氧化应激促发颅内动脉瘤的研究进展

孔祥溢， 关 健，李 军，杨 义，李永宁，马文斌，王任直

(中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 神经外科， 北京 100730)



短篇综述

氧化应激促发颅内动脉瘤的研究进展

孔祥溢， 关 健，李 军，杨 义，李永宁，马文斌，王任直*

(中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 神经外科， 北京 100730)

氧化应激与炎性反应是颅内动脉瘤(CA)形成和破裂的核心因素。作用机制为：1)直接损伤脑动脉内膜；2)使血管平滑肌细胞(VSMC)由可收缩型向炎性反应型转化并凋亡；3)募集炎性细胞、分泌炎性因子，侵袭管壁；4)激活基质金属蛋白酶(MMP)，重构和解体血管壁；5)介导脂质过氧化，引起动脉粥样硬化和高血压。初步研究显示阻断氧化应激可预防CA发展，但详细机制尚需进一步探究。

颅内动脉瘤；炎性反应；氧化应激；NADPH氧化酶；活性氧自由基

颅内动脉瘤(cerebral aneurysm, CA)在人群中的发病率是2%～3%[1]。CA导致蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage, SAH)的年发病率为0.6‰～2‰[2]。CA发生发展的确切机制目前尚不清楚，但炎性反应和管壁重塑是其中的关键环节[3- 4]。既往研究显示，活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)和活性氮自由基(reactive nitrogen species, RNS)与许多血管疾病有关；它们可产生于正常代谢、炎性反应、机体抗氧化能力的下降，导致组织细胞损伤。

内皮功能紊乱是CA形成的第一步，随之是血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell, VSMC)的表型转化、细胞外基质重塑、VSMC凋亡及血管壁的退变、膨胀和破裂。氧化应激是炎性反应的重要组成部分，如内皮功能紊乱、血管壁免疫细胞聚集、VSMC的增生和迁移均伴随自由基的增多。因此，自由基产生/消除间平衡的打破是引起氧化应激的关键。这种不平衡造成的氧化应激可导致DNA损伤、细胞中毒和凋亡。本综述将详细阐述氧化应激在CA形成和破裂中的病理生理学作用、自由基的来源、氧化损伤作用的潜在通路及CA的抗氧化治疗方法。

1 CA病程中ROS的可能来源

在CA病程中，有很多原因可以导致氧化应激。研究表明，血管组织中尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶、环氧酶(COX)和脂氧合酶是脑动脉中超氧化物自由基(O2·-)和过氧化氢H2O2的主要来源。NADPH氧化酶在脑动脉内皮细胞、VSMC和外膜细胞中呈活性状态。细胞因子、机械压力和生长因子等可通过NADPH氧化酶诱导脑动脉血管产生超氧化物和H2O2。自由基本身也可通过前馈机制引起NADPH氧化酶增多，最终导致自由基迅速积累。COX- 2在人类脑动脉瘤中大量表达，是自由基的产生的重要来源[5]。

在脑血液循环中，自由基的又一重要来源是一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)。NOS有两种类型：存在于血管内皮细胞的固有NOS(eNOS)，与NO的细胞保护效应有关[6]；而在炎性反应状态下表达于巨噬细胞和VSMC的诱生型NOS(iNOS)则与NO的细胞毒性作用有关，它催化产生大量的NO促进氧化应激[7]。当缺乏辅因子L-精氨酸或四氢生物蝶呤(BH4)时，eNOS将催化产生O2·-，而ONOO·-又可氧化BH4、降低辅因子水平，这是动脉管壁细胞中自由基产生的另一前馈放大机制[8]。

CA管壁的局部微环境也是自由基形成的重要条件。巨噬细胞、中性粒细胞、VSMC和内皮细胞释放NADPH氧化酶和髓过氧化物酶产生大量氧自由基。此外，动脉压的增高可活化MMP、重塑血管壁，故血流动力学的改变也是动脉瘤壁自由基产生的一类原因[3]。CA血管壁中某些细胞因子如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)亦可通过上调NADPH氧化酶的活性加速O2·-和H2O2的产生[9]。综上所述，氧化应激诱发CA与炎性反应和血流动力学的改变密切相关。

2 氧化应激介导CA血管壁损伤的可能途径

在CA由血管内皮功能紊乱向管壁退变的过程中，氧化应激始终是重要因素。其作用途径已被广泛研究。

2.1 血流动力学异常与自由基增多

许多研究表明CA的形成起自于血流动力学改变引起的内皮功能紊乱。血流动力学改变所致的血管壁剪切应力的增加引起血管壁微小损伤并逐步积累，导致管壁薄弱，加速动脉瘤形成。管壁剪切应力取决于血液的切变速率和牛顿黏度，而氧化应激程度与之密切相关。另外，在CA形成的早期阶段，内皮细胞经历一系列促炎性反应改变，包括趋化因子的表达、黏附分子的上调和紧密连接蛋白(闭合蛋白与ZO- 1)的下调等[4]。ROS可通过核转录因子(NF-κB)的活化调控这些早期改变，进而引起巨噬细胞的募集和迁移；还可上调单核细胞化学引诱物(MCP- 1)促使单核细胞入侵血管壁，这是CA发生发展的标志性事件[10]。有研究发现巨噬细胞的清除可明显降低小鼠CA的发病率，证明了单核巨噬细胞对CA形成的重要作用[11]。此外，以巨噬细胞为代表的炎性细胞分泌大量MMP，促进血管壁的重塑和退变，其中以MMP- 2和MMP- 9为主要亚型，它们同样受到自由基的调控[3]。

2.2 VSMC表性转换

VSMC表型转换是CA炎性反应的关键[3]。VSMC由可收缩型向促炎/促基质重构型转化，导致肌内膜增生、炎性反应及管壁损伤。VSMC的凋亡最终引起动脉壁变薄，增加了CA破裂的风险。抗氧化剂(如N-乙酰半胱氨酸)与吡咯烷二硫基甲酸盐可延缓VSMC的凋亡进程，这表明VSMC的凋亡及胶原合成的减少与自由基的作用密不可分[12]。

2.3 动脉粥样硬化

囊状CA的重要病理特点是动脉粥样硬化[13]。对于较小的动脉瘤，粥样斑块位于弥漫性增厚的动脉内膜中，主要由平滑肌细胞组成；而大动脉瘤的粥样斑块主要由巨噬细胞、淋巴细胞和成熟平滑肌细胞组成。因此，动脉粥样硬化可能是CA发病的重要原因。NADPH氧化酶、髓过氧化物酶、脂肪氧合酶催化产生的氧自由基参与低密度脂蛋白(LDL)等的过氧化过程，而高水平LDL不仅是动脉粥样硬化的高危因素，其本身也可通过活化NADPH促进产生O2·-和H2O2。因此，通过脂蛋白的过氧化作用，自由基促进了动脉粥样硬化形成，这是自由基介导CA发病的又一机制。

2.4 吸烟与饮酒

吸烟是CA形成和破裂的主要危险因素之一，有统计显示近80%罹患CA并继发SAH 的患者有长期吸烟史[14]。吸烟引起白细胞激活、黄嘌呤氧化酶增多、eNOS解耦合和线粒体电子传递链受阻，导致自由基的增多及NADPH氧化酶活化，促进O2·-和H2O2的产生。此外，抗氧化剂可逆转吸烟相关的血管壁促炎性反应和促粥样硬化的状态[15]，可见吸烟引起的氧化应激是CA发病的重要机制。乙醇是CA破裂的独立危险因素[16]。在中枢神经系统中，乙醇介导产生大量自由基，引起神经炎性反应和神经退变[17- 18]。酗酒对脑内皮细胞的功能和结构均产生重要影响，并通过ROS的形成增加血-脑屏障的通透性[18]。至于乙醇介导的氧化应激是否可直接引起脑动脉管壁的病变尚需进一步研究。

2.5 高血压

高血压也是CA、SAH的重要危险因素[16]。据统计，约25%的SAH与高血压有关[16]。NADPH氧化酶催化产生的O2·-、H2O2、ONO2·-和非耦合eNOS在高血压发病中至关重要。ROS改变VSMC的收缩能力、调控血管内皮细胞的功能，致使脑动脉血管张力增高。氧自由基可在脑循环中与NO起反应，导致VSMC和内皮细胞持续处于收缩状态。另外，通过激活血管紧张素II或减少NOS及抗氧化酶，ROS可提高中枢神经系统的交感活性[19]。然而，自由基、高血压与CA形成或破裂的直接关联尚待进一步探讨。

3 氧化应激促进CA发生发展的证据

同前所述，高血压、腹主动脉瘤和动脉粥样硬化等多种血管疾病均与氧化应激有关。不少学者应用CA动物模型或人类CA标本探究了氧化应激在CA形成和发展中的作用。

3.1 硝基化合物加剧氧化应激强度

同正常动脉相比，动脉瘤起始处iNOS、eNOS、硝基酪氨酸的水平明显较高。这些硝基化合物的增多意味着炎性反应重、氧化应激强度大。它们虽并非持续呈活性状态，但在血管损伤后催化产生的NO是正常量的100～1 000倍，过量NO则舒张血管、抗血小板聚集、抗平滑肌生长、诱导低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)过氧化，导致动脉管壁薄弱、抗损伤能力差，最终形成动脉瘤。另外，iNOS可使VSMC凋亡更明显，不利于弹力纤维的产生，进而引起血管壁结构强度下降以致动脉瘤形成[20]。还有研究显示野生型及iNOS敲除的小鼠CA发病率无明显差异，但后者CA体积明显小于前者。可见iNOS虽不是CA形成的必要条件，但在CA发展中起到了重要作用。巴曲酶防治动脉瘤的原理即是通过去纤维化作用，降低血液黏度、改善血流对管壁的剪切应力，使iNOS表达下降。

3.2 氧化性加合物促进VSMC表型转换

除NOS外，CA管壁中ROS、血红素氧化酶- 1、NADPH氧化酶p47phox亚基、8-OH-2-脱氧鸟苷、次氯酸等的含量也显著高于正常动脉管壁，这些氧化性加合物的过表达是CA发生发展的关键；而CA中SOD-1等抗氧化物的水平则较对照组明显减少。有研究发现应用自由基清除剂依达拉奉(Edaravone)可明显降低NF-κB、MCP- 1及ROS的水平，减轻巨噬细胞浸润和CA内弹力板损伤，最终缩小CA体积[21]。敲除小鼠的P47phox也可明显缩小CA体积，减轻巨噬细胞和ROS的浸润程度[21]。因此，过量的自由基或许在激活炎性因子、促发CA过程中起重要作用。有学者认为，其作用机制在于诱导了VSMC的表型转换：首先降低VSMC收缩基因的表达，包括SM-MHC和SM-α肌动蛋白；其次上调促炎基因(iNOS、MCP- 1、MMPs及VCAM)和NADPH氧化酶的表达；VSMC进而由可收缩型向炎性反应/基质重塑型转变，内弹力板遭到破坏，这是CA形成中的关键事件[22]。像巨噬细胞一样，VSMC本身又能表达氧化性物质和NOS等硝基化合物，尤其是在表性转换后，这样形成恶性循环和瀑布效应，加速CA的发生发展进程[21]。有研究发现雌激素可介导动脉瘤中NADPH氧化酶的表达，这可能是女性动脉瘤发病率较高的原因[23]。

3.3 人体CA发病机制的研究

迄今为止，直接研究氧化应激在人体CA发病中作用的文献尚很少。有回顾性分析发现，相比于正常动脉血管，人体动脉瘤VSMC中iNOS和硝基酪氨酸含量升高。很多微阵列研究显示破裂CA和未破裂CA中ROS基因的表达存在显着差异[24- 25]。破裂CA中，NADPH氧化酶基因、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、低氧诱导因子(hypoxia-inducible factor, HIF)及其他ROS均有不同程度改变[25]。CA破裂后氧化应激平衡迅疾被打破,同未破裂CA相比，CA破裂并发SAH后大脑直回、颞叶岛盖中总SOD、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GP)及SOD/GP比值明显改变，患者脑脊液和血浆中F2-异前列素(一种脂质过氧化的特异性标记物)、NO代谢产物、ONOO·-的平均水平及峰值均较对照组明显升高。还有研究显示吸烟史及抗氧化豆制品摄入过少是CA破裂并发SAH最重要的危险因素；而常饮绿茶的患者CA破裂风险较低，绿茶的抗氧化作用可能有助于稳定上述平衡状态。

虽然目前已有不少动物实验和人体CA研究初步探究了氧化应激理论，但旨在直接分析氧化应激及其抗氧化治疗作用的人体随机对照临床试验至今尚未开展。氧化应激如何影响CA的破裂亦需进一步分析，这将有助于开发CA患者的抗氧化治疗方法，尤其是对于不适于手术的患者。

4 结论

根据目前已有的研究，氧化应激在CA发生、发展及破裂中的作用已被证实，其机制为介导动脉管壁退变、促进炎性反应微环境形成，改变血流动力学，上调VSMC表型转化及凋亡、诱导基质重塑。因此，抗氧化剂的应用有望成为预防CA形成、破裂的有效治疗方法。

[1] Brown RJ, Broderick JP. Unruptured intracranial aneurysms: epidemiology, natural history, management options, and familial screening[J]. Lancet Neurol, 2014, 13: 393- 404.

[2] van Gijn J, Kerr RS, Rinkel GJ. Subarachnoid haemorrhage[J]. Lancet, 2007, 369: 306- 318.

[3] Penn DL, Witte SR, Komotar RJ,etal. The role of vascular remodeling and inflammation in the pathogenesis of intracranial aneurysms[J]. J Clin Neurosci, 2014, 21: 28- 32.

[4] Chalouhi N, Ali MS, Jabbour PM,etal. Biology of intracranial aneurysms: role of inflammation[J]. J Cereb Blood Flow Metab, 2012, 32: 1659- 1676.

[5] Hasan D, Hashimoto T, Kung D,etal. Upregulation of cyclooxygenase- 2 (COX- 2) and microsomal prostaglandin E2 synthase- 1 (mPGES- 1) in wall of ruptured human cerebral aneurysms: preliminary results[J]. Stroke, 2012, 43: 1964- 1967.

[6] Puca AA, Carrizzo A, Ferrario A,etal. Endothelial nitric oxide synthase, vascular integrity and human exceptional longevity[J]. Immun Ageing, 2012, 9: 1- 6.

[7] Seimetz M, Parajuli N, Pichl A,etal. Inducible NOS inhibition reverses tobacco-smoke-induced emphysema and pulmonary hypertension in mice[J]. Cell, 2011, 147: 293- 305.

[8] Forstermann U, Li H. Therapeutic effect of enhancing endothelial nitric oxide synthase (eNOS) expression and preventing eNOS uncoupling[J]. Br J Pharmacol, 2011, 164: 213- 223.

[9] Juric V, Chen CC, Lau LF. TNFα-induced apoptosis enabled by CCN1/CYR61: pathways of reactive oxygen species generation and cytochrome c release[J]. PLoS One, 2012, 7: e31303.

[10] Montezano AC, Touyz RM. Reactive oxygen species and endothelial function--role of nitric oxide synthase uncoupling and Nox family nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidases[J]. Basic Clin Pharmacol Toxicol, 2012, 110: 87- 94.

[11] Kanematsu Y, Kanematsu M, Kurihara C,etal. Critical roles of macrophages in the formation of intracranial aneurysm[J]. Stroke, 2011, 42: 173- 178.

[12] Acilan C, Serhatli M, Kacar O,etal. Smooth muscle cells isolated from thoracic aortic aneurysms exhibit increased genomic damage, but similar tendency for apoptosis[J]. DNA Cell Biol, 2012, 31: 1523- 1534.

[13] Killer-Oberpfalzer M, Aichholzer M, Weis S,etal. Histological analysis of clipped human intracranial aneurysms and parent arteries with short-term follow-up[J]. Cardiovasc Pathol, 2012, 21: 299- 306.

[14] Bor AS, Rinkel GJ, van Norden J,etal. Long-term, serial screening for intracranial aneurysms in individuals with a family history of aneurysmal subarachnoid haemorrhage: a cohort study[J]. Lancet Neurol, 2014, 13: 385- 392.

[15] Khanna AK, Xu J, Mehra MR. Antioxidant N-acetyl cysteine reverses cigarette smoke-induced myocardial infarction by inhibiting inflammation and oxidative stress in a rat model[J]. Lab Invest, 2012, 92: 224- 235.

[16] Juvela S. Prevalence of and risk factors for intracranial aneurysms[J]. Lancet Neurol, 2011, 10: 595- 597.

[17] Reddy VD, Padmavathi P, Kavitha G,etal. Alcohol-induced oxidative/nitrosative stress alters brain mitochondrial membrane properties[J]. Mol Cell Biochem, 2013, 375: 39- 47.

[18] Qin L, Crews FT. NADPH oxidase and reactive oxygen species contribute to alcohol-induced microglial activation and neurodegeneration[J]. J Neuroinflammation, 2012, 9: 1- 19.

[19] Montezano AC, Touyz RM. Molecular mechanisms of hypertension--reactive oxygen species and antioxidants: a basic science update for the clinician[J]. Can J Cardiol, 2012, 28: 288- 295.

[20] Usui F, Shirasuna K, Kimura H,etal. Inflammasome Activation by Mitochondrial Oxidative Stress in Macrophages Leads to the Development of Angiotensin II-Induced Aortic Aneurysm[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2015, 35:127- 136.

[21] Aoki T, Nishimura M, Kataoka H,etal. Reactive oxygen species modulate growth of cerebral aneurysms: a study using the free radical scavenger edaravone and p47phox(-/-) mice[J]. Lab Invest, 2009, 89: 730- 741.

[22] Ali MS, Starke RM, Jabbour PM,etal. TNF-alpha induces phenotypic modulation in cerebral vascular smooth muscle cells: implications for cerebral aneurysm pathology[J]. J Cereb Blood Flow Metab, 2013, 33: 1564- 1573.

[23] Tamura T, Jamous MA, Kitazato KT,etal. Endothelial damage due to impaired nitric oxide bioavailability triggers cerebral aneurysm formation in female rats[J]. J Hypertens, 2009, 27: 1284- 1292.

[24] Marchese E, Vignati A, Albanese A,etal. Comparative evaluation of genome-wide gene expression profiles in ruptured and unruptured human intracranial aneurysms[J]. J Biol Regul Homeost Agents, 2010, 24: 185- 195.

[25] Shi C, Awad IA, Jafari N,etal. Genomics of human intracranial aneurysm wall[J]. Stroke, 2009, 40: 1252- 1261.

新闻点击

治疗男性秃顶药物可能损伤生殖能力

据美国国家科学院院报(PNAS)网站(2013-09-12)报道，药物Finasteride过去被核准用以治疗良性前列腺肿大(BPH)，但15年前适应证增加治疗男性秃顶用途，近年来已越来越多有秃顶困扰的男性会低剂量服用此药。日前一份加拿大研究发现，有生育问题的男性停止使用Finasteride后，精子数量出现明显上升，显示使用该药物会伤害男性生育能力。

这项研究分析一间治疗男性不孕的诊所在2008～2012年的患者数据，在排除有阻塞性无精症、原发性睪丸疾病、精子分化中止及先天性副睪丸阻塞问题的男性后，剩下24位为有使用Finasteride治疗秃顶的男性。他们的平均年龄37岁，其中20位有原发性不孕问题。这24位男性都使用低剂量Finasteride治疗秃顶，剂量范围为1.0～1.25 mg，治疗时间平均长达57.4个月。

研究结果发现，其中的14位男性在服用Finasteride平均6.5个月后停药，他们的精子数量增加了4～12倍，但是精子的活动度与精虫形态并没有显著改变。这项研究显示，即便是低剂量服用Finasteride还是会对某些男性的生殖力有负面影响，而一旦停药，男性的精子数量就明显提高，尤其是在精子严重减少的男性身上可以看到最明显的改变。不过这项研究由于无法知道Finasteride对精子数量影响的机制，所以无法准确指出得到改善的确切时间点。

该研究刊登于近期《生殖与不孕》期刊(Fertility and Sterility)。

Research progress of oxidative stress inducing cerebral aneurysm

KONG Xiang-yi, GUAN Jian, LI Jun, YANG Yi, LI Yong-ning, MA Wen-bin, WANG Ren-zhi*

(Dept. of Neurosurgery, PUMC Hospital, CAMS & PUMC, Beijing 100730, China)

Oxidative stress and inflammation reaction are known to contribute to the formation and progression of cerebrovascular disease (CA). The pathophysiological mechanism are: 1) direct endothelial injury; 2) vascular smooth muscle cell (VSMC) phenotypic switching to an inflammatory phenotype and ultimately apoptosis; 3) recruitment and invasion of inflammatory cells through upregulation of chemotactic cytokines and adhesion molecules; 4) matrix metalloproteinases (MMP) can be activated and then lead to vessel wall remodeling and breakdown; 5)lipid peroxidation lead to atherosclerosis and hypertension. Preliminary researches suggest that therapies targeted at oxidative stress may provide a future beneficial treatment for cerebral aneurysms, but the detailed mechanisms need further exploring.

cerebral aneurysm; inflammation reaction; oxidative stress; NADPH oxidase; reactive oxygen species

2014- 09- 09

2014- 12- 29

1001-6325(2015)04-0558-05

R651.1+2

A

*通信作者(corresponding author)：18611964099@126.com