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        腦小血管病與氧化應激

        2018-02-09 03:33:50葛永利王玉敏王洪權
        中國老年學雜志 2018年2期
        關鍵詞:氧化酶腦血管氧化應激

        葛永利 王玉敏 王洪權

        (內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院腫瘤內(nèi)科,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010017)

        腦小血管病(CSVD)是指由于各種病因影響腦內(nèi)小動脈、微動脈、毛細血管、微靜脈和小靜脈所導致的一系列臨床、影像、病理綜合。病理改變主要累及顱內(nèi)小血管(arteriole),主要表現(xiàn)為缺血性腦卒中、認知功能障礙和情感障礙等。主要病理學特點為腔隙性腦梗死、腦白質(zhì)高信號和腦微出血〔1〕;主要表現(xiàn)為腔隙性腦梗死、腦出血、皮質(zhì)下白質(zhì)病變、腦微出血和微梗死〔2〕。目前,CSVD的發(fā)病機制仍然不清楚,亦沒有有效的防治措施。本文就氧化應激在兩種類型CSVD〔3〕,即腦淀粉樣血管病(CAA)和非腦淀粉樣血管病(CNAA)中的作用進行梳理,同時對甘油醛-3-磷酸脫氫酶(NADPH)氧化酶介導產(chǎn)生的活性氧(ROS)參與CSVD病理機制進行了重點闡述,最后討論通過藥理學治療CSVD的可行性及潛在的NADPH氧化酶抑制劑現(xiàn)狀。

        1 氧化應激與腦血管功能失調(diào)

        氧化應激是指機體因外源性刺激或內(nèi)源性代謝的改變進而使ROS產(chǎn)生增加或清除減少,破壞機體的氧化還原平衡穩(wěn)態(tài),最終引起細胞內(nèi)ROS水平升高。氧化應激源于以ROS和活性氮(RNS)的形式存在的氧化物質(zhì)產(chǎn)生增多或抗氧化酶/抗氧化水平降低。

        氧化應激在腦血管功能中發(fā)揮重要作用。氧化應激通過干擾內(nèi)皮細胞依賴的一氧化氮(NO)信號通路損害腦血管功能〔4〕。過氧化物與NO反應,減少NO的生物利用度,減少NO的強效血管舒張作用、抗感染和抗增殖作用。這一反應可產(chǎn)生RNS 過氧亞硝酸根(ONOO-)。 ONOO-是強效氧化物,可加重腦血管功能失調(diào),引起蛋白和DNA損傷〔4〕。另外,高濃度的過氧化氫(H2O2)能夠誘導腦血管細胞凋亡的發(fā)生。NO生物利用度降低的另外一個重要結果是Rho激酶活性失調(diào)。NO具有調(diào)控腦微血管Rho激酶活性的功能,NO合成酶的功能抑制后會增加Rho激酶對血管張力的影響〔5〕。同時,ROS能夠直接增加Rho激酶通路活性〔6〕。相反,Rho激酶影響內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)表達和活性〔7〕。因此,NO的丟失可誘發(fā)惡性循環(huán),增加的Rho激酶活性導致NOS介導的NO產(chǎn)生減低,從而進一步增加Rho激酶活性。

        2 NADPH氧化酶

        圖1 NOX2 NADPH 氧化酶復合體激活機制示意圖

        3 NADPH氧化酶是腦血管系統(tǒng)ROS產(chǎn)生的主要來源

        線粒體和eNOS是在其正常的酶活動或功能失調(diào)過程中產(chǎn)生副產(chǎn)物ROS,而NADPH氧化酶唯一的主要功能是產(chǎn)生ROS的氧化酶家族〔10〕。催化亞基Nox1、Nox2、Nox4和細胞質(zhì)成分p47phox,p67phox均在mRNA水平和蛋白水平表達于腦血管系統(tǒng)〔11〕。研究表明,NADPH氧化酶在腦動脈中具有功能活性,是正常狀態(tài)下腦動脈ROS產(chǎn)生的主要來源〔12〕。 而氧化應激狀態(tài)下,NADPH氧化酶產(chǎn)生過多的過氧化物,參與一些血管相關疾病(如高血壓、糖尿病和高脂血癥)和年齡相關疾病的病理機制〔4,13〕。

        4 NADPH氧化酶與CSVD腦血管功能失調(diào)

        NADPH氧化酶是腦血管系統(tǒng)ROS產(chǎn)生的主要來源,NADPH氧化酶介導產(chǎn)生的ROS是腦缺血損傷的主要因素。Walder等〔14〕第一次證明NOX2 NADPH氧化酶是缺血性腦損傷的主要因子,本研究顯示在局灶性腦缺血模型中NOX2缺失的小鼠表現(xiàn)出較小的腦損傷。同時研究表明,NOX2 NADPH氧化酶參與腦缺血誘導的血腦屏障(BBB)破壞及BBB上游大的軟腦膜動脈的功能障礙〔15〕。在NOX4缺失的小鼠中,局灶性腦缺血氧化應激、神經(jīng)元凋亡和BBB破壞較野生型小鼠減低〔16〕。

        藥理學證據(jù)亦表明NADPH氧化酶參與腦缺血相關腦損傷機制。NADPH氧化酶抑制劑夾竹桃麻素(apocynin)在局灶性、全腦和慢性低灌注腦缺血模型中均具有神經(jīng)保護作用〔17〕,抑制BBB破壞、腦出血發(fā)生及ROS產(chǎn)生〔18〕。另外,在NOX2缺失小鼠中的研究表明,夾竹桃麻素的腦保護作用通過抑制NOX2 NADPH氧化酶的功能實現(xiàn)〔19〕。NADPH氧化酶抑制劑VAS2870鞘內(nèi)注射可減少局灶性腦缺血造成的腦損傷,其通過抑制NOX4 NADPH氧化酶發(fā)揮腦保護作用〔16〕。

        4.1NADPH氧化酶參與非腦淀粉樣血管病機制 CSVD的兩個重要危險因素包括高血壓和衰老。利用CSVD危險因素的實驗模型研究表明,氧化應激參與CSVD血管功能失調(diào)的病理機制〔15〕。嚙齒動物高血壓模型研究顯示,CSVD具有腦血流量減低、血管舒張功能損害、內(nèi)向重構(inward remodeling)及BBB損傷等特點〔20〕。血管緊張素(AT)Ⅱ在腦血管功能異常這一進程中發(fā)揮重要作用〔21〕。越來越多研究表明,NADPH氧化酶介導的氧化應激介導ATⅡ?qū)δX血管系統(tǒng)的損傷效應,ATⅡ能夠增加嚙齒動物腦血管NOX2 NADPH氧化酶介導的過氧化物產(chǎn)生〔19,21〕。而NOX2 NADPH氧化酶肽抑制劑gp91ds-tat或ROS清除劑MnTBAP能夠抑制ATⅡ引起的小鼠腦小動脈功能損害〔22〕。另外,在NOX2缺失小鼠中的研究進一步證明了NOX2 NADPH氧化酶在ATⅡ介導的小鼠腦小動脈功能損傷中的作用〔23〕。研究顯示,氧化應激和NADPH氧化酶介導高血壓/ATⅡ?qū)ξ⒀h(huán)的損傷作用。ROS清除劑四甲基哌啶(tempol)和NADPH氧化酶抑制劑夾竹桃麻素能夠減少ATⅡ處理的自發(fā)性高血壓腦卒中大鼠(SHRSP)BBB的損害〔24〕。

        氧化應激在腦血管結構改變過程中發(fā)揮重要作用。腦血管結構的改變對腦血流量具有復雜的作用。內(nèi)向重構能夠?qū)е卵鼙诘闹貥?,從而導致腦血管腔直徑的減小。在NOX2缺失小鼠中,ATⅡ引起的腦血管肥厚和內(nèi)向重構均降低,表明NOX2 NADPH氧化酶介導產(chǎn)生的ROS參與腦血管壁重構〔25〕。與CSVD相關的腦血管重構是發(fā)生在腦白質(zhì)的血管稀疏,后者源于側(cè)支血管數(shù)目的丟失和剩余血管管腔直徑的降低。最近研究顯示,腦血管稀疏發(fā)生于高血壓、衰老、糖尿病、高脂血癥和代謝綜合征的大腦軟腦膜小動脈和毛細血管〔26〕。ATⅡ 1型受體(AT1)和血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(ACE)能夠逆轉(zhuǎn)腦功能性毛細血管稀疏,并降低腦氧化應激〔27〕。

        研究顯示NADPH氧化酶介導產(chǎn)生的ROS參與衰老相關大腦血管的功能異常。衰老過程中,腦血管也發(fā)生各種改變。衰老可降低剩余的腦血流量(CBF)和損害血管內(nèi)皮-NO依賴的反應及神經(jīng)血管耦合〔28〕。在人類,衰老增加基底動脈和椎動脈等大血管的血管厚度和降低膨脹性。四甲基哌啶和MnTBAP能夠急性清除過氧化物,從而提高衰老小鼠腦血管NO依賴的血管舒張反應及神經(jīng)血管耦合〔29〕。夾竹桃麻素、二亞苯基碘(DPI)或 gp91ds-tat抑制NADPH氧化酶活性同樣能夠提高衰老小鼠腦血管功能。而在NOX2缺失小鼠中,不存在年齡相關的腦血管功能異常。

        而CSVD的其他危險因素,如高膽固醇血癥、糖尿病、肥胖和高同型半胱氨酸血癥均可誘導氧化應激發(fā)生,引起腦血管功能異常。在高膽固醇血癥載脂蛋白E基因敲除的小鼠中,NOX2敲除能夠阻斷ROS的產(chǎn)生和腦血管舒張的而損害〔4〕。同樣NOX2缺失,能夠阻止肥胖誘導的腦小血管的功能失調(diào)〔30〕。

        4.2NADPH氧化酶參與腦淀粉樣血管病機制 在腦淀粉樣血管中,β淀粉樣蛋白(Aβ)沉積于腦血管,導致血管運動裝置的改變,引起腦血管平滑肌的丟失〔31〕。同時Aβ可作為腦血管舒張的機械性阻礙,或干擾細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導。在存在CAA的衰老淀粉樣前體蛋白(APP)小鼠中存在明顯的氧化應激〔32〕。 在有CAA發(fā)生的APP轉(zhuǎn)基因小鼠模型中的研究發(fā)現(xiàn),CAA陽性的腦血管和氧化應激之間存在很強的關聯(lián)性〔33〕。研究顯示,氧化應激參與Aβ/CAA引起腦血管系統(tǒng)的損傷效應機制,四甲基哌啶慢性處理,能夠降低有CAA發(fā)生的APP轉(zhuǎn)基因小鼠模型氧化應激水平和增高腦小動脈的血管舒張反應性〔34〕。本研究同時表明氧化應激也參與CAA相關的微出血機制。另有研究顯示,氧化應激參與APP轉(zhuǎn)基因小鼠腦血管功能失調(diào)〔35〕。NOX2敲除或抑制NOX2能夠提高APP轉(zhuǎn)基因小鼠腦血管功能〔36〕。同樣,夾竹桃麻素或四甲基哌啶減少APP轉(zhuǎn)基因小鼠氧化應激和腦血管功能失調(diào)的發(fā)生〔34〕。因此,NADPH氧化尤其是NOX2是氧化應激誘導的CAA發(fā)生的始動因素。而可溶性Aβ亦參與腦血管的氧化應激損傷。存在可溶性Aβ而無CAA表現(xiàn)的年輕APP轉(zhuǎn)基因小鼠的大腦中,同樣存在氧化應激〔36〕。超氧化物歧化酶(SOD)過表達或ROS清除劑能夠提高APP轉(zhuǎn)基因小鼠的大腦血管的功能〔36〕。而進一步研究顯示,NOX2 NADPH氧化酶參與可溶性Aβ介導的氧化應激發(fā)生機制和腦血管功能失調(diào)〔37〕。最近研究顯示,夾竹桃麻素或四甲基哌啶能夠顯著降低老化APP轉(zhuǎn)基因小鼠CAA的形成,表明ROS和NADPH氧化酶參與血管淀粉樣蛋白病理機制〔34〕。

        5 抑制NADPH氧化酶是防治CSVD的靶標

        NADPH氧化酶介導產(chǎn)生的ROS參與CSVD及其危險因素引起的腦血管病理和腦損傷。因此,NADPH氧化酶抑制劑或許能夠成為防治CSVD的有效策略。DPI和夾竹桃麻素是最為常用的NADPH氧化酶抑制劑,二者均已經(jīng)用來闡述NADPH氧化酶在CSVD及其相關危險因素的動脈病理中的作用。然而引起具有非特異性效應限制其臨床應用。小分子NADPH氧化酶抑制劑第一個肽類抑制劑為gp91ds-tat,其能夠特異性抑制Nox2 NADPH氧化酶〔38〕。gp91ds-tat對研究NOX2 NADPH氧化酶的功能具有無價的藥理學研究工具作用。

        表1 新型NADPH氧化酶抑制劑

        通過對化合物庫的高通量篩選,一些具有前景的NADPH氧化酶抑制劑被發(fā)現(xiàn)〔39〕。三唑嘧啶類化合物(Triazolo pyrimidines)VAS2870 和VAS3947即是NOX2 NADPH氧化酶抑制劑〔40〕。吡唑并吡啶類化合物(Pyrazolopyridine)VAS2870 和VAS3947能夠抑制NOX1-,NOX4-及NOX5-NADPH氧化酶,具有口服生物吸收特性,安全性好〔41〕。類黃酮衍生物S17834具有NADPH氧化酶抑制劑活性,能夠抑制過氧化物產(chǎn)生〔42〕。依布硒啉(Ebselen)及其集中含硒類似物具有抑制NOX1-,NOX2-活性,其中的JM-77b具有選擇性抑制Nox2活性功能。依布硒啉具有很好的口服吸收特性,具有很好的安全性。其他具有前景的NADPH氧化酶抑制劑包括三苯基甲烷衍生物(Triphenylmethane derivatives)、膠草酸(Grindelic acid)和ML171。見表1。然而目前這些NADPH氧化酶抑制劑均處于研發(fā)階段,未能進入臨床試驗。因此更多研究應該聚焦研發(fā)具有良好的生物利用度和選擇性NADPH氧化酶抑制劑。未來研究需要進一步闡述Nox催化亞基的分子結構、NADPH氧化酶各亞基之間的相互作用,這些均對研發(fā)下一代選擇性NADPH氧化酶抑制劑至關重要。

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