線粒體活性氧類及其對心血管系統影響的研究進展

宋仁生(綜述)，李 濤，吳柱國(審校)

(廣東醫學院a.第二臨床醫學院，b.廣東省醫學分子診斷重點實驗室，廣東東莞523808)

活性氧類是氧化系統產生的含有活性氧功能基團的化合物，包括含氧自由基、氧的非自由基衍生物、氫過氧化物等。機體內產生的過多的活性氧類在多種疾病的發生、發展中起重要作用，如慢性阻塞性肺疾病、糖尿病以及動脈粥樣硬化、心肌梗死、心力衰竭等。心臟作為哺乳動物體內從不休息的器官，其主要功能性成分心肌細胞更是能量的主要消耗者，細胞內線粒體的含量較高。作為心臟的主要能量發生器——線粒體占心肌細胞體積的30%［1］。線粒體在為心臟合成能量的同時，不可避免地產生了過多的活性氧類。現就線粒體氧化應激損傷及活性氧類與某些心血管疾病的關系做一綜述。

1 活性氧類與線粒體損傷

1.1 活性氧類在線粒體中的生成及堆積 線粒體是細胞內產生活性氧類的主要場所。細胞內氧化系統與抗氧化系統失衡，大量自由基不斷聚積就會導致線粒體的氧化應激。氧化應激不僅抑制線粒體呼吸酶的活性、減慢呼吸鏈的電子傳遞、增加活性氧類產生，還可以上調解偶聯蛋白(uncoupling proteins，UCPs)的表達［2］。UCPs 是位于線粒體內膜的一類具有離子通道作用的蛋白質，其能消除線粒體內膜兩側的跨膜質子濃度差，從而降低線粒體的膜電位，導致氧化磷酸化解偶聯，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。在由H2O2或阿霉素刺激培養的心肌細胞內觀察到UCP2的過表達可增加氧耗，并減少活性氧類的產生［3］。實驗證明，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生更多的活性氧類［4-6］。這些結果表明，UCP2和UCP3的主要作用可能是調控活性氧類的產生。

活性氧類本身也可以誘導線粒體產生更多的活性氧類，這一現象稱之為活性氧類誘導的活性氧類釋放［7］，如鈣調蛋白依賴性蛋白激酶可促進還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NADPH)氧化酶調節產生更多的活性氧類，并能誘導線粒體通透性轉換孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)開放，增加細胞內Ca2+水平，從而導致線粒體功能障礙，進而產生更多的活性氧類。堆積在心肌細胞的活性氧類也可通過線粒體通透性轉換觸發線粒體膜電位去極化，從而誘發一瞬間的線粒體活性氧類的大量生成［8］。

1.2 活性氧類可改變細胞線粒體膜的通透性 線粒體膜通透性轉變是指線粒體內膜由于mPTP的開放，其通透性突然增加。mPTP是線粒體膜上由多個蛋白所形成的非選擇性復合孔道，容許相對分子質量＜1500的溶質分子(如H+、Ca2+、谷胱甘肽及細胞色素C)通過。細胞色素C主要存在于線粒體中，是催化細胞內活性氧類產生的主要酶類。心臟在某些病理狀態下如心肌缺血/再灌注時，產生大量的活性氧類，誘導mPTP不可逆性開放［9］。mPTP的不可逆性開放可使線粒體內膜外的H+大量返流回基質，線粒體內膜全面去極化，導致線粒體膜電位崩潰，氧化磷酸化完全解偶聯，心肌細胞ATP合成停止。此外，mPTP的不可逆開放還可以導致線粒體內膜通透性增加，還原型谷胱甘肽外流耗竭，超氧陰離子大量生成，基質滲透壓升高，線粒體腫脹明顯，最終導致線粒體外膜破裂，釋放內外膜間隙中的細胞色素C和凋亡誘導因子等，介導一系列與細胞骨架、細胞膜及細胞核有關的蛋白質切割水解。mPTP的不可逆開放又能誘導心肌細胞釋放更多的活性氧類，進而形成惡性循環，導致線粒體功能進一步障礙。

1.3 活性氧類可影響線粒體對Ca2+的攝取和排出 線粒體對心肌細胞內Ca2+穩態的調節發揮關鍵作用。線粒體氧化磷酸化與Ca2+調節密切相關，呼吸鏈電子傳遞形成的線粒體膜電位有利于線粒體對Ca2+的攝取;線粒體內的 Ca2+能上調氧化磷酸化中脫氫酶的活性而促進ATP合成。因此活性氧類可通過影響呼吸鏈復合物的活性、線粒體膜電位以及誘導mPTP開放等導致線粒體內Ca2+紊亂，進而引起心肌細胞線粒體功能障礙。

2 線粒體活性氧類在心血管系統中的作用

2.1 線粒體活性氧類與心律失常 據估計，1/3線粒體產生的ATP被心肌膜、內質網離子通道及轉運蛋白所利用，這是心肌細胞電活動所必需的能量保證［10］。線粒體功能障礙會減少心肌細胞離子通道和轉運體的能量供應，從而導致心律紊亂［11-12］。最新研究表明，過多的線粒體活性氧類可通過半胱氨酸轉錄后的氧化還原修飾(如蛋白質谷胱甘肽化)或酪氨酸殘基的硝化，直接影響各種離子通道和轉運體，減弱心肌興奮性［13］。過多的線粒體活性氧類也可通過相關聯的信號分子如活性氧類敏感激酶(鈣調蛋白依賴性蛋白激酶和蛋白激酶C)或氧化還原敏感轉錄因子如核因子κB，間接調節離子通道或轉運體的功能［14-16］。Yang等［17］發現，線粒體功能障礙可以降低心肌細胞鈉離子流的峰值，并下調縫隙連接蛋白43的表達，從而導致心電異常傳導，增加折返性心律失常的可能。另外，細胞內過量的活性氧類可增加晚鈉電流，并降低鉀離子的電流復極，延長動作電位的持續時間、后去極化早期時間，增加了心肌細胞的電異質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，導致sarcKATP通道開放，進而形成了一個傳播去極化波的灌電流，增加了傳導阻滯和心律失常的可能［18］。

2.2 線粒體活性氧類與動脈粥樣硬化 內皮細胞中活性氧類的增高促進了動脈粥樣硬化的發生、發展［19］。氧化型低密度脂蛋白(oxidatived low-density lipoprotein，ox-LDL)在動脈粥樣硬化的發生、發展中起重要作用。線粒體產生的活性氧類及其修飾的ox-LDL涉及動脈粥樣硬化的各個病理過程。ox-LDL通過抑制線粒體呼吸酶的活性，導致線粒體呼吸鏈電子傳遞減慢，活性氧類生成增多，進而形成惡性循環，促進內皮損傷及動脈粥樣硬化形成［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，也抑制LDL附于血管壁上。apoE-/--鼠是一種缺乏apoE的動物模型，其血漿中低密度脂蛋白膽固醇和三酰甘油水平顯著增加，易出現動脈粥樣硬化。研究發現，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，線粒體氧化應激反應增強，動脈粥樣硬化病變加重［21］。此外，來自apoE-/--SOD2+/-小鼠的研究提示，線粒體活性氧類的增加不僅促進了動脈粥樣硬化斑塊的形成，而且還提高了機體對動脈粥樣硬化危險因子的易患性［22］。

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

2.4 線粒體活性氧類與心肌缺血/再灌注損傷 心肌缺血/再灌注損傷是心肌組織在較長時間缺血后血液復灌，出現比再灌注前更明顯、更嚴重的損傷和功能障礙，包括收縮功能降低、冠狀動脈血流下降及血管反應性改變等。線粒體ATP生成減少的同時也產生了過量的活性氧類，其引起的氧化應激是其致病機制之一［26］。在心肌缺血/再灌注損傷中，呼吸鏈復合體Ⅰ和Ⅲ外泄的電子流可以產生大量的活性氧類，這是活性氧類的主要來源［27］。產生的活性氧類可通過損害內皮依賴性血管舒張機制、干擾興奮收縮偶聯、誘發心律失常及損害線粒體膜通透性等形式促進缺血/再灌注損傷的發生、發展［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類似物亦能抑制活性氧類依賴性損傷和凋亡。以上研究表明，抗氧化應激是防治心肌缺血/再灌損傷的重要手段。

2.5 線粒體活性氧類與心力衰竭 心力衰竭是指因心臟結構或功能異常而導致的心室充盈或射血能力受損的一組復雜臨床綜合征，是心肌梗死、高血壓、心肌病等多種心血管疾病發展的終末階段，主要發病機制為心肌病理性重構。在心力衰竭動物模型中發現，隨著心臟壓力負荷的增加，線粒體ATP合成減少，心肌細胞內活性氧類生成增加［29］。心肌線粒體的能量代謝障礙促進了心力衰竭的發展，而線粒體的活性氧類不僅可以激活凋亡信號激酶，刺激心肌細胞增殖、基質重塑，還可以通過影響纖維細胞的增殖以及膠原合成，激活基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)［30］。MMPs 幾乎能降解細胞外基質中所有的蛋白成分，持續的MMPs活化可為細胞間反應提供一種異常的細胞外環境，影響心肌的結構特性，從而導致左心室重塑以及細胞功能障礙的發生、發展。在MMP-2基因敲除的小鼠上，Hayashidani等［31］證實了小鼠心肌梗死后的生存率較野生小鼠顯著升高，這主要是因為抑制了MMPs的活化，從而延緩了心臟破裂以及隨后的左心室重構。最后Lemieux等［32］證實，活性氧類還可以通過氧化修飾心肌肌原纖維蛋白，導致心臟收縮功能進行性降低以及心臟不可逆損傷。

3 小結

線粒體氧化應激在動脈粥樣硬化、心肌缺血/再灌注損傷、心力衰竭等多種心血管系統疾病的發生、發展中發揮重要作用，但其具體機制尚不完全明確。對活性氧類的產生及生物學功能進行深入研究，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生，保護線粒體功能，從而減輕氧化應激對心血管的損傷，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生的自由基，從而祛除或減輕氧自由基對人體的損害。

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