氧化应激与心血管疾病关系的研究进展

王全伟 凡文博 王智昊 吴 扬

(吉林大学白求恩第一医院心血管疾病诊治中心,吉林 长春 130021)

交感神经系统激活、血管内皮功能异常、肾素-血管紧张素系统活性增高及某些细胞因子水平变化等参与心血管疾病的发生、发展。文献报道〔1,2〕，氧化应激(OS)参与心血管疾病发生、发展多种病理生理过程，引发动脉粥样硬化、心力衰竭、高血压、心肌损伤等多种心血管疾病。

1 OS

OS是指机体在遭受各种有害刺激时，体内高活性分子活性自由基(FR)产生过多，氧化系统和抗氧化系统失衡，大量FR不断聚积，从而导致组织损伤，引发各种疾病。OS的标志物包括活性氧自由基(ROS)如：阴离子(O2-)、羟自由基(OH)和过氧化氢(H2O2)等和活性氮自由基(RNS)，如：一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和过氧化亚硝酸盐(ONOO-)等。细胞内的ROS有多种来源，许多细胞内的酶促成化学反应途径均生成ROS。除线粒体呼吸链外，内皮细胞一氧化氮合酶(eNOS)、黄嘌呤氧化酶、细胞色素P450氧化酶、NADPH氧化酶〔2〕、脂氧合酶和环氧化酶催化的反应均伴有ROS的产生〔3〕。肥胖基因(Ob基因)的表达物瘦素蛋白可以引起内皮细胞增殖、内皮功能紊乱等，从而引起OS，促进血小板聚集和血管平滑肌细胞迁移及增殖，参与动脉粥样硬化(AS)的形成〔4〕。紫外线照射、电磁辐射、吸烟也可促进ROS形成，导致OS〔5〕。

2 机体内ROS介导的生理功能

(1)ROS对转录因子的活化及调控基因表达的作用 ROS通过直接修饰转录因子，或对翻译后的转录因子磷酸化和去磷酸化，调节蛋白激酶活性，调控基因表达〔6〕。(2)ROS促细胞凋亡作用 OS通过线粒体、死亡受体、内质网应激等途径介导细胞凋亡〔7〕，也可能通过激活丝裂原活化蛋白激酶通路、活化核转录因子(NF-κB)并诱导其表达、激活caspases等途径诱导细胞凋亡。(3)ROS在促细胞生长信号转导中的作用 ROS促进细胞增殖是通过多个位点对信号转导系统进行调节的结果，如ROS可以活化磷脂酶而进一步调节下游的细胞信号，调节细胞的功能〔8〕；H2O2激活丝裂原激活蛋白激酶、酪氨酸激酶等，通过不同的通路对细胞功能进行调节〔9〕。ROS也可看作细胞内第二信使，对细胞外各种不同的刺激在细胞内产生协同或者联合反应〔10〕。(4)参与免疫反应。 Hehner等〔11〕提出：在机体感染的初始反应阶段，抗原没有达到激活T细胞的水平，单凭抗原无法激活应答反应，ROS可通过自身的作用引起T细胞内还原型谷胱苷肽/氧化型谷胱苷肽(GSH/GSSG)的比率发生改变，进而把先天免疫和获得性免疫连接起来。同时在感染的初始反应阶段，巨噬细胞等产生的ROS能够影响免疫系统产生应答反应，破坏细菌的细胞膜或病毒的蛋白质〔12〕。

3 OS与心血管疾病

3.1OS与AS OS在AS的发生、发展过程中扮演重要角色，其主要通过氧化作用,促进局部炎症反应,诱导血管基因的改变等多方面参与AS的发生发展过程〔13～15〕。

在AS的发展进程中，低密度脂蛋白(LDL)的氧化修饰可导致脂质过氧化(LPO)的发生，而LPO过程是一个产生FR和FR参与的链式翻译，是ROS对机体造成的最大损害。生物膜上的许多不饱和脂肪酸对ROS的进攻非常敏感，一旦反应启动，就会以链锁反应方式进行下去，造成大量脂质过氧化物的产生〔16〕。在代谢过程中，过氧化物被断裂成大小不同的醛类分子，具有细胞毒性，破坏或改变生物膜的结构，导致膜流动性下降、通透性改变、运输功能紊乱等。动脉壁中的平滑肌细胞、内皮细胞、单核巨噬细胞都具有氧化修饰LDL的功能，氧化的LDL(ox-LDL)与巨噬细胞上清道夫受体高度亲和，趋化单核细胞至内皮下间隙，促进平滑肌细胞增殖，巨噬细胞中胆固醇酯大量聚积，发生变性、坏死，形成泡沫细胞；诱导大量炎症因子的生成，加速动脉硬化进程，且无负反馈机制。因此，ox-LDL是致AS的独立危险因素，由于OS中ROS的蓄积而导致大量的LDL被氧化修饰成ox-LDL，进而加速AS。因此在冠心病心肌急性缺血、缺氧时，ROS等大量生成，心肌细胞膜遭到破坏，心肌细胞结构及功能发生改变，进而加重了心肌缺血、缺氧损伤。

单核细胞黏附于血管内皮是AS病变的起始事件，黏附分子如血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)等在其中发挥关键作用。OS可以诱导多种血管基因表达的改变，包括VCAM-1基因，MCP-1基因等。而很多种氧化物前体可直接刺激血管内皮细胞或平滑肌细胞，上调致动脉粥样硬化基因的表达，促进单核细胞黏附及炎性分子释放，加重局部炎症反应。有文献〔17〕报道，H2O2可诱导内皮细胞间黏附分子-1(ICAM-1)蛋白及mRNA表达增加，而抗氧化剂对此有抑制作用。

AS在病变明显显现之前就会伴有内皮细胞功能障碍，且程度随病情发展逐渐加重。有文献〔18〕报道，OS过程中产生大量的FR和H2O2，可直接损伤内皮细胞，导致其功能障碍，甚至致坏死或凋亡，还能增加单核细胞及中性粒细胞对内皮细胞的黏附性及活性，增强血小板聚集的敏感性，引发或加重AS。Kyaw等〔19〕报道：抗氧化剂对血管内皮细胞具有保护作用，可一定程度地抑制由肿瘤坏死因子(TNF-α)诱导的血管内皮细胞凋亡，达到预防和(或)改善AS的作用。有动物实验模型〔20〕证明，在兔AS模型中，血管细胞NADPH氧化酶活性显著升高，主动脉内氧离子产生增加，给予抗氧化剂超氧化物化酶(SOD)或丙丁酚可逆转上述变化。在大鼠动脉粥样硬化模型中，用黄嘌呤氧化酶抑制剂可降低大鼠体内ROS的生成，促进血管功能恢复。以上表明OS参与AS的发生、发展过程，是AS的促进因素，而抗氧化治疗有助于防止和逆转病变的形成。

3.2OS与心力衰竭(HF)及心肌细胞凋亡 HF是指由各种心脏疾病导致心功能不全而引起的一种综合征，其发病机制涉及神经体液机制、细胞因子、OS和心肌细胞凋亡等，以上各个因素之间又相互联系和影响。HF的发生、发展过程中ROS的主要来源〔21〕：(1)缺血缺氧，心肌能量供应不足，ATP降解产物黄嘌呤、次黄嘌呤增多，而黄嘌呤最终代谢为尿酸的过程中产生大量ROS；(2)儿茶酚胺的大量分泌和自由化，促炎性细胞因子合成分泌增加或直接刺激内皮细胞，导致NADH/NADPH 氧化系统激活，心肌细胞产生ROS；(3)HF时可伴有炎性反应，中性粒细胞被补体和白三烯激活后释放ROS；(4)能量缺乏时，线粒体呼吸链系统酶活性降低，电子传递发生障碍，使利用氧经四电子氧化还原为H2O的氧化磷酸化过程转变为单电子还原，从而产生ROS；(5)HF时不但有ROS的生成增多，还存在其清除减少，大量ROS在体内积聚，加速OS，形成恶性循环。ROS可损伤心肌细胞膜和改变离子通道，造成心肌细胞损伤；可促进胶原合成，导致心肌纤维化，进而促进心室重构；可引发和加重血管内皮功能障碍，使内皮细胞依赖的血管舒张作用减弱，血管阻力逐步增加，最终导致左心室负荷过重和HF进展，加剧心功能减退及循环功能障碍，参与心力衰竭形成发展的不良发展链条〔22〕。

此外，OS还参与心肌细胞的凋亡。细胞内产生的ROS所引起的继发性OS反应与心肌细胞凋亡的发生有密切联系〔23〕。ROS通过多种机制影响细胞凋亡，包括直接遗传毒性作用。ROS是细胞凋亡中的第二信使，细胞接受促凋亡信号后引起ROS升高，ROS可促进Ca2+内流，上调促凋亡因子Bax的表达，破坏线粒体内膜电势，天冬氨酸特异的半胱氨酸酶的激活，导致细胞凋亡。

3.3OS与高血压 原发性高血压的发病机制目前还不完全清楚，但是大量的研究均发现OS在高血压的发病机制和并发症中具有重要的作用，Khullar等〔24〕报道：在原发性高血压病人的循环血中OS标志物浓度明显升高，内源性抗氧化物质明显低于正常者，且程度与舒张压呈负相关。有资料〔25〕表明，原发性高血压、肾血管性高血压和恶性高血压、盐敏感性高血压、环胞素诱导的高血压以及先兆子痫等患者机体内均存在着不同程度的OS增强。

OS与高血压的发生、发展可能存在互为因果的关系，即OS可以引起并维持高血压，而高血压可增加OS，前者的机制可能主要有：(1)过氧化物灭活血管扩张因子NO〔26〕，生成具有血管收缩作用的过氧化产物如F2-异前列腺素〔27〕；(2)耗竭NOS合成的重要辅因子四氢生物嘌呤(BH4)〔28〕，使NO生成减少，O2-生成增多，引起O2-/NO间的平衡进一步失衡，形成了内皮功能损伤的恶性循环〔29〕；(3)损伤血管的结构和功能，主要包括直接损伤血管内皮细胞和血管平滑肌细胞，对内皮细胞二十酸代谢的影响，改变氧化还原状态，增加细胞内钙离子浓度而调节血管收缩；(4)增加内皮细胞通透性；(5)刺激炎症发生。因此，OS可促进了血管平滑肌细胞增殖和肥厚，导致胶原沉积，进而导致血管壁增厚和血管腔狭窄；可损伤内皮细胞以及内皮依赖性血管扩张，增加血管收缩性；可诱导血管内皮通透性增加，进一步损伤血管内皮功能，加重血管的损伤〔30〕。

高血压引起ROS增加的机制目前研究比较少，主要集中在激活促氧化剂系统并产生ROS的刺激物。一些与高血压相关的收缩血管活性因子如血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)、内皮素、去甲肾上腺素以及血小板活性生长因子等在动物实验中可以导致ROS的形成增加，而高血压的机械压力损伤血管内皮和平滑肌细胞等也将在一定程度上激活这些细胞增加ROS生成，并导致高血压的出现。文献报道〔31〕，在高血压模型中，血液以及脾脏中的白细胞能够自发活化，产生大量的ROS，进而引发OS、炎症反应以及心血管和肾脏的多种并发症。以上显示，ROS在高血压发生、发展的病理生理过程中起着重要的作用。

3.4OS与心肌缺血再灌注损伤 正常心肌内存在一定量的ROS，当组织缺血、缺氧时，ROS清除系统功能降低，生成系统活性增强。缺血后再灌注时，缺血区大量白细胞被活化，氧耗量迅速增加，O2经白细胞还原型辅酶作用，产生O2-，O2-经一系列化学反应，产生具有细胞毒性的OH和H2O2等。急性蓄积的ROS与心肌细胞磷脂膜上的不饱和脂肪酸作用，导致膜脂质LPO，引发细胞膜、线粒体膜及肌质网膜等结构改变，导致其功能障碍。Burton〔32〕发现：机体内抗氧化酶类，如SOD，GSH-Px及CAT可不同程度地缩小心肌梗死面积。

3.5OS与其他心血管疾病 OS与心肌肥厚密切相关，ROS通过介导细胞信号传导，激活转录因子，调控DNA的表达，进而参与控制细胞生长。Nakagami等〔33〕用AngⅡ诱导新生鼠心肌细胞肥大，发现O2-可介导心肌细胞的肥厚反应。Shiomi等〔34〕发现转基因鼠GSH-Px的过表达可降低心肌肥厚的左心室重构程度。说明抗氧化剂能防治或逆转心肌肥厚的发生，同时也进一步说明ROS参与了心肌肥厚的发生和发展。

OS与某些心律失常可能也具有一定的内在联系，Pallandi等〔35〕报道，FR可引起静息电位缓慢去极化(可逆性)，振幅降低和去极化Vmax的下降，使折返形成，阈电位接近膜电位，心肌细胞应激性增强，导致单个或一级细胞的潜在自动去极化倾向，最终导致细胞自律性增强。Manning等〔36〕发现FR抑制剂能降低心肌缺血大鼠模型室性心律失常的发生率。

4 抗氧化研究意义

OS作为心血管疾病的发病机制之一，与其他病理生理机制互相影响，直接或间接地参与了AS、HF、高血压、心肌损伤、心律失常、心肌肥厚等心血管疾病的发生、发展过程。寻找有效的抗氧化措施，减少ROS的产生，防治脂质过氧化、减轻OS所产生的损伤等，能够为心血管疾病提供更有针对性的防治方案。机体内抗氧化系统：(1)抗氧化酶类系统，包括SOD，GSH-Px，CAT，是人体对抗FR的第一道防线，其可联合机体内某些矿物质，利用氧化还原作用将过氧化物转换为毒害较低或无害的物质，并可以在过氧化物产生时，即刻发挥作用，如：SOD多与铜(Cu)和锌(Zn)结合成CuZnSOD，可将毒性高的ROS转换为毒性较低的H2O2和O2，GSH-Px可以继续作用在H2O2上，使之转变成完全无害的H2O和O2，CAT也可在铁质的辅助下将H2O2分解为H2O和O2。(2)非酶类抗氧化剂，包括谷胱甘肽、维生素E、维生素C、褪黑素、尿酸及胆红素等，它们可发挥捕捉活性氧、抑制FR对组织细胞损伤的积极作用。

然而，在OS的作用机制及抗氧化治疗的研究中，还存在一些尚未解决的问题：(1)在临床研究中，ROS的检测手段不够普及，虽然现已有脉冲射解、顺磁共振和自旋搜集等研究活性氧的方法技术，但这些技术所需要仪器价格昂贵，并且活性氧半衰期很短，体内产生量少，因此需要寻找简便、易行、可靠的活性氧检测方法。(2)临床实验抗氧化剂的治疗结果不令人满意。(3)机体内抗氧化酶类不能外源补充，常规抗氧化剂稳定性不足，且不能大量补充，虽然目前一类新型的抗氧化剂，通过特异靶向定位于异常的氧化酶同系物发挥作用，如通过靶向特异性抑制NAD(P)H氧化酶来减弱心血管氧化应激已经证明有效〔31〕，但无法大规模应用于临床。

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