氧化应激在放射性肺损伤机制中的作用进展

孙万良，游 华，魏 丽，张 晶，章金刚(综述)，张伟京※(审校)

(1.军事医学科学院附属医院淋巴头颈部肿瘤科，北京 100071； 2.重庆市人口和计划生育科学技术研究院，重庆 400020；3.军事医学科学院野战输血研究所血液制品研究室，北京 100850)

放射性肺损伤是胸部肿瘤放射治疗常见的并发症，病理改变以早期的弥漫性间质性肺炎和晚期的纤维化为特征。目前其临床治疗上缺乏有效手段，严重影响患者生活质量。此外，放射性肺损伤限制了放疗剂量与照射野范围，影响放疗效果，给胸部肿瘤的根治带来困难。近年来，氧化应激在肺损伤和肺纤维化中的作用越来越引起国内外学者的重视，发现其在放射性肺损伤的启动与发展过程中可能发挥重要作用，使人们对放射性肺损伤机制有了更深入的认识，也为其防治提供了新的线索和途径。该文就氧化应激在放射性肺损伤发生、发展机制中的作用及相关防治进展进行综述。

1 氧化应激在放射性肺损伤机制中的作用

氧化应激是指机体在遭受有害刺激或发生组织细胞损伤时，体内活性氧自由基和活性氮氧自由基生成增多，超出机体抗氧化体系的清除能力时，引起组织器官内的生物大分子生理生化功能障碍，导致组织细胞损伤加重的病理生理过程[1]。

1.1氧化应激与早期放射性肺损伤 放射性肺损伤的早期病变以肺组织间质性无菌性炎症为特征，主要发生在放射后1～3个月[2]。

正常组织放射生物学研究显示，当肺组织受到射线粒子辐射后当即引发一连串的遗传学和分子生物学事件，并在后继的潜伏期中持续发生[3]。当射线作用于机体时，首先对水分子和其他靶分子产生离子化反应，引起活性氧类(reactive oxygen species,ROS)物质迅速爆发生成[4]。ROS物质除直接造成肺实质细胞的损伤外，尚可激活炎性细胞间接加重组织损伤。有证据表明，氧自由基生成增加可引起巨噬细胞氧化应激敏感的激酶和转录因子的迅速激活，导致炎性因子[如肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素(interleukin,IL)1、IL-6、IL-8等]和参与组织修复的转化生长因子β、血小板源性生长因子、胰岛素样生长因子、成纤维细胞生长因子等生长因子大量生成[5]。其中TNF-α、IL-1在放射性肺炎的发病机制中起着关键作用，它们可诱导肺泡巨噬细胞和中性粒细胞等释放大量ROS，成为照射后继氧化应激的主要来源[6]。激活的肺泡巨噬细胞还可通过细胞因子的趋化作用导致更多的免疫效应细胞(淋巴细胞、中性粒细胞等)浸润受照肺组织，这些细胞在发挥生物效应的同时也会产生大量ROS[7]。

机体的内源性ROS主要在细胞线粒体中生成，在线粒体的电子传递链中存在的电子渗漏可部分还原O2而产生ROS，此外部分ROS还来自于细胞内生性的黄素酶(如黄嘌呤氧化酶)，脂肪氧化酶，环加氧酶以及浆膜相关的氧化酶(如吞噬细胞还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶)等催化产物[8]。细胞内及组织间积聚的氧自由基导致持续增强的氧化应激状态，引起实质细胞的坏死或凋亡，肺泡壁微血管屏障被破坏，炎症渗出引起肺组织血气交换功能障碍。继发性的缺氧将进一步损害细胞线粒体的氧化呼吸链功能，内源性ROS生成增加。继发性大量生成的ROS很快将机体的抗氧化能力消耗殆尽，进一步加重肺组织损伤，导致肺部炎症的持续存在[9]。

核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)调控多种参与炎性反应基因的表达，包括细胞因子(如IL-1、TNF-α等)、诱导型一氧化氮合酶、黏附分子和急性期反应蛋白等，因此其在炎症性疾病的发生机制中起重要作用[10]。现已知，ROS与NF-κB的调控有密切联系，ROS水平影响NF-κB的激活而NF-κB所调控的基因表达又可影响细胞内ROS的水平[11]。通常ROS在胞质内对NF-κB途径起激活作用，而在胞核内则抑制NF-κB的激活[12]。在机体内环境氧化/抗氧化平衡状态下，ROS抑制NF-κB活力，而当机体遭受大量外源性ROS攻击或内源性ROS过度生成则促进NF-κB的激活[13]。Izzi等[14]证实，ROS在增强组织炎性反应中起重要作用，而这一作用是通过激活NF-κB途径实现的。肺组织受到辐射引起的ROS大量堆积可以通过NF-κB途径的激活诱导肺泡上皮细胞、血管内皮细胞等坏死或凋亡，增加炎性细胞的炎症作用。Varilek等[10]利用炎症性结肠并动物模型抑制NF-κB能显著减缓炎性反应，并认为NF-κB可作为抑制或减缓炎性反应的有效靶点。

1.2氧化应激与晚期放射性肺损伤 放射性肺损伤晚期病变是不断发展的慢性炎症和纤维化阶段，这一过程迁延数月至数年之久。有证据表明，慢性氧应激可能是驱使放射诱导的晚期生物学效应发生的原因[9]。氧化应激增加是慢性肺部疾病(包括慢性阻塞性肺疾病，特发性肺纤维化)病因学中非常重要的一部分[15]。在大鼠的放射性肺损伤研究中发现，慢性氧应激是引起肺损伤的重要病因。Vujaskovic等[16]用单剂量28 Gy局部照射大鼠肺，照射6周后检测组织缺氧标志物哌莫硝唑证实了受照组织缺氧的存在，而且早于肺功能及组织学改变,肺组织缺氧状况随时间渐行性加重，尤其与照射后6个月出现的巨噬细胞活性，肺纤维化及呼吸频率显著增加密切相关。缺氧被认为是导致各种类型细胞活性氧(氮)类物质(ROS/RNOS)产物生成增加的原因[17]，过氧化氢能从线粒体弥散至胞质并激活胞质内的氧化还原敏感的信号途径。免疫组织化学定量检测发现受照组织的转化生长因子β,血管内皮生长因子及CD31表达增加，提示缺氧介导激活前纤维化和前血管生成途径[18]。Kang等[19]通过检测照射后15～20周小鼠肺组织中的丙二醛水平证实了组织中的脂质过氧化物水平增加，支持肺组织内发生照射诱导的慢性氧应激的说法。

2 内源性抗氧化应激机制与转录因子红细胞系2相关因子2-抗氧化应激反应元件信号途径

目前认为，转录因子红细胞系2相关因子2-抗氧化应激反应元件(nuclearfactor erythroid-2 related factor 2-Antioxidative resoponsive element,NrF2-ARE)信号通路是迄今发现的最重要的抗氧化应激相关信号转导通路[20]。由于NrF2-ARE信号通路在抗肿瘤、抗炎、抗凋亡等方面可发挥重要的细胞保护作用[21]，逐渐引起人们的重视。NrF-2在氧化应激应答中起核心调控作用，生理状态下与胞质伴侣蛋白(Keap-1)结合并锚定于胞质中的细胞骨架上，无法入核发挥转录因子作用[22]。当细胞遭到ROS或亲电子物质攻击时，一方面对Keap1分子的半胱氨酸残基进行化学修饰，引起Keap1构象改变，导致NrF2-Keap1复合体解离，NrF2入核；另一方面通过激活促分裂原活化蛋白激酶和蛋白激酶C及磷脂酰肌醇3-激酶使NrF2分子磷酸化而激活[23]。活化的NrF2分子与Maf蛋白结合成异二聚体后识别ARE元件启动Ⅱ相解毒酶和抗氧化酶基因的转录，提高细胞抗氧化应激的能力[24]。受NrF2-ARE信号通路调控的抗氧化酶主要有血红素加氧酶、γ谷氨酰半胱氨酸合成酶、NAD(P)H:醌氧化还原酶-1(NAD (P)H代表还原型辅酶Ⅰ/Ⅱ)、超氧化物歧化酶等[25-26]。NrF2在肺组织细胞内呈高表达，上调NrF2水平对调控肺内氧化/抗氧化平衡起重要作用。Marzec等[27]在急性肺损伤小鼠模型中发现，NrF2及其下游所表达的抗氧化酶可以保护肺组织，减轻肺损伤。

3 抗氧化应激药物与放射性肺损伤的防治

近年来，抗氧化应激药物尤其是天然成分药物研究进展迅速，有望为放射性肺损伤防治提供有效手段。

姜黄素能够显著清除氧自由基，减轻百草枯对肺组织的损害[28]，其在控制肺纤维化发展方面日益引起人们的重视。研究表明，早期应用姜黄素可明显减轻放射线诱导肺纤维化动物模型的纤维化程度[29]。

咖啡酸苯乙酯属黄酮类化合物，是蜂胶中主要的生物活性物质，其结构中含有羟基和儿茶酚结构，因此具有较强的抗氧化、抗炎和免疫调节作用。研究证明，咖啡酸苯乙酯能够有效抑制中性粒细胞氧自由基的生成并阻断黄嘌呤氧化酶系统，减少内源性ROS的堆积[30]。Ozyurt等[31]研究显示，咖啡酸苯乙酯能够显著抑制博来霉素诱导的肺纤维化，提高肺组织超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活力，其治疗作用基于氧自由基清除能力和抗炎活性。

染料木黄酮是大豆异黄酮的主要成分，属天然植物雌激素，其分子结构含有3个羟基而具有较强的抗氧化能力[32]。有研究表明，染料木黄酮能够抑制氧化应激诱导的内皮活力下降和细胞凋亡，Nrf2/血红素加氧酶1的激活可能是其抗氧化效应的重要机制[33]。Calveley等[34]以Genistein干预放射性肺损伤大鼠，发现其对氧自由基引起的DNA损伤保护作用明显，并通过减少前炎性细胞因子(如IL-1α、TNF-α、转化生长因子β)生成有效缓解放射性肺炎，降低肺组织内胶原沉积。

表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin-3-gallate，EGCG)是存在于茶叶中主要的多酚类物质，许多体内外实验证实EGCG是强供氢体抗氧化剂和自由基清除剂，其抗氧化应激作用尤为突出[35]。Vayalil等[36]报道，EGCG能显著抑制中波红斑效应紫外线诱发的抗氧化酶活性，脂质和蛋白质过氧化程度的降低证明了EGCG能抑制中波红斑效应紫外线诱发的氧化应激反应。Shen等[37]肯定了EGCG在肺纤维化中的抗炎及免疫抑制活性，并能够因此抑制肺部炎症和纤维化进程。Sriram等[38]用EGCG干预博来霉素诱导的肺纤维化动物模型，发现EGCG可通过Nrf2-Keap1信号途径提高内源性抗氧化应激能力发挥抗纤维化作用。此外，有学者研究发现,EGCG可明显缓解辐射引起的骨髓造血功能损伤,其对造血功能恢复的影响和调控机制可能是通过上调造血正调控因子IL-6 mRNA和粒细胞集落刺激因子 mRNA的表达,并对造血生长因子有协同作用[39]，可为放射防护及急性放射病治疗提供新的药物。

白藜芦醇亦可通过激活NrF2-ARE途径增加其下游调控的抗氧化物酶保护脏器细胞，减轻ROS损伤[40]，提示这些药物可通过其抗氧化能力改善放射性肺损伤的氧化应激状态，达到防治目的。

4 展 望

近年来有关氧化应激与无菌性慢性炎症研究不断深入，启发了人们对放射性损伤新的认识。ROS可以通过影响多种炎性细胞因子、抗氧化酶等表达的信号转导通路来发挥病理生理学效应，这些机制是否也在放射性肺损伤过程中发挥作用，如ROS和氧化磷脂激活的Toll样受体4-Toll样受体相关的干扰素活化因子-肿瘤坏死因子受体相关因子6-NF-κB信号转导通路对放射性肺损伤的影响等，以及相关信号分子表达与感染性、化学性和特发性肺纤维化的差异值得思考和探究。许多天然植物中提取的抗氧化活性物质，具有显著地抗炎、抗纤维化、抗衰老、抗肿瘤等功效，其抗氧化应激机制与增强内源性抗氧化能力，改善机体氧化/抗氧化平衡密切相关。随着相关机制研究的不断深入，有望为临床治疗放射性肺损伤及纤维化提供新的理论依据。

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