NADPH氧化酶介导的氧化应激与心血管疾病内皮祖细胞功能障碍

2015-01-03李廷波,马琦琳,彭军

中南医学科学杂志 2015年2期

内皮祖细胞; NADPH氧化酶; 氧化应激; 内皮祖细胞功能障碍

内皮祖细胞(EPCs)是成熟血管内皮细胞的前体细胞,属于干细胞群体,不仅存在于骨髓,也存在于外周血。EPCs具有游走、增殖并能分化为成熟血管内皮细胞能力,在维持内皮完整与内皮再生以及新生血管形成方面具有重要作用[1-2]。EPCs不仅参与生理性血管新生,也参与各种病理状态下(如心肌缺血、高血压、高血脂和高血糖等)的伤口愈合和组织再生。然而在这些疾病情况下,EPCs功能往往受损,导致机体维持内皮完整和血管稳态的能力下降[3]。EPCs的鉴定是基于其细胞表面标志物和分化为相应细胞所具有的特定功能。EPCs通常被认为可以分化为三种细胞群,分别是能形成血管的成熟内皮细胞,骨髓多功能成年干细胞和骨髓单核细胞。

EPCs功能障碍与许多心血管疾病的发生发展密切相关,如高血压、冠心病和中风等。然而引起EPCs功能障碍的机制目前尚未阐明。最近有文献报道,NOX介导的氧化应激在多种心血管疾病EPCs功能障碍中起重要作用,而抑制NOX可以改善EPCs的功能[4]。

1 NOX介导的氧化应激和EPCs功能障碍

氧化应激是指机体内活性氧(ROS)生成过多或/和抗氧化能力降低,导致ROS在机体内大量蓄积而引起氧化损伤的过程。ROS对机体的利弊取决于其含量、作用时间、来源以及产生的部位。适当的ROS对维持机体正常的生理功能必不可少,然而过量ROS则会对细胞组织产生损害作用。低水平ROS(如O2-和H2O2)对正常细胞的生长、迁移、分化、衰老和凋亡起到重要作用。过量的ROS则可通过多种机制改变细胞的正常功能,如直接攻击细胞膜和细胞内各种大分子物质(如核酸、蛋白质),导致细胞坏死或激活氧化还原信号途径促进细胞凋亡、衰老、增殖、迁移等,参与多种疾病(如动脉粥样硬化、心衰、糖尿病等)的病理过程[5-6]。

现已证明,氧化应激可导致EPCs功能障碍。在多种病理状况下,氧化应激水平上升不仅使EPCs数量减少,也造成EPCs功能障碍。在体外,高浓度H2O2能诱导EPCs的凋亡,减少EPCs数量;在大鼠心肌缺血模型中,ROS上升的水平与EPCs数量降低密切相关;在临床研究中,ROS水平增加伴随着外周血EPCs数量减少和功能下降,如EPCs动员能力、迁移能力和形成血管内皮能力下降[7-8]。

促氧化酶体系是机体ROS的重要来源,包括NADPH氧化酶、黄嘌呤氧化酶、细胞色素酶P450、一氧化氮合酶等,其中NOX来源的ROS最引人注目。NOX是心血管系统O2-的主要来源(NADPH+2O2NADPH++H++O2-)[9-10]。NOX家族包括7个成员,被命名为NOX1-NOX5、DUOX-1 和 DUOX-2。其中 NOX1、NOX2、NOX4主要表达在心血管系统,NOX3在内耳高表达。DUOX-1、DUOX-2主要表达在甲状腺内皮细胞,而NOX5则不存在于啮齿动物中。NOX复合体由胞质亚单位(NOX1、 NOX2 和 NOX4)、 p22phox、 p47phox、p67phox和小GTP酶Rac1组成。正常条件下,NOX可维持生理水平的O2-和H2O2。病理状况下,NOX能被迅速激活产生大量ROS,介导氧化应激。

已有文献报道NOX介导的氧化应激是促进EPCs功能障碍的重要因素。我们实验室发现,在Ang II诱导EPCs衰老的细胞模型中,降钙素基因相关肽(CGRP)可以通过下调NOX2的表达和ROS的生成抑制EPCs衰老[11];在同型半胱氨酸诱导的EPCs凋亡模型中,阿托伐他汀可以通过p38MAPK途径抑制NOX4表达和ROS生成而促进EPCs功能恢复;与年轻小鼠相比,老年小鼠EPCs的功能(如迁移、分化等)明显下降,这一现象在NOX2基因敲除的老年鼠中得到明显改善[12]。这些报道均支持NOX来源的ROS在促进EPCs功能障碍中发挥重要作用。

2 NOX介导的氧化应激与高血压EPCs功能障碍

内皮功能障碍与高血压形成密切相关。高血压内皮功能不全涉及多种机制,EPCs功能障碍和数量减少被认为是其中重要机制之一。在自发性高血压大鼠和原发性高血压患者中,我们实验室发现外周血中衰老EPCs数量明显增加,促进了内皮功能不全和高血压的形成[13]。最近,Suzuki R等人报道,与正常对照比较,原发性高血压患者外周血EPCs数量明显减少,其数量减少量与高血压严重程度密切相关。通过降压治疗不仅能控制血压还可以恢复EPCs功能。这些研究说明有功能障碍的EPCs可能促进高血压的发生发展,也可能促进了原发性高血压患者中心血管并发症的发生[14]。

大量研究表明氧化应激参与了高血压的形成。例如,自发性高血压大鼠ROS生成增加,过表达超氧化物歧化酶SOD可以降低血压。作为心血管系统中ROS主要来源,NOX在高血压发生发展中起重要作用。在高血压动物模型中,NOX表达上调,给予NOX抑制剂apocynin可以降低血压,减少血管重构。如前所述,功能障碍的EPCs能促进高血压内皮功能紊乱,其中NOX介导的氧化应激发挥了重要作用。脱氧皮质酮诱导的高血压大鼠模型中,EPCs数量减少且功能减弱,伴随 NOX活性提高和 NOX亚基 gp91(phox)、p22(phox)和Rac1表达增加,而抑制NOX能明显增加EPCs数量和改善EPCs功能[15];在脑卒中易感的自发性高血压大鼠中,EPCs中gp91(phox)、p22(phox)和 p47(phox)的mRNA表达增加,同时伴有EPCs数量减少,集落形成减少,这些现象可被Ang II受体抑制剂氯沙坦逆转[16]。

NOX可以通过多种机制损伤EPCs。血压升高时通常伴随NOX活性增加,NOX源性的ROS可以诱导EPCs坏死或凋亡。NOX抑制剂能降低Bax/Bcl-2比例,降低EPCs凋亡率。NOX源性的ROS在加速EPCs衰老时也发挥重要作用。在自发性高血压大鼠或原发性高血压患者中外周血EPCs衰老率增加,抑制NOX能增加端粒酶活性,降低衰老相关蛋白P53水平[15]。

3 NOX介导的氧化应激与高脂血症中EPCs(或内皮细胞)功能障碍

ROS参与高脂血症血管内皮损伤和内皮功能紊乱。高脂血症患者中血浆ROS水平显著增加,其中NOX是血管ROS的主要来源;在高脂血症大鼠模型中,血管收缩和舒张功能下降,伴随NOX表达上调和ROS水平上升;在高胆固醇诱导的小鼠动脉粥样硬化模型中,Kinkade等人发现动脉粥样斑块中ROS主要来源于NOX。给予NOX抑制剂apocynin后在降低主动脉血管中超氧化物水平的同时也能减少动脉粥样斑块数量和面积[17]。

事实上,NOX介导的氧化应激不仅引起了内皮细胞损伤,还可损害EPCs。高脂血症小鼠模型中,NOX表达上调,ROS生成增加,EPCs功能受损。在Nox2-/-小鼠中,高脂血症诱导ROS生成减少,EPCs和内皮功能得到改善;给予伊伐布雷丁治疗高脂血症小鼠,发现小鼠主动脉壁中NOX活性、超氧化物和脂过氧化物都明显减少,伴随内皮细胞和EPCs功能明显改善。与伊伐布雷丁比较,给予苯肼哒嗪治疗虽能明显降低小鼠血压,但并未明显降低NOX活性,也未明显改善内皮细胞和EPCs功能[18-19]。这些结果均支持NOX在高脂血症血管内皮功能紊乱的发生中起重要作用。

4 NOX介导的氧化应激与缺血性相关疾病EPCs功能障碍

氧化应激是心肌缺血或脑卒中引起心肌细胞或神经细胞死亡的重要机制之一。最近研究发现,缺血30分钟/再灌24小时后,与野生型比较,NOX1或NOX2基因敲除小鼠心肌梗死面积显著减少,而NOX4基因敲除小鼠心肌梗死面积未明显变化,提示由NOX1和NOX2产生的ROS在心肌缺血损伤起到重要作用[20]。然而在脑缺血/再灌动物模型中,NOX2和NOX4来源的ROS在脑缺血损伤中发挥主要作用。一旦发生缺血,促血管生成和血管再生都是在缺血环境下保护心肌细胞或神经细胞的重要机制[21-22]。在血管生成过程中,EPCs能通过产生各种促血管形成因子和生长因子而促进前体内皮细胞增殖和迁移。缺血时,外周血和骨髓中EPCs能被动员并归巢到缺血组织,从而参与缺血组织血管形成[23]。

NOX来源的ROS对EPCs来说是一把双刃剑。低水平ROS能作为信号分子促进细胞增殖、迁移、分化和维持血管完整。然而过多ROS与血管内皮功能紊乱,EPCs功能障碍和血管形成受损密切相关。在后肢缺血的小鼠模型中,NOX2表达和ROS生成在缺血组织明显增加。NOX2基因敲除小鼠血流恢复更快,缺血肌肉中毛细血管生成更多,EPCs功能改善更明显,提示在缺血时NOX2介导的氧化应激促进了EPCs功能障碍形成[24]。然而,在相同的模型中,NOX2基因敲除小鼠ROS生成减少,同时外周血中EPCs数量也减少,提示NOX2来源的ROS对维持和动员EPCs参与缺血组织血管再生起到重要作用[6]。对于这两种看似矛盾的现象,我们推测可能与ROS水平高低有关。在前面提到的后肢缺血小鼠模型中,小鼠缺血前后都经过香烟烟雾处理,而后者没有。因此,前者处于应激状态,即使NOX2敲除,仍能维持高水平的ROS,而后者在NOX2敲除后,ROS的基础水平下降,影响了EPCs的动员。

到目前为止,已有少数文献报道脑缺血时NOX介导的氧化应激对EPCs功能的影响。在大鼠脑缺血损伤模型中,过表达血管紧张素转换酶II能明显降低NOX2和NOX4的表达,减少ROS产生同时伴有EPCs迁移功能改善,血管形成增加,这提示NOX介导的氧化应激加剧了脑缺血时EPCs功能损伤[25]。给予Ang II受体阻断剂坎沙坦和氯沙坦后能促进大鼠脑缺血模型EPCs功能恢复。自发性高血压脑卒中易感大鼠,在抑制NOX活性后,减少ROS生成后也能改善EPCs的功能[16-26]。

5 结语

EPCs在生理和病理条件下对维持内皮完整和血管稳态(血管形成)起到重要作用。功能异常的EPCs与各种心血管疾病发生发展密切相关。到目前为止,NOX介导的氧化应激促EPCs功能障碍的作用及其与心血管疾病的关系已达成共识(见图1),NOX抑制剂也显示具有改善EPCs功能的作用。然而,仍有许多问题有待解决。例如,为何不同NOX亚型对EPCs功能影响不同?在生理和病理条件下,NOX基因表达是如何被调节的?解决这些问题,将为寻找改善内皮细胞功能和阻止心血管疾病发生发展的药物提供理论依据。

图1 NADPH氧化酶与心血管疾病内皮祖细胞功能障碍

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专家简介: 彭军,男,留美博士后,博士生导师,中南大学“升华学者计划“特聘教授。中南大学药理学系副主任,兼任《中国动脉硬化杂志》、美国Austin J Pharmacol&Thera等杂志编委、国际动脉硬化学会中国分会理事、湖南省药学会理事等职。主要从事心脑血管疾病发生机制及药物防治研究。已发表SCI论文70余篇;主持和参与“973“计划、国家自然科学基金、美国心脏学会博士后基金等项目;获得全国优秀博士学位论文奖、湖南省青年科技奖、中华医学科技奖等奖励。

R969

10.15972/j.cnki.43-1509/r.2015.02.001