四氢生物蝶呤对左心室舒张功能作用的研究进展

王琼英，杨米娜，许　涵(综述)，余　静(审校)

(兰州大学第二医院心内科，兰州 730000)



四氢生物蝶呤对左心室舒张功能作用的研究进展

王琼英，杨米娜，许涵(综述)，余静※(审校)

(兰州大学第二医院心内科，兰州 730000)

摘要：四氢生物蝶呤缺乏可导致一氧化氮合酶脱偶联、氧自由基生成增多。在氧化应激过程中，氧自由基产生增强并且其防御机制发生改变，通过促进心肌细胞凋亡、心肌肥厚和纤维化，使心肌重构、内皮功能障碍、炎症及血管重构，最终导致心脏舒张功能发生损害。氧化应激可降低四氢生物蝶呤的生物利用度,给予外源性的四氢生物蝶呤对心室舒张功能障碍有明显的治疗作用。该文就四氢生物蝶呤在左心室舒张功能障碍中的作用予以综述。

关键词:四氢生物蝶呤；一氧化氮合酶；左心室舒张功能

舒张性心功能不全发生的病理机制至今尚未阐明，故缺乏一种特定的治疗措施。过度生成的活性氧使一氧化氮生物利用下降，进一步使心肌细胞脂质、蛋白质和DNA发生损害，致使心肌细胞功能障碍和冠状动脉血管重构，而这些都是左心室舒张功能障碍发生的关键因素。研究表明，四氢生物蝶呤参与了中和氧自由基和促进一氧化氮生成，这对于心肌细胞以及血管内皮细胞的舒张起至关重要的作用[1]。目前对于纠正心脏舒张功能障碍的药物研究有限，现就四氢生物蝶呤缺乏引起的一氧化氮合酶解偶联所致的氧化应激参与影响心肌舒张功能障碍的机制予以综述。

1氧化应激、四氢生物蝶呤与左心室舒张功能

1.1氧化应激与左心室舒张功能障碍

1.1.1舒张性心功能不全现状大多数心脏病患者左心室舒张功能异常早于收缩功能异常或以舒张功能异常为主，Owan等[2]的一项为期15年的随访研究发现，射血分数正常的心功能不全患者占心力衰竭总人数的54%。尽管射血分数正常的心力衰竭是否就等同于舒张性心力衰竭目前还有争议，但射血分数正常的心功能不全患者绝大多数表现为舒张性心功能不全[3]。流行病学资料证实，日益增加的舒张性心功能不全所带来的庞大经济负担已成为全世界所急迫解决的问题[3-5]。而舒张性心功能不全的发病机制尚未阐明，故缺少一种特定的治疗措施。

1.1.2四氢生物蝶呤参与正常心脏功能的维持四氢生物蝶呤是一个至关重要的辅酶，它是3种一氧化氮合酶同工酶的重要辅助因子。四氢生物蝶呤在高等生物的细胞或组织中起关键作用，生理和相关的病理状态下，单胺类神经递质的形成、心肌和血管内皮功能障碍、免疫反应及疼痛均与之相关[1]。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶是生成活性氧的主要酶，它生成的超氧阴离子能与一氧化氮强烈反应形成过氧亚硝基阴离子，而四氢生物蝶呤对过氧亚硝基阴离子的氧化作用高度敏感，可被其氧化为无辅酶活性的竞争性抑制剂二氢生物蝶呤[6]。当四氢生物蝶呤的水平降低时，一氧化氮合酶解偶联，促进了一氧化氮合酶催化生成超氧阴离子而不是一氧化氮，形成恶性循环。这一现象已在心血管疾病的动物模型以及具有心血管危险因素的患者中观察到，并有动物实验显示，补充外源性四氢生物蝶呤可纠正一氧化氮合酶功能障碍[7]。四氢生物蝶呤的氧化不仅降低了其生物利用度，而且其氧化产物与四氢生物蝶呤竞争内皮型一氧化氮合酶的结合位点，从而导致内皮型一氧化氮合酶的解偶联。涉及到纯化的一氧化氮合酶的产物研究，在一定浓度的四氢生物蝶呤或L-精氨酸状态下其所形成的过氧化氢可以被检测出[7]。因此，吸烟、缺血/再灌注损伤或糖尿病的内皮功能障碍可能是由于降低了四氢生物蝶呤的浓度所引起的。研究发现，每日口服400 mg或以上剂量的四氢生物蝶呤对没有得到控制的高血压具有显著而持久的降压作用,其机制与内皮一氧化氮生物利用率的改善有关[8]。四氢生物蝶呤参与了维持心脏正常功能和中和氧自由基、促进一氧化氮生成，提示四氢生物蝶呤可能逆转心肌舒张功能障碍，成为改善左心室舒张功能的新的治疗手段。

1.1.3氧化应激与左心室舒张功能心血管疾病的很多危险因素(包括吸烟、高血压、高胆固醇血症、糖尿病、不良饮食习惯和缺乏运动等)是通过氧化应激起作用的。例如，香烟烟雾中含有大量的自由基，因此香烟烟雾也可能下调关键的外源性和内源性抗氧化剂，导致血管内皮细胞、单核细胞和血管平滑肌细胞的功能障碍及线粒体损伤；高胆固醇血症可诱导产生氧化应激与DNA损伤，促进血管内皮细胞、平滑肌细胞、T淋巴细胞和巨噬细胞功能障碍；1型和2型糖尿病均可通过氧化应激影响动脉粥样硬化，并且这种影响可通过多种活性氧类的诱导剂和清除剂来调节[9-10]。过度生成的活性氧类使由活性氧刺激的信号转导作用转变为活性氧类调节的一氧化氮生物利用下降、脂质、蛋白质和DNA损害，从而发生失控的细胞增殖、凋亡、细胞通透性增高和死亡、内皮功能障碍、炎症及血管重构，而这些都是左心室舒张功能障碍发生的关键因素。

1.1.4内皮型一氧化氮合酶与左心室舒张功能氧化氮是体内广泛存在的分子，是心肌及血管平滑肌细胞收缩调节和钙调节的下游目标序列的重要因子。一氧化氮由一氧化氮合酶催化L-精氨酸转化为L-瓜氨酸，并且需要氧和其他辅助因子参与。一氧化氮合酶主要有3种亚型，即内皮型、神经型、诱导型。研究发现，心肌细胞主要表达内皮型和神经型，它们主要以二聚体的形式存在，每个单体包含1个氨基末端加氧酶结构域和羧基端还原酶结构域；加氧酶结构域主要结合底物L-精氨酸，并且是辅助因子四氢生物蝶呤和细胞色素P450型血红素的作用位点[11-12]。在内皮型一氧化氮合酶或神经型一氧化氮合酶基因选择性剔除小鼠的研究中发现，一方面在生理条件下，由刺激的血管内皮型一氧化氮合酶衍生的一氧化氮影响心肌细胞的功能；另一方面，心肌内神经型一氧化氮合酶衍生的一氧化氮可以通过调节肌质网钙离子的摄入来增强心肌舒张[13-14]。研究发现，内皮型一氧化氮合酶蛋白表达增加可减少左心室重构和功能下降，这些结果意味着，增加心肌内皮型一氧化氮合酶表达，可能有助于防止心肌梗死后左心室不良重构和心室功能不全。但并不是所有的研究均如此，有研究表明，在严重的左心室压力负荷下，心肌内皮型一氧化氮合酶的解偶联可加剧左心室的不良重构和功能不全，在这种情况下，内皮型一氧化氮合酶基因缺失有保护作用[15-16]。对心肌特定的内皮型一氧化氮合酶、神经型一氧化氮合酶的过度表达研究表明，在人类疾病的动物模型实验中增加心肌内皮型一氧化氮合酶表达很重要，如心肌内皮型一氧化氮合酶的过度表达可使缺血/再灌注后的心肌保持较好的左心室收缩和舒张功能，同时可以改善梗死后心肌生存和减弱左心室肥厚、间质纤维化[17]。此外，在一氧化氮合酶调节心肌氧化还原分子机制的研究中发现，心肌细胞一氧化氮氧化还原的平衡受蛋白激酶A和蛋白激酶G磷酸化作用的影响[17-18]。研究表明，一些常见的心血管疾病(如高血压、糖尿病和动脉粥样硬化)与内皮型一氧化氮合酶活性解偶联相关，这一现象在压力超负荷、缺血或心房颤动的心房或心室肌中均有描述[10,15-17]。

1.2四氢生物叶酸与一氧化氮合酶的解偶联氧化辅助因子四氢生物蝶呤是目前报道的最多的参与内皮型一氧化氮合酶解偶联。L-精氨酸的还原活性和苏氨酸残基去磷酸化作用与一氧化氮合酶的解偶联有关。已经证明了内皮型一氧化氮合酶的两个半胱氨酸残基的S-谷胱甘肽化可通过内皮型一氧化氮合酶还原结构域漏出的超氧阴离子逆转一氧化氮合酶的解偶联[12]。心肌内皮型一氧化氮合酶的解偶联导致四氢生物蝶呤活性下降，继而增加心肌活性氧的产生并加速心力衰竭的演变[19]。最近的动物实验中，一氧化氮合酶解偶联及四氢生物蝶呤缺乏在高血压和心房颤动中的发病机制已有研究。据报道，缺血/再灌注可致内皮细胞损伤，细胞内四氢生物蝶呤水平下降，进而一氧化氮介导的内皮依赖性血管舒张作用受损，加入外源性四氢生物蝶呤可以使这一现象逆转[17]，提示四氢生物蝶呤与维持血管正常的舒张作用相关，在调节血管反应过程中具有重要的生理意义。一氧化氮的产量严格依赖合适的四氢生物蝶呤的量，缺血/再灌注损伤引起内源性四氢生物蝶呤量减少，进而导致内皮细胞功能减退。Silberman等[20]研究显示，醋酸脱氧皮质酮盐敏型高血压小鼠合并左心室舒张功能不全，并且这种舒张功能障碍与心脏氧化及一氧化氮合酶介导的一氧化氮生成减少相关；同时，通过一氧化氮合酶抑制剂实验证实，氧化应激在很大程度上是一氧化氮合酶解偶联的结果。一氧化氮合酶解偶联可增加心肌氧化型蝶呤的产生，同时伴随心肌四氢生物蝶呤的减少，在补充四氢生物蝶呤后可以预防或逆转左心室舒张功能障碍，这一现象在离体高血压小鼠左心室心肌细胞实验中得到了同样的结果[21-22]。

2四氢生物蝶呤改善左心室舒张功能障碍的机制

2.1四氢生物蝶呤通过降低血压改善左心室舒张功能内皮型一氧化氮合酶是血压的主要调节剂，而受损的一氧化氮合酶的生物活性则被认为是心血管疾病的主要原因。研究显示，内皮型一氧化氮合酶的解偶联导致醋酸脱氧皮质酮盐敏型大鼠全身性高血压，且这也与四氢生物蝶呤的氧化相关，口服补充四氢生物蝶呤可以恢复一氧化氮合酶活性并减缓高血压的进展[20-21]。研究证实，外源性四氢生物蝶呤可以降低肾切除术、持续输注血管紧张素Ⅱ以及促肾上腺皮质激素所致的高血压，而且还可降低肺动脉高压[23]。四氢生物蝶呤作为一个重要且具有独特功能的抗高血压剂，不会诱发血管本身的舒张，其主要机制在于提高一氧化氮合酶功能和增强一氧化氮生物活性，减少氧化应激。

2.2四氢生物蝶呤降低活性氧类的产生改善左心室肥厚及心功能氧化应激往往被血管紧张素Ⅱ、细胞因子以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶激发因子触发。同样，激素和机械性刺激致使心肌细胞中活性氧类激活，导致一氧化氮合酶解偶联并发挥其病理生理作用。Takimoto等[15-16]实验证实，内皮型一氧化氮合酶的解偶联参与了经主动脉缩窄所致肥厚性心肌病小鼠的病程。小鼠心肌细胞明显肥大并且左心室扩张，心肌细胞中四氢生物蝶呤降低，一氧化氮合酶/一氧化氮合成减少,同时活性氧类水平明显增加，最终致心力衰竭[24]。而外源性四氢生物蝶呤可以预防心室扩张及心肌肥厚，改善心功能[24-25]。

2.3改善内皮细胞功能在载脂蛋白E基因剔除小鼠中，用转基因技术使内皮型一氧化氮合酶过表达，与单纯载脂蛋白E 缺陷小鼠比较发现，虽然前者内皮型一氧化氮合酶表达和一氧化氮生成均高于后者，但其产生的一氧化氮相对于内皮型一氧化氮合酶表达量要低得多，而内皮中超氧阴离子的生成却大量增加，说明在载脂蛋白E缺陷模型中内皮型一氧化氮合酶功能发生了改变；给予四氢生物蝶呤后，超氧阴离子生成减少，一氧化氮产量明显增加，通过增加四氢生物蝶呤的生物合成，也可以提高内皮源性血管舒张功能，并能减少冠状动脉硬化斑块的形成，提示四氢生物蝶呤对于改善一氧化氮合酶功能、提高一氧化氮活性、恢复心肌细胞功能有积极作用[14]。

2.4调控细胞内钙转运改善左心室舒张功能研究发现，四氢生物蝶呤作用于心肌细胞膜上的钠离子-钾离子-腺苷三磷酸酶并抑制其活性，使细胞内钠离子增多，并通过钠钙双向交换机制使胞质内钙离子增多，增加心肌收缩力，调节肌质网钙运蛋白[21]。心肌细胞肌质网上的钙离子-腺苷三磷酸酶是重要的钙离子转运蛋白，心肌舒张期摄取胞质钙离子至肌质网使肌质网内钙离子浓度升高，增加收缩期钙瞬流而改善心功能[26-28]。研究证实，左心室舒张功能不全与受磷蛋白的磷酸化水平有关，受磷蛋白磷酸化可增加钙离子-腺苷三磷酸酶的活性[20]。

2.5改善能量代谢左心室舒张功能不全时可出现能量代谢障碍，可能与线粒体损伤有关，其中氧自由基和钙超载均能介导线粒体损伤。Jeong等[21]发现，四氢生物蝶呤可提高心肌腺苷三磷酸的水平，从而抑制氧自由基生成，阻止膜脂质生成脂质过氧化物，减轻氧自由基引起的心肌细胞线粒体的损伤，改善心肌细胞的氧化磷酸化功能，促进腺苷三磷酸合成，抑制腺苷三磷酸降解，从而改善心肌能量代谢。

2.6抑制纤维化除在一氧化氮合酶解偶联外，还存在其他心脏氧化剂来源，但目前对于左心室肥厚和纤维化的重构机制尚不明确，黄嘌呤氧化酶衍生的自由基已被发现参与了心力衰竭[18]。研究发现，心肌蛋白激酶G信号通路与脑钠肽及环磷酸鸟苷分解代谢调节相关，通过抑制钙神经素和活化T细胞核因子来减缓心肌纤维化，从而改善心室功能[29]。四氢生物蝶呤可提高一氧化氮合酶活性，生成的一氧化氮刺激鸟甘酸环化酶生成环磷酸鸟苷；此外，四氢生物蝶呤还可抑制致纤维化细胞因子转化生长因子1的表达，抑制胶原生长，并对多种胶原代谢相关酶的表达也发生直接影响，表明其确实有直接的抗纤维化作用[30-31]。

3小结

四氢生物蝶呤是一个至关重要的辅酶，它是芳香族氨基酸羧化酶、烷基甘油单加氧酶以及一氧化氮合酶同工酶的重要辅助因子。四氢生物蝶呤能维持一氧化氮合酶及其同工酶的正常功能，参与心脏正常功能的维持和中和氧自由基，并促进一氧化氮生成。四氢生物蝶呤可以改善内皮细胞功能、降压、调控细胞内钙转运、改善能量代谢以及抑制心肌纤维化，因此有望成为改善左心室舒张功能的一个新的治疗手段。

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The Role of Tetrahydrobiopterin on Left Ventricular Diastolic FunctionWANGQiong-ying,YANGMi-na,XUHan，YUJing.(DepartmentofCardiology,LanzhouUniversitySecondHospital，Lanzhou730000，China)

Abstract:Tetrahydrobiopterin depletion leads to nitric oxide synthase uncoupling,and increased formation of reactive oxygen species. During the oxidative stress, oxygen free radicals production is increased and its defense mechanism is changed, and through the promotion of myocardial cell apoptosis,myocardial hypertrophy and fibrosis, myocardial remodeling, endothelial dysfunction, inflammation and vascular remodeling,eventually leads to cardiac diastolic function damage.The oxidative stress impaires the bioavailability of tetrahydrobiopterin, therefore exogenous tetrahydrobiopterin treatment has obvious effect on the ventricular diastolic dysfunction.Here is to make a review of the progress of tetrahydrobiopterin in the treatment of left ventricular diastolic dysfunction.

Key words:Tetrahydrobiopterin; Nitric oxide synthase; Left ventricular diastolic function

收稿日期：2014-11-17修回日期：2015-02-14编辑：郑雪

基金项目：国家自然科学基金(81270332)；甘肃省科技计划科技支撑项目(1104FKCA150)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.18.009

中图分类号:R541.6

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)18-3288-04