從氧化應(yīng)激探討吸煙與血管老化

雷 燕,王 銘

吸煙現(xiàn)已明確其是心血管疾病的獨立危險因素之一。而血管老化既是一種血管的增齡變化,也是一種疾病狀態(tài)下的血管病理改變,它的發(fā)生可以極大地促進動脈粥樣硬化及相關(guān)疾病的發(fā)生和進展。目前,無論是對吸煙危害的研究,還是對血管老化機制的探討,氧化應(yīng)激都是其中的重要研究方向。因此,本文就從氧化應(yīng)激的角度,對吸煙與血管老化的內(nèi)在聯(lián)系及相互作用機制作一探討。氧化應(yīng)激通常是指生物體出現(xiàn)的持久異常氧化還原狀態(tài),由于氧化能力的異常提高,從而導致細胞成分的過氧化修飾[1]。自由基和其他活性物質(zhì)的大量產(chǎn)生,隨之造成的細胞氧化還原平衡的紊亂,就會嚴重干擾其穩(wěn)態(tài)的維持,促使病理改變的發(fā)生。

正常條件下,人體具備對氧化應(yīng)激的耐受性,能夠控制具有潛在損傷作用的氧化應(yīng)激因子。最充分的支持證據(jù)就是[2],人體中具有非常發(fā)達的內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng),它能夠拮抗多種活性物質(zhì)和促氧化劑的作用。比如,對于超氧化物和過氧化氫這兩種典型的氧化物,人體就具有完整的防御性保護成分。但是,對于某些活性物質(zhì)如一氧化氮的代謝產(chǎn)物、過亞硝酸鹽等,人體的防御能力還不強。值得注意的是,人體的這種耐受性和防御能力會受到諸多因素的影響,比如吸煙就是重要的破壞因素之一。當這些破壞因素作用于人體時,自由基或活性物質(zhì)的產(chǎn)生、清除發(fā)生障礙,氧化還原平衡會向氧化增強狀態(tài)轉(zhuǎn)變,由此導致氧化應(yīng)激的產(chǎn)生。

1 吸煙與氧化應(yīng)激

研究發(fā)現(xiàn)[3],吸煙除了人所共知的尼古丁的危害之外,在吸煙的氣相和焦油中還存在著大量對人體有害的自由基,它們可以直接或間接地攻擊細胞膜成分,產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng),并且導致各種疾病的發(fā)生。

首先,吸煙的過程實際上是一個不完全燃燒的過程,會產(chǎn)生蒸餾和一系列的氧化還原反應(yīng)。在這一系列復雜的氧化還原過程中,很容易發(fā)生電子在眾多煙草燃燒產(chǎn)物之間的轉(zhuǎn)換,在焦油和氣相中形成多種穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的產(chǎn)物和自由基。通過電子自旋共振波譜分析發(fā)現(xiàn)[4],焦油中主要包括有幾種特別穩(wěn)定的自由基,它們主要是醌類自由基(Q/QH)、多環(huán)芳烴自由基、石墨碳和磷自由基。其中前兩者所占的比重較大,并且是兩類可以直接導致氧化應(yīng)激的重要物質(zhì)。而產(chǎn)生于氣相中的自由基,則多是瞬時不穩(wěn)定的自由基,它們主要是烷氧基(RO-)和烷基(R-)自由基等,同樣具有促使氧化應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生的能力。

其次,吸煙所產(chǎn)生自由基的毒性,以及導致氧化應(yīng)激反應(yīng)的方式有直接和間接兩種。所謂直接毒性,就是指吸煙過程中產(chǎn)生的某些自由基可以直接損傷細胞成分,形成病理改變。所謂間接毒性,就是指吸煙所產(chǎn)生的焦油相和氣相物質(zhì)可以引起多形核白細胞的聚集和活化,產(chǎn)生和釋放大量活性氧自由基,從而導致氧化應(yīng)激損傷。除了上述常見的自由基之外,吸煙產(chǎn)生的氣相物質(zhì)還會引起細胞膜脂質(zhì)的過氧化,從而產(chǎn)生脂類自由基。隨著吸煙時間的延長,脂類自由基和脂質(zhì)過氧化水平在不斷地增加,其所引起的細胞膜損傷也日益嚴重。更值得注意的是,由自旋捕集劑(PMN)產(chǎn)生的活性氧自由基,既可以單獨引起細胞成分的損傷,又可以與吸煙產(chǎn)生的自由基產(chǎn)生聯(lián)合作用,共同對細胞產(chǎn)生毒害作用。細胞膜研究還表明[5],吸煙產(chǎn)生的自由基不僅可以使細胞膜的流動性發(fā)生改變,而且還可以使膜蛋白及酶的構(gòu)象發(fā)生變化,由此必然影響細胞內(nèi)外物質(zhì)的交換,造成細胞功能的障礙。

再次,研究已經(jīng)充分證明,吸煙通過其產(chǎn)生的氧化應(yīng)激反應(yīng),能夠?qū)е轮T多病理改變及相關(guān)疾病的產(chǎn)生和進展。比如,吸煙產(chǎn)生的多種自由基可以聯(lián)合作用,通過引起血脂紊亂、血管內(nèi)皮功能障礙等病理改變,從而導致血管結(jié)構(gòu)和功能的異常,心血管事件的發(fā)生率也隨之上升[6,7]。張曉胡等[8]研究發(fā)現(xiàn),吸煙通過其產(chǎn)生的氧化應(yīng)激反應(yīng),能夠引起內(nèi)皮素合成酶釋放增多,血管舒縮功能出現(xiàn)障礙,以及血管平滑肌細胞增殖活躍等;同時,低密度脂蛋白(LDL)的氧化易患性也增加,氧化型低密度脂蛋白(ox-LDL)水平隨之升高,從而促進了動脈硬化的產(chǎn)生。更進一步的研究結(jié)果還有,Raij等[9]認為,吸煙時所產(chǎn)生的氧自由基,特別是超氧陰離子可以降低血管內(nèi)皮釋放NO的生物活性,并且可以抑制內(nèi)皮細胞合成及表達一氧化氮合酶(eNOs)的功能。Cavusoglu等[10]的一項研究提示吸煙促發(fā)的氧化應(yīng)激反應(yīng)可使血管細胞黏附分子-1(VCAM-1)的血漿濃度急劇上升,引起內(nèi)皮炎癥反應(yīng)和內(nèi)皮功能障礙,從而加速動脈硬化,引發(fā)冠心病。Winkelmann等[11]研究發(fā)現(xiàn)吸煙合并冠心病者,體內(nèi)負荷后胰島素水平及代表氧化應(yīng)激和內(nèi)皮功能受損的生化標志物明顯高于無吸煙的冠心病患者,提示吸煙可導致氧化應(yīng)激的發(fā)生、內(nèi)皮功能的受損和胰島素的抵抗,從而增加冠心病的嚴重程度。

2 血管老化與氧化應(yīng)激

血管是由內(nèi)膜、中層和外膜所組成,構(gòu)成內(nèi)膜和中層的主要細胞是血管內(nèi)皮細胞(EC)和平滑肌細胞(VSMC),它們是防御各種應(yīng)激因子的第一道防線,并在氧化應(yīng)激的作用下產(chǎn)生適應(yīng)性修飾。如果血管內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞因氧化應(yīng)激發(fā)生損傷,則不可避免地引起血管老化。

首先,在血管老化的過程中,其最明顯的改變就是順應(yīng)性的減小和血管壁的增厚。這種改變不僅僅是出現(xiàn)在老年人群中,在年輕人群的病變血管中也會出現(xiàn)類似的結(jié)構(gòu)改變。老化血管為了適應(yīng)血流產(chǎn)生的剪切力和伸展力,往往需要從根本上改變血管的內(nèi)皮層,使其增厚,以及使內(nèi)膜細胞的外基質(zhì)成分發(fā)生改變;同時,血管平滑肌細胞也出現(xiàn)增殖,并隨之產(chǎn)生細胞間質(zhì)以及細胞外基質(zhì)蛋白合成的增多[12]。老化血管通常表現(xiàn)為膠原蛋白的成倍增加和彈性蛋白含量的基本不變,由于彈性蛋白相對含量的降低,血管于是出現(xiàn)硬化。

其次,多種活性的自由基物質(zhì)能夠通過氧化應(yīng)激作用促進血管老化的病理改變。在這些物質(zhì)中,活性氧(ROS)和活性氮(RNS)所產(chǎn)生的生化過程及其調(diào)節(jié)最具有代表性。ROS如過氧化物和H2O2能引起血管內(nèi)膜和中層的增厚,并使血管壁產(chǎn)生炎癥反應(yīng),因此被視為血管疾病的“危險因子”。并且ROS在生長因子介導的病理改變中也扮演著重要的信號分子的角色。最新研究發(fā)現(xiàn)[13],ROS能夠通過NF-κ B依賴性途徑誘導血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的表達,特別是其中VEGFR2的表達。生理情況下,VEGF有助于血管內(nèi)皮的修復,而在病理狀態(tài)下,由過量ROS產(chǎn)生的過量VEGF就促進了內(nèi)膜的增厚,導致了血管的老化。RNS對血管系統(tǒng)的作用具有雙重效應(yīng),一方面能夠發(fā)揮自由基的氧化應(yīng)激作用,而另一方面,還能夠通過環(huán)磷鳥苷酸(cGM P)系統(tǒng)調(diào)節(jié)各種具有保護性和有益的生理活動。RNS對血管內(nèi)皮細胞的損害作用與VEGF密切相關(guān)。VEGF由VSM C釋放,是EC的促有絲分裂因子。Van-der-Zee等[14]發(fā)現(xiàn)在內(nèi)皮細胞中VEGF可促進NO的合成。然而,研究發(fā)現(xiàn)通過RNS誘導的對核轉(zhuǎn)錄因子活化蛋白-1(AP-1)與DNA結(jié)合的抑制,能夠下調(diào)VEGF的表達和減少NO的合成,從而使血管的修復增殖功能受到抑制,舒縮功能也出現(xiàn)礙[15]。并且還發(fā)現(xiàn)在缺氧狀態(tài)下,RNS所導致的VEGF基因表達的下調(diào)會更加嚴重,由此形成了相關(guān)病理改變的惡性循環(huán)。同時,RNS還能夠激活對氧化還原敏感的轉(zhuǎn)錄因子如 NF-κ B和AP-1,從而上調(diào)幾種主要的促炎癥蛋白,其中包括有白介素(IL)-1、IL-6、IL-8和腫瘤壞死因子(TNF-α)等,由此可導致血管炎癥反應(yīng)的產(chǎn)生和加劇,進一步促進血管老化的發(fā)展。而RNS對血管的有益作用主要表現(xiàn)在,NO不僅具有抗動脈粥樣硬化的特性,還能夠抑制血小板的聚集、VSMC和EC的增殖以及白細胞的黏附等[16]。

再次,在氧化應(yīng)激的作用下,蛋白質(zhì)和脂質(zhì)會產(chǎn)生非酶修飾,即糖基化過程,經(jīng)過復雜而不可逆的分子反應(yīng)后就合成了糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)。AGEs是異質(zhì)性復合物,積聚在EC內(nèi)或血管壁上,從而加速血管的老化[17]。具體的機制主要是,AGEs能夠明顯地加快EC氧化態(tài)的形成,并且可以通過與特異性受體(RAGE)結(jié)合以發(fā)揮第二信使的功能。AGEs與RAGE的結(jié)合既可以促使EC和VSMC的異常增殖,以及血管內(nèi)膜和中層的增厚、硬化;還可以活化核轉(zhuǎn)錄因子 NF-κ B和誘導VCAM-1和單核細胞趨化因子-1(M CP-1)的表達[18],從而增加血管的炎癥反應(yīng)。因此,現(xiàn)在普遍認為AGE/RAGE的相互作用可能是氧化應(yīng)激和血管老化進展中的潛在機制。

最后,細胞內(nèi)出現(xiàn)的氧化應(yīng)激反應(yīng),以及由此所產(chǎn)生的對于相關(guān)基因表達的選擇性誘導,是血管老化的主要分子機制之一。不同的自由基物質(zhì)可以直接或間接的方式刺激或“致敏”血管細胞,使其產(chǎn)生活性氧,進而調(diào)控基因的表達。同時,自由基的生化研究還揭示[19],許多的自由基及其代謝產(chǎn)物能夠經(jīng)常性地行使細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導調(diào)節(jié)子的作用,這就為研究氧化應(yīng)激導致血管老化的機制提供了新的路徑。

3 小 結(jié)

吸煙能夠產(chǎn)生大量的自由基物質(zhì),從而促使人體發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng);而氧化應(yīng)激又能夠通過多條途徑促使血管老化的發(fā)生和進展。由此,在眾多研究都關(guān)注于吸煙與動脈粥樣硬化的今天,通過氧化應(yīng)激這座橋梁,將吸煙導致血管老化的機制,作進一步的澄清,將有助于深化我們對于吸煙造成血管損害的認識。再考慮到血管老化與動脈粥樣硬化之間的密切聯(lián)系,有理由相信,以氧化應(yīng)激為紐帶的對于吸煙與血管老化的研究,必將為吸煙與動脈粥樣硬化的研究注入新的內(nèi)容。目前十分清楚的是,血管系統(tǒng)具有體內(nèi)全部最利于促發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)的成分和條件,而吸煙可以大大地優(yōu)化和重組這些成分和條件。吸煙所促發(fā)的氧化應(yīng)激,主要通過EC和VSMC的變性增殖、血管的增厚硬化以及促進血管炎癥反應(yīng)等途徑促使了血管的老化。因此,吸煙異化了氧化應(yīng)激的發(fā)生,而氧化應(yīng)激又成為了血管老化的基礎(chǔ)。

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