戶元元 李亞,2 李素云,3
(1呼吸疾病診療與新藥研發(fā)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450046;河南中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院 2中心實驗室;3呼吸病研究室)
慢性阻塞性肺疾病(COPD)是我國第三位死亡原因的疾病,患病人數(shù)達到1億,與高血壓、糖尿病共為三大最常見的慢性疾病〔1〕。骨骼肌功能障礙作為COPD最為常見的并發(fā)癥,可嚴重影響呼吸肌和外周肌肉的功能,導(dǎo)致患者活動受限,疾病惡化,是COPD發(fā)病率和死亡率的獨立預(yù)測指標〔2〕。COPD骨骼肌功能障礙的發(fā)生與氧化應(yīng)激、蛋白合成/分解失衡、細胞凋亡、線粒體損傷等機制有關(guān)〔3~5〕,其中氧化應(yīng)激可以導(dǎo)致骨骼肌細胞凋亡增多、蛋白分解加速、肌肉收縮力下降〔6,7〕,從而在COPD骨骼肌功能障礙中發(fā)揮重要作用〔8〕。
氧化應(yīng)激是由于各種不良刺激導(dǎo)致機體內(nèi)具有氧化活性的物質(zhì)產(chǎn)生過多,超出機體的清除能力,并與一些重要的生命物質(zhì)或信號分子相互作用引起一系列不良反應(yīng)的病理過程。ROS是引起氧化應(yīng)激的主要成分,包括:過氧化氫(H2O2)、羥自由基(OH-)、超氧陰離子(O2-)等。
1.1線粒體途徑 線粒體內(nèi)的電子傳遞鏈是ROS產(chǎn)生的主要部位,線粒體復(fù)合物Ⅰ與復(fù)合物Ⅲ是其重要組件,如果復(fù)合物功能受損,導(dǎo)致電子傳遞不暢,從復(fù)合物Ⅰ或復(fù)合物Ⅲ處漏出,與氧分子結(jié)合生成O2-〔9〕,該途徑占內(nèi)源性ROS的90%〔10〕。
1.2過氧化物酶體途徑 過氧化物酶體由單層膜結(jié)構(gòu)形成,含有豐富的氧化酶類,可使反應(yīng)底物中的氫與氧結(jié)合,生成對細胞具有毒害作用的H2O2。Picard等〔11〕證實,COPD患者骨骼肌易產(chǎn)生更多的H2O2。
1.3還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶(Nox)途徑 Nox位于細胞膜上,由多個亞基復(fù)合而成,主要以NADPH作為反應(yīng)底物,使其脫氫和失電子,變?yōu)镹ADP+,失掉的電子經(jīng)Nox2傳遞給分子氧生成O2-。NADPH氧化酶產(chǎn)生的O2-是肌肉中O2-的主要來源〔12〕。除上述3種途徑外,細胞內(nèi)的其他細胞器如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體等也可產(chǎn)生ROS〔13〕。
ROS可以直接氧化細胞的DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì),導(dǎo)致細胞功能嚴重受損,也可以通過調(diào)控相關(guān)信號通路,引起自噬/凋亡增加,導(dǎo)致骨骼肌功能障礙。
2.1DNA損傷 ROS易使DNA鏈上的鳥嘌呤堿基的第8位碳原子發(fā)生羥化而生成8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG),引起DNA鏈空間結(jié)構(gòu)的改變〔14〕。研究發(fā)現(xiàn),與不吸煙者相比,吸煙者尿液中的8-OHdG濃度增加了3倍〔15〕。老鼠經(jīng)長期香煙暴露后,其肺泡灌洗液細胞中ROS水平明顯升高,肺組織、淋巴細胞和尿液中的8-OHdG也明顯增加,上升程度與暴露香煙的濃度呈正比〔16〕。
2.2蛋白質(zhì)損傷 ROS氧化損傷蛋白質(zhì)以氨基酸殘基的羰基化修飾最常見。羰基使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,功能減退或消失,對水解的敏感性增加〔17~19〕。COPD重癥患者股四頭肌中蛋白質(zhì)羰基化水平較高,且與肌肉力量呈負相關(guān)〔20〕。阿霉素可誘導(dǎo)心肌細胞氧化應(yīng)激,產(chǎn)生大量的羰基蛋白,并使肌球蛋白結(jié)合蛋白(MyBP)C的結(jié)合能力下降,降解增加〔18〕。帕金森病的發(fā)病也與氧化應(yīng)激引起蛋白質(zhì)羰基化,導(dǎo)致神經(jīng)元細胞凋亡有關(guān)〔21〕。
2.3脂質(zhì)損傷 ROS作用于脂質(zhì)生成丙二醛(MDA),具有細胞毒性,可引起蛋白質(zhì)、核酸等大分子的交聯(lián)聚合,影響線粒體呼吸鏈復(fù)合物及線粒體內(nèi)關(guān)鍵酶的活力。香煙煙霧可以導(dǎo)致大鼠肺組織〔22〕和小鼠成肌細胞〔23〕中ROS及氧化產(chǎn)物MDA顯著上升,細胞過早衰老死亡。
2.4自噬/凋亡 ROS可以通過多條途徑誘導(dǎo)細胞凋亡或自噬。ROS可參與調(diào)節(jié)c-Jun氨基末端激酶(JNK)信號通路〔24〕,引起細胞凋亡增多〔25,26〕。ROS可以使JNK發(fā)生磷酸化而激活,進一步抑制B淋巴細胞瘤(Bcl)-2的表達,促進Bcl-2相關(guān)蛋白x(Bax)的表達,Bax作用于線粒體使線粒體膜通透性增加,細胞色素(Cyto)C釋放入胞質(zhì)中,激活半胱氨酸天科氨酸蛋白酶(caspase)-3級聯(lián)反應(yīng),最終通過JNK/Bax/caspase-3通路誘導(dǎo)細胞凋亡〔27〕。乙醇引起的心肌毒害作用也是通過誘導(dǎo)心肌細胞產(chǎn)生ROS,激活JNK/Bcl-2信號通路,引起心肌細胞自噬和凋亡的增加〔28〕。
另外,ROS還可抑制磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路,誘導(dǎo)自噬的發(fā)生〔29,30〕。PI3K/AKT是重要的細胞存活信號通路,mTOR是其下游分子,可增強合成代謝(如mRNA翻譯和脂質(zhì)合成)或限制分解代謝(如自噬),從而促進細胞生長。ROS可以抑制PI3K/AKT的磷酸化,使下游mTOR失去活性,細胞存活受到抑制,自噬增強,最終導(dǎo)致細胞死亡。在高糖誘導(dǎo)的小鼠胚胎成骨細胞前體細胞(MC3T3-E1)內(nèi)可以檢測到ROS顯著升高,同時伴隨有磷酸化(p)-AKT和p-mTOR蛋白表達明顯下降,細胞自噬增加〔31〕。ROS還可通過激活核因子(NF)-κB和腫瘤壞死因子(TNF)-α等相關(guān)信號通路,促進炎癥反應(yīng)的發(fā)生或加重。例如,缺血再灌注損傷引起肝臟細胞內(nèi)ROS產(chǎn)生,炎癥因子NF-κB、TNF-α、白細胞介素(IL)-2、IL-6的基因和蛋白表達也顯著升高,最終由炎癥導(dǎo)致細胞凋亡〔32〕。順鉑誘導(dǎo)大鼠紋狀體氧化損傷時,也可見到NF-κB和TNF-α的mRNA表達隨組織中ROS水平的升高而增加,由炎癥介導(dǎo)的細胞凋亡增多〔33〕。
氧化應(yīng)激是導(dǎo)致COPD骨骼肌功能障礙的重要機制,抗氧化治療將有效改善骨骼肌功能障礙。研究發(fā)現(xiàn)多種中、西藥及運動鍛煉具有抗氧化作用,對骨骼肌功能障礙有較好的治療效果。
3.1西藥 N-乙酰半胱氨酸(NAC)是目前運用最為廣泛的抗氧化藥物,在體內(nèi)脫去乙?;?yōu)榘腚装彼幔瑸檫€原型谷胱甘肽(GSH)提供前體,發(fā)揮間接抗氧化作用〔34〕。于敏〔35〕研究發(fā)現(xiàn),NAC能降低COPD模型大鼠膈肌氧化應(yīng)激的水平,增加大鼠膈肌的重量,提高抗氧化酶SOD的活性,下調(diào)膈肌組織中氧化產(chǎn)物MDA含量,減輕膈肌的氧化損傷。NAC還能通過調(diào)控ROS相關(guān)的自噬/凋亡信號通路,抑制氧化應(yīng)激引起的自噬/凋亡增加〔31,32〕。
硫辛酸(ALA)是一種存在于線粒體的輔酶,與NAC類似,ALA也能提高動物模型的抗氧化能力〔36〕,清除ROS,下調(diào)Bax等促凋亡蛋白的表達,上調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2的表達,從而抑制細胞凋亡〔37〕。研究表明,ALA對ROS的調(diào)節(jié)是多效性的,在某些條件下,ALA甚至可以升高ROS水平〔38〕,具體機制有待進一步研究。有報道稱二甲雙胍能提高衰老小鼠腦組織中抗氧化酶SOD的活性,增強老鼠的體力〔39〕,對骨骼肌功能障礙有一定療效。
3.2中醫(yī)藥 隨著相關(guān)研究的深入,人們逐漸認識到中醫(yī)藥在抗氧化方面具有獨特的優(yōu)勢。賀佳林〔40〕研究發(fā)現(xiàn),紅景天苷可以降低COPD模型大鼠骨骼肌中ROS和MDA的水平,改善COPD模型的骨骼肌功能障礙。三七總皂苷〔41〕、人參皂苷Rg1〔42〕、甘草提取物〔43〕和白藜蘆醇〔44〕等中藥提取物能提高多種抗氧化酶的活性,降低ROS水平,抑制氧化應(yīng)激,其中白藜蘆醇可以增強骨骼肌的肌力和運動耐力,改善骨骼肌功能障礙。中藥復(fù)方如理肺湯〔45〕、蟲草益腎顆粒〔46〕及中醫(yī)經(jīng)典名方白虎加人參湯〔36〕也能提高動物模型抗超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)的活性,降低ROS水平。這些證據(jù)將為中醫(yī)藥抗氧化治療骨骼肌功能障礙提供科學依據(jù)。
3.3運動鍛煉 運動鍛煉是骨骼肌功能障礙的重要治療手段,能顯著提高骨骼肌的力量,延緩疾病進展。實驗證明,跑臺運動能夠使大鼠腓腸肌錳超氧化物歧化酶(MnSOD)活性升高,氧化產(chǎn)物MDA和8-OHdG含量降低〔47〕。高強度跑步運動可以減輕由于長期香煙煙霧暴露導(dǎo)致的膈肌氧化應(yīng)激的增強,提高膈肌及整體的運動能力〔48〕。雖然運動鍛煉對骨骼肌功能有良好的促進作用,但急性運動對骨骼肌是有害的,能明顯提高小鼠腓腸肌和股四頭肌線粒體H2O2含量,引起骨骼肌細胞的氧化應(yīng)激〔49〕。所以COPD伴隨有骨骼肌功能障礙的患者宜選取有氧運動,且以堅持、適度為要。
氧化應(yīng)激是COPD骨骼肌功能障礙的重要機制,引起氧化應(yīng)激的ROS可造成細胞DNA、蛋白質(zhì)、脂膜的氧化性損傷,影響細胞功能;還可激活JNK、PI3K/AKT、NF-κB等多條信號通路,引起細胞異常自噬和凋亡。中、西藥抗氧化劑能從一定程度上降低氧化應(yīng)激水平,改善COPD骨骼肌功能障礙。同時,適度的運動鍛煉也能起到良好的效果。從抗氧化的方向?qū)で笾委烠OPD骨骼肌功能障礙的有效措施具有廣闊的前景,但仍需進一步研究。