線粒體活性氧類(lèi)及其對(duì)心血管系統(tǒng)影響的研究進(jìn)展

宋仁生(綜述)，李 濤，吳柱國(guó)(審校)

(廣東醫(yī)學(xué)院a.第二臨床醫(yī)學(xué)院，b.廣東省醫(yī)學(xué)分子診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東東莞523808)

活性氧類(lèi)是氧化系統(tǒng)產(chǎn)生的含有活性氧功能基團(tuán)的化合物，包括含氧自由基、氧的非自由基衍生物、氫過(guò)氧化物等。機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)多的活性氧類(lèi)在多種疾病的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用，如慢性阻塞性肺疾病、糖尿病以及動(dòng)脈粥樣硬化、心肌梗死、心力衰竭等。心臟作為哺乳動(dòng)物體內(nèi)從不休息的器官，其主要功能性成分心肌細(xì)胞更是能量的主要消耗者，細(xì)胞內(nèi)線粒體的含量較高。作為心臟的主要能量發(fā)生器——線粒體占心肌細(xì)胞體積的30%［1］。線粒體在為心臟合成能量的同時(shí)，不可避免地產(chǎn)生了過(guò)多的活性氧類(lèi)?，F(xiàn)就線粒體氧化應(yīng)激損傷及活性氧類(lèi)與某些心血管疾病的關(guān)系做一綜述。

1 活性氧類(lèi)與線粒體損傷

1.1 活性氧類(lèi)在線粒體中的生成及堆積 線粒體是細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧類(lèi)的主要場(chǎng)所。細(xì)胞內(nèi)氧化系統(tǒng)與抗氧化系統(tǒng)失衡，大量自由基不斷聚積就會(huì)導(dǎo)致線粒體的氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激不僅抑制線粒體呼吸酶的活性、減慢呼吸鏈的電子傳遞、增加活性氧類(lèi)產(chǎn)生，還可以上調(diào)解偶聯(lián)蛋白(uncoupling proteins，UCPs)的表達(dá)［2］。UCPs 是位于線粒體內(nèi)膜的一類(lèi)具有離子通道作用的蛋白質(zhì)，其能消除線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的跨膜質(zhì)子濃度差，從而降低線粒體的膜電位，導(dǎo)致氧化磷酸化解偶聯(lián)，減少了ATP的生成。UCP2和UCP3已確定為UCPs的同源系列，并在心臟表達(dá)。在由H2O2或阿霉素刺激培養(yǎng)的心肌細(xì)胞內(nèi)觀察到UCP2的過(guò)表達(dá)可增加氧耗，并減少活性氧類(lèi)的產(chǎn)生［3］。實(shí)驗(yàn)證明，在UCP2或UCP3基因敲除小鼠分離出的線粒體比野生型小鼠可產(chǎn)生更多的活性氧類(lèi)［4-6］。這些結(jié)果表明，UCP2和UCP3的主要作用可能是調(diào)控活性氧類(lèi)的產(chǎn)生。

活性氧類(lèi)本身也可以誘導(dǎo)線粒體產(chǎn)生更多的活性氧類(lèi)，這一現(xiàn)象稱(chēng)之為活性氧類(lèi)誘導(dǎo)的活性氧類(lèi)釋放［7］，如鈣調(diào)蛋白依賴(lài)性蛋白激酶可促進(jìn)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NADPH)氧化酶調(diào)節(jié)產(chǎn)生更多的活性氧類(lèi)，并能誘導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)開(kāi)放，增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平，從而導(dǎo)致線粒體功能障礙，進(jìn)而產(chǎn)生更多的活性氧類(lèi)。堆積在心肌細(xì)胞的活性氧類(lèi)也可通過(guò)線粒體通透性轉(zhuǎn)換觸發(fā)線粒體膜電位去極化，從而誘發(fā)一瞬間的線粒體活性氧類(lèi)的大量生成［8］。

1.2 活性氧類(lèi)可改變細(xì)胞線粒體膜的通透性 線粒體膜通透性轉(zhuǎn)變是指線粒體內(nèi)膜由于mPTP的開(kāi)放，其通透性突然增加。mPTP是線粒體膜上由多個(gè)蛋白所形成的非選擇性復(fù)合孔道，容許相對(duì)分子質(zhì)量＜1500的溶質(zhì)分子(如H+、Ca2+、谷胱甘肽及細(xì)胞色素C)通過(guò)。細(xì)胞色素C主要存在于線粒體中，是催化細(xì)胞內(nèi)活性氧類(lèi)產(chǎn)生的主要酶類(lèi)。心臟在某些病理狀態(tài)下如心肌缺血/再灌注時(shí)，產(chǎn)生大量的活性氧類(lèi)，誘導(dǎo)mPTP不可逆性開(kāi)放［9］。mPTP的不可逆性開(kāi)放可使線粒體內(nèi)膜外的H+大量返流回基質(zhì)，線粒體內(nèi)膜全面去極化，導(dǎo)致線粒體膜電位崩潰，氧化磷酸化完全解偶聯(lián)，心肌細(xì)胞ATP合成停止。此外，mPTP的不可逆開(kāi)放還可以導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜通透性增加，還原型谷胱甘肽外流耗竭，超氧陰離子大量生成，基質(zhì)滲透壓升高，線粒體腫脹明顯，最終導(dǎo)致線粒體外膜破裂，釋放內(nèi)外膜間隙中的細(xì)胞色素C和凋亡誘導(dǎo)因子等，介導(dǎo)一系列與細(xì)胞骨架、細(xì)胞膜及細(xì)胞核有關(guān)的蛋白質(zhì)切割水解。mPTP的不可逆開(kāi)放又能誘導(dǎo)心肌細(xì)胞釋放更多的活性氧類(lèi)，進(jìn)而形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致線粒體功能進(jìn)一步障礙。

1.3 活性氧類(lèi)可影響線粒體對(duì)Ca2+的攝取和排出 線粒體對(duì)心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)發(fā)揮關(guān)鍵作用。線粒體氧化磷酸化與Ca2+調(diào)節(jié)密切相關(guān)，呼吸鏈電子傳遞形成的線粒體膜電位有利于線粒體對(duì)Ca2+的攝取;線粒體內(nèi)的 Ca2+能上調(diào)氧化磷酸化中脫氫酶的活性而促進(jìn)ATP合成。因此活性氧類(lèi)可通過(guò)影響呼吸鏈復(fù)合物的活性、線粒體膜電位以及誘導(dǎo)mPTP開(kāi)放等導(dǎo)致線粒體內(nèi)Ca2+紊亂，進(jìn)而引起心肌細(xì)胞線粒體功能障礙。

2 線粒體活性氧類(lèi)在心血管系統(tǒng)中的作用

2.1 線粒體活性氧類(lèi)與心律失常 據(jù)估計(jì)，1/3線粒體產(chǎn)生的ATP被心肌膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)離子通道及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白所利用，這是心肌細(xì)胞電活動(dòng)所必需的能量保證［10］。線粒體功能障礙會(huì)減少心肌細(xì)胞離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體的能量供應(yīng)，從而導(dǎo)致心律紊亂［11-12］。最新研究表明，過(guò)多的線粒體活性氧類(lèi)可通過(guò)半胱氨酸轉(zhuǎn)錄后的氧化還原修飾(如蛋白質(zhì)谷胱甘肽化)或酪氨酸殘基的硝化，直接影響各種離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體，減弱心肌興奮性［13］。過(guò)多的線粒體活性氧類(lèi)也可通過(guò)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)分子如活性氧類(lèi)敏感激酶(鈣調(diào)蛋白依賴(lài)性蛋白激酶和蛋白激酶C)或氧化還原敏感轉(zhuǎn)錄因子如核因子κB，間接調(diào)節(jié)離子通道或轉(zhuǎn)運(yùn)體的功能［14-16］。Yang等［17］發(fā)現(xiàn)，線粒體功能障礙可以降低心肌細(xì)胞鈉離子流的峰值，并下調(diào)縫隙連接蛋白43的表達(dá)，從而導(dǎo)致心電異常傳導(dǎo)，增加折返性心律失常的可能。另外，細(xì)胞內(nèi)過(guò)量的活性氧類(lèi)可增加晚鈉電流，并降低鉀離子的電流復(fù)極，延長(zhǎng)動(dòng)作電位的持續(xù)時(shí)間、后去極化早期時(shí)間，增加了心肌細(xì)胞的電異質(zhì)性和心律失常的易患性。最后，線粒體功能障礙也可引起線粒體膜電位去極化，導(dǎo)致sarcKATP通道開(kāi)放，進(jìn)而形成了一個(gè)傳播去極化波的灌電流，增加了傳導(dǎo)阻滯和心律失常的可能［18］。

2.2 線粒體活性氧類(lèi)與動(dòng)脈粥樣硬化 內(nèi)皮細(xì)胞中活性氧類(lèi)的增高促進(jìn)了動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展［19］。氧化型低密度脂蛋白(oxidatived low-density lipoprotein，ox-LDL)在動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用。線粒體產(chǎn)生的活性氧類(lèi)及其修飾的ox-LDL涉及動(dòng)脈粥樣硬化的各個(gè)病理過(guò)程。ox-LDL通過(guò)抑制線粒體呼吸酶的活性，導(dǎo)致線粒體呼吸鏈電子傳遞減慢，活性氧類(lèi)生成增多，進(jìn)而形成惡性循環(huán)，促進(jìn)內(nèi)皮損傷及動(dòng)脈粥樣硬化形成［20］。載脂蛋白E(apolipoprotein E，apoE)具有抗氧化活性，其抑制LDL氧化的同時(shí)，也抑制LDL附于血管壁上。apoE-/--鼠是一種缺乏apoE的動(dòng)物模型，其血漿中低密度脂蛋白膽固醇和三酰甘油水平顯著增加，易出現(xiàn)動(dòng)脈粥樣硬化。研究發(fā)現(xiàn)，apoE-/--鼠錳超氧化物歧化酶(Mn-superoxide dismutase，Mn-SOD)的活性降低，線粒體DNA損傷增加，線粒體氧化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)，動(dòng)脈粥樣硬化病變加重［21］。此外，來(lái)自apoE-/--SOD2+/-小鼠的研究提示，線粒體活性氧類(lèi)的增加不僅促進(jìn)了動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成，而且還提高了機(jī)體對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化危險(xiǎn)因子的易患性［22］。

2.3 線粒體活性氧類(lèi)與高血壓 雖然原發(fā)性高血壓的發(fā)病機(jī)制目前還不完全清楚，但Touyz和Briones［23］在對(duì)高血壓動(dòng)物模型的研究中發(fā)現(xiàn)，提高血管內(nèi)皮及血漿中活性氧類(lèi)水平可增加血管收縮的敏感性，并促進(jìn)血管炎癥及重塑的發(fā)生。線粒體是產(chǎn)生活性氧類(lèi)的主要細(xì)胞器，靶向線粒體的抗氧化劑在動(dòng)物模型中可以降低活性氧類(lèi)的產(chǎn)生，并改善主動(dòng)脈的直徑和厚度以及血管內(nèi)皮細(xì)胞的功能［24］。研究選擇性針對(duì)線粒體的靶向抗氧化劑將成為一種降低和(或)預(yù)防高血壓的策略。此外，NADPH氧化酶的活性及表達(dá)在高血壓中均有顯著的升高，NADPH氧化酶抑制劑亦可降低動(dòng)物模型中動(dòng)物的血壓［23］。其他一些因子(如血管緊張素Ⅱ、醛固酮、內(nèi)皮素1等)可通過(guò)刺激活性氧類(lèi)的產(chǎn)生、激活相關(guān)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，參與高血壓的發(fā)生、發(fā)展［25］。

2.4 線粒體活性氧類(lèi)與心肌缺血/再灌注損傷 心肌缺血/再灌注損傷是心肌組織在較長(zhǎng)時(shí)間缺血后血液復(fù)灌，出現(xiàn)比再灌注前更明顯、更嚴(yán)重的損傷和功能障礙，包括收縮功能降低、冠狀動(dòng)脈血流下降及血管反應(yīng)性改變等。線粒體ATP生成減少的同時(shí)也產(chǎn)生了過(guò)量的活性氧類(lèi)，其引起的氧化應(yīng)激是其致病機(jī)制之一［26］。在心肌缺血/再灌注損傷中，呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ和Ⅲ外泄的電子流可以產(chǎn)生大量的活性氧類(lèi)，這是活性氧類(lèi)的主要來(lái)源［27］。產(chǎn)生的活性氧類(lèi)可通過(guò)損害內(nèi)皮依賴(lài)性血管舒張機(jī)制、干擾興奮收縮偶聯(lián)、誘發(fā)心律失常及損害線粒體膜通透性等形式促進(jìn)缺血/再灌注損傷的發(fā)生、發(fā)展［28］。靶向線粒體的抗氧化劑(如泛醌能特異性地減少心肌缺血后的損傷，Mn-SOD類(lèi)似物亦能抑制活性氧類(lèi)依賴(lài)性損傷和凋亡。以上研究表明，抗氧化應(yīng)激是防治心肌缺血/再灌損傷的重要手段。

2.5 線粒體活性氧類(lèi)與心力衰竭 心力衰竭是指因心臟結(jié)構(gòu)或功能異常而導(dǎo)致的心室充盈或射血能力受損的一組復(fù)雜臨床綜合征，是心肌梗死、高血壓、心肌病等多種心血管疾病發(fā)展的終末階段，主要發(fā)病機(jī)制為心肌病理性重構(gòu)。在心力衰竭動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，隨著心臟壓力負(fù)荷的增加，線粒體ATP合成減少，心肌細(xì)胞內(nèi)活性氧類(lèi)生成增加［29］。心肌線粒體的能量代謝障礙促進(jìn)了心力衰竭的發(fā)展，而線粒體的活性氧類(lèi)不僅可以激活凋亡信號(hào)激酶，刺激心肌細(xì)胞增殖、基質(zhì)重塑，還可以通過(guò)影響纖維細(xì)胞的增殖以及膠原合成，激活基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)［30］。MMPs 幾乎能降解細(xì)胞外基質(zhì)中所有的蛋白成分，持續(xù)的MMPs活化可為細(xì)胞間反應(yīng)提供一種異常的細(xì)胞外環(huán)境，影響心肌的結(jié)構(gòu)特性，從而導(dǎo)致左心室重塑以及細(xì)胞功能障礙的發(fā)生、發(fā)展。在MMP-2基因敲除的小鼠上，Hayashidani等［31］證實(shí)了小鼠心肌梗死后的生存率較野生小鼠顯著升高，這主要是因?yàn)橐种屏薓MPs的活化，從而延緩了心臟破裂以及隨后的左心室重構(gòu)。最后Lemieux等［32］證實(shí)，活性氧類(lèi)還可以通過(guò)氧化修飾心肌肌原纖維蛋白，導(dǎo)致心臟收縮功能進(jìn)行性降低以及心臟不可逆損傷。

3 小結(jié)

線粒體氧化應(yīng)激在動(dòng)脈粥樣硬化、心肌缺血/再灌注損傷、心力衰竭等多種心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用，但其具體機(jī)制尚不完全明確。對(duì)活性氧類(lèi)的產(chǎn)生及生物學(xué)功能進(jìn)行深入研究，以期研究出線粒體靶向抗氧化劑，從源頭上減少氧自由基的產(chǎn)生，保護(hù)線粒體功能，從而減輕氧化應(yīng)激對(duì)心血管的損傷，使更多的心血管疾病患者獲益，但目前大部分的抗氧化劑僅限于幫助捕獲并中和已產(chǎn)生的自由基，從而祛除或減輕氧自由基對(duì)人體的損害。

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