氧化应激/还原应激在心力衰竭中的研究进展

许晓华，刘凤岐，张瑞英

(哈尔滨医科大学附属第一医院内科危重症病房，哈尔滨 150000)

随着人类预期寿命的增加和急性缺血事件死亡率的降低，心力衰竭的发病人数正以每年900 000例的速度增加[1]。尽管目前给予有效治疗，但心力衰竭仍然是严重威胁人类健康的危险因素之一，其5年死亡率可达50%。心脏是耗氧最多的器官，因此氧化还原信号变化及氧化应激/还原应激在急、慢性心力衰竭的进展中起着至关重要的作用，且已经被大量基础研究证实。一般认为，相对于氧化还原当量如还原/氧化谷胱甘肽比值(glutathione/oxidative glutathione，GSH/GSSG)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸还原型/氧化型比值(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid/oxidized nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid，NADPH/NADP+)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸还原态/氧化态比值(reduced nicotinamide adenine dinucleotide/oxidized nicotinamide adenine dinucleotide,NADH/NAD+)等，过量的活性氧被定义为氧化应激；相反，GSH/NADPH/NADH/抗氧化剂的过度积累被定义为还原应激。本文就氧化应激/还原应激在心力衰竭中的研究进展作如下综述。

1 活性氧及抗氧化系统

与生物系统相关的活性氧(active oxygen，ROS)形式包括超氧自由基(free radicals superoxide，O2-)、过氧化氢(hydrogen peroxide，H2O2)和羟基(hydroxyl radical，OH)。体内抗氧化防御系统包括非酶系统

和酶系统。前者主要由抗氧化剂组成，如GSH、维生素C和E、胆红素、尿酸和β-胡萝卜素等；后者包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、NADH/NAD+和依赖于NADPH的过氧化氢酶(catalase，CAT)、过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、硫氧还蛋白等[2]。

2 氧化应激

生理水平ROS在细胞信号转导及稳定细胞内环境中起关键作用。一些ROS，特别是H2O2，被认为是局部信号分子，因此完全猝灭ROS可能会中断正常信号级联而产生严重的不良后果。一般认为，ROS适用于区室化信号传导，抗氧化防御系统可防止其“泄漏”到不需要的区域。当达到一定的ROS形成阈值和ROS降解受损时可导致氧化应激(oxidative stress，OS)的发生[3,4]。OS是指机体氧化活性物质产生过多和(或)机体抗氧化能力减弱，ROS清除不足，导致ROS在体内增多，破坏机体氧化/还原的正常平衡，并引起细胞氧化损伤的病理过程。

2.1 心力衰竭时过量ROS的来源

心脏内ROS来源于心肌细胞、内皮细胞和嗜中性粒细胞。而在心肌细胞内，ROS可来源于以下几个方面[2,3]。(1)线粒体电子传递链。心力衰竭时从呼吸链的复合物I产生的O2-增加，从而导致H2O2、OH-过量形成以及NAD(P)的消耗，过量的ROS可进一步增加ROS生成。(2)NADPH氧化酶。可使电子从NADH/NADPH转移到分子O2的位点，形成O2-。(3)黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase，XO)。XO的表达和活性在衰竭的心脏中也有增加，XO催化嘌呤降解途径的最后2个步骤，将次黄嘌呤转化为黄嘌呤和黄嘌呤转化为尿酸。XO在黄嘌呤反应形成尿酸过程中被还原，产生2分子的H2O2和2分子的O2-；(4)内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)。ROS可氧化四氢生物蝶呤(tetrahydrobio-pterin,BH4)，BH4是eNOS的重要辅助因子，当BH4/NOS的比例失调时，可导致eNOS催化L-精氨酸的作用解耦连，eNOS催化产物由一氧化氮变为超氧阴离子。(5)儿茶酚胺自氧化。单胺氧化酶存在于线粒体外膜上，是含有黄素蛋白的酶，它可催化单胺类与氧反应生成H2O2与O2-。

2.2 心力衰竭时抗氧化系统变化

心力衰竭时不仅有ROS的过量产生，还存在抗氧化酶的活性下降。研究发现心力衰竭动物模型中ROS增加，而SOD、CAT、GSH-Px的活性显著降低[5]；而NADPH氧化酶抑制剂Apocynin可使CAT和SOD酶活性恢复[6]。此外，与野生型小鼠相比，SOD基因敲除的小鼠蛋白质氧化产物硝基酪氨酸增多，心肌纤维化及心肌肥大明显增加[7]。GSH-Px缺乏可增加氧化应激进而诱导血管内皮功能障碍和结构性血管异常[8]。

2.3 氧化应激在心力衰竭发展中的作用

OS产生的过量ROS可导致线粒体DNA损伤和功能下降，并进一步增加ROS生成和细胞损伤。

ROS通过修饰影响心肌兴奋收缩偶联蛋白质，包括L型钙通道、钠通道、钾通道和钠钙交换器以及增加心肌肌原纤维蛋白、心肌肌球结合蛋白C的S-谷胱甘肽化，直接损害心肌细胞电生理和收缩、舒张功能，导致心肌收缩、舒张功能障碍和心律失常的发生[3,9,10]。

ROS激活多种肥大信号激酶和转录因子如Src、GTP结合蛋白Ras、蛋白激酶C、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和Jun核激酶(Jun nuclear kinase,JNK)，促使心肌细胞肥大[11]。

ROS可激活NF-κB、P53基因、MAPK、PARA-1信号转导通路诱导细胞凋亡，低水平的H2O2与MAPK活化和蛋白合成相关，而较高水平H2O2刺激MAPK、JNK、p38和蛋白激酶B(Akt)激酶促进细胞凋亡[12]。

ROS可激活基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)，诱导骨桥蛋白分泌，促进转化生长因子(transforming growth factor,TGF)-β合成，激活MAPK及FGF-2通路诱导心脏成纤维细胞增殖及细胞外基质重塑，具有促纤维生成作用[13,14]。

ROS可使骨骼肌及膈肌线粒体功能障碍、蛋白质分解增加、损伤肌肉纤维、诱导炎症等，可能与心力衰竭患者运动不耐受、易疲劳等症状有关[15，16]。

3 还原应激

大型临床试验证实，给予大剂量维生素E/C并未改善患者临床预后，而较高剂量的维生素E甚至会导致动脉粥样硬化和血管功能恶化，可能与抗氧化剂过量导致的还原应激(reductive stress，RS)有关。RS定义为促氧化剂/抗氧化剂之间的平衡紊乱，使细胞、机体处于相对还原状态，同样会对组织造成损伤。RS的原因可能由于终端接受电子受体的缺失、电子供体NADPH和NADH的积累、抗氧化剂/酶还原能力增加所致。

3.1 电子供体积累及电子受体氧缺乏诱发RS

线粒体基质内O2-的生成主要取决于高质子动力、NADH/NAD+和还原型/氧化型辅酶Q10比值(reduced coenzyme Q10/oxidative coenzyme Q10，CoQ10H2/CoQ10[l1])以及局部氧浓度，而且当线粒体基质中的NADH/NAD+比率较高以及较低的CoQ10时，线粒体复合物酶体Ⅰ可产生更多的ROS，使其超过ROS清除能力，从而导致净H2O2从线粒体溢出，引起还原应激[17]。

NADPH主要由戊糖磷酸途径提供，其限速酶是葡萄糖6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PD)。在起搏诱导的犬心力衰竭模型中，心脏中G6PD表达上调、左心室匀浆中的O2-及NADPH水平增加，加入NADPH进一步刺激了超氧化物的产生，NADPH氧化酶抑制剂gp91可使匀浆中的O2-产生减少80%，而在G6PD抑制剂6-氨基烟酰胺存在的情况下，O2-的产生降低到正常水平[18]。此研究说明NADPH过多累积可诱发还原应激，进一步增加ROS产生。

有研究发现缺氧时氧化磷酸化的丧失导致NADH的增加，使线粒体和胞质溶胶中NAD+/NADH比值降低，在缺氧条件下，天冬氨酸转化为丙酮酸的活性增加也可导致胞质NADPH增加[4]。

3.2 抗氧化剂/酶的还原能力增加诱发RS

有研究认为，OS和RS引起的损伤本质上是氧化性的，均表现为ROS增加。不同抗氧化剂如N-乙酰半胱氨酸、维生素E或GSH乙酯可诱发RS，促使脂肪细胞的线粒体功能障碍，进一步增加ROS产生[19]。Korge等[20]发现，在ROS清除系统增强的情况下，当电子流受到抑制或电子受体如GSSG、氧化硫氧还蛋白大部分减少时，谷胱甘肽还原酶和硫氧还蛋白还原酶通过将其还原黄素蛋白中的电子“泄漏”给氧生成H2O2。此研究表明在RS过程中，ROS的产生超过清除能力，导致线粒体净ROS溢出，导致氧化损伤。

人类特异性心脏R120GαB-晶状体蛋白(hR120GCryAB)转基因小鼠，表现为心脏肥大、心力衰竭、过早死亡。Rajasekaran等[21]发现hR120GCryAB基因通过增加G6PD、谷胱甘肽还原酶和GSH-Px的表达和酶活性，激活GSH生物合成-再循环途径，使GSH浓度和GSH/GSSG比值增加，激活RS，且其丙二醛(malondialdehyde，MDA)水平降低。在R120GCryAB高表达心肌病中，RS与氧化还原敏感的核红细胞2相关因子2(Nrf2)转录因子的激活有关，Nrf2缺陷可降低GSH和GSH/GSSG比值，减轻心脏肥大，并改善小鼠的存活时间[22]。Zhang等[23]发现补充N-乙酰半胱甘酸或者细胞过表达GSH，可引发成肌细胞线粒体中的还原性GSH氧化还原电位，ROS水平未升高，但处于还原状态的细胞活性仍然降低。表明抗氧化剂/酶的还原能力增强无论是否增加ROS产生均对组织、细胞有损伤作用。

4 氧化还原失衡

ROS具有调节细胞分化、增值、迁移等功能。氧化和还原状态的变化会影响代谢、ROS的产生和降解、酶活性和其他蛋白质功能[4]。ROS尤其是H2O2，在蛋白质中形成必需的二硫化物结构和功能性硫醇的氧化还原状态中起着重要作用，抑制线粒体ROS产生可抑制蛋白质二硫化物形成并诱导RS，RS导致二硫键形成的减少，并诱导内质网的未折叠蛋白反应，最终导致蛋白质的功能障碍和积聚，可能与蛋白质聚集性心肌病有关[24]。

5 机体氧化还原状态的检测

细胞的氧化还原环境可以通过多种方式进行监测，包括3种主要氧化还原对GSH/GSSG、NADPH/NADP+、NADH/NAD+ 以及GSH/GSSG、NADPH/NADP+ 氧化还原电位[25]。

循环的氧化还原检测，Zitka等[26]发现血浆GSH/GSSG比值可以用作儿童不同肿瘤患者中的OS标志物，根据GSH/GSSG比值辅助肿瘤患者的鉴别诊断。表明血浆中GSH/GSSG比值或许可以作为循环氧化还原检测指标。

Sairam等[27]用循环氧化还原评分CRS(即GSH/MDA)作为外周氧化还原指数，将健康人的CRS指定为正常氧化还原(NR)，发现心力衰竭患者中41%属于NR组，42%属于高氧化组，17%表现出超还原性。超声心动图分析显示，55%的高氧化性患者有较高的收缩功能障碍，而62.5%的高还原性患者有较高的舒张功能障碍。这项研究表明，不同心力衰竭患者可能处于不同的氧化还原状态，这也许是对所有心力衰竭患者应用抗氧化剂治疗未能改善其预后的原因。未来OS研究方向或许可以针对高还原性患者进行抗RS治疗，对高氧化性患者行抗OS治疗，但同时需避免诱发RS。

6 小结

尽管一些大型临床抗OS治疗并未改善心力衰竭患者的预后，这并未否定ROS在心力衰竭进展中的作用，开发抗氧化/还原应激的新药物或者新方法是有必要的。但是RS及如何调整氧化还原之间的平衡需引起人们的足够重视。未来抗氧化应激治疗方向可以通过针对不同氧化还原状态的患者做出个性化的抗氧化/还原策略，平衡机体内OS与RS、抑制ROS在心力衰竭进展中的某种机制等策略或许可以改善心力衰竭治疗现状。