吡咯喹啉醌在心血管疾病中的研究进展

温君茹，李延飞2a,，赵贤慧，戴振声，金月玲2b，※

(1.上海中医药大学研究生院，上海 201203； 2.上海健康医学院 a.医学技术学院，b.科技处，上海 201318；3.复旦大学附属浦东医院肿瘤科，上海 201399)

心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)具有高患病率、高致残率和高死亡率的特点。据统计，2014年我国约有2.9亿人患有CVD，且每年死于CVD的人数占总死亡人数的2/5，为我国总死亡人数之首[1]。本质上CVD是由代谢障碍引起的疾病，其发生是多种体内外因素相互作用的结果，但发病机制尚未完全明确。目前，针对导致CVD的各个通路研发的防治药物层出不穷，如针对肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活所研发出的血管紧张素转换酶抑制剂、血管紧张素受体拮抗剂、醛固酮受体拮抗剂、脑啡肽酶抑制剂等，但这些制剂在控制CVD效果方面仍不够理想；他汀类药物作为临床治疗CVD的主要药物之一，不仅因为其价格昂贵导致患者迫于经济压力而擅自停药[2]，还由于不良反应较多，如肌肉综合征、肝毒性等，促使广大研究者不断探索及研制更有效的防治CVD的新型药物。氧化应激、线粒体功能障碍与CVD的发病密切相关，它们与其他病理生理互相影响，直接或间接地参与心力衰竭、高血压、心肌损伤、心律失常、心肌肥厚等[3-6]疾病的发生、发展。虽然维生素C、维生素E、白藜芦醇、绿原酸等[7-8]抗氧化剂均在细胞水平和动物实验方面进行了预防或治疗CVD的相关研究，但效果不尽人意。而新型的氧化还原辅酶吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone，PQQ)不仅具有强抗氧化损伤的性质，还具有拮抗线粒体损伤的作用，这使其在CVD的防治中具有良好的应用前景。现就PQQ在CVD中的研究进展予以综述。

1 CVD的相关发病机制

1.1氧化应激 氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时，体内或细胞内的氧化作用与抗氧化作用失衡，体内或细胞内倾向于氧化不断生成高活性分子——活性自由基，导致大量氧化中间产物——活性氧类(reactive oxide species，ROS)在体内或细胞内蓄积而引起氧化损伤的过程。在心血管系统中，所有心血管内皮细胞、心血管平滑肌细胞、心血管外膜成纤维细胞等的酶促反应均能产生ROS，主要包括超氧阴离子、过氧化氢、羟基、次氯酸等，这些物质可介导多种生理功能，如通过线粒体、内质网等应激反应途径促使细胞凋亡，通过多个位点调节细胞功能促进细胞增殖等[9]，还可参与心肌细胞的炎症、肥大、增殖、凋亡、迁移、纤维化及血管生成等生理病理过程[3]。氧化应激反应过程中，大量ROS的聚集可降低一氧化氮在血管内的活性，进而损伤血管内皮导致内皮功能障碍[4]；同时，持久激动β肾上腺素可促使血管收缩性增强[10]，还可激活补体系统，促进炎症介质产生，导致炎症反应增多等[7]，这在CVD的发生、发展中扮演重要角色。

1.2线粒体功能障碍 线粒体占整个心肌细胞体积的30%～40%，是心肌细胞完成供能作用的主要细胞器，也是心肌缺血缺氧时损伤的主要细胞器[11]。线粒体不仅是“细胞能量加工厂”，还是心肌中ROS的主要来源。这是因为线粒体在进行能量代谢过程中会不可避免地产生氧自由基及其衍生副产物，而这些副产物会对血管内皮有一定损伤，可加速机体衰老，甚至诱发动脉粥样硬化、心律失常、心力衰竭等CVD[4]。谷胱甘肽、谷胱甘肽过氧化物酶等是线粒体内的主要抗氧化酶，它们能够消除线粒体产生的ROS，还能消除线粒体在进行代谢时产生的对生物体的损伤[12]。当心肌细胞线粒体内的抗氧化酶的抗氧化作用减弱或线粒体内的ROS聚集增多时，可引起细胞内的氧化应激反应，进而抑制线粒体内呼吸酶的活性，导致心肌细胞产生更多的ROS，进一步加重线粒体的损伤，导致相关蛋白质、脂质和核糖核酸合成及修饰方面的障碍，并影响能量供给、代谢等功能，如此恶性循环，最终造成心肌细胞收缩功能受损，甚者细胞凋亡或坏死[6]。可见， 氧化应激与线粒体功能障碍互为因果关系，两者共同导致心肌细胞受损，诱发CVD。

2 PQQ的主要作用

2.1抗氧化作用 20世纪60年代，科研人员逐渐发现和认识PQQ这种物质。1967年，Anthony和Zatman[13]发现了一种新型的葡萄糖脱氢酶辅酶；随后，有学者利用光谱技术、X线晶体、磁共振成像等在甲基营养菌中分离出该辅酶，确定其为含有两个N原子的邻位醌类化合物，且他们采用磁共振成像、质谱、X线晶体等技术确定其分子式为C14H6N2O8，结构式为4，5-二氢-4，5-二氧-1氢-吡咯并(2，3-f)喹啉-2，7，9-三羧酸，并正式命名为PQQ[14-16]。PQQ是目前发现的第3种氧化还原酶的辅酶，在此之前发现的为烟酰胺核苷酸、黄素核苷酸，相较于这两种辅酶，PQQ具有水溶性强和热稳定性高的特点，且广泛存在于植物、动物及人体组织内。Smidt等[17]研究证实，动物和人体肠道菌群不能自行合成PQQ或合成量尚无法完全满足机体需求，因此动物和人体内的PQQ主要通过饮食途径外源性获得。目前，日本已经将其归入维生素行列，若得到世界卫生组织的认定，其将成为第14种维生素。

截至目前，PQQ经证实的生理功能主要包括抗氧化[18]、保护神经[19]、防治肝损伤[20]、促进生长因子[21]、刺激免疫[22]等。Urakami等[23]通过电子自旋共振光谱法分析证实了PQQ具有清除自由基的能力，且能力极强，其清除自由基的能力较抗坏血酸高50～100倍。Tao等[24]证实，PQQ具有稳定的化学结构和较高的氧化还原电势。Rajpurohit等[25]发现，PQQ既能与不同的酶共价结合，又能与蛋白质相互作用，不仅具有很强的自由基清除能力，还有较强的调动机体其他自由基清除机制的能力。在生理功能方面，Ohwada等[26]证实PQQ能够防治高氧应激引起的啮齿动物认知能力的下降。邱秀芹等[27]的研究表明，PQQ不仅对γ射线照射后的人胃腺癌AGS细胞株有抗氧化作用，还能增强正常细胞抗氧化酶的合成。Huang等[18]利用TBI C57BL/6J小鼠证实，一定剂量的PQQ可显著抑制氧化应激，参与DNA损伤修复以保护受辐射毒害的腮腺组织。21世纪，科学家们不断深入探索PQQ的潜在作用。有学者在探索PQQ于氧化应激反应发生过程中所起的作用时发现，PQQ的化学性质相对稳定，这种特性使得其能参与20 000次氧化还原循环，可通过提高抗氧化酶活性或直接作为电子传递体参与呼吸链以减少氧自由基生成和机体因氧化而造成的损伤，其他具有生物活性的醌类在氧化还原反应过程中则不同，它们更倾向于发生自身氧化或多聚反应以达到抗氧化作用的目的[28]。与菲醌(3 600次)、槲皮素(800次)、表儿茶素(700次)、肾上腺素(100次)、多巴胺(20次)和维生素C(4次)等相比，PQQ的自由基清除能力极强，是迄今发现的催化氧化还原反应能力最强的生物活性分子[29]。此外，PQQ还可透过血脑屏障清除脑组织内的自由基，从而起到保护神经元、改善记忆的作用，且其抗氧化作用亦可体现在保护心脏、抗衰老、刺激免疫及抗癌等方面[30-31]。Xu等[32]采用免疫组织化学法证实，PQQ可作用于心肌组织，并可减少肌红蛋白中的高价铁，从而减轻心肌再氧合损伤。Zhu等[31]研究证实，PQQ可降低缺血再灌注模型中心肌组织内升高的丙二醛水平，是一种高效的心肌保护剂。

2.2对线粒体功能的影响 研究表明，PQQ作为一种独特的生理活性物质能在线粒体功能受损时，激活线粒体合成通路，增加相关转录因子和转录蛋白质的表达，促进其快速再生，维持细胞内线粒体动态平衡，进而起到刺激微生物、人体细胞生长和植物发育的作用[21，33-34]。与线粒体复合物Ⅰ抑制剂二苯基碘在体内所起的作用不同，PQQ不仅能在体外激活线粒体复合物Ⅰ，调节小鼠体内线粒体的数量和功能，还可直接与线粒体内的ROS反应，以维持ROS的动态平衡，减少氧化应激引起的线粒体内脂质过氧化和呼吸链的失活[31,34-35]。Xu等[36]利用H9C2小鼠的心肌细胞制作糖氧剥夺模型进行研究发现，PQQ可通过参与线粒体中的磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信号通路减少糖氧剥夺处理后心肌细胞凋亡的数目。这些研究表明，PQQ的抗氧化作用在心肌细胞上有相应的作用靶点，其具有潜在、高效的心肌保护功能。

3 PQQ在CVD中的作用

CVD通常是指由高脂血症、高血压、血液黏稠、动脉粥样硬化、心肌缺血再灌注损伤、心力衰竭等导致的心脏、大脑及全身组织发生的缺血性或出血性疾病(图1)。其相关疾病范畴较大，现主要从高血压、动脉粥样硬化、心肌缺血再灌注损伤、心律不齐、心力衰竭5个方面探讨PQQ在CVD发生中的作用。

CVD：心血管疾病

3.1高血压 高血压是目前最常见的CVD之一。虽然多年来科学家在高血压的病理生理及病因方面进行了广泛研究，但原发性高血压的发病机制仍尚未完全阐明。有研究表明，原发性高血压、肾血管性高血压、恶性高血压、盐敏感性高血压、环孢素诱导的高血压以及先兆子痫等患者机体内的氧化应激标志物水平存在不同程度的升高，内源性抗氧化物质水平明显低于正常者，且程度与舒张压呈负相关[8，35，37]。Singh等[34]的研究证实，PQQ可通过减少29%的脂质过氧化、提高43%的谷胱甘肽水平、增加52%超氧化物歧化酶的活性来预防鱼藤酮诱导的大鼠体内的氧化应激和线粒体损伤。此外，左心室肥厚是高血压最常见的靶器官损伤之一，也是CVD的独立危险因素。Nehra等[38]利用纳米技术将姜黄素与PQQ制成纳米制剂，研究两者在高血压引起的左心室肥厚中的作用发现，PQQ可在心肌细胞中减缓线粒体应激反应以预防肥大诱导的病理损伤；同时该研究结果还表明，氧化应激在心脏肥大的致病性中起重要作用，而PQQ可改善缺氧环境下的细胞活性，干预缺氧诱导下心肌细胞的肥大及核因子κB-p65活化所引起的病理损伤。这提示，PQQ可通过清除机体内的氧化应激标志物，提高体内抗氧化物质以预防高血压，还可通过线粒体途径预防高血压引起的心肌肥厚。

3.2动脉粥样硬化 动脉粥样硬化是CVD的病理基础，处于心血管事件链的进展期，其导致的心房颤动、脑卒中等严重危害人类健康。目前，其初始病理机制尚存在争议。脂质浸润学说表明，动脉内皮下以低密度脂蛋白为主的脂质颗粒蓄积会导致动脉粥样硬化的发生[39]。此外，线粒体功能障碍时会导致进行性呼吸链酶活性降低，从而产生过多的ROS及线粒体修饰的氧化型低密度脂蛋白，此过程还会使线粒体DNA损伤及突变不断累积，进而加速动脉粥样硬化[40]。而PQQ可激活线粒体合成通路，促进线粒体生成，改善线粒体功能，修复线粒体相关损伤造成的危害，减缓动脉粥样硬化[34]。在动脉粥样硬化的早期，内皮细胞产生的还原型辅酶Ⅱ氧化酶参与低密度脂蛋白的氧化，而随着病变的发展，内膜下的巨噬细胞及平滑肌细胞产生的脂质加氧酶、髓过氧化物酶等也参与脂质颗粒的氧化。在这一过程中，低密度脂蛋白的氧化修饰可导致脂质过氧化的发生，脂质过氧化过程中产生的过量ROS会参与链式反应，而生物膜上的许多不饱和脂肪酸一旦遭受ROS的进攻便以连锁反应方式反馈，造成大量脂质过氧化物的产生，对机体造成极大的损害[41]。进行化学修饰后的内皮下低密度脂蛋白与血液中正常运行的低密度脂蛋白存在差异，巨噬细胞可根据差异将沉积的过多的以低密度脂蛋白为主的脂质颗粒识别并吞噬。但巨噬细胞的吞噬能力有限，所以当体内过量的低密度脂蛋白及ROS无法实现自体清理时，抗氧化剂PQQ的优势就凸显出来。PQQ在体外试验中能不断与ROS发生中和反应，产生非反应性分子产物，从而保护质粒DNA和蛋白免受氧化应激损伤[19]。虽然还没有直接证据表明PQQ在动脉粥样硬化的脂质过氧化过程中有重要作用，但其具备的ROS清除能力可能参与动脉粥样硬化发展中的脂质过氧化过程，以减少ROS对机体造成的损害。

3.3心肌缺血再灌注损伤 目前心肌缺血再灌注损伤的发生机制尚未完全阐明。目前认为，线粒体能量代谢障碍所引起的线粒体ATP生成减少或产生过量的ROS引起氧化应激、Ca2+超载及线粒体膜通透性转换孔持续性开放是心肌缺血再灌注损伤的重要发病学环节，在这个环节中产生的过量ROS是心肌缺血再灌注损伤发病的主导因素[42-43]。而抑制炎症反应和氧化应激可以减轻心肌缺血再灌注损伤并改善心脏功能[44]。研究表明，与野生型小鼠相比，p66Shc小鼠的氧化应激和心肌损伤在心脏缺血再灌注后明显减轻[45]。这些结果表明，保护线粒体功能，抑制ROS过量产生能有效预防心肌缺血再灌注损伤的发生。PQQ作为一种独特的生理活性物质能有效清除机体内的ROS，以达到预防心肌缺血再灌注损伤发病的目的。同时，PQQ在大鼠脑卒中模型中的治疗也证明了其能提高缺血性和非缺血性心肌的线粒体呼吸比率，且与药物美托洛尔相比，PQQ在保护线粒体及缺血再灌注造成的氧化损伤方面更有效[6]。

3.4心律失常 心律失常是CVD的严重病症之一，不仅可加速心力衰竭，严重者还可导致患者突然死亡。心律失常的发病机制有多种，目前尚存在争议。Saint[46]的实验表明，缺氧、缺血可增加大鼠心室肌细胞中的持续性钠电流，即大量Na+内流，细胞内Na+超载，钠钙交换增多，引起细胞内钙超载，触发心律失常。因此，有效预防细胞缺氧现象可减少细胞内Ca2+超载现象，进而避免触发心律失常。此外，高水平的ROS可调节多种信号通路，以及激活相应的转录因子(核因子κB、核因子E2相关因子2和促分裂原活化的蛋白激酶)，导致炎症、凋亡或坏死，从而参与心室重构环节。临床研究和动物模型研究证实，心房颤动存在ROS生成过多[47]，而早前已有研究证实心房电重构可促进心房颤动的发生和持续，且给予ROS抑制剂可以阻止心房的电重构，如抗坏血酸可通过减少ROS聚集减缓心房颤动的发生、发展[48]。目前，虽然还未有研究证实PQQ在Na+通道及Ca2+通道中的直接作用，但其作为强效的ROS清除剂在氧化应激中的作用显著，且PQQ的抗氧化作用显著优于抗坏血酸，故PQQ可能通过减少心肌细胞内氧化应激作用所导致的低氧状态下的Ca2+超载现象发挥防治心房颤动的功效。

3.5心力衰竭 心力衰竭属于各种CVD的终末阶段，目前对于心力衰竭发病机制的研究已有一定进展。心肌细胞是全身耗能最多的器官，线粒体则是细胞能量代谢的主要细胞器，超过90%的ATP来源于线粒体。研究表明，心力衰竭时氧化应激显著增强，ROS产量增加并不断蓄积，最后导致线粒体DNA结构和功能受损[6]。此外，ROS可激活其在心肌细胞中的一个重要靶点——基质金属蛋白酶，而早期抑制基质金属蛋白酶的活性可显著改善心肌梗死动物模型中左心室扩张的症状[49]。张春丽等[50]研究发现，低剂量的PQQ可使基质金属蛋白酶1、基质金属蛋白酶3的基因表达明显减少，即PQQ不仅能够发挥线粒体保护功能预防心力衰竭的发生，还能早期抑制基质金属蛋白酶活性以改善机体的左心室扩张。Zhang等[51]研究发现，PQQ可降低谷氨酸暴露的原代星形胶质细胞中乳酸脱氢酶的水平，提示PQQ对心肌细胞乳酸脱氢酶也有控制作用。

氧化应激、线粒体功能障碍在CVD的发病中扮演重要角色，PQQ的抗氧化应激作用及保护线粒体功能在CVD的防治中具有独特优势。Min等[52]研究证实，PQQ可显著降低细胞内的ROS水平，从而减少细胞内的ATP释放并降低线粒体膜电位。而早在2006年Zhu等[6]的研究也证实，PQQ在保护缺血再灌注线粒体的氧化损伤方面优于CVD常用药物美托洛尔。此外，有实验表明PQQ的抗氧化作用机制与磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信号通路有关，可减少糖氧剥夺诱导所致的心肌细胞凋亡[36]。但由于目前对PQQ防治CVD的作用还处于基础研究阶段，所以对于PQQ作为心肌保护剂的作用靶点及作用机制尚未完全明确。

4 小 结

CVD严重影响了人类生活，其发生发展与氧化应激与线粒体功能障碍关系密切相关。而PQQ在CVD防治中的应用前景广泛。虽然早在20世纪90年代PQQ就被证实是具有心肌保护作用的强效抗氧化剂，但其心肌保护功能的具体作用机制及效果至今仍不明确。未来，应深入研究PQQ在CVD中的具体作用机制，并协同中医学在CVD方面的用药经验开发出新的可运用于治疗CVD的药物。