氧化應激在COPD骨骼肌功能障礙中的研究進展

戶元元 李亞,2 李素云,3

(1呼吸疾病診療與新藥研發河南省協同創新中心，河南 鄭州 450046；河南中醫藥大學第一附屬醫院 2中心實驗室；3呼吸病研究室)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是我國第三位死亡原因的疾病，患病人數達到1億，與高血壓、糖尿病共為三大最常見的慢性疾病〔1〕。骨骼肌功能障礙作為COPD最為常見的并發癥，可嚴重影響呼吸肌和外周肌肉的功能，導致患者活動受限，疾病惡化，是COPD發病率和死亡率的獨立預測指標〔2〕。COPD骨骼肌功能障礙的發生與氧化應激、蛋白合成/分解失衡、細胞凋亡、線粒體損傷等機制有關〔3～5〕，其中氧化應激可以導致骨骼肌細胞凋亡增多、蛋白分解加速、肌肉收縮力下降〔6,7〕，從而在COPD骨骼肌功能障礙中發揮重要作用〔8〕。

1 活性氧(ROS)的主要來源

氧化應激是由于各種不良刺激導致機體內具有氧化活性的物質產生過多，超出機體的清除能力，并與一些重要的生命物質或信號分子相互作用引起一系列不良反應的病理過程。ROS是引起氧化應激的主要成分，包括：過氧化氫(H2O2)、羥自由基(OH-)、超氧陰離子(O2-)等。

1.1線粒體途徑 線粒體內的電子傳遞鏈是ROS產生的主要部位，線粒體復合物Ⅰ與復合物Ⅲ是其重要組件，如果復合物功能受損，導致電子傳遞不暢，從復合物Ⅰ或復合物Ⅲ處漏出，與氧分子結合生成O2-〔9〕，該途徑占內源性ROS的90%〔10〕。

1.2過氧化物酶體途徑 過氧化物酶體由單層膜結構形成，含有豐富的氧化酶類，可使反應底物中的氫與氧結合，生成對細胞具有毒害作用的H2O2。Picard等〔11〕證實，COPD患者骨骼肌易產生更多的H2O2。

1.3還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶(Nox)途徑 Nox位于細胞膜上，由多個亞基復合而成，主要以NADPH作為反應底物，使其脫氫和失電子，變為NADP+，失掉的電子經Nox2傳遞給分子氧生成O2-。NADPH氧化酶產生的O2-是肌肉中O2-的主要來源〔12〕。除上述3種途徑外，細胞內的其他細胞器如內質網、溶酶體等也可產生ROS〔13〕。

2 ROS的生物學效應

ROS可以直接氧化細胞的DNA、蛋白質和脂質，導致細胞功能嚴重受損，也可以通過調控相關信號通路，引起自噬/凋亡增加，導致骨骼肌功能障礙。

2.1DNA損傷 ROS易使DNA鏈上的鳥嘌呤堿基的第8位碳原子發生羥化而生成8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)，引起DNA鏈空間結構的改變〔14〕。研究發現，與不吸煙者相比，吸煙者尿液中的8-OHdG濃度增加了3倍〔15〕。老鼠經長期香煙暴露后，其肺泡灌洗液細胞中ROS水平明顯升高，肺組織、淋巴細胞和尿液中的8-OHdG也明顯增加，上升程度與暴露香煙的濃度呈正比〔16〕。

2.2蛋白質損傷 ROS氧化損傷蛋白質以氨基酸殘基的羰基化修飾最常見。羰基使蛋白質結構發生變化，功能減退或消失，對水解的敏感性增加〔17～19〕。COPD重癥患者股四頭肌中蛋白質羰基化水平較高，且與肌肉力量呈負相關〔20〕。阿霉素可誘導心肌細胞氧化應激，產生大量的羰基蛋白，并使肌球蛋白結合蛋白(MyBP)C的結合能力下降，降解增加〔18〕。帕金森病的發病也與氧化應激引起蛋白質羰基化，導致神經元細胞凋亡有關〔21〕。

2.3脂質損傷 ROS作用于脂質生成丙二醛(MDA)，具有細胞毒性，可引起蛋白質、核酸等大分子的交聯聚合，影響線粒體呼吸鏈復合物及線粒體內關鍵酶的活力。香煙煙霧可以導致大鼠肺組織〔22〕和小鼠成肌細胞〔23〕中ROS及氧化產物MDA顯著上升，細胞過早衰老死亡。

2.4自噬/凋亡 ROS可以通過多條途徑誘導細胞凋亡或自噬。ROS可參與調節c-Jun氨基末端激酶(JNK)信號通路〔24〕，引起細胞凋亡增多〔25,26〕。ROS可以使JNK發生磷酸化而激活，進一步抑制B淋巴細胞瘤(Bcl)-2的表達，促進Bcl-2相關蛋白x(Bax)的表達，Bax作用于線粒體使線粒體膜通透性增加，細胞色素(Cyto)C釋放入胞質中，激活半胱氨酸天科氨酸蛋白酶(caspase)-3級聯反應，最終通過JNK/Bax/caspase-3通路誘導細胞凋亡〔27〕。乙醇引起的心肌毒害作用也是通過誘導心肌細胞產生ROS，激活JNK/Bcl-2信號通路，引起心肌細胞自噬和凋亡的增加〔28〕。

另外，ROS還可抑制磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路，誘導自噬的發生〔29,30〕。PI3K/AKT是重要的細胞存活信號通路，mTOR是其下游分子，可增強合成代謝(如mRNA翻譯和脂質合成)或限制分解代謝(如自噬)，從而促進細胞生長。ROS可以抑制PI3K/AKT的磷酸化，使下游mTOR失去活性，細胞存活受到抑制，自噬增強，最終導致細胞死亡。在高糖誘導的小鼠胚胎成骨細胞前體細胞(MC3T3-E1)內可以檢測到ROS顯著升高，同時伴隨有磷酸化(p)-AKT和p-mTOR蛋白表達明顯下降，細胞自噬增加〔31〕。ROS還可通過激活核因子(NF)-κB和腫瘤壞死因子(TNF)-α等相關信號通路，促進炎癥反應的發生或加重。例如，缺血再灌注損傷引起肝臟細胞內ROS產生，炎癥因子NF-κB、TNF-α、白細胞介素(IL)-2、IL-6的基因和蛋白表達也顯著升高，最終由炎癥導致細胞凋亡〔32〕。順鉑誘導大鼠紋狀體氧化損傷時，也可見到NF-κB和TNF-α的mRNA表達隨組織中ROS水平的升高而增加，由炎癥介導的細胞凋亡增多〔33〕。

3 抗氧化治療

氧化應激是導致COPD骨骼肌功能障礙的重要機制，抗氧化治療將有效改善骨骼肌功能障礙。研究發現多種中、西藥及運動鍛煉具有抗氧化作用，對骨骼肌功能障礙有較好的治療效果。

3.1西藥 N-乙酰半胱氨酸(NAC)是目前運用最為廣泛的抗氧化藥物，在體內脫去乙酰基變為半胱氨酸，為還原型谷胱甘肽(GSH)提供前體，發揮間接抗氧化作用〔34〕。于敏〔35〕研究發現，NAC能降低COPD模型大鼠膈肌氧化應激的水平，增加大鼠膈肌的重量，提高抗氧化酶SOD的活性，下調膈肌組織中氧化產物MDA含量，減輕膈肌的氧化損傷。NAC還能通過調控ROS相關的自噬/凋亡信號通路，抑制氧化應激引起的自噬/凋亡增加〔31,32〕。

硫辛酸(ALA)是一種存在于線粒體的輔酶，與NAC類似，ALA也能提高動物模型的抗氧化能力〔36〕，清除ROS，下調Bax等促凋亡蛋白的表達，上調抗凋亡蛋白Bcl-2的表達，從而抑制細胞凋亡〔37〕。研究表明，ALA對ROS的調節是多效性的，在某些條件下，ALA甚至可以升高ROS水平〔38〕，具體機制有待進一步研究。有報道稱二甲雙胍能提高衰老小鼠腦組織中抗氧化酶SOD的活性，增強老鼠的體力〔39〕，對骨骼肌功能障礙有一定療效。

3.2中醫藥 隨著相關研究的深入，人們逐漸認識到中醫藥在抗氧化方面具有獨特的優勢。賀佳林〔40〕研究發現，紅景天苷可以降低COPD模型大鼠骨骼肌中ROS和MDA的水平，改善COPD模型的骨骼肌功能障礙。三七總皂苷〔41〕、人參皂苷Rg1〔42〕、甘草提取物〔43〕和白藜蘆醇〔44〕等中藥提取物能提高多種抗氧化酶的活性，降低ROS水平，抑制氧化應激，其中白藜蘆醇可以增強骨骼肌的肌力和運動耐力，改善骨骼肌功能障礙。中藥復方如理肺湯〔45〕、蟲草益腎顆粒〔46〕及中醫經典名方白虎加人參湯〔36〕也能提高動物模型抗超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)的活性，降低ROS水平。這些證據將為中醫藥抗氧化治療骨骼肌功能障礙提供科學依據。

3.3運動鍛煉 運動鍛煉是骨骼肌功能障礙的重要治療手段，能顯著提高骨骼肌的力量，延緩疾病進展。實驗證明，跑臺運動能夠使大鼠腓腸肌錳超氧化物歧化酶(MnSOD)活性升高，氧化產物MDA和8-OHdG含量降低〔47〕。高強度跑步運動可以減輕由于長期香煙煙霧暴露導致的膈肌氧化應激的增強，提高膈肌及整體的運動能力〔48〕。雖然運動鍛煉對骨骼肌功能有良好的促進作用，但急性運動對骨骼肌是有害的，能明顯提高小鼠腓腸肌和股四頭肌線粒體H2O2含量，引起骨骼肌細胞的氧化應激〔49〕。所以COPD伴隨有骨骼肌功能障礙的患者宜選取有氧運動，且以堅持、適度為要。

4 小 結

氧化應激是COPD骨骼肌功能障礙的重要機制，引起氧化應激的ROS可造成細胞DNA、蛋白質、脂膜的氧化性損傷，影響細胞功能；還可激活JNK、PI3K/AKT、NF-κB等多條信號通路，引起細胞異常自噬和凋亡。中、西藥抗氧化劑能從一定程度上降低氧化應激水平，改善COPD骨骼肌功能障礙。同時，適度的運動鍛煉也能起到良好的效果。從抗氧化的方向尋求治療COPD骨骼肌功能障礙的有效措施具有廣闊的前景，但仍需進一步研究。