尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶与心血管疾病关系的研究进展
发表时间：2010-02-10 浏览次数：530次
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶与心血管疾病关系的研究进展作者：刘保逸 作者单位：北京医院心内科，北京 100730 【摘要】 活性氧的增加与心血管疾病密切相关，而产生活性氧的主要酶体是尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶（NADPH氧化酶）。NADPH氧化酶对动脉粥样硬化、高血压、心力衰竭的发生发展起着重要的作用；而心房颤动又可引起NADPH氧化酶的增加。 【关键词】 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶 心血管疾病 Relation between nicotinamide adenine dinucleotide phosphate（NADPH） Oxidase and cardiovascular disease LIU Baoyi1, 2 HE Qing2. 1.Graduate School of Peking Union Medical College. Beijing 100730 ；2.Department of Cardiology, Beijing Hospital, Beijing 100730，China Abstract： Overproduction of reactive oxygen species (ROS) under pathophysiologic condition is crucial in the development of cardiovascular diseases. The major source of ROS is from NADPH Oxidase (NOX). NOX plays an important role in the progress of atherosclerosis, hypertension and heart failure; on the other hand, it can be increased by atrial fibrillation. Key words： NADPH Oxidase； Cardiovascular disease 心血管疾病（cardiovascular disease，CVD）是我国死亡率最高的疾病之一。有研究表明慢性或急性的活性氧（reactive oxygen species, ROS）过量产生与心血管疾病的发生发展密切相关。 因为ROS在信息传递、基因转录、细胞生长和凋亡以及内皮依赖性的血管舒张中的作用使其成为血管生物学中重要的部分。ROS包括O2和H2O2。体内有多种酶参与ROS的生成，比如：从线粒体电子转移链中漏出、黄嘌呤氧化酶、环氧合酶、脂氧合酶血红素加氧酶，但与血管的病理学相关的导致过氧化的酶只有黄嘌呤氧化酶、细胞色素P450、解链的一氧化氮合成酶和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NADPH氧化酶，NADPH oxidase，NOX），而NADPH氧化酶是产生血管过氧化物的主要来源。研究证实过氧化物参与了临床许多心血管疾病的病理过程，其中NADPH氧化酶起着重要的作用。1 NADPH氧化酶的分类和表达 NADPH氧化酶目前被认为是血管内生成活性氧的主要酶体。NOX家族包括NOX1、NOX2（gp91phox）、NOX3、NOX4和NOX5[1]。NOX1主要在结肠上表达，在前列腺、子宫和血管平滑肌细胞（VSMC）也有少量表达，是含有564个氨基酸的蛋白质，包括6个跨膜片段和构型（motifs），具有与NADPH、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和两个血红素分子相连的重要作用。NOX2主要在粒细胞和单核吞噬细胞中表达。NOX3主要在胎肾表达。NOX4主要在成年肾表达，也在内皮细胞、平滑肌细胞、破骨细胞、成纤维细胞、卵巢和眼睛中表达。在血管细胞中，内皮细胞主要表达NOX4，而VSMC主要表达NOX4和NOX1。NOX5主要在脾、精液、乳腺和大脑表达。 细胞NADPH氧化酶是吞噬细胞（中性粒细胞、单核/巨噬细胞）产生ROS的主要来源。这个过程需要4个亚单位[2]：gp91phox、p22phox、p47phox和gp67phox。这些酶的附加部分包括p40phox和小G蛋白Rac和Rap1A。gp91phox和p22phox组成细胞膜的复合物称为细胞色素b558，位于细胞器和细胞膜的胞浆面。gp91phox是这些细胞色素氧化酶的激动剂，连接3个修复成分：1个FAD和2个亚铁血红素分子。另一个蛋白复合物由p47phox、p67phox和p40phox组成，是在不与细胞色素酶发生作用的静息的细胞质中。氧化的激动有两个条件：在小G蛋白上GTP和GDP的相互转变和p47phox亚单位被蛋白激酶C的磷酸化[3]。激动了的细胞浆复合物的构型发生变化，释放p40phox与Rac连接。这个激动的细胞浆复合物与位于细胞膜上的细胞色素酶连接形成的功能酶体被认为是包括每一个phox亚单位的复制体，如Rac和Rap1A。还原的酶解物NADPH与gp91phox连接在细胞膜的胞浆面释放两个电子，传递给FAD形成两个亚铁血红素组,最后在接受膜对面的两个连接的氧分子，产生两个过氧化物基团。因为这个过程使两个阴离子通过细胞膜，通过通道与一方面的质子的传递达到电的平衡。一但被激动吞噬细胞会产生大量的过氧化物。 血管NADPH氧化酶：血管壁也可通过类似中性粒细胞产生过氧化物。血管细胞可以表达NOX2，也可表达NOX1、NOX4和NOX5[4]。NOX家族其他成员从一个还原的酶解物传递电子到氧分子的途径与NOX2相同。 研究表明NADPH是过氧化物的主要来源。有学者[5]在观察高脂饲养的兔子的动脉血管产生ROS的研究中，用NADPH氧化酶的抑制剂二甲苯基碘（dephenylene iodonium，DPI）可以明显减少ROS的产生，而用其他氧化酶抑制剂如黄嘌呤氧化酶oxypurinol、线粒体电子传递链抑制剂rotenone或一氧化氮合成酶抑制剂NGmonomethylLarginine却不能减少ROS的产生。相反，当加入底物NADH或NADPH时，ROS可以增加，而加入其他氧化酶时，ROS并不增加。这个结果提示NADPH氧化酶是血管产生ROS的主要酶体[6，7]。2 NADPH氧化酶与心血管疾病 2.1 NADPH氧化酶与动脉粥样硬化（atherosclerosis, AS） 2.1.1 NADPH氧化酶在冠状动脉上的表达增加 有研究发现在AS的血管各层均有O2的明显增加，以AS斑块的肩部更明显，易破裂斑块O2的生成量较稳定斑块明显增高；在有AS病变的冠脉p22phox的表达远高于正常冠脉，在斑块肩部的巨噬细胞中，p22phox的表达增强[8]。也有研究显示：NOX2mRNA水平在AS的第Ⅳ阶段（粥样斑块）（美国心脏学会标准 AHA）和第Ⅵ阶段（复合病变）分别是第Ⅰ阶段（脂质点）的3.9和8.6倍，NOX4mRNA水平在AS的第Ⅳ阶段是第Ⅰ阶段的2.3倍，而在严重的复合斑块中，NOX4只有第Ⅳ阶段的12.8%。NOX2在AS斑块的肩部和病变严重处表达增高，主要与动脉管壁中的巨噬细胞浸润增多有关。NOX4在斑块的脂质核周围表达增加，主要与AS病变处SMC（α肌动蛋白表达呈阳性）在AS不同阶段的比例有关[8]。 2.1.2 NADPH氧化酶参与动脉粥样硬化的机制 NADPH氧化酶在动脉血管上的表达增加，可以产生大量的活性氧。活性氧可以使LDL发生氧化，形成氧化型低密度脂蛋白（oxLDL）。OxLDL穿过血管内皮细胞层进入内膜下，被吞噬细胞吞噬形成泡沫细胞[9]，泡沫细胞逐渐堆积形成早期的AS病变脂质条纹。而oxLDL也可引起NADPH氧化酶表达的增加。Uwe等[10]发现oxLDL可诱发人脐静脉内皮细胞（hUVEC）中的NOX2的表达和过氧化物的释放，而且有短暂的剂量依赖关系。Tham等[11]发现oxLDL可通过激活人冠状动脉内皮细胞中的NOX4而促进活性氧的生成。NADPH氧化酶使LDL氧化形成oxLDL是动脉粥样硬化发生的重要机制。 正常的血管内皮功能是保护血管、防止动脉粥样硬化的重要条件。一氧化氮（NO）是维持血管内皮功能重要物质。过氧化物的增多抑制内皮细胞NO合成酶的活性并加速NO的降解，使有活性的NO减少而导致内皮功能失调，增加动脉粥样硬化发生的风险。Tomasz等[12]通过检测133例冠心病患者的大隐静脉过氧化物的产生和NADPH氧化酶的活性发现，NADPH氧化酶是产生血管过氧化物的主要酶体，可以减弱NO的扩张血管的作用。内皮扩张血管作用的减弱和血管NADPH氧化酶活性的增强都增加了AS的临床危险因素。糖尿病和高胆固醇血症也与NADPH氧化酶的活性有关，它们已经被认为是动脉粥样硬化的重要危险因素。Wingler等[13]研究发现，在肾素血管紧张素系统活性高表达的转基因雄性大鼠的主动脉和肾脏中，NOX1 mRNA、NOX4 mRNA和NOX4蛋白水平较野生大鼠明显增高，由NOX1和NOX4介导的O2生成增多，这些O2能灭活NO使内皮功能失调，导致心血管病的发展。 2.2 NADPH氧化酶与高血压 大量动物实验结果支持O2在高血压产生中的作用。在DOCA盐[14]、输入血管紧张素Ⅱ[15]、2肾1夹闭、1肾1夹闭[16]和SHR等高血压动物模型中，血管细胞产生的O2是增加的，通过使用抗氧化剂、肝素结合的SOD或NADPH氧化酶的基因敲除使小鼠的血压部分正常，显示了O2的重要功能。而在对照组，去甲肾上腺素导致的高血压并没有O2的增加或过氧化的表达的增强，这个结果提示，O2的增加可能参与高血压的发展过程。 在各种方法引起的高血压中，ROS的增加来源于NADPH氧化酶，氧化酶通过触发内皮NO合成酶解链的机制而减少NO的生成，从而导致高血压。在动物模型中[17]，p22phoxmRNA在主动脉的各层中的表达均增加，而在血管壁中，并没有发现巨噬细胞的侵入。而在高血压患者的成熟淋巴细胞中，p22phox的信息表达是上调的。相反，在ANGⅡ输入引起的高血压通过使用蛋白激酶C（PKC）抑制剂或AT1受体拮抗剂后，p22phox的活性随着血压的下降而下降，这些都提示了p22phox的上调与高血压的关系。在人的肾素基因的过度表达或输入ANGⅡ而引起的高血压小鼠，NOX1 mRNA显著上调，NOX4 的mRNA和蛋白质水平，在主动脉和肾脏都有一定程度的增加。而在使用白屈菜红碱（chelerythrine）后，NOX1的表达和血压都显著地下降。这些观察提示NOX1和NOX4可能参与了血压的调节[18]。Wang等[19]研究发现在小鼠中人的SOD的过度表达并不能改变血管紧张素Ⅱ引起的肥大反应，提示是H2O2在体内调节VSMC的增生，而不是O2；这个结果表明O2和H2O2引起高血压的机制不同，O2使NO失活，而H2O2使血管重构。 2.3 NADPH氧化酶与心力衰竭 许多研究提示氧化应激在心室的重构和心力衰竭的发展过程起着重要的作用。心肌中ROS的过多产生可能参与了心力衰竭的病理过程。而NADPH氧化酶是ROS产生的主要酶体。Christophe等[20]通过分别检测无心力衰竭心脏的心肌和心力衰竭终末期心脏的心肌中NADPH氧化酶亚单位的表达和活性发现：氧化酶亚单位p22phox、gp91phox、p67phox和p47phox在无心力衰竭心肌和心力衰竭心肌的细胞中mRNA和蛋白水平都有表达。NADPH氧化酶在终末期心力衰竭心肌中的活性比无心力衰竭心肌的活性显著增高（5.86±0.41比3.72±0.39;P<0.01）。氧化酶亚单位在两者总的表达水平是相同的，但是在心力衰竭心肌的细胞膜上，p47phox的易位是明显增加的。 NADPH氧化酶的激活通过以下途径[21]：（1）易位后蛋白的修饰和调节亚单位的易位；（2）氧化酶亚单位表达的增加。目前研究的结果是心力衰竭终末期心脏中NADPH氧化酶活性的增加是心肌纤维膜上的p47phox的易位而不是氧化酶亚单位表达的显著增加。氧化应激的增强可以激活氧化还原信息途径而导致改变基因的表达，而这种表达与心脏的肥厚、纤维化和重构有关。氧化应激可以促进心肌细胞凋亡、减低NO的生物活性而导致内皮功能障碍。 2.4 NADPH氧化酶与心房颤动 心房颤动是临床常见的心律失常。有学者研究发现心房颤动可以增加过氧化物的产生。Samuel等[22]通过快速心房起搏引起猪发生心房颤动，然后采用两种不同的方法检测心肌组织中O2的含量。一种方法是电子自旋共振，另一种是细胞色素C减少测定。与相同心室率的对照组相比，在左房和左心耳的O2的含量分别增加了2.7倍（P<0.01）和3.0倍（P<0.02）。采用细胞色素C减少检测的方法也观察到在左心耳中O2的含量增加了3倍。另外用夹竹桃麻素和羟嘌呤醇可以减少左心耳中O2的含量，提示NADPH氧化酶和黄嘌呤氧化酶都能促进心房颤动中O2的产生。通过心房组织纯基因子(atrial tissue homogenates)的检测证实在左心耳NADPH氧化酶（P＜0.05）和黄嘌呤氧化酶（P＜0.05）都有增加。虽然NADPH氧化酶的亚单位的表达没有变化，随着NADPH氧化酶的激动剂GTPloaded Rac1的增加，过氧化物的产生也增加。由此可见心房颤动可以引起左心房和左心耳的O2的产生，而O2的增加又可引起心房颤动的病理过程比如血栓的形成、炎症和组织的重构。3 NADPH氧化酶抑制剂的作用 目前NADPH氧化酶的抑制剂多处于研究阶段。Pagono等[23]利用由HIV包被蛋白的9个氨基酸和gp91phox的9个氨基酸组成嵌合肽 gp91dsTat,它能与p47phox结合，从而干扰p47phox与gp91phox结合，是一种高效的依赖gp91phox的NADPH氧化酶抑制剂。它可以调节内皮细胞中单核细胞趋化蛋白1（MCP1）的表达、气囊损伤后新生内膜的形成和由AngⅡ诱发的高血压。SI17834(苯吡喃的衍生物)和Azelneidipine（一种钙拮抗剂）都能通过抑制NADPH氧化酶的活性而阻断内皮细胞中由TNFα诱发的VCAM1和IL8的表达；SI17834还能减轻载脂蛋白E缺陷鼠的As病灶[24]。临床上用来降低胆固醇的一种他汀类药物阿托伐他汀被发现可以使自发性高血压大鼠（SHR）主动脉NOX1mRNA表达下调，并能上调主动脉过氧化氢酶mRNA，还可抑制主动脉rac1的易位而影响NADPH氧化酶的活性，降低O2的生成，改善血管舒张功能[1]。高脂血症患者中oxLDL的抗体iPs水平增加，也可导致ROS的增加，他汀类药物可以降低胆固醇，也可减低ROS水平，可能与其干预血管NADPH氧化酶低分子G蛋白Rac的牛儿基牛儿丙基化有关。其他还有夹竹桃麻素和DPI等能抑制NADPH氧化酶的组装。4 展望 NADPH氧化酶参与了AS、高血压、心力衰竭心血管疾病的病理过程，也可以被如心房颤动等疾病所激活，进一步影响心脏的病理变化。NADPH氧化酶与AS的关系较为明确，但其具体的作用机制尤其是吞噬细胞源与血管源的NADPH氧化酶相互作用的机制尚需要更深入的研究。有关NADPH氧化酶在人高血压的作用机制的研究还较少，也需要进一步研究。并且应同时研究发现抑制NADPH氧化酶的药物，更好地防治心血管疾病的发生和发展。参考文献：【参考文献】［1］Wassmann S, Laufs U, Muller K, et al. 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