炎癥性腸病中活性氧及抗氧化的研究進展

陳麗霏 張世倡 肖林 呂凱結 黎志晴

[摘要]炎癥性腸病（IBDs）包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎，是最常見的腸道失調疾病。IBDs的致病機理中活性氧（ROS）起關鍵作用。ROS包括超氧陰離子自由基（O2-）、羥基自由基（-OH）、過氧化氫（H2O2）、單態氧（1O2）和其他過氧化物，ROS通過氧化DNA、蛋白質、脂質和其他細胞結構來調控細胞的調亡。為了保護生物系統免受過量ROS的損害，細胞抗氧化系統被激活進而調節ROS的生成。由于對IBDs患者體內ROS與抗氧化系統的研究十分缺乏，特別是兒童患者，因此需要對IBDs中ROS和抗氧化機理進行匯總研究。本綜述通過對IBDs的發生、發展機制加深了解，以期為臨床治療手段、靶向載體及靶向藥物的研究提供思路。

[關鍵詞]炎癥性腸病;克羅恩病;潰瘍性結腸炎;活性氧;抗氧化

[中圖分類號] R574? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1674-4721（2020）3（c）-0024-04

Research progress of reactive oxygen species and anti-oxidation in inflammatory bowel diseases

CHEN Li-fei? ?ZHANG Shi-chang? ? XIAO Lin? ?LYU Kai-jie? ?LI Zhi-qing

Department of Pharmacy， Xingtan Hospital Affiliated to Shunde Hospital of Southern Medical University， Guangdong Province， Foshan? ?528300， China

[Abstract] Inflammatory bowel diseases （IBDs） which include Crohn′s disease and ulcerative colitis are the most common intestinal dysfunction. Reactive oxygen species （ROS） plays a key role in pathogenesis of IBDs. ROS which includes superoxide radicals （O2-）， hydroxyl radicals （-OH）， hydrogen peroxide （H2O2）， singlet oxygen （1O2） and other peroxide is responsible for cell apoptosis via oxidation of DNA， proteins， lipids， and any other cellular constituent. To protect biological systems form overdose of ROS， the anti-oxidation system of cells is activated to regulate the production of ROS. Due to the lack of research on ROS and anti-oxidation system in patients with IBDs， especially in pediatric patients， it is necessity for comprehensive study of ROS and anti-oxidation mechanisms in IBDs. This review deepens the understanding of the occurrence and development mechanisms of IBDs， with a view to providing ideas for clinical treatments， targeted vector and targeted drugs.

[Key words] Inflammatory bowel diseases; Crohn′s disease; Ulcerative colitis; Reactive oxygen species; Anti-oxidation

炎癥性腸病（inflammatory bowel diseases，IBDs）是一種具有慢性、特發性和復雜性特征的炎性腸道疾病，包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎。前者是一種慢性肉芽腫性炎癥，病變部位主要以末段回腸及鄰近結腸為主;后者又稱非特異性潰瘍性結腸炎，病變部位僅限于大腸黏膜與黏膜下層。IBDs患者的臨床表現為長期腹痛、腹瀉、胃腸道出血和吸收不良，確切的病因還不是十分明確[1]。IBDs的發生及發展過程可能受到遺傳因素、環境因素、飲食因素和微生物之間相互作用的影響，從而導致免疫系統缺陷和黏膜屏障改變[2]。IBDs的治療以分級、分期、分段治療為原則，以支持治療、對癥治療、心理治療及營養治療為常規治療手段。其中，主要的治療手段為對癥治療，對癥治療對早期病患有一定療效，但是對晚期病患療效不顯著，只能延緩疾病的發展進程和減輕患者的痛苦[3]。研究表明，隨著疾病的發生發展，在腸道的慢性炎癥反應和反復免疫反應過程中，腸道細胞內的活性氧（reactive oxygen species，ROS）濃度增加[4]。ROS通過氧化DNA、蛋白質、脂質和其他細胞結構來調控細胞的調亡。為了保護生物系統免受過量ROS的損害，細胞的抗氧化系統被激活進而調節ROS的生成。降低患處的ROS濃度或許能夠作為預防和治療IBDs的方法，從而阻止疾病的發生和發展。為此，本文對IBDs中ROS和抗氧化系統產生機制作一綜述，希望通過增加科研工作者對IBDs發生發展過程中ROS及抗氧化機制的認識，從而研究出臨床治療手段和特異性載體或藥物靶向阻斷該疾病的發生發展。

1 ROS

ROS包括超氧陰離子自由基（O2-）、羥基自由基（-OH）、過氧化氫（H2O2）和單態氧（1O2）是生物系統新陳代謝的副產物[5]。低水平的ROS對某些生理學過程是必需的，包括蛋白質的磷酸化、轉錄因子的活化、細胞分化、細胞凋亡、細胞免疫和作為第二信使調節心臟與血管細胞的運作。而過多的ROS對細胞組成元件如DNA、蛋白質和脂質存在有害作用[6]。研究表明，ROS在人類疾病如癌癥、高脂血癥、糖尿病、代謝紊亂、動脈粥樣硬化、心血管疾病（高血壓、缺血性心臟病、慢性心力衰竭）和神經退行性病變的致病機理中都有一定的作用[7]。

現階段科學研究表明，ROS參與到至少60種疾病當中[8]。在類風濕性關節炎中，-OH能夠降解蛋白多糖;H2O2能夠干擾三磷酸腺苷的合成而抑制軟骨蛋白多糖的合成;過氧硝酸鹽和次氯酸可以促進軟骨損傷，并能與抗壞血酸鹽反應，而抗壞血酸濃度降低是有害的，抗壞血酸的存在對軟骨的正常功能發揮起到至關重要的作用[9]。在致癌作用中，高活性的-OH能氧化傷害DNA;過氧硝酸鹽既能夠氧化也能硝化DNA的堿基，這種反應所引起的大多數突變都是參與到鳥嘌呤的修飾中，導致鳥嘌呤變成胸腺嘧啶。如果是在一些關鍵基因如致癌基因或腫瘤抑制基因發生氧化反應，這在一定程度上能促進癌癥的發生或發展[10]。在糖尿病中，O2-由于葡萄糖氧化、蛋白的非酶途徑糖基化和糖化蛋白的氧化降解而被過多的生成。持續的高糖血癥能導致錳-超氧化物歧化酶（Mn-SOD）和谷胱甘肽（GSH）氧化還原循環的自由基清除能力降低。過多的ROS自由基能夠加快周圍神經和血管的老化，降低胰島的分泌功能，還能破壞腎臟細胞而降低血糖的清除，進一步加重高糖血癥[11]。ROS在神經組織中作為興奮性氨基酸和神經傳導物質也經常參與到許多神經退行性病變的病變過程中。帕金森病是以黑質中α-突觸核蛋白突變為特征，α-突觸核蛋白的突變能夠調節負責ROS產生多巴胺的活性。多巴胺是一個很好的金屬螯合劑和電子供體，對Cu2+和Fe3+有很好的親和力，與金屬離子的結合能夠減少由金屬離子引起生成H2O2的Fenton′s反應。多巴胺活性的降低增加了H2O2的生成，H2O2氧化破壞神經元細胞，加重帕金森病的病程[12]。同樣，在胃腸疾病的發病機理中，也受ROS的影響。研究表明，患有肝臟疾病如酒精性肝病和肝硬化的患者體內ROS的濃度增加[13]。結腸癌、急慢性胰腺炎的發病機理中有ROS的參與[14]。ROS也被發現在后天獲得性巨大結腸癥的發病機理中起重要作用[15]。嬰幼兒的壞死性結腸炎的發病機理同樣有ROS參與[16]。

2 IBDs中ROS與抗氧化

IBDs是最常見的腸道疾病[17]，包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎，是由于長期未能得到及時控制的腸道黏膜炎癥引起的，病變部位可發生在腸道中的任何位置。克羅恩病可以在腸道的任何部位發病，其中最常見發病部位是在回腸末端和肛門周圍的區域。相比之下，潰瘍性結腸炎的炎癥病變部位僅發生在黏膜和黏膜下層，以直腸為中心以擴散的形式發展，常常累及周圍區域。IBDs確切的病因還不明確，而環境因素、疾病易感基因和涉及ROS的免疫異常調節都有可能是IBDs的發病機理[18-19]。

存在于腸道黏膜固有層巨噬細胞上的黃嘌呤氧化酶、胺氧化酶、醛氧化酶和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸鹽（NADPH）氧化酶都能產生ROS[20]。-OH可作為毒性介質，但不是腸道內唯一的強氧化介質。研究表明，被激活的巨噬細胞除了能夠產生促炎細胞因子外，還能通過容易被促炎細胞因子誘導的活性氮（iNOS）產生一氧化氮（NO），調節抗氧化和過氧化反應。激活鳥苷酸環化酶生成環磷酸鳥苷（cGMP），其能在細胞介導和調節許多生理功能和應激反應的過程中，激活cGMP依賴因子和調節細胞內鈣的濃度，維持機體的正常運作[21]。

在腸道的慢性炎癥和反復免疫反應過程中，氧化反應開始占主導優勢，ROS可破壞腸道的平滑肌、神經和細胞的緊密連接，Cajal間質細胞（ICCs）出現是典型的IBDs癥狀[22]。在克羅恩病、潰瘍性結腸炎的動物模型中，發現肥大細胞的增多，而肥大細胞的功能活性與肝素、組胺、5-羥色胺和蛋白酶的釋放有關。蛋白酶既能有利于毒素或促進炎細胞因子的失活并影響非肥大細胞中基質金屬蛋白酶的激活，也能顯示出相反的效果[23]。在發炎的腸黏膜中，有大量的多形核白細胞（PMNLs）、單核細胞和淋巴球。PMNLs和單核細胞的激活能夠減少比O2-或H2O2毒性更大的次氯酸形成，還能減弱巰基化合物、多不飽和脂肪酸、DNA、吡啶、核苷酸和芳香族氨基酸的非特異性反應[24]。有研究表明，與對照組相比，潰瘍性結腸炎患者的中性粒細胞能夠提高O2-的濃度水平，因此，O2-合成的增加可以歸因于單核細胞侵入黏膜并增加血管內皮的滲透性導致黏膜上中性粒細胞的增多[25]。

值得注意的是，在刺激iNOS活性的過程中，過氧硝酸鹽的產生是一個無法避免的過程。過氧硝酸鹽更容易損傷酶和其他細胞結構，不僅能夠加強自由基反應中的氧化部分，使鐵巰中心失活、硝化作用失活，還能使蛋白酶失活[26]。最近的研究也發現，克羅恩病和潰瘍性結腸炎患者黏膜的SOD水平下降，促使科研工作者開始關注O2-、H2O2、NO，脂質過氧化作用產物如4-羥基壬烯酸、4-氧代壬烯酸、9-硝基油酸、去氫化前列腺素類等短暫受體電位通道和直接激活、濃度依賴性的半胱氨酸修飾的細胞通道。通道的任務是保持鈣離子和鎂離子的濃度平衡，保持間質細胞和平滑肌細胞的功能，其激活可作為腸道疾病的病理生理學信號[27]。實驗證明，GSH過氧化物酶（GPx）和它的一些特征亞型，能夠被氧化機制引起轉錄的上調，并作為氧化應激的一部分。對發展或緩解期的潰瘍性結腸炎患者進行研究，在炎癥黏膜上GPx的活性顯著提高。進一步研究確認，無論是在疾病的發展期還是緩解期，潰瘍性結腸炎和克羅恩病患者的GPx血漿濃度明顯高于對照組[28]。

在結腸炎的動物模型中，腸道運動性能的改變是由肌間神經叢神經元的NO合酶（NOS）免疫反應引起的。而當促炎細胞因子誘導iNOS產生大量NO時，則破壞肌間神經叢的神經元，導致腸道的運動能力下降[29]。研究顯示，神經元缺失是通過caspase-3通道介導的，又與腸肌層中嗜酸性粒細胞和嗜中性粒細胞的侵入有關。神經元的損害同樣與肌間神經叢中協調胃腸蠕動和平滑肌功能神經元活性的ICCs明顯缺失有關。免疫激活ICCs附近的肥大細胞和巨噬細胞會對ICCs起到保護作用，其作用機制主要是通過heme oxidase-1（HO-1）通路或者通過細胞顆粒間的融合與轉化來調節后續的功能障礙。HO-1主要在巨噬細胞中表達增多，其影響包括：①增加酪氨酸激酶受體（c-kit）作為干細胞因子受體的表達和神經元的NOS;②調節NO的濃度，起細胞保護作用[30]。

3兒童IBDs中ROS與抗氧化

IBDs是成人和兒童最常見的腸道失調，然而對于患有潰瘍性結腸炎和克羅恩病的兒童體內ROS水平及抗氧化機制的研究資料十分缺乏[31-32]。僅有的資料表明，兒童患者體內SOD的活性增加，而GPx和GSH還原酶（GR）的活性降低，GSH的量減少，過氧化氫酶（CAT）與對照組比較變化不大[33]。由此可見，年輕患者由于腸道內GSH的消耗使其抗氧化能力減弱。潰瘍性結腸炎患者主要是GPx的活性降低或GSH的含量減少，克羅恩病患者則上述兩種情況同時存在[34]。

關于兒童腸道疾病的調查研究較少，主要是涉及倫理問題及需要父母的同意等問題妨礙其研究的進行，為了能夠可以對兒童疾患能進行有針對性的治療，迫切需要努力開展相關的研究[35]。

4小結

IBDs是一種慢性、非特異性腸道炎性疾病，具有慢性、長期、易反復的特點。IBDs包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎。在IBDs的發生和發展過程中都存在著ROS濃度的提高，可能是疾病發生和發展的機制之一。利用疾病病理生理機制阻斷疾病的發生和發展是當今研究的熱點，也是靶向藥物治療的目標。靶向藥物治療能夠提高患處的藥物濃度，從而提高藥物的治療效果，減少藥物的不良反應。作為藥學工作者，主要是通過靶向載體的研究或者藥物結構的改造而達到靶向藥物治療的目的。為此需要深入了解IBDs發生和發展過程中ROS的產生機制、種類和抗氧化的運作機制，利用臨床治療手段和靶向藥物阻止過量ROS的產生，阻止IBDs的發生和發展。本文對IBDs中ROS產生的機制和種類、抗氧化的途徑進行歸納綜述，希望能對IBDs中ROS和抗氧化機制的研究者提供幫助，同時也能對氧化應激反應機制的載體和藥物的針對性研究提供一些方向，并且希望能對阻止IBDs的發生和發展研究提供一個思路。

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（收稿日期：2019-08-19? 本文編輯：任秀蘭）