吡咯喹啉醌在心血管疾病中的研究進展

溫君茹，李延飛2a,，趙賢慧，戴振聲，金月玲2b，※

(1.上海中醫(yī)藥大學研究生院，上海 201203； 2.上海健康醫(yī)學院 a.醫(yī)學技術學院，b.科技處，上海 201318；3.復旦大學附屬浦東醫(yī)院腫瘤科，上海 201399)

心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)具有高患病率、高致殘率和高死亡率的特點。據(jù)統(tǒng)計，2014年我國約有2.9億人患有CVD，且每年死于CVD的人數(shù)占總死亡人數(shù)的2/5，為我國總死亡人數(shù)之首[1]。本質(zhì)上CVD是由代謝障礙引起的疾病，其發(fā)生是多種體內(nèi)外因素相互作用的結(jié)果，但發(fā)病機制尚未完全明確。目前，針對導致CVD的各個通路研發(fā)的防治藥物層出不窮，如針對腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)激活所研發(fā)出的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、血管緊張素受體拮抗劑、醛固酮受體拮抗劑、腦啡肽酶抑制劑等，但這些制劑在控制CVD效果方面仍不夠理想；他汀類藥物作為臨床治療CVD的主要藥物之一，不僅因為其價格昂貴導致患者迫于經(jīng)濟壓力而擅自停藥[2]，還由于不良反應較多，如肌肉綜合征、肝毒性等，促使廣大研究者不斷探索及研制更有效的防治CVD的新型藥物。氧化應激、線粒體功能障礙與CVD的發(fā)病密切相關，它們與其他病理生理互相影響，直接或間接地參與心力衰竭、高血壓、心肌損傷、心律失常、心肌肥厚等[3-6]疾病的發(fā)生、發(fā)展。雖然維生素C、維生素E、白藜蘆醇、綠原酸等[7-8]抗氧化劑均在細胞水平和動物實驗方面進行了預防或治療CVD的相關研究，但效果不盡人意。而新型的氧化還原輔酶吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone，PQQ)不僅具有強抗氧化損傷的性質(zhì)，還具有拮抗線粒體損傷的作用，這使其在CVD的防治中具有良好的應用前景。現(xiàn)就PQQ在CVD中的研究進展予以綜述。

1 CVD的相關發(fā)病機制

1.1氧化應激 氧化應激是指機體在遭受各種有害刺激時，體內(nèi)或細胞內(nèi)的氧化作用與抗氧化作用失衡，體內(nèi)或細胞內(nèi)傾向于氧化不斷生成高活性分子——活性自由基，導致大量氧化中間產(chǎn)物——活性氧類(reactive oxide species，ROS)在體內(nèi)或細胞內(nèi)蓄積而引起氧化損傷的過程。在心血管系統(tǒng)中，所有心血管內(nèi)皮細胞、心血管平滑肌細胞、心血管外膜成纖維細胞等的酶促反應均能產(chǎn)生ROS，主要包括超氧陰離子、過氧化氫、羥基、次氯酸等，這些物質(zhì)可介導多種生理功能，如通過線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等應激反應途徑促使細胞凋亡，通過多個位點調(diào)節(jié)細胞功能促進細胞增殖等[9]，還可參與心肌細胞的炎癥、肥大、增殖、凋亡、遷移、纖維化及血管生成等生理病理過程[3]。氧化應激反應過程中，大量ROS的聚集可降低一氧化氮在血管內(nèi)的活性，進而損傷血管內(nèi)皮導致內(nèi)皮功能障礙[4]；同時，持久激動β腎上腺素可促使血管收縮性增強[10]，還可激活補體系統(tǒng)，促進炎癥介質(zhì)產(chǎn)生，導致炎癥反應增多等[7]，這在CVD的發(fā)生、發(fā)展中扮演重要角色。

1.2線粒體功能障礙 線粒體占整個心肌細胞體積的30%～40%，是心肌細胞完成供能作用的主要細胞器，也是心肌缺血缺氧時損傷的主要細胞器[11]。線粒體不僅是“細胞能量加工廠”，還是心肌中ROS的主要來源。這是因為線粒體在進行能量代謝過程中會不可避免地產(chǎn)生氧自由基及其衍生副產(chǎn)物，而這些副產(chǎn)物會對血管內(nèi)皮有一定損傷，可加速機體衰老，甚至誘發(fā)動脈粥樣硬化、心律失常、心力衰竭等CVD[4]。谷胱甘肽、谷胱甘肽過氧化物酶等是線粒體內(nèi)的主要抗氧化酶，它們能夠消除線粒體產(chǎn)生的ROS，還能消除線粒體在進行代謝時產(chǎn)生的對生物體的損傷[12]。當心肌細胞線粒體內(nèi)的抗氧化酶的抗氧化作用減弱或線粒體內(nèi)的ROS聚集增多時，可引起細胞內(nèi)的氧化應激反應，進而抑制線粒體內(nèi)呼吸酶的活性，導致心肌細胞產(chǎn)生更多的ROS，進一步加重線粒體的損傷，導致相關蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核糖核酸合成及修飾方面的障礙，并影響能量供給、代謝等功能，如此惡性循環(huán)，最終造成心肌細胞收縮功能受損，甚者細胞凋亡或壞死[6]。可見， 氧化應激與線粒體功能障礙互為因果關系，兩者共同導致心肌細胞受損，誘發(fā)CVD。

2 PQQ的主要作用

2.1抗氧化作用 20世紀60年代，科研人員逐漸發(fā)現(xiàn)和認識PQQ這種物質(zhì)。1967年，Anthony和Zatman[13]發(fā)現(xiàn)了一種新型的葡萄糖脫氫酶輔酶；隨后，有學者利用光譜技術、X線晶體、磁共振成像等在甲基營養(yǎng)菌中分離出該輔酶，確定其為含有兩個N原子的鄰位醌類化合物，且他們采用磁共振成像、質(zhì)譜、X線晶體等技術確定其分子式為C14H6N2O8，結(jié)構(gòu)式為4，5-二氫-4，5-二氧-1氫-吡咯并(2，3-f)喹啉-2，7，9-三羧酸，并正式命名為PQQ[14-16]。PQQ是目前發(fā)現(xiàn)的第3種氧化還原酶的輔酶，在此之前發(fā)現(xiàn)的為煙酰胺核苷酸、黃素核苷酸，相較于這兩種輔酶，PQQ具有水溶性強和熱穩(wěn)定性高的特點，且廣泛存在于植物、動物及人體組織內(nèi)。Smidt等[17]研究證實，動物和人體腸道菌群不能自行合成PQQ或合成量尚無法完全滿足機體需求，因此動物和人體內(nèi)的PQQ主要通過飲食途徑外源性獲得。目前，日本已經(jīng)將其歸入維生素行列，若得到世界衛(wèi)生組織的認定，其將成為第14種維生素。

截至目前，PQQ經(jīng)證實的生理功能主要包括抗氧化[18]、保護神經(jīng)[19]、防治肝損傷[20]、促進生長因子[21]、刺激免疫[22]等。Urakami等[23]通過電子自旋共振光譜法分析證實了PQQ具有清除自由基的能力，且能力極強，其清除自由基的能力較抗壞血酸高50～100倍。Tao等[24]證實，PQQ具有穩(wěn)定的化學結(jié)構(gòu)和較高的氧化還原電勢。Rajpurohit等[25]發(fā)現(xiàn)，PQQ既能與不同的酶共價結(jié)合，又能與蛋白質(zhì)相互作用，不僅具有很強的自由基清除能力，還有較強的調(diào)動機體其他自由基清除機制的能力。在生理功能方面，Ohwada等[26]證實PQQ能夠防治高氧應激引起的嚙齒動物認知能力的下降。邱秀芹等[27]的研究表明，PQQ不僅對γ射線照射后的人胃腺癌AGS細胞株有抗氧化作用，還能增強正常細胞抗氧化酶的合成。Huang等[18]利用TBI C57BL/6J小鼠證實，一定劑量的PQQ可顯著抑制氧化應激，參與DNA損傷修復以保護受輻射毒害的腮腺組織。21世紀，科學家們不斷深入探索PQQ的潛在作用。有學者在探索PQQ于氧化應激反應發(fā)生過程中所起的作用時發(fā)現(xiàn)，PQQ的化學性質(zhì)相對穩(wěn)定，這種特性使得其能參與20 000次氧化還原循環(huán)，可通過提高抗氧化酶活性或直接作為電子傳遞體參與呼吸鏈以減少氧自由基生成和機體因氧化而造成的損傷，其他具有生物活性的醌類在氧化還原反應過程中則不同，它們更傾向于發(fā)生自身氧化或多聚反應以達到抗氧化作用的目的[28]。與菲醌(3 600次)、槲皮素(800次)、表兒茶素(700次)、腎上腺素(100次)、多巴胺(20次)和維生素C(4次)等相比，PQQ的自由基清除能力極強，是迄今發(fā)現(xiàn)的催化氧化還原反應能力最強的生物活性分子[29]。此外，PQQ還可透過血腦屏障清除腦組織內(nèi)的自由基，從而起到保護神經(jīng)元、改善記憶的作用，且其抗氧化作用亦可體現(xiàn)在保護心臟、抗衰老、刺激免疫及抗癌等方面[30-31]。Xu等[32]采用免疫組織化學法證實，PQQ可作用于心肌組織，并可減少肌紅蛋白中的高價鐵，從而減輕心肌再氧合損傷。Zhu等[31]研究證實，PQQ可降低缺血再灌注模型中心肌組織內(nèi)升高的丙二醛水平，是一種高效的心肌保護劑。

2.2對線粒體功能的影響 研究表明，PQQ作為一種獨特的生理活性物質(zhì)能在線粒體功能受損時，激活線粒體合成通路，增加相關轉(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)的表達，促進其快速再生，維持細胞內(nèi)線粒體動態(tài)平衡，進而起到刺激微生物、人體細胞生長和植物發(fā)育的作用[21，33-34]。與線粒體復合物Ⅰ抑制劑二苯基碘在體內(nèi)所起的作用不同，PQQ不僅能在體外激活線粒體復合物Ⅰ，調(diào)節(jié)小鼠體內(nèi)線粒體的數(shù)量和功能，還可直接與線粒體內(nèi)的ROS反應，以維持ROS的動態(tài)平衡，減少氧化應激引起的線粒體內(nèi)脂質(zhì)過氧化和呼吸鏈的失活[31,34-35]。Xu等[36]利用H9C2小鼠的心肌細胞制作糖氧剝奪模型進行研究發(fā)現(xiàn)，PQQ可通過參與線粒體中的磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路減少糖氧剝奪處理后心肌細胞凋亡的數(shù)目。這些研究表明，PQQ的抗氧化作用在心肌細胞上有相應的作用靶點，其具有潛在、高效的心肌保護功能。

3 PQQ在CVD中的作用

CVD通常是指由高脂血癥、高血壓、血液黏稠、動脈粥樣硬化、心肌缺血再灌注損傷、心力衰竭等導致的心臟、大腦及全身組織發(fā)生的缺血性或出血性疾病(圖1)。其相關疾病范疇較大，現(xiàn)主要從高血壓、動脈粥樣硬化、心肌缺血再灌注損傷、心律不齊、心力衰竭5個方面探討PQQ在CVD發(fā)生中的作用。

CVD：心血管疾病

3.1高血壓 高血壓是目前最常見的CVD之一。雖然多年來科學家在高血壓的病理生理及病因方面進行了廣泛研究，但原發(fā)性高血壓的發(fā)病機制仍尚未完全闡明。有研究表明，原發(fā)性高血壓、腎血管性高血壓、惡性高血壓、鹽敏感性高血壓、環(huán)孢素誘導的高血壓以及先兆子癇等患者機體內(nèi)的氧化應激標志物水平存在不同程度的升高，內(nèi)源性抗氧化物質(zhì)水平明顯低于正常者，且程度與舒張壓呈負相關[8，35，37]。Singh等[34]的研究證實，PQQ可通過減少29%的脂質(zhì)過氧化、提高43%的谷胱甘肽水平、增加52%超氧化物歧化酶的活性來預防魚藤酮誘導的大鼠體內(nèi)的氧化應激和線粒體損傷。此外，左心室肥厚是高血壓最常見的靶器官損傷之一，也是CVD的獨立危險因素。Nehra等[38]利用納米技術將姜黃素與PQQ制成納米制劑，研究兩者在高血壓引起的左心室肥厚中的作用發(fā)現(xiàn)，PQQ可在心肌細胞中減緩線粒體應激反應以預防肥大誘導的病理損傷；同時該研究結(jié)果還表明，氧化應激在心臟肥大的致病性中起重要作用，而PQQ可改善缺氧環(huán)境下的細胞活性，干預缺氧誘導下心肌細胞的肥大及核因子κB-p65活化所引起的病理損傷。這提示，PQQ可通過清除機體內(nèi)的氧化應激標志物，提高體內(nèi)抗氧化物質(zhì)以預防高血壓，還可通過線粒體途徑預防高血壓引起的心肌肥厚。

3.2動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是CVD的病理基礎，處于心血管事件鏈的進展期，其導致的心房顫動、腦卒中等嚴重危害人類健康。目前，其初始病理機制尚存在爭議。脂質(zhì)浸潤學說表明，動脈內(nèi)皮下以低密度脂蛋白為主的脂質(zhì)顆粒蓄積會導致動脈粥樣硬化的發(fā)生[39]。此外，線粒體功能障礙時會導致進行性呼吸鏈酶活性降低，從而產(chǎn)生過多的ROS及線粒體修飾的氧化型低密度脂蛋白，此過程還會使線粒體DNA損傷及突變不斷累積，進而加速動脈粥樣硬化[40]。而PQQ可激活線粒體合成通路，促進線粒體生成，改善線粒體功能，修復線粒體相關損傷造成的危害，減緩動脈粥樣硬化[34]。在動脈粥樣硬化的早期，內(nèi)皮細胞產(chǎn)生的還原型輔酶Ⅱ氧化酶參與低密度脂蛋白的氧化，而隨著病變的發(fā)展，內(nèi)膜下的巨噬細胞及平滑肌細胞產(chǎn)生的脂質(zhì)加氧酶、髓過氧化物酶等也參與脂質(zhì)顆粒的氧化。在這一過程中，低密度脂蛋白的氧化修飾可導致脂質(zhì)過氧化的發(fā)生，脂質(zhì)過氧化過程中產(chǎn)生的過量ROS會參與鏈式反應，而生物膜上的許多不飽和脂肪酸一旦遭受ROS的進攻便以連鎖反應方式反饋，造成大量脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)生，對機體造成極大的損害[41]。進行化學修飾后的內(nèi)皮下低密度脂蛋白與血液中正常運行的低密度脂蛋白存在差異，巨噬細胞可根據(jù)差異將沉積的過多的以低密度脂蛋白為主的脂質(zhì)顆粒識別并吞噬。但巨噬細胞的吞噬能力有限，所以當體內(nèi)過量的低密度脂蛋白及ROS無法實現(xiàn)自體清理時，抗氧化劑PQQ的優(yōu)勢就凸顯出來。PQQ在體外試驗中能不斷與ROS發(fā)生中和反應，產(chǎn)生非反應性分子產(chǎn)物，從而保護質(zhì)粒DNA和蛋白免受氧化應激損傷[19]。雖然還沒有直接證據(jù)表明PQQ在動脈粥樣硬化的脂質(zhì)過氧化過程中有重要作用，但其具備的ROS清除能力可能參與動脈粥樣硬化發(fā)展中的脂質(zhì)過氧化過程，以減少ROS對機體造成的損害。

3.3心肌缺血再灌注損傷 目前心肌缺血再灌注損傷的發(fā)生機制尚未完全闡明。目前認為，線粒體能量代謝障礙所引起的線粒體ATP生成減少或產(chǎn)生過量的ROS引起氧化應激、Ca2+超載及線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔持續(xù)性開放是心肌缺血再灌注損傷的重要發(fā)病學環(huán)節(jié)，在這個環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的過量ROS是心肌缺血再灌注損傷發(fā)病的主導因素[42-43]。而抑制炎癥反應和氧化應激可以減輕心肌缺血再灌注損傷并改善心臟功能[44]。研究表明，與野生型小鼠相比，p66Shc小鼠的氧化應激和心肌損傷在心臟缺血再灌注后明顯減輕[45]。這些結(jié)果表明，保護線粒體功能，抑制ROS過量產(chǎn)生能有效預防心肌缺血再灌注損傷的發(fā)生。PQQ作為一種獨特的生理活性物質(zhì)能有效清除機體內(nèi)的ROS，以達到預防心肌缺血再灌注損傷發(fā)病的目的。同時，PQQ在大鼠腦卒中模型中的治療也證明了其能提高缺血性和非缺血性心肌的線粒體呼吸比率，且與藥物美托洛爾相比，PQQ在保護線粒體及缺血再灌注造成的氧化損傷方面更有效[6]。

3.4心律失常 心律失常是CVD的嚴重病癥之一，不僅可加速心力衰竭，嚴重者還可導致患者突然死亡。心律失常的發(fā)病機制有多種，目前尚存在爭議。Saint[46]的實驗表明，缺氧、缺血可增加大鼠心室肌細胞中的持續(xù)性鈉電流，即大量Na+內(nèi)流，細胞內(nèi)Na+超載，鈉鈣交換增多，引起細胞內(nèi)鈣超載，觸發(fā)心律失常。因此，有效預防細胞缺氧現(xiàn)象可減少細胞內(nèi)Ca2+超載現(xiàn)象，進而避免觸發(fā)心律失常。此外，高水平的ROS可調(diào)節(jié)多種信號通路，以及激活相應的轉(zhuǎn)錄因子(核因子κB、核因子E2相關因子2和促分裂原活化的蛋白激酶)，導致炎癥、凋亡或壞死，從而參與心室重構(gòu)環(huán)節(jié)。臨床研究和動物模型研究證實，心房顫動存在ROS生成過多[47]，而早前已有研究證實心房電重構(gòu)可促進心房顫動的發(fā)生和持續(xù)，且給予ROS抑制劑可以阻止心房的電重構(gòu)，如抗壞血酸可通過減少ROS聚集減緩心房顫動的發(fā)生、發(fā)展[48]。目前，雖然還未有研究證實PQQ在Na+通道及Ca2+通道中的直接作用，但其作為強效的ROS清除劑在氧化應激中的作用顯著，且PQQ的抗氧化作用顯著優(yōu)于抗壞血酸，故PQQ可能通過減少心肌細胞內(nèi)氧化應激作用所導致的低氧狀態(tài)下的Ca2+超載現(xiàn)象發(fā)揮防治心房顫動的功效。

3.5心力衰竭 心力衰竭屬于各種CVD的終末階段，目前對于心力衰竭發(fā)病機制的研究已有一定進展。心肌細胞是全身耗能最多的器官，線粒體則是細胞能量代謝的主要細胞器，超過90%的ATP來源于線粒體。研究表明，心力衰竭時氧化應激顯著增強，ROS產(chǎn)量增加并不斷蓄積，最后導致線粒體DNA結(jié)構(gòu)和功能受損[6]。此外，ROS可激活其在心肌細胞中的一個重要靶點——基質(zhì)金屬蛋白酶，而早期抑制基質(zhì)金屬蛋白酶的活性可顯著改善心肌梗死動物模型中左心室擴張的癥狀[49]。張春麗等[50]研究發(fā)現(xiàn)，低劑量的PQQ可使基質(zhì)金屬蛋白酶1、基質(zhì)金屬蛋白酶3的基因表達明顯減少，即PQQ不僅能夠發(fā)揮線粒體保護功能預防心力衰竭的發(fā)生，還能早期抑制基質(zhì)金屬蛋白酶活性以改善機體的左心室擴張。Zhang等[51]研究發(fā)現(xiàn)，PQQ可降低谷氨酸暴露的原代星形膠質(zhì)細胞中乳酸脫氫酶的水平，提示PQQ對心肌細胞乳酸脫氫酶也有控制作用。

氧化應激、線粒體功能障礙在CVD的發(fā)病中扮演重要角色，PQQ的抗氧化應激作用及保護線粒體功能在CVD的防治中具有獨特優(yōu)勢。Min等[52]研究證實，PQQ可顯著降低細胞內(nèi)的ROS水平，從而減少細胞內(nèi)的ATP釋放并降低線粒體膜電位。而早在2006年Zhu等[6]的研究也證實，PQQ在保護缺血再灌注線粒體的氧化損傷方面優(yōu)于CVD常用藥物美托洛爾。此外，有實驗表明PQQ的抗氧化作用機制與磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路有關，可減少糖氧剝奪誘導所致的心肌細胞凋亡[36]。但由于目前對PQQ防治CVD的作用還處于基礎研究階段，所以對于PQQ作為心肌保護劑的作用靶點及作用機制尚未完全明確。

4 小 結(jié)

CVD嚴重影響了人類生活，其發(fā)生發(fā)展與氧化應激與線粒體功能障礙關系密切相關。而PQQ在CVD防治中的應用前景廣泛。雖然早在20世紀90年代PQQ就被證實是具有心肌保護作用的強效抗氧化劑，但其心肌保護功能的具體作用機制及效果至今仍不明確。未來，應深入研究PQQ在CVD中的具體作用機制，并協(xié)同中醫(yī)學在CVD方面的用藥經(jīng)驗開發(fā)出新的可運用于治療CVD的藥物。