四氢生物蝶呤与心血管疾病关系的研究进展

田静朴，李俭强(综述)，李为民(审校)

(哈尔滨医科大学附属第一医院心内科，哈尔滨 150001)

四氢生物蝶呤与心血管疾病关系的研究进展

田静朴△，李俭强(综述)，李为民※(审校)

(哈尔滨医科大学附属第一医院心内科，哈尔滨 150001)

摘要：心血管疾病具有很高的发病率和致死率。近年来研究显示，一氧化氮合酶(NOS)解偶联与心血管疾病密切相关。四氢生物蝶呤(BH4)是NOS作用的重要辅因子，催化L-精氨酸生成一氧化氮。BH4缺乏能导致NOS解偶联，使一氧化氮合成减少及活性氧生成增加。一氧化氮是调节血管舒张功能的重要因子，而大量氧自由基能导致氧化应激，损伤血管内皮功能，促进多种心血管疾病的发生、发展，如高血压病、动脉粥样硬化、心肌肥厚、糖尿病、心律失常等。BH4的生物利用度由从头合成和再循环共同决定，然而，当BH4/NOS或BH4/二氢生物蝶呤(BH2)比例失调时，可导致NOS解偶联，加重氧化应激，形成恶性循环。外源性补充或增加内生BH4水平，能增加一氧化氮的生物利用度及改善血管内皮功能。因此，深入了解BH4与心血管疾病的关系，对心血管疾病的防治具有重要作用。

关键词：心血管疾病；四氢生物蝶呤；一氧化氮合成酶

心血管疾病的发生、发展与血管内皮功能障碍密切相关。研究显示，四氢生物蝶呤(tetrahydrobiopterin,BH4)可通过多种途径对人体血管内皮功能产生影响，比如通过一氧化氮及活性氧的生成影响血管内皮功能，依靠自身还原性对抗氧化应激影响血管内皮功能以及通过5-羟色胺、苯丙氨酸、多巴胺等神经递质。BH4充足时,一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)催化L-精氨酸生成L-胍氨酸和一氧化氮；BH4缺乏时,一氧化氮合成减少并且氧自由基产生增多,此种现象称为NOS解偶联[1]。一氧化氮具有抗炎、舒张血管、抗动脉硬化、抑制血小板聚集、抑制平滑肌增生、调节血压等多种心血管系统保护作用，超氧阴离子能与一氧化氮反应，生成过氧化亚硝酸盐，后者是一种很活泼的阴离子，可引起酶的结构和功能发生变化，导致血管内皮功能受损，促进心血管疾病的发生、发展。氧化应激和NOS 解偶联引起的一氧化氮通路损伤可导致内皮细胞功能障碍，是多种心血管疾病的共同通路。因此，BH4代谢紊乱在心血管疾病中的作用值得深入探讨。现对BH4与心血管疾病关系的研究进展进行综述。

1BH4与NOS解偶联的关系

1.1BH4的合成及代谢BH4是NOS作用的重要辅因子，其生成在体内存在从头合成和补救合成两种途径。生理情况下，从头合成是BH4合成的主要途径，以三磷酸鸟苷为底物,在限速酶三磷酸鸟苷环化水解酶以及镁离子、锌离子和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的共同作用下合成；病理状态下，BH4合成主要通过补救合成途径，由墨蝶呤还原酶催化合成。BH4具有较强还原性，可清除活性氧和过氧化亚硝基，但其结构不稳定，极易被氧化。在病理状态下，如高血压、高脂血症、动脉粥样硬化及充血性心力衰竭时，活性氧生成明显增加，促进BH4被氧化变成醌式二氢生物蝶呤，后者可以被醌式二氢蝶呤还原酶还原成为BH4，完成循环再利用。

1.2BH4与NOS解偶联现已证实，NOS有3种亚型：内皮型 NOS(endothelial NOS,eNOS)、神经元型NOS(neuronal NOS,nNOS)和诱导型NOS(inducible NOS,iNOS)。心脏在生理情况下表达eNOS和nNOS，而iNOS只有在炎症、氧化应激、心肌肥厚、心力衰竭等病理状态下表达，产生的一氧化氮是eNOS和nNOS的100～1000倍，而异常增高的一氧化氮具有细胞毒作用，导致组织细胞的损伤[2]。3种NOS亚型均在心血管疾病中发挥了作用，不同亚型的NOS对心肌产生的影响不同[3-4]。NOS是结合辅因子的同源二聚体，只有在二聚体的条件下才具有活性。BH4具有稳定NOS结构，稳定NOS活性二聚体，增加L-精氨酸和NOS结合力，促进一氧化氮的合成与释放等作用。研究发现，BH4水平与三磷酸鸟苷环化水解酶呈正相关，给予小鼠BH4或过表达三磷酸鸟苷环化水解酶可以升高BH4/eNOS的比值，降低超氧阴离子的生成。若只增加NOS的表达而没有相应的增加BH4，即BH4/NOS的比例失调，可导致NOS解偶联。也有研究发现，通过抑制二氢叶酸还原酶活性或RNA干扰降低二氢叶酸还原酶表达均可以降低BH4水平，增加二氢生物蝶呤的水平，使BH4/二氢生物蝶呤(dihydrobiopterin,BH2)降低，也可导致NOS解偶联[5]。可见BH4水平与NOS解偶联密切相关。

2BH4与心血管疾病的关系

2.1BH4与高血压病血管内皮功能障碍在高血压病的发生、发展中起重要作用，而eNOS解偶联能导致血管内皮功能受损，一氧化氮生物利用度下降贯穿其中，血压在一定程度上与一氧化氮的血管张力调节作用相关。Wallace等[6]在去氧皮质酮-盐诱导的高血压模型中，发现eNOS解偶联及BH4缺乏的现象，且抑制eNOS的活性能导致血压升高。此外，BH4对自发性高血压大鼠有明显的降压作用, 长期使用BH4可以使自发性高血压大鼠的血压维持在正常水平[7]。在研究BH4缺陷的小鼠时发现BH4水平下降，血压明显高于野生型小鼠。然而，另一个研究并不能证实上述情况，证实在hph-1和有相同遗传背景的小鼠之间血压并无变化[8]。在高血压形成的病理过程中, BH4氧化失活增加,导致NOS催化L-精氨酸生成大量的过氧化物，损伤血管内皮细胞的脂质和蛋白质等,导致血管壁的结构功能发生改变，从而形成恶性循环。高血压可减少BH4从头合成、回收及增加BH4的消耗；BH4可通过改善内皮依赖性血管舒张功能及保护内皮祖细胞而改善高血压。这些研究强调了BH4在维持正常血管功能方面的重要作用，从而阻止了动脉粥样硬化及高血压病靶器官的损害, 这对高血压的治疗是一个突破性的进步。

2.2BH4与动脉粥样硬化(atherosclerosis,As)BH4通过调节3种NOS来影响As的发生、发展，在高脂饮食饲养小鼠制造的As模型中，eNOS缺乏可导致心脏纤维化的增加。尽管eNOS解偶联有导致As的可能，但是在eNOS-/-/载脂蛋白E-/-小鼠表明eNOS有保护作用，这些小鼠增加白细胞-内皮细胞的相互作用、血管细胞黏附分子1表达及巨噬细胞向血管壁的浸润[9]。与eNOS和nNOS的保护作用相反，iNOS的表达在As疾病中是有害的，在ApoE-/-As实验模型中，发现iNOS的表达能使疾病恶化，在iNOS-/-的动物给予高脂饮食以后，能降低疾病的发生率。研究发现，在用低密度脂蛋白孵育内皮细胞中，机体处于氧化应激状态[10]，内皮的血管紧张素Ⅱ被激活，引起BH4氧化和eNOS脱偶联，使一氧化氮产生减少，而一氧化氮具有抗动脉硬化的作用(比如抑制内皮细胞生成黏附因子、抑制血小板聚集以及炎性介质的生成)，从而损伤血管内皮，促进As的发生、发展[11]。上述现象在高脂血症患者中同样被证实。Hurlimann等[12]对高胆固醇血症患者进行冠状动脉内持续补充BH4，发现BH4对高胆固醇血症患者的血管内皮细胞功能异常有明显的改善作用，并且只有持续的冠状动脉内BH4灌注才有治疗作用,说明这种作用可能与BH4参与NOS的偶联密切相关。上述证据表明，BH4在As中生物合成的改变是不可逆的，外源性补充BH4可明显减少氧自由基的产生，降低脂质过氧化，从而延缓As的发生、发展。

2.3BH4与心肌肥厚心肌肥厚既是压力超负荷时心肌组织代偿反应的结果又是高血压病、心力衰竭等心血管疾病的共同病理特征。虽然心肌肥厚最初可能是有益的，能维持正常的生理功能，但持续的压力超负荷使心肌功能失代偿，最终导致心力衰竭并且增加病死率[13]。Takimoto等[14]研究发现，BH4水平下降及其所导致的eNOS脱偶联，可导致小鼠的心脏负荷增加,出现心肌代偿性肥厚和心脏间质纤维化,最终出现心脏扩大和心力衰竭。Kang-Decker等[15]研究发现，BH4能恢复心脏舒张功能和改善左心室重构，可能是通过调节Ca2+通道的活性引起的。氧化应激参与心肌肥厚从代偿到失代偿的演变过程。口服BH4可抑制偶联，减少活性氧类的生成，减轻氧化应激，可预防或逆转心室肥厚、纤维化，改善心脏eNOS脱功能。BH4改善压力超负荷导致的心肌肥厚及心功能衰竭的有效剂量比预期的更受限制，但总的来说，增加BH4/BH2比值是最有效的[16]。一氧化氮供体具有减轻缺血/再灌注(ischemia reperfusion，I/R)引起的心肌细胞损伤和减轻腹主动脉缩窄大鼠心肌肥厚的作用[17-18]。在eNOS敲除的动物模型发现仅有心肌轻微肥厚，并无心脏扩大及收缩功能受损。

2.4BH4与心肌I/R损伤心肌I/R损伤具有使心肌细胞凋亡、内皮功能障碍的特性，与活性氧类生成增加导致氧化应激有关。心肌I/R引起BH4氧化，通过NOS解偶联，产生过量的氧自由基，导致冠状动脉内皮功能失调，影响冠状动脉血流。Dumitrescu等[19]在小鼠离体心脏中发现外源性补充BH4能部分抑制超氧阴离子的产生及恢复一氧化氮的生成，保护I/R心肌。Masano等[20]在心肌梗死后小鼠模型中也发现上述现象。然而，BH4修复一氧化氮生成的作用在缺血30 min后下降，90 min后作用消失，说明心肌I/R损伤的机制除了与BH4缺乏有关，还与长时间缺血导致的NOS解偶联相关。目前大量研究聚焦于BH4在晚期缺血预处理方面的作用。研究显示，一氧化氮是缺血预处理的重要调节因子。Tang等[21]在发现左冠状动脉缺血预处理导致心肌缺血区在I/R损伤BH4水平升高，但非缺血区并没有发现，说明缺血预处理可以减轻心肌I/R损伤后的凋亡，从而减小心肌梗死面积。

2.5BH4与心房颤动心房颤动是最常见的心律失常之一。目前，心房颤动治疗大都是通过调节离子通道的药物，但具有致心律失常的作用，因此，心房颤动的上游治疗越来越受关注，比如改善氧化应激、结构重构、代谢重构等，是一种安全、有效治疗心房颤动的方法[22-23]。氧化应激是心房颤动主要的病理生理机制。在非缺血性心肌病犬模型中，增加L-精氨酸或BH4能够阻止心房组织氧化应激，减少心房颤动的发生。在心房颤动犬模型中发现，心内膜eNOS表达下降，一氧化氮生成较少；而心房肌中iNOS表达增加，一氧化氮生成明显增多，提示心房颤动发生后，一氧化氮合成途径发生改变, 由eNOS合成一氧化氮减少，而由iNOS合成的一氧化氮增加，可能促进氧化应激，从而参与心房颤动的结构重构和电重构，从而使心房颤动恶化。Nishijima等[24]研究证实，慢性心力衰竭可导致左心房氧化应激，考虑与BH4减少及NOS解偶联有关，通过补充BH4或L-精氨酸可改善心房的氧化应激和电生理特性，降低心房颤动的发生率。在行心脏外科手术的患者中发现心房生成的过氧化物及亚硝酸盐与心房颤动的发展密切相关[25]。Reilly等[26]在长时间起搏的山羊心房颤动模型中发现NOS解偶联增加，而BH4生物利用度及BH4/BH2比例下降。此外，在行心脏手术的患者中，发现还原型辅酶Ⅱ氧化是术后心房颤动患者中心房过氧化物生成的重要来源，说明最初的氧化应激从还原型辅酶Ⅱ氧化开始，最终将通过BH4减少和NOS解偶联，导致永久性心房颤动。目前，对于在正常或心房颤动心房组织中，NOS信号通路的作用仍不明确，有待于进一步试验证实。

2.6BH4与糖尿病高血糖能使血管超氧化物产生增多，一氧化氮与超氧化物反应，生成过氧亚硝酸盐，损伤血管内皮及氧化BH4，导致NOS解偶联，形成恶性循环，从而导致多种心血管疾病的发生、发展。BH4在修复糖尿病性内皮细胞功能受损具有重要的作用。Shinozaki等[27]在有胰岛素抵抗的小鼠中发现三磷酸鸟苷环化水解酶及BH4水平下降，导致血管内皮依赖性的血管舒张功能受损。BH4已被认为是治疗糖尿病血管疾病的合理靶点。但其调节内皮细胞功能的作用机制仍不清楚。研究显示，BH4的合成可调节一氧化氮生物活性，来正反馈调节磷脂酰肌醇3-激酶及其下游丝/苏氨酸蛋白激酶信号通路[28]，磷脂酰肌醇3-激酶及其下游丝/苏氨酸蛋白激酶途径作为胰岛素调控内皮细胞葡萄糖代谢的主要信号转导途径，为BH4调控内皮细胞的糖代谢提供可能机制。新生血管的重塑是伤口愈合的重要过程，为BH4促进糖尿病伤口愈合提供可能。糖尿病肾病是糖尿病患者最常见的并发症，汪建云等[29]在自发性 2型糖尿病肾病小鼠肾脏中发现，BH4 水平明显增加，促使 iNOS 蛋白表达及酶活性增加，从而导致一氧化氮生成增多，引起多尿及蛋白尿。糖尿病心肌病是糖尿病的另一主要并发症，是由心脏微循环病变和心肌代谢紊乱导致心肌坏死，可能与氧化应激有关。因此，提高一氧化氮的生物利用度，降低氧自由基的产生，可能改善血管功能。因此，BH4很可能是治疗糖尿病并发症的策略之一，但需要进一步深入研究。

3结语

综上所述，BH4是心血管疾病发生、发展的重要调节因子，NOS解偶联是主要的病理机制。BH4生物利用度下降是心血管功能失调的重要标志。目前研究表明，增加血管BH4生物利用度可通过促进BH4的生物合成及降低氧化消耗，维持内皮充足的BH4水平，在调节一氧化氮和氧阴离子的平衡中重起到重要作用。目前正在试图通过基因治疗恢复细胞内BH4水平显示出很有希望的前景。BH4结构不稳定，极易被氧化，所以，机体经常出现BH4缺乏的现象。因此，通过干扰BH4代谢途径有望成为心血管疾病的一个新的治疗手段。同时，BH4新型制剂的研制为临床广泛应用提供了可能。

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Research Progress on the Relationship between Tetrahydrobiopterin and Cardiovascular DiseaseTIANJing-pu,LIJian-qiang,LIWei-min.(DepartmentofCardiology,theFirstAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin150001,China)

Abstract：Cardiovascular diseases have a high morbidity and mortality.Recent studies have shown that nitric oxide synthase(NOS) uncoupling is closely related with cardiovascular disease.Tetrahydrobiopterin(BH4) is an important cofactor of NOS function,and can catalyze L-catalytic arginine to produce nitric oxide.BH4 deficiency can lead to NOS uncoupling,causing the decrease of nitric oxide synthesis and the increase of reactive oxygen species generation.Nitric oxide is an important factor in regulating vascular diastolic function,but a large amount of oxygen free radicals can cause oxidative stress,and injure endothelial function,promoting the occurrence and development of many cardiovascular diseases,such as hypertension,atherosclerosis,myocardial hypertrophy,diabetes,cardiac arrhythmia and so on.BH4 bioavailability is determined by a balance of enzymatic de novo synthesis and recycling.However,when the ratio of BH4/NOS or BH4/ tetrahydrobiopterin(dihydrobiopterin BH2) is imbalanced,it can cause NOS uncoupling,increase oxidative stress and form a vicious circle.The supplement of exogenous or increase of endogenous BH4 level,can increase the bioavailability of nitric oxide and improve vascular endothelial function.Therefore,in-depth understanding of the relationship between BH4 and cardiovascular disease,plays an important role in the prevention and treatment of cardiovascular diseases.

Key words：Cardiovascular diseases; Tetrahydrobiopterin; Nitric oxide synthase

收稿日期：2015-03-03修回日期：2015-04-17编辑：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.22.011

中图分类号：R541

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)22-4061-04