氧化應(yīng)激/還原應(yīng)激在心力衰竭中的研究進(jìn)展

許曉華，劉鳳岐，張瑞英

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院內(nèi)科危重癥病房，哈爾濱 150000)

隨著人類預(yù)期壽命的增加和急性缺血事件死亡率的降低，心力衰竭的發(fā)病人數(shù)正以每年900 000例的速度增加[1]。盡管目前給予有效治療，但心力衰竭仍然是嚴(yán)重威脅人類健康的危險(xiǎn)因素之一，其5年死亡率可達(dá)50%。心臟是耗氧最多的器官，因此氧化還原信號(hào)變化及氧化應(yīng)激/還原應(yīng)激在急、慢性心力衰竭的進(jìn)展中起著至關(guān)重要的作用，且已經(jīng)被大量基礎(chǔ)研究證實(shí)。一般認(rèn)為，相對(duì)于氧化還原當(dāng)量如還原/氧化谷胱甘肽比值(glutathione/oxidative glutathione，GSH/GSSG)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸還原型/氧化型比值(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid/oxidized nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid，NADPH/NADP+)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸還原態(tài)/氧化態(tài)比值(reduced nicotinamide adenine dinucleotide/oxidized nicotinamide adenine dinucleotide,NADH/NAD+)等，過(guò)量的活性氧被定義為氧化應(yīng)激；相反，GSH/NADPH/NADH/抗氧化劑的過(guò)度積累被定義為還原應(yīng)激。本文就氧化應(yīng)激/還原應(yīng)激在心力衰竭中的研究進(jìn)展作如下綜述。

1 活性氧及抗氧化系統(tǒng)

與生物系統(tǒng)相關(guān)的活性氧(active oxygen，ROS)形式包括超氧自由基(free radicals superoxide，O2-)、過(guò)氧化氫(hydrogen peroxide，H2O2)和羥基(hydroxyl radical，OH)。體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)包括非酶系統(tǒng)

和酶系統(tǒng)。前者主要由抗氧化劑組成，如GSH、維生素C和E、膽紅素、尿酸和β-胡蘿卜素等；后者包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、NADH/NAD+和依賴于NADPH的過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)、過(guò)氧化物酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、硫氧還蛋白等[2]。

2 氧化應(yīng)激

生理水平ROS在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)環(huán)境中起關(guān)鍵作用。一些ROS，特別是H2O2，被認(rèn)為是局部信號(hào)分子，因此完全猝滅ROS可能會(huì)中斷正常信號(hào)級(jí)聯(lián)而產(chǎn)生嚴(yán)重的不良后果。一般認(rèn)為，ROS適用于區(qū)室化信號(hào)傳導(dǎo)，抗氧化防御系統(tǒng)可防止其“泄漏”到不需要的區(qū)域。當(dāng)達(dá)到一定的ROS形成閾值和ROS降解受損時(shí)可導(dǎo)致氧化應(yīng)激(oxidative stress，OS)的發(fā)生[3,4]。OS是指機(jī)體氧化活性物質(zhì)產(chǎn)生過(guò)多和(或)機(jī)體抗氧化能力減弱，ROS清除不足，導(dǎo)致ROS在體內(nèi)增多，破壞機(jī)體氧化/還原的正常平衡，并引起細(xì)胞氧化損傷的病理過(guò)程。

2.1 心力衰竭時(shí)過(guò)量ROS的來(lái)源

心臟內(nèi)ROS來(lái)源于心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞。而在心肌細(xì)胞內(nèi)，ROS可來(lái)源于以下幾個(gè)方面[2,3]。(1)線粒體電子傳遞鏈。心力衰竭時(shí)從呼吸鏈的復(fù)合物I產(chǎn)生的O2-增加，從而導(dǎo)致H2O2、OH-過(guò)量形成以及NAD(P)的消耗，過(guò)量的ROS可進(jìn)一步增加ROS生成。(2)NADPH氧化酶。可使電子從NADH/NADPH轉(zhuǎn)移到分子O2的位點(diǎn)，形成O2-。(3)黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase，XO)。XO的表達(dá)和活性在衰竭的心臟中也有增加，XO催化嘌呤降解途徑的最后2個(gè)步驟，將次黃嘌呤轉(zhuǎn)化為黃嘌呤和黃嘌呤轉(zhuǎn)化為尿酸。XO在黃嘌呤反應(yīng)形成尿酸過(guò)程中被還原，產(chǎn)生2分子的H2O2和2分子的O2-；(4)內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)。ROS可氧化四氫生物蝶呤(tetrahydrobio-pterin,BH4)，BH4是eNOS的重要輔助因子，當(dāng)BH4/NOS的比例失調(diào)時(shí)，可導(dǎo)致eNOS催化L-精氨酸的作用解耦連，eNOS催化產(chǎn)物由一氧化氮變?yōu)槌蹶庪x子。(5)兒茶酚胺自氧化。單胺氧化酶存在于線粒體外膜上，是含有黃素蛋白的酶，它可催化單胺類與氧反應(yīng)生成H2O2與O2-。

2.2 心力衰竭時(shí)抗氧化系統(tǒng)變化

心力衰竭時(shí)不僅有ROS的過(guò)量產(chǎn)生，還存在抗氧化酶的活性下降。研究發(fā)現(xiàn)心力衰竭動(dòng)物模型中ROS增加，而SOD、CAT、GSH-Px的活性顯著降低[5]；而NADPH氧化酶抑制劑Apocynin可使CAT和SOD酶活性恢復(fù)[6]。此外，與野生型小鼠相比，SOD基因敲除的小鼠蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)物硝基酪氨酸增多，心肌纖維化及心肌肥大明顯增加[7]。GSH-Px缺乏可增加氧化應(yīng)激進(jìn)而誘導(dǎo)血管內(nèi)皮功能障礙和結(jié)構(gòu)性血管異常[8]。

2.3 氧化應(yīng)激在心力衰竭發(fā)展中的作用

OS產(chǎn)生的過(guò)量ROS可導(dǎo)致線粒體DNA損傷和功能下降，并進(jìn)一步增加ROS生成和細(xì)胞損傷。

ROS通過(guò)修飾影響心肌興奮收縮偶聯(lián)蛋白質(zhì)，包括L型鈣通道、鈉通道、鉀通道和鈉鈣交換器以及增加心肌肌原纖維蛋白、心肌肌球結(jié)合蛋白C的S-谷胱甘肽化，直接損害心肌細(xì)胞電生理和收縮、舒張功能，導(dǎo)致心肌收縮、舒張功能障礙和心律失常的發(fā)生[3,9,10]。

ROS激活多種肥大信號(hào)激酶和轉(zhuǎn)錄因子如Src、GTP結(jié)合蛋白R(shí)as、蛋白激酶C、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和Jun核激酶(Jun nuclear kinase,JNK)，促使心肌細(xì)胞肥大[11]。

ROS可激活NF-κB、P53基因、MAPK、PARA-1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，低水平的H2O2與MAPK活化和蛋白合成相關(guān)，而較高水平H2O2刺激MAPK、JNK、p38和蛋白激酶B(Akt)激酶促進(jìn)細(xì)胞凋亡[12]。

ROS可激活基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)，誘導(dǎo)骨橋蛋白分泌，促進(jìn)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor,TGF)-β合成，激活MAPK及FGF-2通路誘導(dǎo)心臟成纖維細(xì)胞增殖及細(xì)胞外基質(zhì)重塑，具有促纖維生成作用[13,14]。

ROS可使骨骼肌及膈肌線粒體功能障礙、蛋白質(zhì)分解增加、損傷肌肉纖維、誘導(dǎo)炎癥等，可能與心力衰竭患者運(yùn)動(dòng)不耐受、易疲勞等癥狀有關(guān)[15，16]。

3 還原應(yīng)激

大型臨床試驗(yàn)證實(shí)，給予大劑量維生素E/C并未改善患者臨床預(yù)后，而較高劑量的維生素E甚至?xí)?dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化和血管功能惡化，可能與抗氧化劑過(guò)量導(dǎo)致的還原應(yīng)激(reductive stress，RS)有關(guān)。RS定義為促氧化劑/抗氧化劑之間的平衡紊亂，使細(xì)胞、機(jī)體處于相對(duì)還原狀態(tài)，同樣會(huì)對(duì)組織造成損傷。RS的原因可能由于終端接受電子受體的缺失、電子供體NADPH和NADH的積累、抗氧化劑/酶還原能力增加所致。

3.1 電子供體積累及電子受體氧缺乏誘發(fā)RS

線粒體基質(zhì)內(nèi)O2-的生成主要取決于高質(zhì)子動(dòng)力、NADH/NAD+和還原型/氧化型輔酶Q10比值(reduced coenzyme Q10/oxidative coenzyme Q10，CoQ10H2/CoQ10[l1])以及局部氧濃度，而且當(dāng)線粒體基質(zhì)中的NADH/NAD+比率較高以及較低的CoQ10時(shí)，線粒體復(fù)合物酶體Ⅰ可產(chǎn)生更多的ROS，使其超過(guò)ROS清除能力，從而導(dǎo)致凈H2O2從線粒體溢出，引起還原應(yīng)激[17]。

NADPH主要由戊糖磷酸途徑提供，其限速酶是葡萄糖6-磷酸脫氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PD)。在起搏誘導(dǎo)的犬心力衰竭模型中，心臟中G6PD表達(dá)上調(diào)、左心室勻漿中的O2-及NADPH水平增加，加入NADPH進(jìn)一步刺激了超氧化物的產(chǎn)生，NADPH氧化酶抑制劑gp91可使勻漿中的O2-產(chǎn)生減少80%，而在G6PD抑制劑6-氨基煙酰胺存在的情況下，O2-的產(chǎn)生降低到正常水平[18]。此研究說(shuō)明NADPH過(guò)多累積可誘發(fā)還原應(yīng)激，進(jìn)一步增加ROS產(chǎn)生。

有研究發(fā)現(xiàn)缺氧時(shí)氧化磷酸化的喪失導(dǎo)致NADH的增加，使線粒體和胞質(zhì)溶膠中NAD+/NADH比值降低，在缺氧條件下，天冬氨酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸的活性增加也可導(dǎo)致胞質(zhì)NADPH增加[4]。

3.2 抗氧化劑/酶的還原能力增加誘發(fā)RS

有研究認(rèn)為，OS和RS引起的損傷本質(zhì)上是氧化性的，均表現(xiàn)為ROS增加。不同抗氧化劑如N-乙酰半胱氨酸、維生素E或GSH乙酯可誘發(fā)RS，促使脂肪細(xì)胞的線粒體功能障礙，進(jìn)一步增加ROS產(chǎn)生[19]。Korge等[20]發(fā)現(xiàn)，在ROS清除系統(tǒng)增強(qiáng)的情況下，當(dāng)電子流受到抑制或電子受體如GSSG、氧化硫氧還蛋白大部分減少時(shí)，谷胱甘肽還原酶和硫氧還蛋白還原酶通過(guò)將其還原黃素蛋白中的電子“泄漏”給氧生成H2O2。此研究表明在RS過(guò)程中，ROS的產(chǎn)生超過(guò)清除能力，導(dǎo)致線粒體凈ROS溢出，導(dǎo)致氧化損傷。

人類特異性心臟R120GαB-晶狀體蛋白(hR120GCryAB)轉(zhuǎn)基因小鼠，表現(xiàn)為心臟肥大、心力衰竭、過(guò)早死亡。Rajasekaran等[21]發(fā)現(xiàn)hR120GCryAB基因通過(guò)增加G6PD、谷胱甘肽還原酶和GSH-Px的表達(dá)和酶活性，激活GSH生物合成-再循環(huán)途徑，使GSH濃度和GSH/GSSG比值增加，激活RS，且其丙二醛(malondialdehyde，MDA)水平降低。在R120GCryAB高表達(dá)心肌病中，RS與氧化還原敏感的核紅細(xì)胞2相關(guān)因子2(Nrf2)轉(zhuǎn)錄因子的激活有關(guān)，Nrf2缺陷可降低GSH和GSH/GSSG比值，減輕心臟肥大，并改善小鼠的存活時(shí)間[22]。Zhang等[23]發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充N-乙酰半胱甘酸或者細(xì)胞過(guò)表達(dá)GSH，可引發(fā)成肌細(xì)胞線粒體中的還原性GSH氧化還原電位，ROS水平未升高，但處于還原狀態(tài)的細(xì)胞活性仍然降低。表明抗氧化劑/酶的還原能力增強(qiáng)無(wú)論是否增加ROS產(chǎn)生均對(duì)組織、細(xì)胞有損傷作用。

4 氧化還原失衡

ROS具有調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、增值、遷移等功能。氧化和還原狀態(tài)的變化會(huì)影響代謝、ROS的產(chǎn)生和降解、酶活性和其他蛋白質(zhì)功能[4]。ROS尤其是H2O2，在蛋白質(zhì)中形成必需的二硫化物結(jié)構(gòu)和功能性硫醇的氧化還原狀態(tài)中起著重要作用，抑制線粒體ROS產(chǎn)生可抑制蛋白質(zhì)二硫化物形成并誘導(dǎo)RS，RS導(dǎo)致二硫鍵形成的減少，并誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的未折疊蛋白反應(yīng)，最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)的功能障礙和積聚，可能與蛋白質(zhì)聚集性心肌病有關(guān)[24]。

5 機(jī)體氧化還原狀態(tài)的檢測(cè)

細(xì)胞的氧化還原環(huán)境可以通過(guò)多種方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括3種主要氧化還原對(duì)GSH/GSSG、NADPH/NADP+、NADH/NAD+ 以及GSH/GSSG、NADPH/NADP+ 氧化還原電位[25]。

循環(huán)的氧化還原檢測(cè)，Zitka等[26]發(fā)現(xiàn)血漿GSH/GSSG比值可以用作兒童不同腫瘤患者中的OS標(biāo)志物，根據(jù)GSH/GSSG比值輔助腫瘤患者的鑒別診斷。表明血漿中GSH/GSSG比值或許可以作為循環(huán)氧化還原檢測(cè)指標(biāo)。

Sairam等[27]用循環(huán)氧化還原評(píng)分CRS(即GSH/MDA)作為外周氧化還原指數(shù)，將健康人的CRS指定為正常氧化還原(NR)，發(fā)現(xiàn)心力衰竭患者中41%屬于NR組，42%屬于高氧化組，17%表現(xiàn)出超還原性。超聲心動(dòng)圖分析顯示，55%的高氧化性患者有較高的收縮功能障礙，而62.5%的高還原性患者有較高的舒張功能障礙。這項(xiàng)研究表明，不同心力衰竭患者可能處于不同的氧化還原狀態(tài)，這也許是對(duì)所有心力衰竭患者應(yīng)用抗氧化劑治療未能改善其預(yù)后的原因。未來(lái)OS研究方向或許可以針對(duì)高還原性患者進(jìn)行抗RS治療，對(duì)高氧化性患者行抗OS治療，但同時(shí)需避免誘發(fā)RS。

6 小結(jié)

盡管一些大型臨床抗OS治療并未改善心力衰竭患者的預(yù)后，這并未否定ROS在心力衰竭進(jìn)展中的作用，開發(fā)抗氧化/還原應(yīng)激的新藥物或者新方法是有必要的。但是RS及如何調(diào)整氧化還原之間的平衡需引起人們的足夠重視。未來(lái)抗氧化應(yīng)激治療方向可以通過(guò)針對(duì)不同氧化還原狀態(tài)的患者做出個(gè)性化的抗氧化/還原策略，平衡機(jī)體內(nèi)OS與RS、抑制ROS在心力衰竭進(jìn)展中的某種機(jī)制等策略或許可以改善心力衰竭治療現(xiàn)狀。