NADPH氧化酶介導(dǎo)的氧化應(yīng)激與心血管疾病內(nèi)皮祖細(xì)胞功能障礙

內(nèi)皮祖細(xì)胞; NADPH氧化酶; 氧化應(yīng)激; 內(nèi)皮祖細(xì)胞功能障礙

內(nèi)皮祖細(xì)胞(EPCs)是成熟血管內(nèi)皮細(xì)胞的前體細(xì)胞,屬于干細(xì)胞群體,不僅存在于骨髓,也存在于外周血。EPCs具有游走、增殖并能分化為成熟血管內(nèi)皮細(xì)胞能力,在維持內(nèi)皮完整與內(nèi)皮再生以及新生血管形成方面具有重要作用[1-2]。EPCs不僅參與生理性血管新生,也參與各種病理狀態(tài)下(如心肌缺血、高血壓、高血脂和高血糖等)的傷口愈合和組織再生。然而在這些疾病情況下,EPCs功能往往受損,導(dǎo)致機(jī)體維持內(nèi)皮完整和血管穩(wěn)態(tài)的能力下降[3]。EPCs的鑒定是基于其細(xì)胞表面標(biāo)志物和分化為相應(yīng)細(xì)胞所具有的特定功能。EPCs通常被認(rèn)為可以分化為三種細(xì)胞群,分別是能形成血管的成熟內(nèi)皮細(xì)胞,骨髓多功能成年干細(xì)胞和骨髓單核細(xì)胞。

EPCs功能障礙與許多心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),如高血壓、冠心病和中風(fēng)等。然而引起EPCs功能障礙的機(jī)制目前尚未闡明。最近有文獻(xiàn)報(bào)道,NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激在多種心血管疾病EPCs功能障礙中起重要作用,而抑制NOX可以改善EPCs的功能[4]。

1 NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激和EPCs功能障礙

氧化應(yīng)激是指機(jī)體內(nèi)活性氧(ROS)生成過多或/和抗氧化能力降低,導(dǎo)致ROS在機(jī)體內(nèi)大量蓄積而引起氧化損傷的過程。ROS對機(jī)體的利弊取決于其含量、作用時(shí)間、來源以及產(chǎn)生的部位。適當(dāng)?shù)腞OS對維持機(jī)體正常的生理功能必不可少,然而過量ROS則會(huì)對細(xì)胞組織產(chǎn)生損害作用。低水平ROS(如O2-和H2O2)對正常細(xì)胞的生長、遷移、分化、衰老和凋亡起到重要作用。過量的ROS則可通過多種機(jī)制改變細(xì)胞的正常功能,如直接攻擊細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)各種大分子物質(zhì)(如核酸、蛋白質(zhì)),導(dǎo)致細(xì)胞壞死或激活氧化還原信號(hào)途徑促進(jìn)細(xì)胞凋亡、衰老、增殖、遷移等,參與多種疾病(如動(dòng)脈粥樣硬化、心衰、糖尿病等)的病理過程[5-6]。

現(xiàn)已證明,氧化應(yīng)激可導(dǎo)致EPCs功能障礙。在多種病理狀況下,氧化應(yīng)激水平上升不僅使EPCs數(shù)量減少,也造成EPCs功能障礙。在體外,高濃度H2O2能誘導(dǎo)EPCs的凋亡,減少EPCs數(shù)量;在大鼠心肌缺血模型中,ROS上升的水平與EPCs數(shù)量降低密切相關(guān);在臨床研究中,ROS水平增加伴隨著外周血EPCs數(shù)量減少和功能下降,如EPCs動(dòng)員能力、遷移能力和形成血管內(nèi)皮能力下降[7-8]。

促氧化酶體系是機(jī)體ROS的重要來源,包括NADPH氧化酶、黃嘌呤氧化酶、細(xì)胞色素酶P450、一氧化氮合酶等,其中NOX來源的ROS最引人注目。NOX是心血管系統(tǒng)O2-的主要來源(NADPH+2O2NADPH++H++O2-)[9-10]。NOX家族包括7個(gè)成員,被命名為NOX1-NOX5、DUOX-1 和 DUOX-2。 其中 NOX1、NOX2、NOX4主要表達(dá)在心血管系統(tǒng),NOX3在內(nèi)耳高表達(dá)。DUOX-1、DUOX-2主要表達(dá)在甲狀腺內(nèi)皮細(xì)胞,而NOX5則不存在于嚙齒動(dòng)物中。NOX復(fù)合體由胞質(zhì)亞單位(NOX1、 NOX2 和 NOX4)、 p22phox、 p47phox、p67phox和小GTP酶Rac1組成。正常條件下,NOX可維持生理水平的O2-和H2O2。病理狀況下,NOX能被迅速激活產(chǎn)生大量ROS,介導(dǎo)氧化應(yīng)激。

已有文獻(xiàn)報(bào)道NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激是促進(jìn)EPCs功能障礙的重要因素。我們實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn),在Ang II誘導(dǎo)EPCs衰老的細(xì)胞模型中,降鈣素基因相關(guān)肽(CGRP)可以通過下調(diào)NOX2的表達(dá)和ROS的生成抑制EPCs衰老[11];在同型半胱氨酸誘導(dǎo)的EPCs凋亡模型中,阿托伐他汀可以通過p38MAPK途徑抑制NOX4表達(dá)和ROS生成而促進(jìn)EPCs功能恢復(fù);與年輕小鼠相比,老年小鼠EPCs的功能(如遷移、分化等)明顯下降,這一現(xiàn)象在NOX2基因敲除的老年鼠中得到明顯改善[12]。這些報(bào)道均支持NOX來源的ROS在促進(jìn)EPCs功能障礙中發(fā)揮重要作用。

2 NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激與高血壓EPCs功能障礙

內(nèi)皮功能障礙與高血壓形成密切相關(guān)。高血壓內(nèi)皮功能不全涉及多種機(jī)制,EPCs功能障礙和數(shù)量減少被認(rèn)為是其中重要機(jī)制之一。在自發(fā)性高血壓大鼠和原發(fā)性高血壓患者中,我們實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)外周血中衰老EPCs數(shù)量明顯增加,促進(jìn)了內(nèi)皮功能不全和高血壓的形成[13]。最近,Suzuki R等人報(bào)道,與正常對照比較,原發(fā)性高血壓患者外周血EPCs數(shù)量明顯減少,其數(shù)量減少量與高血壓嚴(yán)重程度密切相關(guān)。通過降壓治療不僅能控制血壓還可以恢復(fù)EPCs功能。這些研究說明有功能障礙的EPCs可能促進(jìn)高血壓的發(fā)生發(fā)展,也可能促進(jìn)了原發(fā)性高血壓患者中心血管并發(fā)癥的發(fā)生[14]。

大量研究表明氧化應(yīng)激參與了高血壓的形成。例如,自發(fā)性高血壓大鼠ROS生成增加,過表達(dá)超氧化物歧化酶SOD可以降低血壓。作為心血管系統(tǒng)中ROS主要來源,NOX在高血壓發(fā)生發(fā)展中起重要作用。在高血壓動(dòng)物模型中,NOX表達(dá)上調(diào),給予NOX抑制劑apocynin可以降低血壓,減少血管重構(gòu)。如前所述,功能障礙的EPCs能促進(jìn)高血壓內(nèi)皮功能紊亂,其中NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激發(fā)揮了重要作用。脫氧皮質(zhì)酮誘導(dǎo)的高血壓大鼠模型中,EPCs數(shù)量減少且功能減弱,伴隨 NOX活性提高和 NOX亞基 gp91(phox)、p22(phox)和Rac1表達(dá)增加,而抑制NOX能明顯增加EPCs數(shù)量和改善EPCs功能[15];在腦卒中易感的自發(fā)性高血壓大鼠中,EPCs中g(shù)p91(phox)、p22(phox)和 p47(phox)的mRNA表達(dá)增加,同時(shí)伴有EPCs數(shù)量減少,集落形成減少,這些現(xiàn)象可被Ang II受體抑制劑氯沙坦逆轉(zhuǎn)[16]。

NOX可以通過多種機(jī)制損傷EPCs。血壓升高時(shí)通常伴隨NOX活性增加,NOX源性的ROS可以誘導(dǎo)EPCs壞死或凋亡。NOX抑制劑能降低Bax/Bcl-2比例,降低EPCs凋亡率。NOX源性的ROS在加速EPCs衰老時(shí)也發(fā)揮重要作用。在自發(fā)性高血壓大鼠或原發(fā)性高血壓患者中外周血EPCs衰老率增加,抑制NOX能增加端粒酶活性,降低衰老相關(guān)蛋白P53水平[15]。

3 NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激與高脂血癥中EPCs(或內(nèi)皮細(xì)胞)功能障礙

ROS參與高脂血癥血管內(nèi)皮損傷和內(nèi)皮功能紊亂。高脂血癥患者中血漿ROS水平顯著增加,其中NOX是血管ROS的主要來源;在高脂血癥大鼠模型中,血管收縮和舒張功能下降,伴隨NOX表達(dá)上調(diào)和ROS水平上升;在高膽固醇誘導(dǎo)的小鼠動(dòng)脈粥樣硬化模型中,Kinkade等人發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈粥樣斑塊中ROS主要來源于NOX。給予NOX抑制劑apocynin后在降低主動(dòng)脈血管中超氧化物水平的同時(shí)也能減少動(dòng)脈粥樣斑塊數(shù)量和面積[17]。

事實(shí)上,NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激不僅引起了內(nèi)皮細(xì)胞損傷,還可損害EPCs。高脂血癥小鼠模型中,NOX表達(dá)上調(diào),ROS生成增加,EPCs功能受損。在Nox2-/-小鼠中,高脂血癥誘導(dǎo)ROS生成減少,EPCs和內(nèi)皮功能得到改善;給予伊伐布雷丁治療高脂血癥小鼠,發(fā)現(xiàn)小鼠主動(dòng)脈壁中NOX活性、超氧化物和脂過氧化物都明顯減少,伴隨內(nèi)皮細(xì)胞和EPCs功能明顯改善。與伊伐布雷丁比較,給予苯肼噠嗪治療雖能明顯降低小鼠血壓,但并未明顯降低NOX活性,也未明顯改善內(nèi)皮細(xì)胞和EPCs功能[18-19]。這些結(jié)果均支持NOX在高脂血癥血管內(nèi)皮功能紊亂的發(fā)生中起重要作用。

4 NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激與缺血性相關(guān)疾病EPCs功能障礙

氧化應(yīng)激是心肌缺血或腦卒中引起心肌細(xì)胞或神經(jīng)細(xì)胞死亡的重要機(jī)制之一。最近研究發(fā)現(xiàn),缺血30分鐘/再灌24小時(shí)后,與野生型比較,NOX1或NOX2基因敲除小鼠心肌梗死面積顯著減少,而NOX4基因敲除小鼠心肌梗死面積未明顯變化,提示由NOX1和NOX2產(chǎn)生的ROS在心肌缺血損傷起到重要作用[20]。然而在腦缺血/再灌動(dòng)物模型中,NOX2和NOX4來源的ROS在腦缺血損傷中發(fā)揮主要作用。一旦發(fā)生缺血,促血管生成和血管再生都是在缺血環(huán)境下保護(hù)心肌細(xì)胞或神經(jīng)細(xì)胞的重要機(jī)制[21-22]。在血管生成過程中,EPCs能通過產(chǎn)生各種促血管形成因子和生長因子而促進(jìn)前體內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移。缺血時(shí),外周血和骨髓中EPCs能被動(dòng)員并歸巢到缺血組織,從而參與缺血組織血管形成[23]。

NOX來源的ROS對EPCs來說是一把雙刃劍。低水平ROS能作為信號(hào)分子促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移、分化和維持血管完整。然而過多ROS與血管內(nèi)皮功能紊亂,EPCs功能障礙和血管形成受損密切相關(guān)。在后肢缺血的小鼠模型中,NOX2表達(dá)和ROS生成在缺血組織明顯增加。NOX2基因敲除小鼠血流恢復(fù)更快,缺血肌肉中毛細(xì)血管生成更多,EPCs功能改善更明顯,提示在缺血時(shí)NOX2介導(dǎo)的氧化應(yīng)激促進(jìn)了EPCs功能障礙形成[24]。然而,在相同的模型中,NOX2基因敲除小鼠ROS生成減少,同時(shí)外周血中EPCs數(shù)量也減少,提示NOX2來源的ROS對維持和動(dòng)員EPCs參與缺血組織血管再生起到重要作用[6]。對于這兩種看似矛盾的現(xiàn)象,我們推測可能與ROS水平高低有關(guān)。在前面提到的后肢缺血小鼠模型中,小鼠缺血前后都經(jīng)過香煙煙霧處理,而后者沒有。因此,前者處于應(yīng)激狀態(tài),即使NOX2敲除,仍能維持高水平的ROS,而后者在NOX2敲除后,ROS的基礎(chǔ)水平下降,影響了EPCs的動(dòng)員。

到目前為止,已有少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道腦缺血時(shí)NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激對EPCs功能的影響。在大鼠腦缺血損傷模型中,過表達(dá)血管緊張素轉(zhuǎn)換酶II能明顯降低NOX2和NOX4的表達(dá),減少ROS產(chǎn)生同時(shí)伴有EPCs遷移功能改善,血管形成增加,這提示NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激加劇了腦缺血時(shí)EPCs功能損傷[25]。給予Ang II受體阻斷劑坎沙坦和氯沙坦后能促進(jìn)大鼠腦缺血模型EPCs功能恢復(fù)。自發(fā)性高血壓腦卒中易感大鼠,在抑制NOX活性后,減少ROS生成后也能改善EPCs的功能[16-26]。

5 結(jié) 語

EPCs在生理和病理?xiàng)l件下對維持內(nèi)皮完整和血管穩(wěn)態(tài)(血管形成)起到重要作用。功能異常的EPCs與各種心血管疾病發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。到目前為止,NOX介導(dǎo)的氧化應(yīng)激促EPCs功能障礙的作用及其與心血管疾病的關(guān)系已達(dá)成共識(shí)(見圖1),NOX抑制劑也顯示具有改善EPCs功能的作用。然而,仍有許多問題有待解決。例如,為何不同NOX亞型對EPCs功能影響不同?在生理和病理?xiàng)l件下,NOX基因表達(dá)是如何被調(diào)節(jié)的?解決這些問題,將為尋找改善內(nèi)皮細(xì)胞功能和阻止心血管疾病發(fā)生發(fā)展的藥物提供理論依據(jù)。

圖1 NADPH氧化酶與心血管疾病內(nèi)皮祖細(xì)胞功能障礙

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專家簡介: 彭軍,男,留美博士后,博士生導(dǎo)師,中南大學(xué)“升華學(xué)者計(jì)劃“特聘教授。中南大學(xué)藥理學(xué)系副主任,兼任《中國動(dòng)脈硬化雜志》、美國Austin J Pharmacol&Thera等雜志編委、國際動(dòng)脈硬化學(xué)會(huì)中國分會(huì)理事、湖南省藥學(xué)會(huì)理事等職。主要從事心腦血管疾病發(fā)生機(jī)制及藥物防治研究。已發(fā)表SCI論文70余篇;主持和參與“973“計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、美國心臟學(xué)會(huì)博士后基金等項(xiàng)目;獲得全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)、湖南省青年科技獎(jiǎng)、中華醫(yī)學(xué)科技獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。

R969

A

10.15972/j.cnki.43-1509/r.2015.02.001

彭軍教授

2014-12-21;

2015-2-2

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.81370250)和湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No.13JJ2008).

*通訊作者,E-mail:junpeng@csu.edu.cn.

(此文編輯:秦旭平)