信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的結(jié)果,如ROS可以活化磷脂酶而進(jìn)一步調(diào)節(jié)下游的細(xì)胞信號,調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能〔8〕;H2O2激活絲裂原激活蛋白激酶、酪氨酸激酶等,通過不同的通路對細(xì)胞功能進(jìn)行調(diào)節(jié)〔9〕。ROS也可看作細(xì)胞內(nèi)第二信使,對細(xì)胞外各種不同的刺激在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生協(xié)同或者聯(lián)合反應(yīng)〔10〕。(4)參與免疫反應(yīng)。 Hehner等〔11〕提出:在機(jī)體感染的初始反應(yīng)階段,抗原沒有達(dá)到激活T細(xì)胞的水平,單憑抗原無法激活應(yīng)答反應(yīng),ROS可通過自身的作用引起T細(xì)胞內(nèi)還原型谷胱苷肽/氧化型谷胱苷肽(GSH/GSSG)的比率發(fā)生改變,進(jìn)而把先天免疫和獲得性免疫連接起來。同時在感染的初始反應(yīng)階段,巨噬細(xì)胞等產(chǎn)生的ROS能夠影響免疫系統(tǒng)產(chǎn)生應(yīng)答反應(yīng),破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜或病毒的蛋白質(zhì)〔12〕。

3 OS與心血管疾病

3.1OS與AS OS在AS的發(fā)生、發(fā)展過程中扮演重要角色,其主要通過氧化作用,促進(jìn)局部炎癥反應(yīng),誘導(dǎo)血管基因的改變等多方面參與AS的發(fā)生發(fā)展過程〔13~15〕。

在AS的發(fā)展進(jìn)程中,低密度脂蛋白(LDL)的氧化修飾可導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化(LPO)的發(fā)生,而LPO過程是一個產(chǎn)生FR和FR參與的鏈?zhǔn)椒g,是ROS對機(jī)體造成的最大損害。生物膜上的許多不飽和脂肪酸對ROS的進(jìn)攻非常敏感,一旦反應(yīng)啟動,就會以鏈鎖反應(yīng)方式進(jìn)行下去,造成大量脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生〔16〕。在代謝過程中,過氧化物被斷裂成大小不同的醛類分子,具有細(xì)胞毒性,破壞或改變生物膜的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致膜流動性下降、通透性改變、運(yùn)輸功能紊亂等。動脈壁中的平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、單核巨噬細(xì)胞都具有氧化修飾LDL的功能,氧化的LDL(ox-LDL)與巨噬細(xì)胞上清道夫受體高度親和,趨化單核細(xì)胞至內(nèi)皮下間隙,促進(jìn)平滑肌細(xì)胞增殖,巨噬細(xì)胞中膽固醇酯大量聚積,發(fā)生變性、壞死,形成泡沫細(xì)胞;誘導(dǎo)大量炎癥因子的生成,加速動脈硬化進(jìn)程,且無負(fù)反饋機(jī)制。因此,ox-LDL是致AS的獨立危險因素,由于OS中ROS的蓄積而導(dǎo)致大量的LDL被氧化修飾成ox-LDL,進(jìn)而加速AS。因此在冠心病心肌急性缺血、缺氧時,ROS等大量生成,心肌細(xì)胞膜遭到破壞,心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生改變,進(jìn)而加重了心肌缺血、缺氧損傷。

單核細(xì)胞黏附于血管內(nèi)皮是AS病變的起始事件,黏附分子如血管細(xì)胞黏附分子-1(VCAM-1)、單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)等在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。OS可以誘導(dǎo)多種血管基因表達(dá)的改變,包括VCAM-1基因,MCP-1基因等。而很多種氧化物前體可直接刺激血管內(nèi)皮細(xì)胞或平滑肌細(xì)胞,上調(diào)致動脈粥樣硬化基因的表達(dá),促進(jìn)單核細(xì)胞黏附及炎性分子釋放,加重局部炎癥反應(yīng)。有文獻(xiàn)〔17〕報道,H2O2可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞間黏附分子-1(ICAM-1)蛋白及mRNA表達(dá)增加,而抗氧化劑對此有抑制作用。

AS在病變明顯顯現(xiàn)之前就會伴有內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙,且程度隨病情發(fā)展逐漸加重。有文獻(xiàn)〔18〕報道,OS過程中產(chǎn)生大量的FR和H2O2,可直接損傷內(nèi)皮細(xì)胞,導(dǎo)致其功能障礙,甚至致壞死或凋亡,還能增加單核細(xì)胞及中性粒細(xì)胞對內(nèi)皮細(xì)胞的黏附性及活性,增強(qiáng)血小板聚集的敏感性,引發(fā)或加重AS。Kyaw等〔19〕報道:抗氧化劑對血管內(nèi)皮細(xì)胞具有保護(hù)作用,可一定程度地抑制由腫瘤壞死因子(TNF-α)誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,達(dá)到預(yù)防和(或)改善AS的作用。有動物實驗?zāi)P汀?0〕證明,在兔AS模型中,血管細(xì)胞NADPH氧化酶活性顯著升高,主動脈內(nèi)氧離子產(chǎn)生增加,給予抗氧化劑超氧化物化酶(SOD)或丙丁酚可逆轉(zhuǎn)上述變化。在大鼠動脈粥樣硬化模型中,用黃嘌呤氧化酶抑制劑可降低大鼠體內(nèi)ROS的生成,促進(jìn)血管功能恢復(fù)。以上表明OS參與AS的發(fā)生、發(fā)展過程,是AS的促進(jìn)因素,而抗氧化治療有助于防止和逆轉(zhuǎn)病變的形成。

3.2OS與心力衰竭(HF)及心肌細(xì)胞凋亡 HF是指由各種心臟疾病導(dǎo)致心功能不全而引起的一種綜合征,其發(fā)病機(jī)制涉及神經(jīng)體液機(jī)制、細(xì)胞因子、OS和心肌細(xì)胞凋亡等,以上各個因素之間又相互聯(lián)系和影響。HF的發(fā)生、發(fā)展過程中ROS的主要來源〔21〕:(1)缺血缺氧,心肌能量供應(yīng)不足,ATP降解產(chǎn)物黃嘌呤、次黃嘌呤增多,而黃嘌呤最終代謝為尿酸的過程中產(chǎn)生大量ROS;(2)兒茶酚胺的大量分泌和自由化,促炎性細(xì)胞因子合成分泌增加或直接刺激內(nèi)皮細(xì)胞,導(dǎo)致NADH/NADPH 氧化系統(tǒng)激活,心肌細(xì)胞產(chǎn)生ROS;(3)HF時可伴有炎性反應(yīng),中性粒細(xì)胞被補(bǔ)體和白三烯激活后釋放ROS;(4)能量缺乏時,線粒體呼吸鏈系統(tǒng)酶活性降低,電子傳遞發(fā)生障礙,使利用氧經(jīng)四電子氧化還原為H2O的氧化磷酸化過程轉(zhuǎn)變?yōu)閱坞娮舆€原,從而產(chǎn)生ROS;(5)HF時不但有ROS的生成增多,還存在其清除減少,大量ROS在體內(nèi)積聚,加速OS,形成惡性循環(huán)。ROS可損傷心肌細(xì)胞膜和改變離子通道,造成心肌細(xì)胞損傷;可促進(jìn)膠原合成,導(dǎo)致心肌纖維化,進(jìn)而促進(jìn)心室重構(gòu);可引發(fā)和加重血管內(nèi)皮功能障礙,使內(nèi)皮細(xì)胞依賴的血管舒張作用減弱,血管阻力逐步增加,最終導(dǎo)致左心室負(fù)荷過重和HF進(jìn)展,加劇心功能減退及循環(huán)功能障礙,參與心力衰竭形成發(fā)展的不良發(fā)展鏈條〔22〕。

此外,OS還參與心肌細(xì)胞的凋亡。細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的ROS所引起的繼發(fā)性O(shè)S反應(yīng)與心肌細(xì)胞凋亡的發(fā)生有密切聯(lián)系〔23〕。ROS通過多種機(jī)制影響細(xì)胞凋亡,包括直接遺傳毒性作用。ROS是細(xì)胞凋亡中的第二信使,細(xì)胞接受促凋亡信號后引起ROS升高,ROS可促進(jìn)Ca2+內(nèi)流,上調(diào)促凋亡因子Bax的表達(dá),破壞線粒體內(nèi)膜電勢,天冬氨酸特異的半胱氨酸酶的激活,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

3.3OS與高血壓 原發(fā)性高血壓的發(fā)病機(jī)制目前還不完全清楚,但是大量的研究均發(fā)現(xiàn)OS在高血壓的發(fā)病機(jī)制和并發(fā)癥中具有重要的作用,Khullar等〔24〕報道:在原發(fā)性高血壓病人的循環(huán)血中OS標(biāo)志物濃度明顯升高,內(nèi)源性抗氧化物質(zhì)明顯低于正常者,且程度與舒張壓呈負(fù)相關(guān)。有資料〔25〕表明,原發(fā)性高血壓、腎血管性高血壓和惡性高血壓、鹽敏感性高血壓、環(huán)胞素誘導(dǎo)的高血壓以及先兆子癇等患者機(jī)體內(nèi)均存在著不同程度的OS增強(qiáng)。

OS與高血壓的發(fā)生、發(fā)展可能存在互為因果的關(guān)系,即OS可以引起并維持高血壓,而高血壓可增加OS,前者的機(jī)制可能主要有:(1)過氧化物滅活血管擴(kuò)張因子NO〔26〕,生成具有血管收縮作用的過氧化產(chǎn)物如F2-異前列腺素〔27〕;(2)耗竭NOS合成的重要輔因子四氫生物嘌呤(BH4)〔28〕,使NO生成減少,O2-生成增多,引起O2-/NO間的平衡進(jìn)一步失衡,形成了內(nèi)皮功能損傷的惡性循環(huán)〔29〕;(3)損傷血管的結(jié)構(gòu)和功能,主要包括直接損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞,對內(nèi)皮細(xì)胞二十酸代謝的影響,改變氧化還原狀態(tài),增加細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度而調(diào)節(jié)血管收縮;(4)增加內(nèi)皮細(xì)胞通透性;(5)刺激炎癥發(fā)生。因此,OS可促進(jìn)了血管平滑肌細(xì)胞增殖和肥厚,導(dǎo)致膠原沉積,進(jìn)而導(dǎo)致血管壁增厚和血管腔狹窄;可損傷內(nèi)皮細(xì)胞以及內(nèi)皮依賴性血管擴(kuò)張,增加血管收縮性;可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮通透性增加,進(jìn)一步損傷血管內(nèi)皮功能,加重血管的損傷〔30〕。

高血壓引起ROS增加的機(jī)制目前研究比較少,主要集中在激活促氧化劑系統(tǒng)并產(chǎn)生ROS的刺激物。一些與高血壓相關(guān)的收縮血管活性因子如血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)、內(nèi)皮素、去甲腎上腺素以及血小板活性生長因子等在動物實驗中可以導(dǎo)致ROS的形成增加,而高血壓的機(jī)械壓力損傷血管內(nèi)皮和平滑肌細(xì)胞等也將在一定程度上激活這些細(xì)胞增加ROS生成,并導(dǎo)致高血壓的出現(xiàn)。文獻(xiàn)報道〔31〕,在高血壓模型中,血液以及脾臟中的白細(xì)胞能夠自發(fā)活化,產(chǎn)生大量的ROS,進(jìn)而引發(fā)OS、炎癥反應(yīng)以及心血管和腎臟的多種并發(fā)癥。以上顯示,ROS在高血壓發(fā)生、發(fā)展的病理生理過程中起著重要的作用。

3.4OS與心肌缺血再灌注損傷 正常心肌內(nèi)存在一定量的ROS,當(dāng)組織缺血、缺氧時,ROS清除系統(tǒng)功能降低,生成系統(tǒng)活性增強(qiáng)。缺血后再灌注時,缺血區(qū)大量白細(xì)胞被活化,氧耗量迅速增加,O2經(jīng)白細(xì)胞還原型輔酶作用,產(chǎn)生O2-,O2-經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性的OH和H2O2等。急性蓄積的ROS與心肌細(xì)胞磷脂膜上的不飽和脂肪酸作用,導(dǎo)致膜脂質(zhì)LPO,引發(fā)細(xì)胞膜、線粒體膜及肌質(zhì)網(wǎng)膜等結(jié)構(gòu)改變,導(dǎo)致其功能障礙。Burton〔32〕發(fā)現(xiàn):機(jī)體內(nèi)抗氧化酶類,如SOD,GSH-Px及CAT可不同程度地縮小心肌梗死面積。

3.5OS與其他心血管疾病 OS與心肌肥厚密切相關(guān),ROS通過介導(dǎo)細(xì)胞信號傳導(dǎo),激活轉(zhuǎn)錄因子,調(diào)控DNA的表達(dá),進(jìn)而參與控制細(xì)胞生長。Nakagami等〔33〕用AngⅡ誘導(dǎo)新生鼠心肌細(xì)胞肥大,發(fā)現(xiàn)O2-可介導(dǎo)心肌細(xì)胞的肥厚反應(yīng)。Shiomi等〔34〕發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因鼠GSH-Px的過表達(dá)可降低心肌肥厚的左心室重構(gòu)程度。說明抗氧化劑能防治或逆轉(zhuǎn)心肌肥厚的發(fā)生,同時也進(jìn)一步說明ROS參與了心肌肥厚的發(fā)生和發(fā)展。

OS與某些心律失??赡芤簿哂幸欢ǖ膬?nèi)在聯(lián)系,Pallandi等〔35〕報道,F(xiàn)R可引起靜息電位緩慢去極化(可逆性),振幅降低和去極化Vmax的下降,使折返形成,閾電位接近膜電位,心肌細(xì)胞應(yīng)激性增強(qiáng),導(dǎo)致單個或一級細(xì)胞的潛在自動去極化傾向,最終導(dǎo)致細(xì)胞自律性增強(qiáng)。Manning等〔36〕發(fā)現(xiàn)FR抑制劑能降低心肌缺血大鼠模型室性心律失常的發(fā)生率。

4 抗氧化研究意義

OS作為心血管疾病的發(fā)病機(jī)制之一,與其他病理生理機(jī)制互相影響,直接或間接地參與了AS、HF、高血壓、心肌損傷、心律失常、心肌肥厚等心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展過程。尋找有效的抗氧化措施,減少ROS的產(chǎn)生,防治脂質(zhì)過氧化、減輕OS所產(chǎn)生的損傷等,能夠為心血管疾病提供更有針對性的防治方案。機(jī)體內(nèi)抗氧化系統(tǒng):(1)抗氧化酶類系統(tǒng),包括SOD,GSH-Px,CAT,是人體對抗FR的第一道防線,其可聯(lián)合機(jī)體內(nèi)某些礦物質(zhì),利用氧化還原作用將過氧化物轉(zhuǎn)換為毒害較低或無害的物質(zhì),并可以在過氧化物產(chǎn)生時,即刻發(fā)揮作用,如:SOD多與銅(Cu)和鋅(Zn)結(jié)合成CuZnSOD,可將毒性高的ROS轉(zhuǎn)換為毒性較低的H2O2和O2,GSH-Px可以繼續(xù)作用在H2O2上,使之轉(zhuǎn)變成完全無害的H2O和O2,CAT也可在鐵質(zhì)的輔助下將H2O2分解為H2O和O2。(2)非酶類抗氧化劑,包括谷胱甘肽、維生素E、維生素C、褪黑素、尿酸及膽紅素等,它們可發(fā)揮捕捉活性氧、抑制FR對組織細(xì)胞損傷的積極作用。

然而,在OS的作用機(jī)制及抗氧化治療的研究中,還存在一些尚未解決的問題:(1)在臨床研究中,ROS的檢測手段不夠普及,雖然現(xiàn)已有脈沖射解、順磁共振和自旋搜集等研究活性氧的方法技術(shù),但這些技術(shù)所需要儀器價格昂貴,并且活性氧半衰期很短,體內(nèi)產(chǎn)生量少,因此需要尋找簡便、易行、可靠的活性氧檢測方法。(2)臨床實驗抗氧化劑的治療結(jié)果不令人滿意。(3)機(jī)體內(nèi)抗氧化酶類不能外源補(bǔ)充,常規(guī)抗氧化劑穩(wěn)定性不足,且不能大量補(bǔ)充,雖然目前一類新型的抗氧化劑,通過特異靶向定位于異常的氧化酶同系物發(fā)揮作用,如通過靶向特異性抑制NAD(P)H氧化酶來減弱心血管氧化應(yīng)激已經(jīng)證明有效〔31〕,但無法大規(guī)模應(yīng)用于臨床。

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