抗氧化悖論真的成立嗎？

于衛(wèi)華，孔德欽，龍子，劉瑞，李文麗，海春旭

(空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)院軍事毒理學(xué)與防化醫(yī)學(xué)教研室，陜西省自由基生物學(xué)與醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，特殊作業(yè)環(huán)境危害評估與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710032)

抗氧化劑(antioxidants)是指可以清除自由基，從而減輕或防止體內(nèi)氧化損傷的一類化學(xué)物質(zhì)?？寡趸瘎┓N類繁多，功效也存在差異。按其溶解性抗氧化劑可分為水溶性、脂溶性和兼容性3種；就化學(xué)結(jié)構(gòu)而言，抗氧化劑可分為巰基類、酮胺類和多酚類；按來源可劃分為外源性和內(nèi)源性兩種；按合成途徑可分為天然抗氧化劑和人工合成抗氧化劑；按作用方式差異則劃分為酶類和非酶類抗氧化劑。關(guān)于抗氧化劑健康效應(yīng)的研究可以分為兩個階段。自20世紀(jì)60年代至90年代，是抗氧化研究的一個“黃金時期”，以國際自由基學(xué)會創(chuàng)始人TF-Slater教授為主的一批研究者先后揭示了氧化損傷在多種疾病發(fā)生中的關(guān)鍵作用，并研究使用抗氧化劑防治疾病。而真正將抗氧化劑推向神壇的當(dāng)屬美國著名化學(xué)家萊納斯·鮑林，他一生中曾兩次獲得諾貝爾獎。鮑林提倡大劑量服用維生素C(vitamin C，VC)，達(dá)到促進(jìn)健康的目的。1977年，他指出每日攝入20~30 g(營養(yǎng)推薦用量60 mg)的VC，可將肺癌死亡率降低70%。同時，他還認(rèn)為如果美國人堅(jiān)持長期服用抗氧化劑，人群預(yù)期壽命會提高至100~110歲。在鮑林的影響下國際抗氧化研究和相關(guān)保健品市場也進(jìn)入火熱時期，1996年《紐約時報》報道稱，約5 000萬美國人長期服用維生素，其中20%的人群每天用量超過1 g，這些保健品為美國每年貢獻(xiàn)約230億美金的GDP。然而，90年代以后，大量的人群前瞻性和回顧性調(diào)查研究顯示，服用維生素、硒和胡蘿卜素等抗氧化劑，不僅無法降低疾病風(fēng)險，反而會增加某些疾病的死亡率。例如，美國和芬蘭的流行病學(xué)研究顯示，抗氧化劑對腫瘤治療無效?？死蛱m醫(yī)學(xué)中心研究認(rèn)為，服用VE(約400 IU/d)會使男性患前列腺癌的風(fēng)險增加17%。2000年新加坡國立大學(xué)Barry Halliwell提出抗氧化悖論(antioxidant paradox)假說，即氧化損傷可導(dǎo)致諸多疾病，但在人群中給予抗氧化劑卻無明顯治療效果。自此，不少研究者對抗氧化劑的臨床應(yīng)用價值持懷疑或否定態(tài)度，有關(guān)抗氧化劑的研究和產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入了“寒冬期”。那么，抗氧化悖論假說真的成立嗎？抗氧化劑又是否具有實(shí)際臨床應(yīng)用價值呢？本文就抗氧化悖論問題進(jìn)行了深入探討，以期促進(jìn)人們對抗氧化劑的正確認(rèn)識和合理使用。

1 抗氧化悖論假說并不成立

大量基礎(chǔ)和臨床研究證實(shí)，氧化應(yīng)激是導(dǎo)致機(jī)體損傷和多種疾病的“罪魁禍?zhǔn)住??；钚匝?reactive oxygen species，ROS)可攻擊蛋白質(zhì)、脂肪酸和DNA，并可通過調(diào)控多種基因的轉(zhuǎn)錄影響組織細(xì)胞功能，進(jìn)而參與多數(shù)疾病的發(fā)生發(fā)展，且細(xì)胞和動物研究證實(shí)抗氧化劑干預(yù)可有效預(yù)防或逆轉(zhuǎn)多種疾病的發(fā)生和發(fā)展。事實(shí)上，許多基礎(chǔ)和臨床研究都涉及氧化損傷和抗氧化效應(yīng)，但相關(guān)指標(biāo)過于簡單，缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性。此外，目前國內(nèi)外關(guān)于抗氧化劑鑒定篩選、用藥劑量、個體化用藥和聯(lián)合用藥等問題研究較少，且不夠科學(xué)合理。因此，本文基于長期的研究基礎(chǔ)，剖析了支持“抗氧化劑無效或有害”相關(guān)研究中存在的缺陷，提出抗氧化悖論假說可能并不成立，其原因總結(jié)如下。

1.1 抗氧化劑存在相對靶向性，單一抗氧化劑效果有限

機(jī)體內(nèi)的ROS呈現(xiàn)多態(tài)性，包括超氧陰離子自由基(O)、過氧化氫(HO)、一氧化氮(NO)和羥自由基(OH)等，且不同自由基可相互轉(zhuǎn)化，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。同時，抗氧化劑化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)迥異，在清除ROS時具有相對靶向性，如超氧化物歧化酶SOD和SOD可催化O轉(zhuǎn)變?yōu)榈投镜腍O，過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶可有效分解HO；而非酶性抗氧化劑在清除ROS時也存在特異性，單一抗氧化劑往往無法清除所有類型自由基。海春旭教授在20世紀(jì)90年代提出“抗氧化復(fù)合鏈”理論，其基本觀點(diǎn)是體內(nèi)的自由基和氧化產(chǎn)物具有多態(tài)性和相互轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，而抗氧化劑(酶)的溶解性、作用部位和活性強(qiáng)度各不相同，但抗氧化劑間存在相互替代補(bǔ)充作用，共同構(gòu)成抗氧化防御體系?；谖⒘ｓw模型和抗氧化研究平臺，海春旭教授帶領(lǐng)課題組對上百種藥物單體的抗氧化能力進(jìn)行篩選和評價，成功研制了新藥“安體欣”，并在美國FDA成功上市。以往臨床和流行病學(xué)研究中常單獨(dú)使用維生素(A、C或E)、β-胡蘿卜素和硒等，這些物質(zhì)自身抗氧化能力有限，只能針對某一類ROS，無法全面清除自由基，因此并未表現(xiàn)出明顯的疾病防治效果。然而，水果、蔬菜和中藥富含維生素、β-胡蘿卜素和硒，以及抗氧化單體如白藜蘆醇、紅景天苷、槲皮素、姜黃素和二苯乙烯苷等，經(jīng)常使用這類物質(zhì)可減輕機(jī)體氧化損傷，能有效預(yù)防心肌缺血、腦損傷和衰老。此外，VA和VC在Fe存在環(huán)境下會通過Fenton反應(yīng)，生成活性更強(qiáng)的OH。許多研究者在選擇抗氧化劑時忽略了其靶向性，妄圖以一種或一類抗氧化劑清除所有ROS，結(jié)局自然是失敗的?；谶@種理論得出的抗氧化劑人群治療無效結(jié)論也是站不住腳的。因此，臨床上應(yīng)選取復(fù)方抗氧化劑，才能有效清除ROS，達(dá)到防治疾病的效果。

1.2 臨床上抗氧化劑用藥劑量是否恰當(dāng)難以衡量

ROS具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng)，可調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化、凋亡、壞死、衰老和惡性轉(zhuǎn)化等過程，而ROS劑量是決定其生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵。研究表明低劑量ROS可通過Akt、Erk和P38等信號分子調(diào)控肝細(xì)胞靜息和增殖轉(zhuǎn)換，在肝臟發(fā)育和再生過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。過表達(dá)線粒體過氧化氫酶，可降低細(xì)胞內(nèi)HO含量，并阻斷細(xì)胞由G向G期的轉(zhuǎn)變，證明ROS在調(diào)控細(xì)胞分裂中具有重要意義。隨著ROS劑量升高，可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡和壞死。因此，機(jī)體內(nèi)ROS量并非越低越好，抗氧化劑用量也非越高越好，且部分抗氧化劑在高劑量時會產(chǎn)生細(xì)胞毒性。β-胡蘿卜素是維生素A(vitamin A，VA)的重要前提物質(zhì)，也被認(rèn)為是一種天然抗氧化劑。日本8萬名人群流行病學(xué)研究結(jié)果表明，男性吸煙人群每日攝入20 mg(推薦劑量2~7 mg)β-胡蘿卜素，罹患肺癌(特別是小細(xì)胞肺癌)的風(fēng)險顯著增加。同樣，在果蠅食物中加入適量維生素E(約20 μg/mL)，可有效延長其壽命，但如果VE加入過量(200 μg/mL)則會縮短果蠅壽命。二苯乙烯苷是從何首烏中提取的重要活性單體，低劑量時可清除ROS，在炎癥、衰老和神經(jīng)損傷等疾病模型中具有顯著保護(hù)效果，但大量服用則會導(dǎo)致嚴(yán)重肝損傷。Wang等的研究也證實(shí)硒元素在低劑量時具有抗氧化作用，而高水平硒可加重氧化損傷，并導(dǎo)致嚴(yán)重細(xì)胞毒性。在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中ROS的作用更為復(fù)雜，低劑量ROS長期反復(fù)刺激，可促進(jìn)正常細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化以及腫瘤細(xì)胞的增殖；而高劑量的ROS則會殺傷腫瘤細(xì)胞。此外，動物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中ROS生成和抗氧化劑用量能夠很好控制，但人群研究中ROS生成水平難以掌控，用藥劑量也無法判斷。同時，服用抗氧化劑會被全身組織細(xì)胞吸收利用，真正在氧化損傷部位發(fā)揮作用的劑量更是無法估算。因此，臨床上抗氧化劑不當(dāng)使用，可能會適得其反，加重氧化損傷和疾病程度。

1.3 部分氧化損傷及所致病癥具有不可逆性

氧化還原是細(xì)胞內(nèi)最基本的生化反應(yīng)，對于維持細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義。研究表明，衰老、腫瘤和神經(jīng)損傷等疾病模型及患者體內(nèi)的氧化產(chǎn)物水平均顯著升高。例如，隨著年齡增長體內(nèi)ROS可促進(jìn)生物大分子與葡萄糖發(fā)生共價結(jié)合，形成穩(wěn)定的糖基化終末產(chǎn)物AGEs，而AGEs的堆積可加速衰老，引起多種慢性疾病。而在致癌因素刺激下，ROS可修飾DNA形成8-OHdG和4-HNE等氧化產(chǎn)物，并進(jìn)一步引起堿基突變和細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化，誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生。在腦缺血再灌注和神經(jīng)退行性疾病中，神經(jīng)細(xì)胞受到自由基攻擊發(fā)生大量損傷和死亡，而機(jī)體內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞不可再生，這也是臨床上神經(jīng)損傷疾病救治困難的重要原因。由此可見，并非所有的氧化損傷都是可逆的，一些穩(wěn)定的氧化修飾或損傷一旦形成，便不可恢復(fù)。但是，早期補(bǔ)充抗氧化劑可阻止氧化損傷，進(jìn)而起到延緩或預(yù)防疾病的作用。這也解釋了為什么抗氧化可降低致癌因素導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)動物腫瘤發(fā)生，但關(guān)于抗氧化劑治療成瘤動物和患者成功的案例卻鮮有報道。此外，百草枯暴露可引起機(jī)體細(xì)胞死亡，金屬蛋白會釋放Fe等過渡金屬，使用VC預(yù)處理可阻斷百草枯誘導(dǎo)的機(jī)體損傷，但是在中毒后再給予VC干預(yù)，則會誘發(fā)Fenton反應(yīng)而加重?fù)p傷。因而，對某些不可逆性損傷或疾病來說，抗氧化劑可發(fā)揮預(yù)防作用，但治療效果卻欠佳。

1.4 臨床疾病機(jī)制復(fù)雜，氧化損傷并非唯一機(jī)制

氧化損傷與目前已知的多數(shù)臨床疾病息息相關(guān)。機(jī)體在病理、衰老和精神等因素刺激下，氧化產(chǎn)物生成增多，抗氧化防御削弱，導(dǎo)致ROS大量蓄積，最終引起組織器官的結(jié)構(gòu)功能障礙。然而，氧化損傷并非臨床疾病的唯一調(diào)控機(jī)制，相關(guān)致病假說層出不窮。以腫瘤為例，雖然多數(shù)研究認(rèn)可DNA氧化損傷是腫瘤的核心事件，但遺傳、免疫逃逸、促癌基因和端粒酶激活等也與腫瘤發(fā)生發(fā)展密不可分。同時，ROS對腫瘤的調(diào)控機(jī)制也較為復(fù)雜，可影響腫瘤細(xì)胞的形成、生存和轉(zhuǎn)移等一系列過程，在腫瘤的不同階段ROS的生物學(xué)作用存在差異。研究發(fā)現(xiàn)，早期合理補(bǔ)充抗氧化劑可有效降低DNA氧化損傷和基因突變，預(yù)防腫瘤發(fā)生；而在放化療時給予抗氧化劑可增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞逃避免疫系統(tǒng)和放化療殺傷的能力，進(jìn)而增加治療后腫瘤復(fù)發(fā)的風(fēng)險。動脈粥樣硬化致病機(jī)制也眾說紛紜，除脂蛋白氧化修飾損傷假說外，還包括突變學(xué)說、受體缺失學(xué)說、細(xì)胞因子學(xué)說以及病毒學(xué)說。在衰老動物模型中，可使用抗氧化劑延長其壽命，但卻無法從根本上解決衰老和死亡問題，其原因在于衰老是一個多機(jī)制的復(fù)雜生命現(xiàn)象，目前提出的理論有十?dāng)?shù)種，包括端粒學(xué)說、密碼子限制學(xué)說和免疫退化學(xué)說等。因此，氧化損傷是機(jī)體的關(guān)鍵致病機(jī)制，但并非唯一，單純應(yīng)用抗氧化劑可能無法解決衰老和腫瘤等復(fù)雜性臨床疾病。

1.5 炎癥與氧化應(yīng)激相互依賴，單純補(bǔ)充抗氧化劑不能根除問題

炎癥是臨床上多種急慢性疾病的重要病理基礎(chǔ)，大量研究證實(shí)氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng)密不可分。一方面，炎癥過程可生成大量的ROS和RNS，是機(jī)體清除細(xì)菌感染和惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞的重要機(jī)制；另一方面，ROS可通過多種信號影響炎癥細(xì)胞激活和炎癥因子釋放。例如，2011年Nature報道證實(shí)線粒體ROS與巨噬細(xì)胞NLRP3炎癥小體活化密切相關(guān)。因此，炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激彼此依賴，二者相互作用并形成惡性循環(huán)，是導(dǎo)致炎癥遷延不愈的原因。但炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激具有相對獨(dú)立的調(diào)控系統(tǒng)，通過各自體系控制機(jī)體ROS和炎癥信號表達(dá)。炎癥過程中ROS生成途徑主要有3種：NADPH氧化酶、線粒體電子漏出和一氧化氮合酶(iNOS)，ROS清除能力則受以Nrf2為核心的抗氧化酶系統(tǒng)；而炎癥因子轉(zhuǎn)錄調(diào)控則受NF-κB、COX、iNOS和NLRP3等信號途徑調(diào)控。因此，單純給予抗氧化劑雖然可清除炎癥過程中生成的ROS，但無法完全消除炎癥，最終仍會通過級聯(lián)反應(yīng)生成ROS和炎癥因子。新加坡的一項(xiàng)臨床隨機(jī)對照實(shí)驗(yàn)表明，服用抗氧化劑(維生素E，400 IU；維生素C，500 mg；硒，50 μg)可顯著改善肥胖兒童和青年人群的氧化損傷和肝功能紊亂，但對整體的炎癥反應(yīng)并沒有顯著抑制效應(yīng)。因而，氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)既相互依賴又相對獨(dú)立的特性，是導(dǎo)致臨床上炎癥相關(guān)疾病使用抗氧化劑治療無效的重要原因。

2 抗氧化劑臨床用藥存在的問題

以往研究認(rèn)為，ROS是細(xì)胞代謝的“垃圾”、引起衰老的“動因”、中毒發(fā)生的“扳機(jī)”、基因突變的“毒素”和疾病發(fā)作的“元兇”。近年來人們逐漸認(rèn)識到ROS具有多種生物學(xué)有益功能，包括調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、殺滅病原菌和調(diào)控心血管功能等?？寡趸脱趸瘧?yīng)激相輔相成，氧化還原平衡是維持機(jī)體健康的關(guān)鍵。幾十年來，學(xué)術(shù)界對于抗氧化劑的功效褒貶不一，抗氧化劑曾一度被認(rèn)為可治百病，攝入劑量越高越好。然而，自Barry Halliwell提出抗氧化悖論，許多學(xué)者持相反態(tài)度，提出抗氧化劑完全無效，甚至有害。在本文看來，這兩種說法都不夠客觀和科學(xué)，沒有正確認(rèn)識抗氧化劑的價值。一方面，抗氧化劑并非萬能靈藥，部分藥物大量服用還可能有害；另一方面，大量基礎(chǔ)研究證實(shí)了氧化損傷的致病機(jī)制以及抗氧化劑對疾病防治的有效性，抗氧化治療疾病的思路存在必然的合理性。此外，由于利益驅(qū)使，許多保健和飲食行業(yè)商家宣稱其產(chǎn)品具有顯著抗氧化效果，可預(yù)防人類罹患疾病，甚至可治愈許多疾病，廣大消費(fèi)者對于這些不確切的廣告信息也半信半疑。因此，目前關(guān)于抗氧化劑的相關(guān)研究和臨床應(yīng)用比較混亂，臨床用藥中也存在一系列問題尚未解決，主要包括以下幾個方面。一是抗氧化劑的鑒定與篩選問題。近年來研究報道的抗氧化劑種類繁多，效果存在差異，國際上也缺少統(tǒng)一的抗氧化劑評估鑒定方法。很多藥物可能并非真正的抗氧化劑，只是通過損傷修復(fù)等間接因素降低機(jī)體氧化損傷。二是抗氧化劑的個體化用藥問題。不同人群、不同個體、不同部位以及不同時期，機(jī)體氧化還原水平都有很大差異，盲目補(bǔ)充抗氧化劑是不科學(xué)的。三是抗氧化劑用藥方法問題?？寡趸瘎┑氖褂脛┝靠捎绊懫湫Ч褂貌划?dāng)可能適得其反。由于氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的相互放大效應(yīng)，針對炎癥疾病單純使用抗氧化劑難以根除問題。上述問題嚴(yán)重制約抗氧化藥物的研發(fā)和使用，只有攻克上述技術(shù)難題，并規(guī)范醫(yī)藥市場秩序，才能從根本上解決抗氧化劑臨床用藥的混亂。

3 抗氧化劑合理用藥的前景展望

目前，抗氧化劑的合理用藥是實(shí)現(xiàn)人類疾病防治和延緩衰老的潛在武器，也是困擾全球醫(yī)學(xué)界的重要學(xué)術(shù)難題。本科室在海春旭教授帶領(lǐng)下，在抗氧化研究領(lǐng)域取得重大突破，在國際上首次提出了“抗氧化復(fù)合鏈理論”，構(gòu)建了抗氧化劑篩選平臺；基于微粒體模型、細(xì)胞模型和動物模型綜合評估藥物抗氧化特性，分析藥物對不同類型自由基(如O、HO、NO和OH等)的清除效果，并對其總抗氧化能力進(jìn)行分級，成功研制了抗氧化新藥安體欣。此外，與中國科學(xué)院陳暢教授觀點(diǎn)一致，本文認(rèn)為抗氧化劑的使用不能一概而論，要遵循精準(zhǔn)抗氧化的“5R”原則，即在用藥時要考慮ROS的存在種類(right species)、生成劑量(right level)、時間分布(right time)、空間分布(right places)和作用靶點(diǎn)(right targets)的差異。以往研究中，抗氧化劑對疾病治療效果不理想，可能多數(shù)是由于忽視了精準(zhǔn)抗氧化的重要性。值得注意的是，食物和中藥中存在多種抗氧化單體，在多種疾病模型中顯示出良好的防治效果，盡管目前對其功效認(rèn)識和研究還不夠完善，但相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用的前景十分廣闊。未來抗氧化藥物的研發(fā)離不開氧化還原的精準(zhǔn)檢測，準(zhǔn)確評估生理和病理?xiàng)l件下機(jī)體氧化還原狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上遵循5R原則開發(fā)高效抗氧化劑。基于多年研究成果，本文主張?jiān)谂R床疾病治療中按照精準(zhǔn)化和個體化用藥原則，采用復(fù)方抗氧化劑，并聯(lián)合使用抗炎藥物和其他特效靶點(diǎn)藥物，才能實(shí)現(xiàn)根除炎癥、防治病變和延緩衰老的目的。綜上所述，抗氧化劑應(yīng)用前景廣闊，但合理用藥問題任重而道遠(yuǎn)。