活性氧與疾病關(guān)系的研究進(jìn)展

丁洪基，李龍龍，王 燦，王貴珍，張 迪

活性氧(reactive oxygen species, ROS)是指化學(xué)性質(zhì)較活躍的含氧物質(zhì)，根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)，ROS可分為自由基和非自由基兩類。自由基通常是指外層軌道上含有1個(gè)未配對(duì)活性電子的ROS，屬于單電子氧化劑，包括超氧陰離子自由基、羥基自由基、過氧自由基、烷氧自由基和氮自由基等。非自由基不含未配對(duì)電子，屬于雙電子氧化劑，包括過氧化氫、單態(tài)氧、臭氧、過氧亞硝酸鹽/過氧亞硝酸和次氯酸等[1]。自由基比非自由基更不穩(wěn)定，反應(yīng)性更強(qiáng)[1]。在人體生物化學(xué)反應(yīng)中，最重要、最常見的是氧化還原反應(yīng)；其中大部分氧化還原反應(yīng)屬于自由基反應(yīng)。沒有自由基反應(yīng)，就無法實(shí)現(xiàn)能量代謝。當(dāng)自由基的生成高于抗氧化能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生氧化應(yīng)激(oxidative stress, OS)[2]。在生物體的整個(gè)生命周期中，ROS直接或間接影響細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能及細(xì)胞生物學(xué)的諸多方面[3]。ROS在人體中的作用是一把“雙刃劍”，過量的ROS會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)、DNA和RNA造成損害，導(dǎo)致細(xì)胞的遺傳改變，促進(jìn)疾病的發(fā)生或細(xì)胞死亡。相反，低水平的ROS對(duì)細(xì)胞存活、生長、增殖、分化及免疫反應(yīng)等多種生物功能均是必不可少的[4]。大量研究表明，心腦血管疾病、炎癥、惡性腫瘤、糖尿病及動(dòng)脈硬化等均與體內(nèi)的氧化損傷有關(guān)，而氧化損傷是由代謝過程中產(chǎn)生的過量自由基或ROS引起的[5]。因此，深入分析ROS與疾病的關(guān)系具有重要意義。

1 ROS的產(chǎn)生和功能

細(xì)胞內(nèi)ROS的形成是一種古老的抗微生物防御系統(tǒng)[6]。在生理?xiàng)l件下，有少量ROS在細(xì)胞發(fā)育過程中形成；在有氧呼吸或炎癥過程中，ROS主要發(fā)生于肝細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中[7]；在正常氧代謝過程中，ATP合成產(chǎn)生ROS。因此，大多數(shù)情況下ROS被認(rèn)為是細(xì)胞活動(dòng)能量灌注過程中的副產(chǎn)品[8]。約90%細(xì)胞的ROS來自線粒體[4]。ROS的內(nèi)在來源主要由線粒體呼吸過程中的生化反應(yīng)產(chǎn)生。除線粒體外，ROS還由多種酶產(chǎn)生，如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)氧化酶、黃嘌呤氧化酶、一氧化氮合成酶和過氧化物酶等[9]。大部分生物體和細(xì)胞均可產(chǎn)生ROS，NADPH氧化酶的酶家族和線粒體的呼吸電子傳遞鏈?zhǔn)窃S多真核細(xì)胞中ROS的2個(gè)主要來源[10]。NADPH和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD)參與呼吸鏈和細(xì)胞代謝，能使各種細(xì)胞產(chǎn)生ROS。線粒體中的ROS是由各種酶產(chǎn)生，主要在電子運(yùn)輸鏈中[11]。在線粒體呼吸過程中，1%～2%的氧分子通過1～3個(gè)電子的還原轉(zhuǎn)化為ROS。ROS的外部來源包括環(huán)境中的促氧化劑、毒素、輻射及各種化合物，包括乙醇、煙草和某些藥物等[12]。

ROS的基本作用是具有代謝調(diào)節(jié)功能。ROS對(duì)機(jī)體具有兩重性，高水平的ROS促進(jìn)細(xì)胞凋亡，而低水平的ROS作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器，誘導(dǎo)細(xì)胞存活[13]。過量的ROS不僅會(huì)導(dǎo)致基因組突變，還會(huì)誘導(dǎo)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和多聚糖的不可逆氧化修飾，損害其功能，促進(jìn)疾病發(fā)生或細(xì)胞死亡。相反，低水平的局部ROS作為氧化還原信號(hào)分子，在參與維持細(xì)胞自動(dòng)調(diào)節(jié)的途徑及調(diào)節(jié)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子中發(fā)揮重要作用。因此，ROS可塑造多種細(xì)胞功能，包括增殖、分化、遷移和凋亡[3]。ROS具有廣泛殺滅微生物的作用，對(duì)革蘭陽性和陰性細(xì)菌、病毒和真菌均具有高度殺滅作用；但在不同的研究中，ROS的殺菌作用是不一致的。ROS水平提高，增強(qiáng)了對(duì)細(xì)菌的殺滅作用，可能是由于代謝和能量供應(yīng)增加所致，然而，當(dāng)它們達(dá)到飽和時(shí)，效果甚微[8]。近年，Sun等[14]提出一種新的模式，即ROS是在各種亞細(xì)胞器的代謝過程中感知體內(nèi)平衡和應(yīng)激預(yù)警的新型集成網(wǎng)絡(luò)。在ROS水平升高的基礎(chǔ)上，ROS參與多種代謝途徑，可將代謝應(yīng)激傳遞給炎性小體，或擴(kuò)展到其他應(yīng)激感知途徑，引起相應(yīng)的反應(yīng)，如增生、炎癥和細(xì)胞死亡。

2 ROS與癌癥

大量研究表明，ROS在癌癥的起始、進(jìn)展、血管生成及轉(zhuǎn)移等方面均是必不可少的[15]。目前發(fā)現(xiàn)異常調(diào)節(jié)的ROS，可能通過激活各種致癌信號(hào)通路、DNA突變、免疫逃逸、腫瘤微環(huán)境、轉(zhuǎn)移、血管生成和延長端粒促進(jìn)腫瘤形成[15]。在腫瘤細(xì)胞中，ROS的產(chǎn)生是由于代謝率增加、基因突變和相對(duì)缺氧的結(jié)果[16]。癌細(xì)胞在ROS和抗氧化劑之間維持著微妙的平衡。在癌前或腫瘤進(jìn)展的早期階段，中等水平的ROS可誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生、傳播、轉(zhuǎn)移和生存；隨著腫瘤的進(jìn)展，ROS水平超過了毒性閾值，導(dǎo)致細(xì)胞死亡、凋亡和衰老[12]。研究表明，ROS既可作為腫瘤的抑制劑，也可作為腫瘤的促進(jìn)劑[17]。根據(jù)其使用的信號(hào)通路類型，決定其抑制或促進(jìn)惡性進(jìn)展[18]。Nrf2作為一種抗氧化劑，在腫瘤發(fā)展中控制ROS的水平。Nrf2的抑制作用可隨著ROS水平的升高而減少腫瘤的發(fā)生[8]。Shen等[19]對(duì)22種腫瘤的ROS代謝進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)ROS代謝在不同腫瘤類型中發(fā)揮作用不同。據(jù)Malla等[20]報(bào)道，在乳腺腫瘤及其周圍微環(huán)境細(xì)胞中ROS增加。ROS是乳腺腫瘤微環(huán)境的關(guān)鍵因子，其保證了各種成分之間的雙向溝通，并在腫瘤進(jìn)展和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮多種作用。

細(xì)胞的自噬過程涉及細(xì)胞器和蛋白質(zhì)的降解，在與ROS水平升高相關(guān)的細(xì)胞過程中，起至關(guān)重要的作用。大量研究證明，ROS調(diào)節(jié)在自噬介導(dǎo)中有重要作用，ROS可能作為與自噬相關(guān)的生存信號(hào)靶點(diǎn)。近年，Aggarwal等[12]已轉(zhuǎn)向?qū)ふ襌OS衍生自噬在惡性腫瘤治療中應(yīng)用價(jià)值的研究。

miRNA是一種非編碼的小RNA，由18～25個(gè)核苷酸的功能性RNA分子組成，在基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究表明，miRNA與腫瘤生長、轉(zhuǎn)移和進(jìn)展顯著相關(guān)，其表達(dá)異常是腫瘤的重要標(biāo)志物。值得注意的是，一些被稱為ROS-miRs或redoximiRs的特定miRNA，受OS調(diào)控，并在對(duì)ROS的反應(yīng)中調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)；提示ROS可能是miRNA的上下游調(diào)控因子。ROS作為上游調(diào)控因子，分別通過轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后和表觀遺傳調(diào)控，調(diào)節(jié)miRNA的表達(dá)。另外，miRNA干擾ROS的產(chǎn)生(下游調(diào)節(jié))，并參與ROS介導(dǎo)的功能。miRNA和ROS可通過協(xié)同或?qū)?，調(diào)節(jié)腫瘤的進(jìn)展[13]。

腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞相比，其表現(xiàn)出更多的ROS來維持惡性表型[21]。在腫瘤治療中，有兩種策略通過調(diào)節(jié)ROS來預(yù)防或治療癌癥。(1)化學(xué)預(yù)防：通過抑制ROS產(chǎn)生途徑或使用抗氧化劑增強(qiáng)ROS的清除，阻止或減少細(xì)胞內(nèi)的ROS，從而保護(hù)正常細(xì)胞免于惡性轉(zhuǎn)化，抑制腫瘤發(fā)生的早期階段。(2)ROS介導(dǎo)的抗癌治療：刺激細(xì)胞內(nèi)的ROS，使之達(dá)到毒性閾值，激活ROS誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡途徑[21]。光動(dòng)力療法(photo dynamic therapy, PDT)是一種新興的治療腫瘤方法，因其療效高、選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在腫瘤治療領(lǐng)域具有巨大的潛力[22]。然而，由于腫瘤微環(huán)境在較大程度上限制了ROS對(duì)腫瘤的殺傷作用，使PDT的療效難以達(dá)到預(yù)期的效果。在過去的幾十年里，已經(jīng)研發(fā)出一系列措施，來增強(qiáng)ROS殺傷腫瘤細(xì)胞的能力，以促進(jìn)PDT的臨床轉(zhuǎn)化和應(yīng)用[22]。最近研究也揭示了ROS在腫瘤患者治療中的重要性，因?yàn)樗鼈兛梢哉T導(dǎo)細(xì)胞凋亡和自噬，從而獲得更好的治療效果[23]。Kennel等[24]認(rèn)為，多模式治療方法在癌癥患者的氧化還原操作中具有較好的療效，如同時(shí)或按順序使用氧化還原調(diào)節(jié)劑、常規(guī)化療及靶向治療。

3 ROS與炎癥

ROS參與了從細(xì)菌、植物、動(dòng)物及人類細(xì)胞中的大量代謝過程，其功能包括對(duì)細(xì)菌和寄生蟲的直接抗菌活性及免疫信號(hào)的氧化還原調(diào)節(jié)和誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)[10]。在應(yīng)激情況下，通過ROS產(chǎn)生的促炎分子會(huì)引起炎癥[3]。ROS是一種具有抗菌膜活性的新型抗菌藥物，對(duì)傷口、手術(shù)殘腔、潰瘍和燒傷、慢性鼻竇炎、慢性支氣管炎和支氣管擴(kuò)張、泌尿道感染等疾病均具有重要的治療作用。ROS可以以不同的形式傳遞到感染部位，對(duì)細(xì)菌、病毒和真菌發(fā)揮較強(qiáng)的殺滅作用。ROS還能防止和分解生物膜，使之適應(yīng)慢性炎癥的治療。目前，越來越多的證據(jù)表明，不平衡的ROS在炎癥過程中起關(guān)鍵作用，OS介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制與炎癥和組織損傷有關(guān)[3]。ROS的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和破壞特性可以驅(qū)動(dòng)炎癥反應(yīng)，以及由慢性炎癥引起的疾病[25]。與炎癥信號(hào)升高和代謝功能障礙相關(guān)的疾病，如動(dòng)脈粥樣硬化、糖尿病和中風(fēng)，均與氧化還原平衡的改變有關(guān)。慢性炎癥、ROS積累和癌癥進(jìn)展之間存在復(fù)雜的相互影響。因此，靶向ROS是一種非常有前途的調(diào)節(jié)腫瘤相關(guān)的慢性炎癥和腫瘤發(fā)展的標(biāo)志物[12]。

4 ROS與心血管疾病

ROS可調(diào)節(jié)多種心血管功能，如細(xì)胞增殖、遷移和死亡。OS與心肌梗死、缺血/再灌注或心力衰竭高度相關(guān)[26]。生理水平的ROS控制細(xì)胞的增殖和血管生成，而ROS水平進(jìn)一步升高超過生理值時(shí)，可通過凋亡或自噬機(jī)制觸發(fā)細(xì)胞程序性死亡，導(dǎo)致心律失常和心臟收縮功能障礙。心肌缺血是心力衰竭最常見的原因，缺血-再灌注損傷導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡，這與高水平的ROS密切相關(guān)。缺血時(shí)，ATP短缺會(huì)損害離子泵，導(dǎo)致鈣集聚；鈣超量和ROS增加，能引起細(xì)胞膜破裂，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。ROS引起的氧化損傷是心力衰竭的主要原因。ROS在能量供應(yīng)中的作用非常重要，其可以保護(hù)心臟免受功能不足的突然衰竭。心肌肥厚是一個(gè)補(bǔ)償過程，可使心臟保持足夠的功能，在該過程中增加的ROS，是對(duì)心臟功能不足引起的能量需求反應(yīng)[8]。

ROS通過其在代謝中的基本作用，調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和凋亡。OS可導(dǎo)致高血壓并促進(jìn)其病理過程。然而，大腦動(dòng)脈的松弛也需要ROS。缺血-再灌注能引起線粒體中ROS生成增加導(dǎo)致的氧化損傷，琥珀酸是缺血的代謝標(biāo)志物，負(fù)責(zé)ROS的生成。琥珀酸在再灌注過程中，由于富馬酸過剩和蘋果酸/天門冬氨酸的穿行作用而累積。然后，再被琥珀酸脫氫酶氧化。在這一過程中，琥珀酸通過線粒體的反向電子傳遞，增加了ROS的生成。抑制琥珀酸或調(diào)節(jié)ROS水平，可改善缺血-再灌注導(dǎo)致的氧化損傷。ROS可通過與脂質(zhì)過氧化和巨噬細(xì)胞相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的相互作用，調(diào)控動(dòng)脈粥樣硬化[8]。ROS增加促進(jìn)動(dòng)脈血栓形成，并影響其他心血管疾病?？傊琑OS是基本的能量需求和代謝旺盛所必需的物質(zhì)，在心血管疾病的防治中占有重要位置。

5 ROS與COVID-19

由SARS-CoV-2引起的COVID-19疫情自暴發(fā)以來，給人類健康造成重大危害。COVID-19患者的加速進(jìn)展與“細(xì)胞因子風(fēng)暴”的高炎癥有關(guān)，其造成嚴(yán)重的全身擾動(dòng)，表現(xiàn)為鐵失調(diào)及其相關(guān)的高鐵蛋白血癥。鐵失調(diào)誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生，并促進(jìn)OS。Salch等[27]強(qiáng)調(diào)兩種發(fā)病機(jī)制：(1)炎癥細(xì)胞因子風(fēng)暴、OS、微生物群失調(diào)、鐵超載和ROS積累的惡性循環(huán)，導(dǎo)致線粒體內(nèi)外功能障礙。(2)影響血小板線粒體及其“衍生物”的功能障礙，這些“衍生物”是炎癥環(huán)境進(jìn)展的關(guān)鍵介質(zhì)，可導(dǎo)致與炎癥信號(hào)通路相關(guān)的凝血功能障礙。Salch等[27]認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)線粒體功能障礙導(dǎo)致COVID-19感染，細(xì)胞外線粒體(特別是血小板線粒體)可影響血液凝固和血栓形成，其可能是COVID-19發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵介質(zhì)和戰(zhàn)略性治療靶點(diǎn)。

2021年，Habib等[28]報(bào)道鐵超載可能是COVID-19發(fā)病機(jī)制中的重要因素。病毒可能攻擊和破壞血紅蛋白，從而導(dǎo)致鐵從卟啉中釋放進(jìn)入循環(huán)中，造成鐵超載。由于鐵的失調(diào)和過載可導(dǎo)致全身游離鐵水平升高，過量的游離鐵在其生成ROS的過程中具有非常強(qiáng)的活性和潛在的毒性。此外，鐵催化的脂質(zhì)損傷對(duì)非凋亡細(xì)胞死亡的鐵死亡有直接致因作用。鐵死亡會(huì)進(jìn)一步加重炎癥反應(yīng)，并導(dǎo)致多器官衰竭、肺損傷和肺活量減少[28]。由于鐵超載會(huì)導(dǎo)致COVID-19，一種潛在的治療方法是應(yīng)用乳鐵蛋白減少鐵超載，該糖蛋白除了對(duì)免疫系統(tǒng)有影響外，還可通過調(diào)節(jié)細(xì)胞因子和ROS的產(chǎn)生減少炎癥，從而減少鐵超載[28]。另一種處理鐵超載的方法是使用鐵螯合劑，由于ROS產(chǎn)生增多，患者血液中過量的游離鐵會(huì)引起心臟鐵中毒，用脫鐵胺、脫鐵石和脫鐵易敏等螯合劑治療，在當(dāng)前COVID-19大流行期間，可能具有較高的治療價(jià)值[28]。

Heras等[29]發(fā)現(xiàn)，線粒體和維生素D在COVID-19的發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用，包括SARS-CoV-2在內(nèi)的病毒常會(huì)在不同水平上改變線粒體動(dòng)力學(xué)，以實(shí)現(xiàn)感染的進(jìn)展。其中，包括線粒體DNA損傷、線粒體膜電位變化、線粒體代謝途徑和鈣平衡的改變、細(xì)胞內(nèi)線粒體數(shù)量和分布的改變、身體抗氧化防御的損傷和ROS水平的增加等。另一方面，維生素D可作為一種有效的抗炎和抗氧化劑，能降低腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)的激活，從而減少ROS的生成，改善SARS-CoV-2感染者的預(yù)后。因此，Heras等[29]建議提高全人類維生素D的血漿水平，特別是那些受到SARS-CoV-2感染的患者。

6 總結(jié)與展望

綜上所述，許多重要的生命現(xiàn)象和疾病均與ROS有著直接或間接的關(guān)系。ROS主要來源于線粒體，通過使用線粒體靶向療法來改善線粒體功能，可能是增強(qiáng)非藥物治療的重要策略。ROS的高化學(xué)反應(yīng)性，使其成為大多數(shù)生物分子治療的有效武器。在分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究中，氧化劑涉及越來越多的變化和動(dòng)態(tài)過程，其中潛在的化學(xué)途徑往往是未知的。未來有望對(duì)這些高活性分子的機(jī)制及其氧化修飾的作用，進(jìn)行更深入的研究。

目前，人們普遍認(rèn)為ROS是具有不同來源和目標(biāo)的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的一部分，其不同的亞細(xì)胞區(qū)域表明存在多個(gè)不同的ROS熱點(diǎn)。隨著對(duì)ROS的認(rèn)識(shí)不斷擴(kuò)大，針對(duì)ROS新的治療方法，需要識(shí)別和抑制與特定疾病相關(guān)的有害ROS的主要來源，相信未來將會(huì)有更多針對(duì)特定ROS來源和明確機(jī)制的研究。