從氧化應激探討吸煙與血管老化

雷 燕,王 銘

吸煙現已明確其是心血管疾病的獨立危險因素之一。而血管老化既是一種血管的增齡變化,也是一種疾病狀態下的血管病理改變,它的發生可以極大地促進動脈粥樣硬化及相關疾病的發生和進展。目前,無論是對吸煙危害的研究,還是對血管老化機制的探討,氧化應激都是其中的重要研究方向。因此,本文就從氧化應激的角度,對吸煙與血管老化的內在聯系及相互作用機制作一探討。氧化應激通常是指生物體出現的持久異常氧化還原狀態,由于氧化能力的異常提高,從而導致細胞成分的過氧化修飾[1]。自由基和其他活性物質的大量產生,隨之造成的細胞氧化還原平衡的紊亂,就會嚴重干擾其穩態的維持,促使病理改變的發生。

正常條件下,人體具備對氧化應激的耐受性,能夠控制具有潛在損傷作用的氧化應激因子。最充分的支持證據就是[2],人體中具有非常發達的內源性抗氧化防御系統,它能夠拮抗多種活性物質和促氧化劑的作用。比如,對于超氧化物和過氧化氫這兩種典型的氧化物,人體就具有完整的防御性保護成分。但是,對于某些活性物質如一氧化氮的代謝產物、過亞硝酸鹽等,人體的防御能力還不強。值得注意的是,人體的這種耐受性和防御能力會受到諸多因素的影響,比如吸煙就是重要的破壞因素之一。當這些破壞因素作用于人體時,自由基或活性物質的產生、清除發生障礙,氧化還原平衡會向氧化增強狀態轉變,由此導致氧化應激的產生。

1 吸煙與氧化應激

研究發現[3],吸煙除了人所共知的尼古丁的危害之外,在吸煙的氣相和焦油中還存在著大量對人體有害的自由基,它們可以直接或間接地攻擊細胞膜成分,產生氧化應激反應,并且導致各種疾病的發生。

首先,吸煙的過程實際上是一個不完全燃燒的過程,會產生蒸餾和一系列的氧化還原反應。在這一系列復雜的氧化還原過程中,很容易發生電子在眾多煙草燃燒產物之間的轉換,在焦油和氣相中形成多種穩定的和不穩定的產物和自由基。通過電子自旋共振波譜分析發現[4],焦油中主要包括有幾種特別穩定的自由基,它們主要是醌類自由基(Q/QH)、多環芳烴自由基、石墨碳和磷自由基。其中前兩者所占的比重較大,并且是兩類可以直接導致氧化應激的重要物質。而產生于氣相中的自由基,則多是瞬時不穩定的自由基,它們主要是烷氧基(RO-)和烷基(R-)自由基等,同樣具有促使氧化應激反應發生的能力。

其次,吸煙所產生自由基的毒性,以及導致氧化應激反應的方式有直接和間接兩種。所謂直接毒性,就是指吸煙過程中產生的某些自由基可以直接損傷細胞成分,形成病理改變。所謂間接毒性,就是指吸煙所產生的焦油相和氣相物質可以引起多形核白細胞的聚集和活化,產生和釋放大量活性氧自由基,從而導致氧化應激損傷。除了上述常見的自由基之外,吸煙產生的氣相物質還會引起細胞膜脂質的過氧化,從而產生脂類自由基。隨著吸煙時間的延長,脂類自由基和脂質過氧化水平在不斷地增加,其所引起的細胞膜損傷也日益嚴重。更值得注意的是,由自旋捕集劑(PMN)產生的活性氧自由基,既可以單獨引起細胞成分的損傷,又可以與吸煙產生的自由基產生聯合作用,共同對細胞產生毒害作用。細胞膜研究還表明[5],吸煙產生的自由基不僅可以使細胞膜的流動性發生改變,而且還可以使膜蛋白及酶的構象發生變化,由此必然影響細胞內外物質的交換,造成細胞功能的障礙。

再次,研究已經充分證明,吸煙通過其產生的氧化應激反應,能夠導致諸多病理改變及相關疾病的產生和進展。比如,吸煙產生的多種自由基可以聯合作用,通過引起血脂紊亂、血管內皮功能障礙等病理改變,從而導致血管結構和功能的異常,心血管事件的發生率也隨之上升[6,7]。張曉胡等[8]研究發現,吸煙通過其產生的氧化應激反應,能夠引起內皮素合成酶釋放增多,血管舒縮功能出現障礙,以及血管平滑肌細胞增殖活躍等;同時,低密度脂蛋白(LDL)的氧化易患性也增加,氧化型低密度脂蛋白(ox-LDL)水平隨之升高,從而促進了動脈硬化的產生。更進一步的研究結果還有,Raij等[9]認為,吸煙時所產生的氧自由基,特別是超氧陰離子可以降低血管內皮釋放NO的生物活性,并且可以抑制內皮細胞合成及表達一氧化氮合酶(eNOs)的功能。Cavusoglu等[10]的一項研究提示吸煙促發的氧化應激反應可使血管細胞黏附分子-1(VCAM-1)的血漿濃度急劇上升,引起內皮炎癥反應和內皮功能障礙,從而加速動脈硬化,引發冠心病。Winkelmann等[11]研究發現吸煙合并冠心病者,體內負荷后胰島素水平及代表氧化應激和內皮功能受損的生化標志物明顯高于無吸煙的冠心病患者,提示吸煙可導致氧化應激的發生、內皮功能的受損和胰島素的抵抗,從而增加冠心病的嚴重程度。

2 血管老化與氧化應激

血管是由內膜、中層和外膜所組成,構成內膜和中層的主要細胞是血管內皮細胞(EC)和平滑肌細胞(VSMC),它們是防御各種應激因子的第一道防線,并在氧化應激的作用下產生適應性修飾。如果血管內皮細胞和平滑肌細胞因氧化應激發生損傷,則不可避免地引起血管老化。

首先,在血管老化的過程中,其最明顯的改變就是順應性的減小和血管壁的增厚。這種改變不僅僅是出現在老年人群中,在年輕人群的病變血管中也會出現類似的結構改變。老化血管為了適應血流產生的剪切力和伸展力,往往需要從根本上改變血管的內皮層,使其增厚,以及使內膜細胞的外基質成分發生改變;同時,血管平滑肌細胞也出現增殖,并隨之產生細胞間質以及細胞外基質蛋白合成的增多[12]。老化血管通常表現為膠原蛋白的成倍增加和彈性蛋白含量的基本不變,由于彈性蛋白相對含量的降低,血管于是出現硬化。

其次,多種活性的自由基物質能夠通過氧化應激作用促進血管老化的病理改變。在這些物質中,活性氧(ROS)和活性氮(RNS)所產生的生化過程及其調節最具有代表性。ROS如過氧化物和H2O2能引起血管內膜和中層的增厚,并使血管壁產生炎癥反應,因此被視為血管疾病的“危險因子”。并且ROS在生長因子介導的病理改變中也扮演著重要的信號分子的角色。最新研究發現[13],ROS能夠通過NF-κ B依賴性途徑誘導血管內皮生長因子(VEGF)的表達,特別是其中VEGFR2的表達。生理情況下,VEGF有助于血管內皮的修復,而在病理狀態下,由過量ROS產生的過量VEGF就促進了內膜的增厚,導致了血管的老化。RNS對血管系統的作用具有雙重效應,一方面能夠發揮自由基的氧化應激作用,而另一方面,還能夠通過環磷鳥苷酸(cGM P)系統調節各種具有保護性和有益的生理活動。RNS對血管內皮細胞的損害作用與VEGF密切相關。VEGF由VSM C釋放,是EC的促有絲分裂因子。Van-der-Zee等[14]發現在內皮細胞中VEGF可促進NO的合成。然而,研究發現通過RNS誘導的對核轉錄因子活化蛋白-1(AP-1)與DNA結合的抑制,能夠下調VEGF的表達和減少NO的合成,從而使血管的修復增殖功能受到抑制,舒縮功能也出現礙[15]。并且還發現在缺氧狀態下,RNS所導致的VEGF基因表達的下調會更加嚴重,由此形成了相關病理改變的惡性循環。同時,RNS還能夠激活對氧化還原敏感的轉錄因子如 NF-κ B和AP-1,從而上調幾種主要的促炎癥蛋白,其中包括有白介素(IL)-1、IL-6、IL-8和腫瘤壞死因子(TNF-α)等,由此可導致血管炎癥反應的產生和加劇,進一步促進血管老化的發展。而RNS對血管的有益作用主要表現在,NO不僅具有抗動脈粥樣硬化的特性,還能夠抑制血小板的聚集、VSMC和EC的增殖以及白細胞的黏附等[16]。

再次,在氧化應激的作用下,蛋白質和脂質會產生非酶修飾,即糖基化過程,經過復雜而不可逆的分子反應后就合成了糖基化終末產物(AGEs)。AGEs是異質性復合物,積聚在EC內或血管壁上,從而加速血管的老化[17]。具體的機制主要是,AGEs能夠明顯地加快EC氧化態的形成,并且可以通過與特異性受體(RAGE)結合以發揮第二信使的功能。AGEs與RAGE的結合既可以促使EC和VSMC的異常增殖,以及血管內膜和中層的增厚、硬化;還可以活化核轉錄因子 NF-κ B和誘導VCAM-1和單核細胞趨化因子-1(M CP-1)的表達[18],從而增加血管的炎癥反應。因此,現在普遍認為AGE/RAGE的相互作用可能是氧化應激和血管老化進展中的潛在機制。

最后,細胞內出現的氧化應激反應,以及由此所產生的對于相關基因表達的選擇性誘導,是血管老化的主要分子機制之一。不同的自由基物質可以直接或間接的方式刺激或“致敏”血管細胞,使其產生活性氧,進而調控基因的表達。同時,自由基的生化研究還揭示[19],許多的自由基及其代謝產物能夠經常性地行使細胞內信號轉導調節子的作用,這就為研究氧化應激導致血管老化的機制提供了新的路徑。

3 小 結

吸煙能夠產生大量的自由基物質,從而促使人體發生氧化應激反應;而氧化應激又能夠通過多條途徑促使血管老化的發生和進展。由此,在眾多研究都關注于吸煙與動脈粥樣硬化的今天,通過氧化應激這座橋梁,將吸煙導致血管老化的機制,作進一步的澄清,將有助于深化我們對于吸煙造成血管損害的認識。再考慮到血管老化與動脈粥樣硬化之間的密切聯系,有理由相信,以氧化應激為紐帶的對于吸煙與血管老化的研究,必將為吸煙與動脈粥樣硬化的研究注入新的內容。目前十分清楚的是,血管系統具有體內全部最利于促發氧化應激反應的成分和條件,而吸煙可以大大地優化和重組這些成分和條件。吸煙所促發的氧化應激,主要通過EC和VSMC的變性增殖、血管的增厚硬化以及促進血管炎癥反應等途徑促使了血管的老化。因此,吸煙異化了氧化應激的發生,而氧化應激又成為了血管老化的基礎。

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