NADPH氧化酶介導的氧化應激與心血管疾病內皮祖細胞功能障礙

NADPH氧化酶介導的氧化應激與心血管疾病內皮祖細胞功能障礙

內皮祖細胞; NADPH氧化酶; 氧化應激; 內皮祖細胞功能障礙

內皮祖細胞(EPCs)是成熟血管內皮細胞的前體細胞,屬于干細胞群體,不僅存在于骨髓,也存在于外周血。EPCs具有游走、增殖并能分化為成熟血管內皮細胞能力,在維持內皮完整與內皮再生以及新生血管形成方面具有重要作用[1-2]。EPCs不僅參與生理性血管新生,也參與各種病理狀態下(如心肌缺血、高血壓、高血脂和高血糖等)的傷口愈合和組織再生。然而在這些疾病情況下,EPCs功能往往受損,導致機體維持內皮完整和血管穩態的能力下降[3]。EPCs的鑒定是基于其細胞表面標志物和分化為相應細胞所具有的特定功能。EPCs通常被認為可以分化為三種細胞群,分別是能形成血管的成熟內皮細胞,骨髓多功能成年干細胞和骨髓單核細胞。

EPCs功能障礙與許多心血管疾病的發生發展密切相關,如高血壓、冠心病和中風等。然而引起EPCs功能障礙的機制目前尚未闡明。最近有文獻報道,NOX介導的氧化應激在多種心血管疾病EPCs功能障礙中起重要作用,而抑制NOX可以改善EPCs的功能[4]。

1 NOX介導的氧化應激和EPCs功能障礙

氧化應激是指機體內活性氧(ROS)生成過多或/和抗氧化能力降低,導致ROS在機體內大量蓄積而引起氧化損傷的過程。ROS對機體的利弊取決于其含量、作用時間、來源以及產生的部位。適當的ROS對維持機體正常的生理功能必不可少,然而過量ROS則會對細胞組織產生損害作用。低水平ROS(如O2-和H2O2)對正常細胞的生長、遷移、分化、衰老和凋亡起到重要作用。過量的ROS則可通過多種機制改變細胞的正常功能,如直接攻擊細胞膜和細胞內各種大分子物質(如核酸、蛋白質),導致細胞壞死或激活氧化還原信號途徑促進細胞凋亡、衰老、增殖、遷移等,參與多種疾病(如動脈粥樣硬化、心衰、糖尿病等)的病理過程[5-6]。

現已證明,氧化應激可導致EPCs功能障礙。在多種病理狀況下,氧化應激水平上升不僅使EPCs數量減少,也造成EPCs功能障礙。在體外,高濃度H2O2能誘導EPCs的凋亡,減少EPCs數量;在大鼠心肌缺血模型中,ROS上升的水平與EPCs數量降低密切相關;在臨床研究中,ROS水平增加伴隨著外周血EPCs數量減少和功能下降,如EPCs動員能力、遷移能力和形成血管內皮能力下降[7-8]。

促氧化酶體系是機體ROS的重要來源,包括NADPH氧化酶、黃嘌呤氧化酶、細胞色素酶P450、一氧化氮合酶等,其中NOX來源的ROS最引人注目。NOX是心血管系統O2-的主要來源(NADPH+2O2NADPH++H++O2-)[9-10]。NOX家族包括7個成員,被命名為NOX1-NOX5、DUOX-1 和 DUOX-2。 其中 NOX1、NOX2、NOX4主要表達在心血管系統,NOX3在內耳高表達。DUOX-1、DUOX-2主要表達在甲狀腺內皮細胞,而NOX5則不存在于嚙齒動物中。NOX復合體由胞質亞單位(NOX1、 NOX2 和 NOX4)、 p22phox、 p47phox、p67phox和小GTP酶Rac1組成。正常條件下,NOX可維持生理水平的O2-和H2O2。病理狀況下,NOX能被迅速激活產生大量ROS,介導氧化應激。

已有文獻報道NOX介導的氧化應激是促進EPCs功能障礙的重要因素。我們實驗室發現,在Ang II誘導EPCs衰老的細胞模型中,降鈣素基因相關肽(CGRP)可以通過下調NOX2的表達和ROS的生成抑制EPCs衰老[11];在同型半胱氨酸誘導的EPCs凋亡模型中,阿托伐他汀可以通過p38MAPK途徑抑制NOX4表達和ROS生成而促進EPCs功能恢復;與年輕小鼠相比,老年小鼠EPCs的功能(如遷移、分化等)明顯下降,這一現象在NOX2基因敲除的老年鼠中得到明顯改善[12]。這些報道均支持NOX來源的ROS在促進EPCs功能障礙中發揮重要作用。

2 NOX介導的氧化應激與高血壓EPCs功能障礙

內皮功能障礙與高血壓形成密切相關。高血壓內皮功能不全涉及多種機制,EPCs功能障礙和數量減少被認為是其中重要機制之一。在自發性高血壓大鼠和原發性高血壓患者中,我們實驗室發現外周血中衰老EPCs數量明顯增加,促進了內皮功能不全和高血壓的形成[13]。最近,Suzuki R等人報道,與正常對照比較,原發性高血壓患者外周血EPCs數量明顯減少,其數量減少量與高血壓嚴重程度密切相關。通過降壓治療不僅能控制血壓還可以恢復EPCs功能。這些研究說明有功能障礙的EPCs可能促進高血壓的發生發展,也可能促進了原發性高血壓患者中心血管并發癥的發生[14]。

大量研究表明氧化應激參與了高血壓的形成。例如,自發性高血壓大鼠ROS生成增加,過表達超氧化物歧化酶SOD可以降低血壓。作為心血管系統中ROS主要來源,NOX在高血壓發生發展中起重要作用。在高血壓動物模型中,NOX表達上調,給予NOX抑制劑apocynin可以降低血壓,減少血管重構。如前所述,功能障礙的EPCs能促進高血壓內皮功能紊亂,其中NOX介導的氧化應激發揮了重要作用。脫氧皮質酮誘導的高血壓大鼠模型中,EPCs數量減少且功能減弱,伴隨 NOX活性提高和 NOX亞基 gp91(phox)、p22(phox)和Rac1表達增加,而抑制NOX能明顯增加EPCs數量和改善EPCs功能[15];在腦卒中易感的自發性高血壓大鼠中,EPCs中gp91(phox)、p22(phox)和 p47(phox)的mRNA表達增加,同時伴有EPCs數量減少,集落形成減少,這些現象可被Ang II受體抑制劑氯沙坦逆轉[16]。

NOX可以通過多種機制損傷EPCs。血壓升高時通常伴隨NOX活性增加,NOX源性的ROS可以誘導EPCs壞死或凋亡。NOX抑制劑能降低Bax/Bcl-2比例,降低EPCs凋亡率。NOX源性的ROS在加速EPCs衰老時也發揮重要作用。在自發性高血壓大鼠或原發性高血壓患者中外周血EPCs衰老率增加,抑制NOX能增加端粒酶活性,降低衰老相關蛋白P53水平[15]。

3 NOX介導的氧化應激與高脂血癥中EPCs(或內皮細胞)功能障礙

ROS參與高脂血癥血管內皮損傷和內皮功能紊亂。高脂血癥患者中血漿ROS水平顯著增加,其中NOX是血管ROS的主要來源;在高脂血癥大鼠模型中,血管收縮和舒張功能下降,伴隨NOX表達上調和ROS水平上升;在高膽固醇誘導的小鼠動脈粥樣硬化模型中,Kinkade等人發現動脈粥樣斑塊中ROS主要來源于NOX。給予NOX抑制劑apocynin后在降低主動脈血管中超氧化物水平的同時也能減少動脈粥樣斑塊數量和面積[17]。

事實上,NOX介導的氧化應激不僅引起了內皮細胞損傷,還可損害EPCs。高脂血癥小鼠模型中,NOX表達上調,ROS生成增加,EPCs功能受損。在Nox2-/-小鼠中,高脂血癥誘導ROS生成減少,EPCs和內皮功能得到改善;給予伊伐布雷丁治療高脂血癥小鼠,發現小鼠主動脈壁中NOX活性、超氧化物和脂過氧化物都明顯減少,伴隨內皮細胞和EPCs功能明顯改善。與伊伐布雷丁比較,給予苯肼噠嗪治療雖能明顯降低小鼠血壓,但并未明顯降低NOX活性,也未明顯改善內皮細胞和EPCs功能[18-19]。這些結果均支持NOX在高脂血癥血管內皮功能紊亂的發生中起重要作用。

4 NOX介導的氧化應激與缺血性相關疾病EPCs功能障礙

氧化應激是心肌缺血或腦卒中引起心肌細胞或神經細胞死亡的重要機制之一。最近研究發現,缺血30分鐘/再灌24小時后,與野生型比較,NOX1或NOX2基因敲除小鼠心肌梗死面積顯著減少,而NOX4基因敲除小鼠心肌梗死面積未明顯變化,提示由NOX1和NOX2產生的ROS在心肌缺血損傷起到重要作用[20]。然而在腦缺血/再灌動物模型中,NOX2和NOX4來源的ROS在腦缺血損傷中發揮主要作用。一旦發生缺血,促血管生成和血管再生都是在缺血環境下保護心肌細胞或神經細胞的重要機制[21-22]。在血管生成過程中,EPCs能通過產生各種促血管形成因子和生長因子而促進前體內皮細胞增殖和遷移。缺血時,外周血和骨髓中EPCs能被動員并歸巢到缺血組織,從而參與缺血組織血管形成[23]。

NOX來源的ROS對EPCs來說是一把雙刃劍。低水平ROS能作為信號分子促進細胞增殖、遷移、分化和維持血管完整。然而過多ROS與血管內皮功能紊亂,EPCs功能障礙和血管形成受損密切相關。在后肢缺血的小鼠模型中,NOX2表達和ROS生成在缺血組織明顯增加。NOX2基因敲除小鼠血流恢復更快,缺血肌肉中毛細血管生成更多,EPCs功能改善更明顯,提示在缺血時NOX2介導的氧化應激促進了EPCs功能障礙形成[24]。然而,在相同的模型中,NOX2基因敲除小鼠ROS生成減少,同時外周血中EPCs數量也減少,提示NOX2來源的ROS對維持和動員EPCs參與缺血組織血管再生起到重要作用[6]。對于這兩種看似矛盾的現象,我們推測可能與ROS水平高低有關。在前面提到的后肢缺血小鼠模型中,小鼠缺血前后都經過香煙煙霧處理,而后者沒有。因此,前者處于應激狀態,即使NOX2敲除,仍能維持高水平的ROS,而后者在NOX2敲除后,ROS的基礎水平下降,影響了EPCs的動員。

到目前為止,已有少數文獻報道腦缺血時NOX介導的氧化應激對EPCs功能的影響。在大鼠腦缺血損傷模型中,過表達血管緊張素轉換酶II能明顯降低NOX2和NOX4的表達,減少ROS產生同時伴有EPCs遷移功能改善,血管形成增加,這提示NOX介導的氧化應激加劇了腦缺血時EPCs功能損傷[25]。給予Ang II受體阻斷劑坎沙坦和氯沙坦后能促進大鼠腦缺血模型EPCs功能恢復。自發性高血壓腦卒中易感大鼠,在抑制NOX活性后,減少ROS生成后也能改善EPCs的功能[16-26]。

5 結 語

EPCs在生理和病理條件下對維持內皮完整和血管穩態(血管形成)起到重要作用。功能異常的EPCs與各種心血管疾病發生發展密切相關。到目前為止,NOX介導的氧化應激促EPCs功能障礙的作用及其與心血管疾病的關系已達成共識(見圖1),NOX抑制劑也顯示具有改善EPCs功能的作用。然而,仍有許多問題有待解決。例如,為何不同NOX亞型對EPCs功能影響不同?在生理和病理條件下,NOX基因表達是如何被調節的?解決這些問題,將為尋找改善內皮細胞功能和阻止心血管疾病發生發展的藥物提供理論依據。

圖1 NADPH氧化酶與心血管疾病內皮祖細胞功能障礙

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專家簡介: 彭軍,男,留美博士后,博士生導師,中南大學“升華學者計劃“特聘教授。中南大學藥理學系副主任,兼任《中國動脈硬化雜志》、美國Austin J Pharmacol&Thera等雜志編委、國際動脈硬化學會中國分會理事、湖南省藥學會理事等職。主要從事心腦血管疾病發生機制及藥物防治研究。已發表SCI論文70余篇;主持和參與“973“計劃、國家自然科學基金、美國心臟學會博士后基金等項目;獲得全國優秀博士學位論文獎、湖南省青年科技獎、中華醫學科技獎等獎勵。

R969

A

10.15972/j.cnki.43-1509/r.2015.02.001

彭軍教授

2014-12-21;

2015-2-2

國家自然科學基金項目(No.81370250)和湖南省自然科學基金重點項目(No.13JJ2008).

*通訊作者,E-mail:junpeng@csu.edu.cn.

(此文編輯:秦旭平)