線粒體氧化應激與心肌重構研究進展

賈春澍,范志民,陳曉亮,任立群*

(1.吉林大學藥學院實驗藥理與毒理學教研室,吉林長春130021;2.吉林大學白求恩第一醫院乳腺外科;3.吉林大學中日聯誼醫院泌尿外科)

心力衰竭是工業化國家致死的首要原因[1]。這也是一個日益嚴重的公共衛生問題,主要是由于人口老齡化和老人心力衰竭患病率升高。大量的基礎、臨床和人口科學研究促進了心力衰竭的現代治療,但左心室(left ventricular,LV)衰竭發生和發展最根本的機制仍未完全闡明。活性氧簇(Reactive oxygen species,R OS)如超氧負離子(·O2-)和羥自由基(-OH)可導致膜磷脂、蛋白和DNA氧化[2],并與一系列病理狀態有關,如缺血再灌注損傷[3],神經變形性疾病[4]及衰老[5]。在生理狀態下,活性氧簇的毒性效應可以被超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSHPx)、過氧化氫酶及其他非酶抗氧化劑清除。但是,當ROS的產生超過抗氧化劑的防御能力時,氧化應激即對生物組織產生功能和結構上的破壞效應。ROS隨即導致心肌收縮力下降及結構損傷。氧化應激在心肌衰竭發展過程中的LV重構的病理生理機制中所起的作用日益受到重視。現有的證據表明,ROS的突出作用是作為一個信號分子對激素、生長和凝血因子、細胞因子和氧分壓改變的作用做出反應[6]。在低氧狀態下,高水平的線粒體ROS能夠誘導低氧誘導因子(hypoxiainducible factor,HIF-1α)的激活。HIFs是細胞對低氧適應性反應的主要因子。線粒體ROS與低氧狀態下HIF-1α的表達密切相關,多種蛋白激酶參與ROS與HIF-1α表達之間的信號轉導[7],其具體機制仍待闡明。另外,也有研究認為抗氧化劑加重心力衰竭[8]。

1 心力衰竭過程中的線粒體氧化應激

目前的實驗及臨床證明ROS的產生促進心力衰竭[9-12]。脂質過氧化物水平和 8-iso-前列腺素 F2α(8-isoprostaglandin F2a,8-iso-PGF2a)是ROS產生的主要生物學標志物。心力衰竭患者的血清和心包液中這兩項指標明顯升高并與其嚴重程度相關[9,12]。Belch等[9]報道丙二醛水平與LV射血分數呈現明顯負相關(r=-0.35)。Mallat等[12]應用NYHA分類和超聲心動圖評價心肌衰竭的嚴重度,證明其與心包液中8-iso-PGF2a含量相關:有癥狀的心力衰竭患者(NYHA II和III)心包液中8-iso-PGF2a含量明顯高于無癥狀(NYHA I)心力衰竭患者,并與病情嚴重程度相關(P=0.000 3)。另外,心包液中8-iso-PGF2a與LV舒張末期及收縮末期直徑呈正相關(P=0.008,P=0.026,respectively)[12]。心臟中R OS的細胞來源包括心肌細胞,上皮細胞和中性粒細胞。心肌細胞ROS產生的亞細胞定位包括線粒體電子傳遞,NAD(P)H氧化酶,和黃嘌呤脫氫酶/黃嘌呤氧化酶。心臟是攝氧率最高的器官,基礎代謝狀態下每分鐘每克體重消耗約0.1 ml O2[13]。為滿足氧化代謝ATP合成的需要,整個機體中心肌細胞具最高的線粒體體積密度。線粒體通過單電子經呼吸鏈傳遞至氧分子產生ROS。在生理狀態下,線粒體呼吸鏈傳遞過程產生微量ROS,肌細胞的內源性清除機制隨即發揮清除作用。

應用電子自旋共振(electron spin resonance,ESR)光譜學,5,5’二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物(DMPO)作為捕捉物,在正常的亞線粒體結構抑制電子傳遞鏈的復合體I和復合體 Ш導致大量·O2-的產生[14]。在NADH作用下,衰竭心臟的線粒體較正常心臟產生更多的·O2-,說明線粒體電子傳遞鏈是·O2-的主要來源。進一步來說,線粒體功能衰竭伴隨著復合酶活力的降低。因此,線粒體是衰竭心臟ROS的主要來源,同時也證明線粒體衰竭和氧化應激[15]的病理生理關聯。

2 線粒體DNA損傷,功能衰竭和氧化應激

線粒體具其單獨的基因組,即mtDNA,一個閉合環狀雙鏈DNA分子,約16.5 KB。mtDNA有兩個啟動子,輕鏈(LSP)和重鏈啟動子(HSP)。線粒體功能受mtDNA的調控,同時mtDNA轉錄和/或復制因子也對其產生影響[16]。這就提出了mtDNA損傷和線粒體基因轉錄或復制的異常與心力衰竭相關的可能。實際上,很多證據表明心力衰竭與mtDNA在質和量上的缺陷相關[17-20]。線粒體功能和mtDNA拷貝數的下降在心肌缺血后心力衰竭的發展中發揮著重要作用[17,21]。

ROS能夠在其形成或靠近形成部位損傷線粒體大分子。因此,除了產生 R OS,線粒體本身也能被ROS損傷,mtDNA是主要的靶點。原因如下,首先,線粒體基因組無組蛋白參與組裝,即缺少了對抗ROS損傷的一道屏障。第二,mtDNA的DNA修復能力有限。第三,線粒體內形成大量的·O2-,并且不能通過線粒體膜,因此,ROS損傷大部分局限在線粒體內。實際上,mtDNA聚集了大量DNA氧化產物,8-羥基,明顯高于核DNA[22]。與核編碼基因不同,線粒體編碼基因表達調控主要依賴于mtDNA的拷貝數[23]。因此,線粒體損傷主要表現在mtDNA的損傷,即線粒體RNA(mtRNA)轉錄子,蛋白合成和線粒體功能的下降[24,25]。衰竭心臟中線粒體結構損傷和功能衰竭與ROS升高水平有關,主要表現為線粒體脂質過氧化物水平升高,mtDNA拷貝數下降,mtRNA轉錄子數目下降,及低復合酶活力導致的氧化能力下降[21]。更重要的是,衰竭心臟的Ⅰ,Ⅲ,和Ⅳ復合酶活力下降,而單純由核DNA編碼的復合酶Ⅱ和檸檬酸合成酶活力無下降表現。慢性的ROS產生增高與線粒體損傷和功能衰竭有關,即形成線粒體功能下降的惡性循環,大量的ROS產生引起細胞損傷。mtDNA損傷通過上述機制參與心肌重構和心力衰竭的發生和發展。

3 線粒體氧化應激在心肌重構中的作用

氧化應激對心肌細胞結構和功能有直接的作用,能夠直接激活心肌重構和心力衰竭的信號分子。ROS導致心肌細胞的表型變化,即離體的心肌細胞肥大和凋亡[26]。

ROS另一個作用靶點是金屬基質蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)。MMPs在正常組織重構中發揮重要的作用,如細胞遷移,侵襲,增殖和凋亡。并參與多種發育過程,如血管分枝形態建成,血管發生,創傷愈合及細胞外基質降解。MMPs表達于大量細胞和組織中并廣泛的降解細胞外基質蛋白[27]。ROS有激活心肌成纖維細胞MMP的作用[28]。衰竭心肌細胞MMP活力增高[26,29]。MMP抑制劑具有限制心肌缺血大鼠模型早期LV擴張的作用[30]。心肌缺血模型中,MMP-2基因敲除明顯抑制了早期心臟破裂和LV衰竭的發展,生存率明顯提高[31]。由于 ROS能激活MMP[32],隨即提出了ROS的過多產生過度激活MMPs導致LV重構的學說。持續的MMP激活可能通過提供一個異常的細胞外環境影響心肌的結構特點。·OH清除劑二甲叉三脲能夠抑制心肌重構和心力衰竭相關的MMP-2激活[33]。這些證據均表明心肌缺血后的過度氧化應激是心肌MMP激活的刺激物,并在心力衰竭發展過程中發揮重要作用。

4 氧化應激與骨骼肌功能失調的作用

運動能力受限是心衰患者的主要癥狀[34],而不依賴于心力衰竭程度[35]。心衰患者運動能力受限與過度的氧化應激有關[36]。心肌缺血導致的心肌衰竭大鼠骨骼肌ROS含量明顯升高,主要是線粒體產生的·O2-[37]。目前,Kinugawa等[38]闡述了·O2-與運動能力受限的關系,·O2-含量升高運動能力下降,同時與全身氧耗升高有關。解偶聯蛋白(Uncoupling proteins,UCPs)是線粒體內膜質子運載體,能夠降低質子線粒體內膜電化學梯度。電化學梯度的降低導致ATP生物合成的降低。衰竭心肌線粒體表達UCPs明顯上調[39]。另外,Echtay等[40]的研究表明線粒體內ROS激活UCPs。這些結果表明ROS能通過上調UCPs表達引起能效改變,這可能在心力衰竭發展過程中骨骼肌的功能失調發揮作用。

5 結語

為改善心力衰竭患者的預后,我們需要基于心肌重構和心力衰竭病理生理過程的深入探尋發展一種新型的治療方法。線粒體氧化應激和mtDNA損傷的調節方法的研究可能有助于建立有效治療心力衰竭策略。氧化應激不僅涉及心力衰竭,而且與各種心血管疾病包括動脈粥樣硬化,高血壓及衰老過程相關。因此,以調節這種不當的適應性的反應作為治療策略可能得到廣泛的應用。

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