趙 麗 王 華
1山東中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院,濟(jì)南 250000
2山東省中醫(yī)院老年醫(yī)學(xué)科,濟(jì)南 250000
隨著生物年齡的逐漸增加及外界環(huán)境刺激的逐漸積累,人體自身生理機(jī)能隨之減退,內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定能力及應(yīng)對(duì)外界環(huán)境刺激的能力逐漸降低,這種最終走向死亡的不可逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象稱為衰老[1];其中因不斷的內(nèi)源性和外源性應(yīng)激及損傷導(dǎo)致的衰老,稱為應(yīng)激性衰老[2]。衰老可導(dǎo)致多種系統(tǒng)疾病,在過(guò)去幾十年中,雖然人類的預(yù)期壽命大大增加,但健康壽命并沒有增長(zhǎng)[3]。動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)、高血壓、糖尿病、冠心病是最常見的老年性疾病,并可相互影響,在很多患者中常同時(shí)出現(xiàn)2種甚至多種疾病相兼為病,嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量,并給家庭及社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān),其共同特征均與血管衰老密切相關(guān)。研究證明,血管衰老與氧化應(yīng)激密切相關(guān),而核因子-E2-相關(guān)因子2(nuclear factor-E2-related factor 2,Nrf2)抗氧化通路是目前已知的最強(qiáng)大內(nèi)源性抗氧化信號(hào)通路,基于此,本文探討Nrf2抗氧化通路在AS、高血壓、糖尿病、冠心病中的作用機(jī)制,以期為后續(xù)的研究及相關(guān)疾病的治療提供思路與參考。
血管衰老與氧化應(yīng)激密切相關(guān)。正常情況下,體內(nèi)氧化劑的產(chǎn)生與機(jī)體抗氧化能力處于平衡狀態(tài);血管衰老時(shí),機(jī)體氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡,從而導(dǎo)致血管衰老性改變[4]。許多抗氧化途徑參與細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài),其中Nrf2抗氧化通路的作用是最突出的。
Nrf2屬于帽領(lǐng)(cap'n'collar,CNC)家族的堿性亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子,在體內(nèi)抗氧化途徑中處于核心地位,具有調(diào)控多種抗氧化劑表達(dá)的作用[5]。Nrf2存在于細(xì)胞骨架中,與Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1(kelch-like ECH-associated protein l,Keap1)(Nrf2降解的適配器)相鄰[6],形成Nrf2/Keap1-抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element,ARE)抗氧化通路。在生理?xiàng)l件下,Nrf2結(jié)合于Keap1,然后迅速被蛋白酶體降解,半衰期約為20 min,導(dǎo)致很多類型的細(xì)胞中Nrf2蛋白維持在較低水平[7]。在氧化應(yīng)激條件下,具有親電性的Nrf2誘導(dǎo)劑,如叔丁基對(duì)苯二酚和衣康酸鹽等,與Keap1中的半胱氨酸巰基反應(yīng),Keap1構(gòu)象隨之發(fā)生變化,導(dǎo)致Nrf2與Keap1解離,然后聚集于細(xì)胞核,并與小Maf蛋白反應(yīng),形成異二聚體,隨后與ARE結(jié)合[8],啟動(dòng)多種抗氧化劑的轉(zhuǎn)錄,例如谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase,GR)、血紅素加氧酶-1(heme oxygenase 1,HO-1)、鐵蛋白和NAD(P)H:醌氧化還原酶1[NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1,NQO1]等,從而觸發(fā)保護(hù)性抗氧化反應(yīng)[9]。
研究證明,應(yīng)激性衰老與血管內(nèi)皮細(xì)胞(endothelial cell,EC)[10]及血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)[11]功能障礙密切相關(guān)。而EC和VSMCs功能障礙構(gòu)成了血管衰老的主要特征[12]。與年輕人相比,老年人的血管抗氧化能力及應(yīng)激耐受性減弱,內(nèi)穩(wěn)態(tài)修復(fù)機(jī)制失衡,使血管狀態(tài)失去平衡[13]。內(nèi)皮功能障礙主要由內(nèi)皮源性舒張因子的產(chǎn)生減少或作用減弱引起[14]。EC合成和釋放一系列內(nèi)皮源性舒張因子,包括一氧化氮(nitric oxide,NO)、前列腺素、內(nèi)皮依賴性超極化因子等。其中NO對(duì)內(nèi)皮功能至關(guān)重要[15],在老化的血管中,NO的生物利用度降低,活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生卻增加,ROS與NO存在拮抗作用,二者相互作用,造成內(nèi)皮功能障礙,進(jìn)一步導(dǎo)致血管衰老[16]。VSMCs作為血管的組成部分,也參與了氧化應(yīng)激損傷的病理過(guò)程。相關(guān)研究證明,與年輕小鼠的VSMCs相比,年老的小鼠VSMCs中ROS的產(chǎn)生顯著增加,導(dǎo)致年老細(xì)胞中的線粒體DNA損傷增加,內(nèi)源性抗氧化活性也隨之降低[17]。VSMCs可以分為收縮表型和合成表型2種[18],NADPH-4作為調(diào)節(jié)ROS生成的酶蛋白,其激活或表達(dá)增加能夠增強(qiáng)過(guò)氧化氫(hydrogen peroxide,H2O2)的產(chǎn)生,并將VSMCs轉(zhuǎn)變?yōu)榇傺妆硇蚚19],炎癥反過(guò)來(lái)又可促進(jìn)氧化應(yīng)激的產(chǎn)生,二者在調(diào)節(jié)血管平滑肌的衰老中具有協(xié)同作用[20]。
在年輕的血管中,血管抗氧化能力與氧化應(yīng)激處于平衡狀態(tài),隨著人體生物年齡的增加,血管的抗氧化能力不足以抵抗氧化應(yīng)激導(dǎo)致的血管損傷,造成血管衰老[21]。衰老誘導(dǎo)的微小核糖核酸(microRNA,miRNA)表達(dá)、Nrf2激活調(diào)節(jié)因子和核轉(zhuǎn)位途徑失調(diào)及細(xì)胞骨架的改變會(huì)導(dǎo)致Nrf2的抗氧化反應(yīng)失調(diào)[22]。Nrf2缺乏導(dǎo)致的氧化應(yīng)激增加及其導(dǎo)致的EC促炎表型的改變共同損害內(nèi)皮功能,出現(xiàn)細(xì)胞增殖受損、細(xì)胞遷移減少和毛細(xì)血管樣結(jié)構(gòu)的形成能力受損等改變[23]。除了調(diào)節(jié)血管生成過(guò)程外,Nrf2缺乏還會(huì)導(dǎo)致EC凋亡率增加,并引起微血管稀疏、新形成的毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)完整性受損等后果[24]。在VSMCs中,其穩(wěn)態(tài)隨著Nrf2驅(qū)動(dòng)的自由基解毒功能的下降及ROS導(dǎo)致的慢性低度血管炎癥逐漸降低[25]。另外Nrf2功能障礙被認(rèn)為是促進(jìn)血管衰老的新機(jī)制。Nrf2功能障礙在誘導(dǎo)細(xì)胞衰老時(shí),血管細(xì)胞經(jīng)歷細(xì)胞周期停滯,從而降低血管系統(tǒng)的修復(fù)和重塑能力;衰老細(xì)胞還獲得高度炎癥性的衰老相關(guān)分泌表型,包括促炎細(xì)胞因子、趨化因子、基質(zhì)金屬蛋白酶的分泌增加,以及氣體遞質(zhì)和類花生酸介質(zhì)的釋放等,共同導(dǎo)致血管衰老的發(fā)生[26]。而Nrf2激活則可抑制細(xì)胞衰老誘導(dǎo)的不良反應(yīng)。研究證明,清除轉(zhuǎn)基因小鼠中衰老標(biāo)志物細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑p16INK4a表達(dá)陽(yáng)性的衰老細(xì)胞可延長(zhǎng)其壽命和總體健康壽命[27],改善血管健康[28]。
由上可知,Nrf2抗氧化通路功能障礙及ROS生成增加促進(jìn)了血管衰老并加劇了年齡相關(guān)血管疾病的發(fā)病。與年輕血管相比,在老年血管系統(tǒng)中,相同的病理應(yīng)激源會(huì)加劇氧化應(yīng)激反應(yīng),導(dǎo)致AS、高血壓、糖尿病、冠心病等多種疾病的發(fā)生。
AS以血脂異常和炎癥為特征,系涉及動(dòng)脈內(nèi)中膜病變的慢性多因素疾病[29]。研究證明,AS的形成與發(fā)展與氧化應(yīng)激密切相關(guān)[30]。Nrf2抗氧化通路主要通過(guò)保護(hù)血管內(nèi)皮的完整、調(diào)控VSMCs功能、減少脂質(zhì)的蓄積及抑制炎癥的進(jìn)展而發(fā)揮抗AS的作用。
EC的完整性在AS的形成過(guò)程中具有重要作用,Nrf2抗氧化通路可通過(guò)多種途徑發(fā)揮保護(hù)EC的作用。AS形成過(guò)程中的微小膽固醇結(jié)晶具有顯著抑制EC中Nrf2表達(dá)的作用,而激活Nrf2可以顯著減輕微小膽固醇結(jié)晶誘導(dǎo)的內(nèi)皮功能障礙[31]。另有研究證明,阻斷Nrf2抗氧化通路的表達(dá),氧化型低密度脂蛋白刺激的臍靜脈EC中SOD、GSH-Px、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)等抗氧化酶的活性顯著降低,而內(nèi)皮損傷因子、ROS以及丙二醛(malondialdehyde,MDA)等氧化應(yīng)激產(chǎn)物明顯升高[32]。
VSMCs在AS形成過(guò)程中存在表型轉(zhuǎn)換、增殖和遷移、鈣化、衰老和凋亡等病理變化,并貫穿于AS形成過(guò)程的始終[33-34],而Nrf2抗氧化通路在其中發(fā)揮了重要的作用[35-36]。He等[35]認(rèn)為Nrf2可被膽堿激活,通過(guò)上調(diào)其下游抗氧化蛋白HO-1和NQO-1的表達(dá),發(fā)揮抑制VSMCs表型轉(zhuǎn)換、增殖、遷移和血管重塑的作用。Shi等[37]用H2O2誘導(dǎo)制備了VSMCs氧化損傷模型,并用Nrf2激活劑激活了Nrf2及其下游抗氧化基因的表達(dá),發(fā)現(xiàn)Nrf2激活可以抑制H2O2增強(qiáng)導(dǎo)致的VSMCs增殖及收縮表型向合成表型的轉(zhuǎn)換,降低VSMCs遷移能力和凋亡率。徐沐琳等[38]通過(guò)高磷誘導(dǎo)小鼠VSMCs鈣化模型,并通過(guò)RNA干擾技術(shù)敲除細(xì)胞內(nèi)Nrf2、慢病毒轉(zhuǎn)染技術(shù)過(guò)表達(dá)細(xì)胞內(nèi)Nrf2,發(fā)現(xiàn)Nrf2敲除組VSMCs內(nèi)鈣含量較單純VSMCs鈣化模型增高,Nrf2過(guò)表達(dá)組VSMCs內(nèi)鈣含量較單純VSMCs鈣化模型降低。Maltese等[39]發(fā)現(xiàn),可溶性klotho蛋白可通過(guò)誘導(dǎo)Nrf2及其下游抗氧化酶HO-1和過(guò)氧化物酶-1(peroxiredoxin-1,Prdx-1)的表達(dá),提高人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中谷胱甘肽(glutathione,GSH)水平,發(fā)揮保護(hù)血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ,AngⅡ)介導(dǎo)的人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的凋亡和衰老的作用。
脂質(zhì)在動(dòng)脈壁中蓄積,導(dǎo)致大量泡沫細(xì)胞的形成是AS的重要特征[40]。Yang等[41]研究發(fā)現(xiàn)丹參二醇C可激活巨噬細(xì)胞中Nrf2和沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1(silent information regulation 2 homolog-1,SIRT1)的表達(dá),隨后二者協(xié)同作用,激活Prdx/三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)體A1(ATP-binding cassette transporter A1,ABCA1)信號(hào),保護(hù)巨噬細(xì)胞免受氧化型低密度脂蛋白誘導(dǎo)的泡沫細(xì)胞形成的影響。炎癥參與了AS及其并發(fā)癥形成的全過(guò)程。Ren等[42]發(fā)現(xiàn)Nrf2/HO-1信號(hào)通路在金魚草素處理的脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)的小鼠巨噬細(xì)胞RAW 264.7中表達(dá)增加,白介素(interleukin,IL)-1β、IL-6等促炎因子的表達(dá)下降,但加入HO-1抑制劑錫-原卟啉(Sn-protoporphyrin,Snpp)則可顯著消除金魚草素在LPS刺激的RAW 264.7細(xì)胞中的抗炎作用,認(rèn)為Nrf2/HO-1信號(hào)通路的激活可有效緩解炎癥。
激活Nrf2抗氧化通路可發(fā)揮抗AS形成的作用。柚皮素可以促進(jìn)RAW 264.7細(xì)胞中Nrf2的核內(nèi)聚集,增加細(xì)胞中Nrf2含量,促進(jìn)NQO-1、谷胱苷肽S-轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferase,GST)和谷氨酸-半胱氨酸連接酶(glutamate-cysteine ligase,GCL)等Ⅱ期解毒酶的表達(dá),發(fā)揮降低AS模型小鼠主動(dòng)脈血管炎癥反應(yīng)、抑制AS的作用[43]。Saji等[44]用H2O2刺激誘發(fā)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)氧化損傷模型,發(fā)現(xiàn)從米糠中提取的酚類化合物可通過(guò)上調(diào)HUVEC中的Nrf2及其下游抗氧化因子的表達(dá),發(fā)揮抗氧化和抗炎活性,減輕內(nèi)皮功能障礙。同樣,多齒蹄蓋蕨多糖可增加Nrf2和及其下游HO-1基因的表達(dá),減少ROS的產(chǎn)生,從而提高H2O2損傷的HUVEC存活率[45]。
綜上,Nrf2抗氧化通路可作用在AS形成的各個(gè)環(huán)節(jié),該通路的激活可減輕氧化應(yīng)激導(dǎo)致的AS形成。
高血壓以血壓持續(xù)性升高為特點(diǎn),氧化應(yīng)激與抗氧化系統(tǒng)失衡是高血壓發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制之一。Nrf2抗氧化通路可通過(guò)多種途徑調(diào)節(jié)高血壓及其并發(fā)癥的發(fā)生[46]。He等[47]發(fā)現(xiàn)茯苓酸可以通過(guò)激活Nrf2抗氧化通路顯著抑制缺氧誘導(dǎo)的大鼠肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的增殖并促進(jìn)其凋亡,減少ROS及氧化產(chǎn)物MDA表達(dá),促進(jìn)GSH-Px和SOD等抗氧化因子的表達(dá),從而逆轉(zhuǎn)右心室肥厚和肺血管重塑,改善肺動(dòng)脈高壓。另有研究表明,經(jīng)鈷-原卟啉[Co(III)protoporphyrin IX chloride,CoPP]治療后,自發(fā)性高血壓心肌梗死大鼠HO-1表達(dá)升高,血壓下降,梗死面積減少,心功能恢復(fù),而與(HO活性抑制劑)錫中卟啉(Tin mesoporphyrin IX dichloride,SnMP)聯(lián)合給藥后,HO-1表達(dá)受體抑制,則抑制了上述有益功能,由此認(rèn)為CoPP通過(guò)上調(diào)Nrf2下游靶基因HO-1發(fā)揮心血管保護(hù)作用[48]。Farooqui等[49]用促氧化劑L-丁硫氨酸-亞砜亞胺(L-buthionine sulfoximine,BSO)制備高血壓小鼠模型,經(jīng)Nrf2抑制劑ML385聯(lián)合治療后,小鼠NQO-1顯著下調(diào),炎癥細(xì)胞因子水平、血壓、氧化應(yīng)激較前顯著升高,認(rèn)為Nrf2抑制通過(guò)減少Ⅱ期抗氧化防御而加劇了氧化應(yīng)激和炎癥,并促進(jìn)了小鼠高血壓的發(fā)展,反向證明了Nrf2抗氧化通路與高血壓的密切關(guān)系。而激活Nrf2抗氧化通路具有降低高血壓的作用。李文娣等[50]發(fā)現(xiàn)丹參酮ⅡA可以增加自發(fā)性高血壓模型大鼠血液中Nrf2及其下游NQO1和HO-1的蛋白表達(dá),降低AngⅡ、內(nèi)皮素和血栓素B2的含量而發(fā)揮降壓作用。孟哲等[51]發(fā)現(xiàn)積雪草酸能夠提高血清中Nrf2活性,SOD、NQO1、HO-1蛋白表達(dá)以及總抗氧化能力,并降低氧化應(yīng)激產(chǎn)物MDA的含量,認(rèn)為積雪草酸通過(guò)激活Nrf2抗氧化通路,可以使心肌組織的抗氧化活性增強(qiáng),減輕自發(fā)性高血壓大鼠的心肌纖維化。
高血壓病病程長(zhǎng),并可以引起AS、腦出血等多種并發(fā)癥。氧化應(yīng)激增強(qiáng)是高血壓發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制之一,研究Nrf2抗氧化通路在高血壓及其并發(fā)癥中的作用,可以為后續(xù)高血壓并發(fā)癥的治療及新型降壓藥的研制提供新思路。
在糖尿病患者中,高血糖會(huì)促進(jìn)EC的氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激及其導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)是促進(jìn)糖尿病并發(fā)癥發(fā)展的共同刺激因素[52]。稅曉平等[53]發(fā)現(xiàn),2型糖尿病模型大鼠經(jīng)有氧或抗阻運(yùn)動(dòng)8周后,大鼠海馬中的Nrf2和腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子蛋白表達(dá)水平均顯著升高,且有氧運(yùn)動(dòng)組Nrf2下游抗氧化蛋白HO-1表達(dá)水平顯著升高;認(rèn)為2型糖尿病大鼠海馬中氧化應(yīng)激增強(qiáng),而抗阻運(yùn)動(dòng)和有氧運(yùn)動(dòng)可通過(guò)Nrf2途徑降低大鼠海馬中的氧化應(yīng)激,減輕海馬神經(jīng)的損傷。胡寅等[54]發(fā)現(xiàn)糖尿病視網(wǎng)膜病變模型小鼠抗氧化酶SOD、神經(jīng)節(jié)凋亡相關(guān)蛋白Bax和切割型半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-3(cleaved Caspase-3)均較正常小鼠表達(dá)增多,氧化應(yīng)激相關(guān)產(chǎn)物MDA和8-羥基脫氧鳥苷、視網(wǎng)膜厚度及神經(jīng)節(jié)數(shù)量均較正常小鼠降低,而白藜蘆醇可改善高糖引起的視網(wǎng)膜損傷,且若Nrf2敲除會(huì)顯著降低白藜蘆醇的有益作用,認(rèn)為白藜蘆醇通過(guò)激活Nrf2和HO-1,發(fā)揮抑制氧化應(yīng)激、保護(hù)糖尿病性視網(wǎng)膜病變小鼠視網(wǎng)膜和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的作用。孔暢等[55]發(fā)現(xiàn)不同配比的黃芪-當(dāng)歸處理的2型糖尿病小鼠腎臟中Nrf2及HO-1 mRNA表達(dá)水平顯著升高,認(rèn)為黃芪-當(dāng)歸藥對(duì)能夠通過(guò)激活Nrf2/HO-1抗氧化通路改善糖尿病小鼠的腎臟損傷。
比起糖尿病本身,糖尿病并發(fā)癥引起的損害更為嚴(yán)重。Nrf2抗氧化通路在糖尿病腎病、糖尿病腦病、糖尿病視網(wǎng)膜病變等方面均有不同程度的改善作用。研究Nrf2抗氧化通路在糖尿病及其并發(fā)癥中的作用,對(duì)改善糖尿病癥狀及長(zhǎng)期預(yù)后有積極意義。
冠心病以冠狀動(dòng)脈粥樣硬化導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈血管狹窄為主要特征,而氧化應(yīng)激是其發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的主要影響因素。Huang等[56]通過(guò)高脂飲食制備冠心病小鼠模型,分別給予10 mg/kg、20 mg/kg和40 mg/kg兒茶素沒食子酸,并設(shè)置0.5%膽酸鈉對(duì)照組,結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒食子酸可降低血清中甘油三酯、總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇水平,升高高密度脂蛋白膽固醇、SOD濃度并上調(diào)HO-1、NQO1和Nrf2的表達(dá);認(rèn)為沒食子酸可通過(guò)激活Nrf2/HO-1/NQO1抗氧化通路發(fā)揮抗氧化、改善血脂水平、減少AS斑塊、減輕冠心病小鼠心臟組織病理?yè)p傷的作用。郭偉偉等[57]用飼喂高脂飼料聯(lián)合腹腔注射垂體后葉注射液的方法建立冠心病大鼠模型,發(fā)現(xiàn)大鼠心肌損傷標(biāo)記物肌酸激酶同工酶(creatine kinase isoenzymes,CK-MB)、血清心肌肌鈣蛋白I(cardiac troponin I,cTnI)及氧化應(yīng)激指標(biāo)SOD、GSH、乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)和MDA的含量均有不同程度的升高,而給予不同濃度的三七皂苷后,大鼠上述指標(biāo)均有不同程度的降低,降低程度呈劑量依賴性,且腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activeted protein kinase,AMPK)/Nrf2/HO-1信號(hào)通路蛋白的表達(dá)上調(diào);認(rèn)為三七皂苷通過(guò)激活A(yù)MPK/Nrf2/HO-1信號(hào)通路抑制心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激,發(fā)揮改善冠心病大鼠心肌損傷的作用。
可見,Nrf2抗氧化通路具有抗AS形成、改善心肌細(xì)胞損傷的作用,對(duì)改善冠心病預(yù)后有積極意義。
本文總結(jié)了近年來(lái)關(guān)于Nrf2抗氧化通路在AS、高血壓、糖尿病、冠心病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的研究進(jìn)展。Nrf2抗氧化通路是作用最廣泛的內(nèi)源性抗氧化通路,與血管衰老關(guān)系密切;而血管衰老是AS、高血壓、糖尿病、冠心病等多種老年性疾病的共同致病因素,研究Nrf2抗氧化通路在上述疾病發(fā)生發(fā)展中的作用,對(duì)改善患者預(yù)后具有重要意義。但Nrf2抗氧化通路在相關(guān)疾病中的作用大多數(shù)仍停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)層面,想要應(yīng)用于臨床還需要進(jìn)行更深層次的研究。