氧化应激与血管老化

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文章编号：1009-5519（2007）18-2731-03 中图分类号：R363 文献标识码：A

内皮细胞和平滑肌细胞是防御各种应激因子的第一道防线，在对应激因子的作用中产生适应性修饰。血管具有内皮细胞和平滑肌细胞，其损伤不可避免地引起血管老化，血管老化的炎症假说强调应激诱导的血管老化是系统功能障碍的基础。近年来对内皮细胞和平滑肌细胞抵抗氧化应激做了大量研究，本文综述了氧化应激与血管老化方面的研究结果。

1 前言

老化通常指在机体分子水平观察到随年龄增长而发生的功能丧失，机体不能耐受应激或损伤。而且，老化的过程和速度在不同物种，不同的生长期有明显的差异。某些器官能加速老化引起的功能衰退，表明每个器官或组织对应激有不同的易感性。

血管内皮细胞（EC）的位置和屏障功能暴露于内生性氧化应激与血浆的氧化脂质和蛋白等持续的外部应激，因此，在应激易感的组织中内皮细胞最容易发生应激反应。近来提出的观点认为血管老化（vascular aging）是老化过程中的主要机制，该观点强调在调节所有老化现象中血管系统发挥着重要作用[1]。对血管研究的重要意义在于多数与老化有关的器官和组织功能障碍可能继发于血管完整性损伤和微循环系统功能障碍，该现象在血管肥大、脑缺血、糖尿病等病理损伤中均能观察到[2]。

2 氧化应激

2.1 生物的需氧代谢：氧化应激（oxidative stress）通常指生物的氧化还原状态，由于氧化能力的提高导致细胞成份过氧化修饰。细胞氧化还原平衡的紊乱会干扰正常细胞内稳态的维持。自由基和其它活性物质都是正常代谢的产物，细胞利用氧化还原作用进行反应，氧化应激是需氧代谢的必然结果。

正常条件下，由于所有的需氧生物通过进化具有了对氧化应激的耐受性，生物体能够控制具有潜在损伤作用的氧化应激因子。最充分的支持证据是生物体具有非常发达的内源性抗氧化防御系统，该防御系统能够拮抗多种活性物质和促氧化剂。所有需氧生物都具有能够防御氧化物质的保护性成份。超氧化物和过氧化氢两种典型的氧化物是氧的主要代谢产物。但是，需氧生物对其它活性物质如一氧化氮及其代谢产物、过亚硝酸盐的防御能力不强。自由基或未被清除的活性物质维持着氧化还原状态的平衡，该平衡会向氧化应激等氧化增强态转变。

2.2 活性物质在氧化应激和血管中的作用：生物体内存在多种活性物质（RS），其生化过程及调节比预想的更为复杂。其中，氮氧化合物对正常血管功能而言是最重要的生理活性物质之一。除RS及其潜在的致损伤作用外，几种非自由基氧化物或代谢物如糖与蛋白反应的终末期糖基化产物（AGEs）、脂质过氧化产物羟基烯醛，对整个氧化状态也同样起重要作用。它们作为二级修饰物或细胞内信号转导调节的第二信使，由于寿命更长并且缺少合适的内源性防御系统的拮抗，比通常的自由基反应更强，分布也更为广泛。

活性氧（ROS）如过氧化物和H2O2能引起血管增厚，使血管壁产生炎症反应，被视为血管疾病的“危险因子”。然而，ROS在生长因子调节的生理反应中许多方面扮演信号分子的角色。血管内皮生长因子（VEGF）及其受体是EC抗ROS的防御机制中的相关因素。最新研究发现[3]，ROS不仅诱导VEGF，而且还诱导VEGFR2的表达。ROS引起的VEGFR2增多主要是通过NF-κB依赖性途径。

活性氮（RNS）与ROS一样发挥着双重的自由基作用。在脉管系统中，RNS通过cGMP系统调节着各种保护性和有益的生理活动。如，NO不仅显示出抗动脉粥样硬化的特性，还能够抑制血小板引起的凝聚、血管平滑肌细胞（VSMC）和内皮细胞的增殖以及白细胞的黏附[4]。肾上腺素α受体在调节血管收缩和VSMC增殖中起重要作用，而内皮细胞源性的NO能够下调α受体诱导的c-fos和c-jun的表达。

RNS与EC的相互作用与VEGF密切相关。VEGF由VSMC释放，是EC的促有丝分裂因子。Von der Zee 等发现在内皮细胞中VEGF可促进NO的合成[5]。然而，研究发现通过RNS诱导抑制核转录因子AP-1与DNA的结合，NO能够下调VEGF的表达，该发现提示EC可通过负反馈抑制调节细胞增殖。还发现在缺氧状态下VEGF基因表达减少，有趣的是，RNS可削弱血管细胞增殖。在炎症过程中，RNS能够调节促炎因子的基因表达，如IL-1，IL-6，IL-8，TNFα及其它几种典型的细胞粘附分子，如细胞间粘附分子-1（lCAM-1），E-选择蛋白（E-selectin）[1，6]。已证实[7]，由于这些基因在启动区含有NF-κB特异性DNA结合位点，RNS可能通过抑制NF-κB活性而发挥抑制作用，由RNS通过稳定其与抑制因子的络合物进而阻止NF-κB的活性。

随着对自由基生物学认识的不断加深，已经非常明确，生物系统为了自我保护可允许促氧化分子的利用，NO在血管系统中的作用就是例证。过氧亚硝基阴离子（ONOO-）是超氧离子（O2-）与NO的快速反应产物，一氧化氮途径是氧化应激的重要通路，会导致与年龄有关的损害。

2.3 氧化应激和葡萄糖修饰：氧化应激条件下，蛋白质和脂质会受到非酶修饰，称之为糖基化(glycation)。经过复杂不可逆的分子反应后合成AGEs。AGEs是异质性复合物，老化期间积聚在EC内和血管壁上，而糖尿病会加速血管的老化[8]。自由基有助于年龄相关的氧化态的形成，近来的研究阐明了AGEs在自由基产生中的作用。AGEs能够明显地加快EC氧化态的形成，目前认为，AGEs通过与特异性受体（RAGE）相互作用可发挥第二信使的功能。现在明确，内在化的AGEs可参与细胞信号转导[9]。比如，核转录因子NF-κB的活化容易受AGEs调节，揭示了AGEs在多种血管变性特别是炎症过程发病机制中的作用。NF-κB是一种氧化还原敏感的核转录因子，其活化对几种重要的促炎蛋白如IL-1，IL-6，TNF-a及环氧合酶（COX-2）的产生起着关键作用[7]。AGEs也显示出具有刺激EC和VSMC内血小板来源生长因子（PDGF）诱导的作用。

在EC内，AGEs可诱导血管细胞粘附分子-1（VCAM-1）和单核细胞趋化因子-1（MCP-1）的表达[7]。内膜细胞对MCP-1的表达和分泌吸引单核细胞靠近EC表面的VCAM-1，从而易化穿越EC层的迁移。在内膜，这些单核细胞成熟后形成巨噬细胞，巨噬细胞是多种活性氧化剂的主要来源，可引起明显的炎症反应。

现在大量证据显示EC和VSMC是AGEs主要的靶细胞。RAGE的表达甚至可发生在幼年动物，而幼年动物体内没有能够检测到AGEs，因此强烈提示AGE/RAGE的相互作用可能是氧化应激和血管疾病进展中的潜在机制。

3 血管老化

3.1 血管老化的特点：血管在老化过程中的变化已在人和许多实验动物得到证实，其中注意到的最明显变化是顺应性小的血管壁增厚。在年轻人无病变血管中也会发现结构与构成的改变。在许多动脉模型中可观察到，为了适应剪切力和伸展力，老化能够从根本上改变血管内皮层，使内皮层增厚。在内膜和中膜中的细胞外基质成份均发生改变[10]。内膜皱褶增厚，部分原因在于增殖VSMC增加细胞间质的合成，增殖平滑肌细胞和单核细胞使细胞外基质蛋白增多。在老化血管中通常可观察到胶原蛋白增加了两倍而弹性蛋白含量保持不变，弹性蛋白的百分含量相对降低。

细胞和分子机制是正常血管功能与年龄相关血管功能障碍的基础，对血管内皮的基本了解对于描述该机制极为重要[7]。曾简单地认为EC仅是生理屏障细胞，现在已发现EC在调节血管内稳态、血管收缩和内皮细胞－平滑肌细胞相互作用中发挥着重要作用。已充分证明内皮细胞的主要活性是一种与NO和血管活性前列腺素具有密切作用的动态复杂过程[1，7]。血管收缩与其调节可通过释放多种血管活性物质进行，血管活性物质通常在血管壁局部发挥作用。EC在静态下能合成和释放血管舒张因子如NO和PGI2，因此完整的内皮细胞通常有助于血管舒张[11]。在各种刺激状态下EC能释放血管收缩因子如内皮缩血管肽（endothelin）和血栓素A2（TXA2）[10,11]。慢性缺氧使内皮细胞产生的NO减少，可能是由于内皮细胞产生内皮缩血管肽过多导致。研究证明高水平的低密度脂蛋白也会削弱内皮对NO的释放，揭示高脂血症与动脉粥样硬化之间存在联系[11,12]。

血液中有许多血管活性物质被允许横穿内皮层迁入VSMC。EC在调节血管活性物质如组胺、胰岛素和乙酰胆碱迁入VSMC中起着通透性屏障的作用。

3.2 炎症与血管老化：炎症过程是并且应该被视为机体对各种不同的刺激或应激因子的正常生理反应，由于细胞调节系统和大量促炎因子的释放而使正常生理反应失调，这些促炎因子包括许多活性物质和几种细胞因子[13]。这些促炎因子的活性可能导致微血管结构改变进而使其通透性增加，最终发展成为临床炎症。前列腺素（PGs）是ROS产生的重要来源之一，促炎因子COX-2在炎症过程中存在活性均已得到充分证明[1,14]。

炎症反应起始于被刺激细胞内的反应。ROS、RNS和其它一些活性物质可引起氧化还原状态失衡，其体内含量随年龄的增长而增加，这些活性物质能够激活氧化还原敏感的转录因子如NF-κB和AP-1[15，16]。在炎症和血管变化中NF-κB活性的重要性表现在两方面：（1）NF-κB在几种主要的促炎蛋白包括IL-1、IL-6、IL-8和TNF-α的基因表达调节中处于中心位置[1,6]；（2）NF-κB调节COX-2的活性，COX-2是负责血管内皮前列腺素（PG）生物合成的关键酶，PG在调节正常血管功能和炎症反应的发病机制中起主要作用[15]。

NF-κB的活性也与诱导型NO合酶的活性有关，诱导型NO合酶能够提高NO产量。在氧化条件增强或在细胞因子作用下，NO通过与过氧化物反应转变成有效的前氧化剂――过氧亚硝酸盐。过氧亚硝酸盐通过氧化和硝基化反应在修饰多种蛋白方面起重要作用。某些病理条件下如炎症、败血症或缺血再灌注损伤，组织能够生成两种过氧化物和NO[7]。由于O2-与NO反应的速度快于与过氧化物歧化酶反应的速度，因此生成ONOO-的量大，从而有助于发病机制的形成。已有报告认为ONOO-与内皮损伤和结肠炎有关。ONOO-能够快速直接地氧化巯基部分并且启动脂质的过氧化反应。此外，ONOO-能够形成蛋白酪氨酸残基的硝基酚环，进而生成硝基酪氨酸。

在含氧量低的条件下能观察到EC和COX-2相互作用的另一面，即在血管EC内经NF-kB核转录因子作用可使诱导型COX-2的基因表达增多。

4 结论

细胞内氧化应激信号选择性诱导炎症相关基因表达是血管老化共同的分子机制之一。不同氧化物前体可直接刺激或“致敏”血管细胞，使其产生活性氧，进而调控基因表达。迄今为止已有的证据证实自由基和多种促氧化因子可能涉及多数细胞成份与年龄有关的修饰，包括细胞分子染色体功能的改变。氧化损伤不可避免的最有力证据莫过于机体内存在近乎完美的抗氧化防御系统。近来，自由基的生化研究揭示许多自由基及其代谢产物经常性行使细胞内信号转导调节子的作用。

EC是对各种应激因子最敏感且最易感的细胞之一。血管系统具有全部最利于促发炎症反应的成份和条件。NF-κB对氧化还原非常敏感，它负责几种主要的促炎细胞因子的表达，促炎细胞因子eNOS、iNOS、COX-2及PG与NF-κB偶连。此外，剪切力和伸展力持续作用于这些细胞，决定了促炎细胞因子的活化作用。

氧化应激是老化过程的基础，EC和VSMC的变性会导致血管老化。据此猜测血管老化可能是整个机体老化过程的首要机制。以此而论，通过保护EC和VSMC抵抗血管老化可能是抗老化干预的最有效策略。受体酪氨酸激酶Axl与细胞的活存、增殖和迁移有关。最近研究发现[17]，在VSMC，过氧化氢能激活Gas6-Axl通路。在培养的VSMC和完整血管，Axl是氧化应激重要的信号调节因子，在血管重塑和对损伤应答中是一个重要的治疗目标。

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收稿日期：2007-04-26