袁敏 韓軒茂 藺雪峰

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院研究生院,內(nèi)蒙古 包頭 014010; 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院心內(nèi)科,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

抗氧化劑最早在20世紀(jì)下半葉開始流行。在20世紀(jì)90年代初期,一項大型人體研究表明,維生素E補充劑可能與降低心血管疾病風(fēng)險有關(guān),這將抗氧化劑在臨床中的應(yīng)用推向了高潮[1]。此前,雖然也有許多臨床前研究和流行病學(xué)工作報道了抗氧化劑對慢性炎癥、神經(jīng)變性和癌癥相關(guān)的有益作用[2-3],但因抗氧化劑的反應(yīng)性不受控制、溶解性差、吸收曲線有限、生物利用度低,并且在靶點的濃度低等一系列特點,使得抗氧化療法在醫(yī)療方向的發(fā)展受到限制[4]。如今,只有少數(shù)抗氧化劑達到了使用標(biāo)準(zhǔn)并投入臨床應(yīng)用,包括用于治療乙酰氨基酚過量的N-乙酰半胱氨酸、用于治療腦梗死的依達拉奉、用于治療糖尿病神經(jīng)病變的α-硫辛酸、用于治療慢性靜脈功能不全的一些類黃酮(膳食植物中存在的多酚化合物),以及用于治療骨關(guān)節(jié)炎的黃芩素和兒茶素[5-6]。不過,這些治療還遠遠不能滿足目前臨床對抗氧化劑使用的需求。納米酶作為一種天然酶與納米材料結(jié)合的新型人工酶,近年來被廣泛報道。由于納米酶穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和理化特性,使其具有高穩(wěn)定性、易擴增以及低成本的優(yōu)點[7],目前已有相當(dāng)多的納米材料被發(fā)現(xiàn)具有模擬酶活性,并在環(huán)境保護、疾病治療等方面展現(xiàn)出巨大潛力[8]。金屬元素鈰(Ce)是可從氟碳鈰礦中提取到的一種氧化劑,是所有稀有元素中含量最豐富的,該元素具有極好的氧緩沖能力,Ce與氧通過水相合成法以納米粒子的形式組合在一起,構(gòu)成了新型納米材料納米氧化鈰(cerium oxide nanoparticles,CeNPs),其晶體結(jié)構(gòu)中Ce3+和Ce4+可快速而方便地交換,根據(jù)其表面Ce3+/Ce4+的混合價態(tài)的存在,以及表面存在的大量氧空位,使其表現(xiàn)出氧緩沖優(yōu)勢。這些氧空位可使CeNPs具有超氧化物歧化酶模擬活性、過氧化氫酶模擬活性、羥基和一氧化氮清除活性[9-10]。CeNPs在生理pH值狀態(tài)下表現(xiàn)出最佳的抗氧化性能,而在酸性條件下表現(xiàn)為氧化酶的性能[11]。因此,CeNPs可為受到氧化應(yīng)激的機體細胞提供高效、持久的保護作用。雖然其抗氧化的具體機制目前尚未十分明確,但因為CeNPs對正常組織顯示出的毒性最小,同時可提供對活性氧(reactive oxygen species,ROS)依賴性氧化損傷細胞的保護作用[12],使其成為預(yù)防和治療氧化應(yīng)激導(dǎo)致的相關(guān)疾病的潛在治療工具,目前已在生物及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中引起了極大的關(guān)注。

1 CeNPs對ROS的調(diào)控

大量研究[13-15]表明,CeNPs可降低ROS水平,在體內(nèi)、體外清除ROS,進而降低大多數(shù)炎癥介質(zhì),防止內(nèi)皮細胞損傷,減少因ROS的過量產(chǎn)生而導(dǎo)致的壞死和凋亡。炎癥嚴(yán)格意義上來講是免疫應(yīng)答反應(yīng)的外在表現(xiàn),炎癥可能通過在免疫反應(yīng)期間清除ROS來瞄準(zhǔn)代謝過程,從而調(diào)整免疫反應(yīng)[16]。炎癥與氧化應(yīng)激是相互促進的關(guān)系,ROS作為信號分子在炎癥反應(yīng)的進展中起重要作用,ROS的過量產(chǎn)生導(dǎo)致機體氧化應(yīng)激進而發(fā)生炎癥。炎癥反應(yīng)過程中機體會快速釋放大量炎癥因子,如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素(interleukin,IL)-1和IL-6等,并在短時間內(nèi)生成大量ROS,從而造成機體的炎癥反應(yīng)[17]。體內(nèi)ROS的清除主要依靠超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性,CeNPs因其具有以上兩種酶的模擬活性,可清除過量產(chǎn)生的ROS。Zheng等[18]的研究表明,通過檢測三種炎癥相關(guān)因子(TNF-α、一氧化氮、IL-6)的表達,得出CeNPs可下調(diào)以上三種炎癥因子的表達,從而減輕炎癥反應(yīng);通過模擬超氧化物歧化酶的活性,使用過氧化氫誘導(dǎo)細胞應(yīng)激,利用H2DCFDA分析得出CeNPs可清除超氧自由基,具有抗氧化能力,證實減少氧化應(yīng)激有助于減輕炎癥反應(yīng)。因此,可以得出,CeNPs可通過調(diào)控炎癥因子的表達,進而調(diào)控ROS的產(chǎn)生,在機體內(nèi)炎癥的發(fā)生和發(fā)展中起重要作用。

ROS作為氧化呼吸鏈過程中產(chǎn)生的高氧化性化合物,在機體免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮著不可忽視的作用。Ce的兩種氧化態(tài)使得氧空位的形成和占據(jù)成為可能,氧空位對其氧(電子)緩沖能力是必不可少的,因此其能作為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的催化劑。CeNPs在再循環(huán)過程中是抗還原劑(Ce4+到Ce3+)還是抗氧化劑(Ce3+到Ce4+),要依賴于周圍移除的過量的ROS。在M1(致力于無氧糖酵解)極化過程中,ROS被CeNPs有效清除,但當(dāng)細胞表達M0(致力于有氧糖酵解)或M2(致力于脂肪酸氧化)表型時,沒有觀察到CeNPs的活性或生物效應(yīng)?？梢钥闯鯟eNPs的ROS緩沖能力隨著ROS濃度的增加而增加,直到CeNPs表面飽和。不僅如此,CeNPs的生物降解性也可通過其Ce3+/Ce4+的相互轉(zhuǎn)化被證明,在催化循環(huán)過程中,“活化”態(tài)的Ce3+會從納米粒子中泄漏出來并游走,在體內(nèi)可降解成無害的Ce3+,通過尿液排出體外[9]。因此,正是因為CeNPs可通過降低ROS的水平而發(fā)揮抗炎作用,并且因其具有可觀的生物降解性,使其在醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域越來越受到重視。

2 氧化應(yīng)激造成心肌損傷的機制

通俗來講,氧化應(yīng)激要么是ROS水平的升高,要么是抗氧化劑水平的降低。當(dāng)氧化物質(zhì)的水平高于抗氧化劑的水平時,氧化還原穩(wěn)態(tài)就會被擾亂并導(dǎo)致氧化應(yīng)激。這些氧化物質(zhì)的低水平是正常信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程所必需的,但較高水平的氧化物質(zhì)已被證明與許多病理狀態(tài)有密切關(guān)系。過量產(chǎn)生的自由基是導(dǎo)致人體許多氧化應(yīng)激造成相關(guān)疾病的主要原因。

氧化應(yīng)激在急性心肌損傷以及進行性心臟和血管疾病中的致病作用越來越明顯。氧化應(yīng)激可導(dǎo)致氧化還原敏感轉(zhuǎn)錄因子的激活和促炎細胞因子如TNF-α的轉(zhuǎn)錄。心肌損害的機制可能涉及多種復(fù)雜的因素,其中ROS的產(chǎn)生、脂質(zhì)過氧化以及氧化應(yīng)激損傷備受關(guān)注[19];同時也涉及心肌內(nèi)炎癥反應(yīng)的增強及TNF-α和IL-1等促炎介質(zhì)的釋放;以及線粒體功能障礙和細胞變性引起的心肌細胞凋亡等[20],但目前大多數(shù)研究更傾向于ROS產(chǎn)生過量所導(dǎo)致的心肌損害。其中促炎細胞因子,如TNF-α、IL-1β、IL-6被認為是進行性心功能不全造成的心肌相關(guān)疾病過程中的潛在參與者[21-23]。這些細胞因子由心肌中的所有有核細胞類型產(chǎn)生,可能通過ROS誘導(dǎo)的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(如核因子-κB)等機制的激活,進而造成心肌損傷。缺血再灌注(ischemia reperfusion,IR)誘發(fā)性損傷是導(dǎo)致冠心病的主要原因,在心肌IR過程中,內(nèi)皮細胞不僅產(chǎn)生大量的ROS,而且會顯著降低抗氧化活性,ROS的過量增加會導(dǎo)致冠心病的IR損傷,而ROS的水平可由谷胱甘肽過氧化物酶家族調(diào)節(jié)。有研究[24-25]發(fā)現(xiàn),在冠心病患者中,谷胱甘肽過氧化物酶的過度表達可通過抑制ROS的產(chǎn)生減少IR引起的凋亡。此外,抑制TRPM4(一種鈣激活的非選擇性陰離子通道)可保護心肌免受IR損傷,通過實驗證明,對TRPM4的封鎖可能通過保持線粒體膜的活性和細胞內(nèi)ATP水平,減少ROS的產(chǎn)生來保護心肌細胞免受氧化應(yīng)激的影響[26]。

3 CeNPs保護心肌細胞的機制

目前,納米醫(yī)學(xué)和生物工程領(lǐng)域的研究人員已生產(chǎn)出具有獨特的ROS清除能力的納米級抗氧化劑(即納米抗氧化劑),成功地治療了ROS相關(guān)的疾病,在心肌IR、糖尿病、視網(wǎng)膜疾病、胃腸炎癥、肝臟炎癥、腦卒中、帕金森病和癌癥的治療中發(fā)揮作用,以上這些疾病都與過量的ROS產(chǎn)生和炎癥有關(guān)[27]。因此,從理論的角度來看,抗氧化劑既可以保護機體免受氧化應(yīng)激,又可以通過抑制ROS依賴性炎癥反應(yīng)促進病原性炎癥的解決,使機體恢復(fù)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡[28],因此,CeNPs在未來生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分可觀。

此前,在Pagliari等[29]的研究中首次證實了CeNPs顆粒對心臟祖細胞免受氧化應(yīng)激有著前所未有的長期保護作用,心肌祖細胞內(nèi)ROS的減少可能是由于納米顆粒的自我再生機制,包括前文中提到的Ce3+和Ce4+氧化還原循環(huán)與超氧化物和過氧化氫反應(yīng)的離子狀態(tài),模擬兩種關(guān)鍵抗氧化酶——超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的作用而發(fā)揮作用。因為CeNPs的仿生抗氧化作用和抗炎特性,可減少ROS的產(chǎn)生進而減少炎癥和隨后的組織損傷。所以,到目前為止已有大量關(guān)于心肌IR的相關(guān)研究,而DNA斷裂已被證明會引發(fā)ROS的產(chǎn)生,這將會破壞抗氧化劑和ROS產(chǎn)生之間的平衡。Mohamed[30]的研究通過用CeNPs與醋酸鉛共處理瑞士白化小鼠造成鉛毒性模型,研究發(fā)現(xiàn)在CeNPs與醋酸鉛共給藥的CeNPs小鼠的心臟組織中觀察到,DNA斷裂誘導(dǎo)顯著減少,凋亡相關(guān)基因(p53及K-ras)和炎性細胞因子(IL-6和環(huán)氧合酶-2)的信使RNA表達水平的提高可能源于CeNPs 清除ROS的能力,并且通過2,7-二氯熒光素二乙酸鹽染色顯示的ROS水平的降低也得到了證實。因為炎癥細胞因子環(huán)氧合酶-2和IL-6是炎癥反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)劑,同時,研究還證明包括IL-6和環(huán)氧合酶-2在內(nèi)的炎性細胞因子的信使RNA高表達,從而證明通過給予醋酸鉛可以誘導(dǎo)ROS的額外產(chǎn)生而觸發(fā)炎癥,因此可以得出結(jié)論,ROS充當(dāng)炎性信號分子和介質(zhì),并且在炎性疾病進展中也具有重要作用。Nassar等[31]提供了CeNPs通過抑制內(nèi)皮素-1和內(nèi)皮素A受體改善肺動脈高壓大鼠模型中的肺動脈高壓以及減少心臟肥大的證據(jù),研究表明在CeNPs治療組中,與心臟抗氧化相關(guān)的所有氧化應(yīng)激參數(shù)均顯著降低,0.5 mg/kg的CeNPs可導(dǎo)致ROS減少70%,過氧化氫減少了50%,谷胱甘肽水平提高50%,同時抗凋亡蛋白胱天蛋白酶3在不同濃度的CeNPs 治療組中均有不同程度的降低,因此研究得出結(jié)論,CeNPs可減少炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生,改善右心室肥大,減弱心臟的氧化應(yīng)激和凋亡。相關(guān)團隊其他研究人員[32-33]還通過在兩種不同動物模型中研究了CeNPs對阿霉素造成的心臟毒性的改善,實驗發(fā)現(xiàn)在高劑量和低劑量的CeNPs預(yù)處理組中,乳酸脫氫酶水平、肌酸激酶同工酶水平均顯著降低,同時在高劑量組中發(fā)現(xiàn),內(nèi)源性抗氧化物谷胱甘肽及過氧化氫酶活性顯著增加,不僅如此,在低劑量CeNPs預(yù)處理組還顯示促炎因子IL-6及TNF-α水平顯著降低,因此可以得出結(jié)論,CeNPs可能通過減輕氧化應(yīng)激減輕炎癥反應(yīng),從而使阿霉素誘導(dǎo)的心臟毒性減輕,這將為臨床上在預(yù)防阿霉素等化療藥物造成心肌損傷的治療中提供更多的可能。El Shaer等[34]在研究中觀察到CeNPs作為心臟保護劑在異丙腎上腺素心臟毒性大鼠模型中的抗氧化效果,并與經(jīng)典的卡托普利進行比較,發(fā)現(xiàn)CeNPs除了可通過抗氧化機制提高抗氧化能力外,還改善了大多數(shù)生化參數(shù),肌酸激酶同工酶、乳酸脫氫酶、門冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶和丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶水平均顯著下降,而抗氧化酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶的水平均顯著升高。以上多項研究均從不同方向證明了CeNPs是通過發(fā)揮其自身再生的抗氧化特性,減少ROS的產(chǎn)生進而減輕心肌細胞氧化應(yīng)激和炎癥過程,為保護心臟功能不全和延緩心室重塑的進展提供了更充分的依據(jù)[35-36]。

4 CeNPs抗氧化保護心肌細胞的發(fā)展前景

本文從免疫調(diào)節(jié)方向描述了CeNPs與ROS的關(guān)系,通過控制細胞能量供應(yīng)來調(diào)節(jié)免疫化學(xué)潛能,從而調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。免疫細胞相對于它們的激活狀態(tài)顯示出不同的分解代謝模式,與它們的特定功能(維持、清除、防御、分解和修復(fù))相關(guān),這些功能與不同的ROS需求和產(chǎn)生相關(guān),而CeNPs因其具有高度可溶性、安全性和潛在的生物可降解性,能通過減輕與許多病理障礙相關(guān)的氧化應(yīng)激來表現(xiàn)出抗氧化、抗炎和抗血管生成的作用,進而減輕心肌細胞氧化應(yīng)激,發(fā)揮保護心肌細胞的機制。但本文中所提到的相關(guān)研究中CeNPs多是采用不同方法進行合成,涉及CeNPs的理化性質(zhì)及晶體結(jié)構(gòu),還需進行廣泛表征,過程相對煩瑣,對于CeNPs的應(yīng)用是一難點,同時研究中也表明CeNPs在不同濃度組均可表現(xiàn)出抗氧化應(yīng)激減少ROS的作用,因此,在相關(guān)研究過程中,CeNPs抗氧化保護心肌細胞的最佳濃度是最重要的因素之一,但這些并不影響CeNPs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中所展現(xiàn)出的巨大潛力。

5 總結(jié)

綜上所述,目前大部分研究更傾向于CeNPs是通過減少ROS的產(chǎn)生發(fā)揮抗氧化性能的。CeNPs可通過減少ROS的產(chǎn)生保護心肌細胞免受氧化應(yīng)激的損傷,但其在體內(nèi)發(fā)揮作用時因攝入方式不同將導(dǎo)致生物分布、代謝降解以及毒性評價產(chǎn)生差異。如果通過大量動物實驗克服這些困難,可能會打破目前抗氧化劑在臨床上應(yīng)用的局限性,為抗氧化劑在臨床的應(yīng)用提供新的指導(dǎo)方向。因此,探究CeNPs保護心肌細胞的具體機制十分重要,這將可能為人類新型納米材料抗氧化治療疾病開啟一個嶄新的時代。