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      氧化應激與心血管疾病關系的研究進展

      2014-01-26 22:40:35王全偉凡文博王智昊
      中國老年學雜志 2014年1期
      關鍵詞:內(nèi)皮心肌細胞內(nèi)皮細胞

      王全偉 凡文博 王智昊 吳 揚

      (吉林大學白求恩第一醫(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)活性增高及某些細胞因子水平變化等參與心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展。文獻報道〔1,2〕,氧化應激(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,從而導致組織損傷,引發(fā)各種疾病。OS的標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。細胞內(nèi)的ROS有多種來源,許多細胞內(nèi)的酶促成化學反應途徑均生成ROS。除線粒體呼吸鏈外,內(nèi)皮細胞一氧化氮合酶(eNOS)、黃嘌呤氧化酶、細胞色素P450氧化酶、NADPH氧化酶〔2〕、脂氧合酶和環(huán)氧化酶催化的反應均伴有ROS的產(chǎn)生〔3〕。肥胖基因(Ob基因)的表達物瘦素蛋白可以引起內(nèi)皮細胞增殖、內(nèi)皮功能紊亂等,從而引起OS,促進血小板聚集和血管平滑肌細胞遷移及增殖,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ROS形成,導致OS〔5〕。

      2 機體內(nèi)ROS介導的生理功能

      (1)ROS對轉(zhuǎn)錄因子的活化及調(diào)控基因表達的作用 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〔6〕。(2)ROS促細胞凋亡作用 OS通過線粒體、死亡受體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激等途徑介導細胞凋亡〔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)并誘導其表達、激活caspases等途徑誘導細胞凋亡。(3)ROS在促細胞生長信號轉(zhuǎn)導中的作用 ROS促進細胞增殖是通過多個位點對信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)的結(jié)果,如ROS可以活化磷脂酶而進一步調(diào)節(jié)下游的細胞信號,調(diào)節(jié)細胞的功能〔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胞功能進行調(diào)節(jié)〔9〕。ROS也可看作細胞內(nèi)第二信使,對細胞外各種不同的刺激在細胞內(nèi)產(chǎn)生協(xié)同或者聯(lián)合反應〔10〕。(4)參與免疫反應。 Hehner等〔11〕提出:在機體感染的初始反應階段,抗原沒有達到激活T細胞的水平,單憑抗原無法激活應答反應,ROS可通過自身的作用引起T細胞內(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階段,巨噬細胞等產(chǎn)生的ROS能夠影響免疫系統(tǒng)產(chǎn)生應答反應,破壞細菌的細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,促進局部炎癥反應,誘導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)展進程中,低密度脂蛋白(LDL)的氧化修飾可導致脂質(zhì)過氧化(LPO)的發(fā)生,而LPO過程是一個產(chǎn)生FR和FR參與的鏈式翻譯,是ROS對機體造成的最大損害。生物膜上的許多不飽和脂肪酸對ROS的進攻非常敏感,一旦反應啟動,就會以鏈鎖反應方式進行下去,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,具有細胞毒性,破壞或改變生物膜的結(jié)構(gòu),導致膜流動性下降、通透性改變、運輸功能紊亂等。動脈壁中的平滑肌細胞、內(nèi)皮細胞、單核巨噬細胞都具有氧化修飾LDL的功能,氧化的LDL(ox-LDL)與巨噬細胞上清道夫受體高度親和,趨化單核細胞至內(nèi)皮下間隙,促進平滑肌細胞增殖,巨噬細胞中膽固醇酯大量聚積,發(fā)生變性、壞死,形成泡沫細胞;誘導大量炎癥因子的生成,加速動脈硬化進程,且無負反饋機制。因此,ox-LDL是致AS的獨立危險因素,由于OS中ROS的蓄積而導致大量的LDL被氧化修飾成ox-LDL,進而加速AS。因此在冠心病心肌急性缺血、缺氧時,ROS等大量生成,心肌細胞膜遭到破壞,心肌細胞結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生改變,進而加重了心肌缺血、缺氧損傷。

      單核細胞黏附于血管內(nèi)皮是AS病變的起始事件,黏附分子如血管細胞黏附分子-1(VCAM-1)、單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)等在其中發(fā)揮關鍵作用。OS可以誘導多種血管基因表達的改變,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)皮細胞或平滑肌細胞,上調(diào)致動脈粥樣硬化基因的表達,促進單核細胞黏附及炎性分子釋放,加重局部炎癥反應。有文獻〔17〕報道,H2O2可誘導內(nèi)皮細胞間黏附分子-1(ICAM-1)蛋白及mRNA表達增加,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)皮細胞功能障礙,且程度隨病情發(fā)展逐漸加重。有文獻〔18〕報道,OS過程中產(chǎn)生大量的FR和H2O2,可直接損傷內(nèi)皮細胞,導致其功能障礙,甚至致壞死或凋亡,還能增加單核細胞及中性粒細胞對內(nèi)皮細胞的黏附性及活性,增強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)皮細胞具有保護作用,可一定程度地抑制由腫瘤壞死因子(TNF-α)誘導的血管內(nèi)皮細胞凋亡,達到預防和(或)改善AS的作用。有動物實驗模型〔20〕證明,在兔AS模型中,血管細胞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,促進血管功能恢復。以上表明OS參與AS的發(fā)生、發(fā)展過程,是AS的促進因素,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)及心肌細胞凋亡 HF是指由各種心臟疾病導致心功能不全而引起的一種綜合征,其發(fā)病機制涉及神經(jīng)體液機制、細胞因子、OS和心肌細胞凋亡等,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,促炎性細胞因子合成分泌增加或直接刺激內(nèi)皮細胞,導致NADH/NADPH 氧化系統(tǒng)激活,心肌細胞產(chǎn)生ROS;(3)HF時可伴有炎性反應,中性粒細胞被補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可損傷心肌細胞膜和改變離子通道,造成心肌細胞損傷;可促進膠原合成,導致心肌纖維化,進而促進心室重構(gòu);可引發(fā)和加重血管內(nèi)皮功能障礙,使內(nèi)皮細胞依賴的血管舒張作用減弱,血管阻力逐步增加,最終導致左心室負荷過重和HF進展,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還參與心肌細胞的凋亡。細胞內(nèi)產(chǎn)生的ROS所引起的繼發(fā)性OS反應與心肌細胞凋亡的發(fā)生有密切聯(lián)系〔23〕。ROS通過多種機制影響細胞凋亡,包括直接遺傳毒性作用。ROS是細胞凋亡中的第二信使,細胞接受促凋亡信號后引起ROS升高,ROS可促進Ca2+內(nèi)流,上調(diào)促凋亡因子Bax的表達,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,導致細胞凋亡。

      3.3OS與高血壓 原發(fā)性高血壓的發(fā)病機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相關。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)胞素誘導的高血壓以及先兆子癇等患者機體內(nèi)均存在著不同程度的OS增強。

      OS與高血壓的發(fā)生、發(fā)展可能存在互為因果的關系,即OS可以引起并維持高血壓,而高血壓可增加OS,前者的機制可能主要有:(1)過氧化物滅活血管擴張因子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)皮細胞和血管平滑肌細胞,對內(nèi)皮細胞二十酸代謝的影響,改變氧化還原狀態(tài),增加細胞內(nèi)鈣離子濃度而調(diào)節(jié)血管收縮;(4)增加內(nèi)皮細胞通透性;(5)刺激炎癥發(fā)生。因此,OS可促進了血管平滑肌細胞增殖和肥厚,導致膠原沉積,進而導致血管壁增厚和血管腔狹窄;可損傷內(nèi)皮細胞以及內(nèi)皮依賴性血管擴張,增加血管收縮性;可誘導血管內(nèi)皮通透性增加,進一步損傷血管內(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致ROS的形成增加,而高血壓的機械壓力損傷血管內(nèi)皮和平滑肌細胞等也將在一定程度上激活這些細胞增加ROS生成,并導致高血壓的出現(xiàn)。文獻報道〔31〕,在高血壓模型中,血液以及脾臟中的白細胞能夠自發(fā)活化,產(chǎn)生大量的ROS,進而引發(fā)OS、炎癥反應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。缺血后再灌注時,缺血區(qū)大量白細胞被活化,氧耗量迅速增加,O2經(jīng)白細胞還原型輔酶作用,產(chǎn)生O2-,O2-經(jīng)一系列化學反應,產(chǎn)生具有細胞毒性的OH和H2O2等。急性蓄積的ROS與心肌細胞磷脂膜上的不飽和脂肪酸作用,導致膜脂質(zhì)LPO,引發(fā)細胞膜、線粒體膜及肌質(zhì)網(wǎng)膜等結(jié)構(gòu)改變,導致其功能障礙。Burton〔32〕發(fā)現(xiàn):機體內(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,ROS通過介導細胞信號傳導,激活轉(zhuǎn)錄因子,調(diào)控DNA的表達,進而參與控制細胞生長。Nakagami等〔33〕用AngⅡ誘導新生鼠心肌細胞肥大,發(fā)現(xiàn)O2-可介導心肌細胞的肥厚反應。Shiomi等〔34〕發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因鼠GSH-Px的過表達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,心肌細胞應激性增強,導致單個或一級細胞的潛在自動去極化傾向,最終導致細胞自律性增強。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)病機制之一,與其他病理生理機制互相影響,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對組織細胞損傷的積極作用。

      然而,在OS的作用機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,但這些技術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)機體內(nèi)抗氧化酶類不能外源補充,常規(guī)抗氧化劑穩(wěn)定性不足,且不能大量補充,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激已經(jīng)證明有效〔31〕,但無法大規(guī)模應用于臨床。

      5 參考文獻

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