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氧化应激与抗氧化治疗
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氧化应激与抗氧化治疗
一、自由基生物学研究的历史
自由基是含有未成对电子的原子、原子团或分子。自由基是维持正常生命所必需的物质，自由基反应是能量代谢的基础，部分自由基是细胞内重要信号分子，自由基也是生物大分子、细胞的危险杀手[23]。生理情况下，体内自由基不断产生，也不断被清除，使之维持在一个正常生理水平上，自由基过多或过少均会给机体造成不利影响甚至伤害。生物体内自由基类型有很多，例如半醌类、氧、碳和氮自由基等，其中研究比较多的是氧自由基和氮自由基。氧自由基包括超氧阴离子、单线态氧和羟自由基，因过氧化氢等在生物学作用上与氧自由基类似，常把氧自由基和过氧化氢等共称为活性氧。
从自由基被发现到进入医学生物领域，先后经历了几个重要阶段。1775年，英国化学家发现了氧气，人们知道氧气是人体所必需的物质，后来人们逐渐认识到氧气的毒性作用，但没有认识到自由基存在。1900年以前，人们对自由基的认识很局限，认为是化学反应过程可能存在的一类活性分子，但也只是停留在理论推测上。1900年Gomberg成功制备出可以独立存在的自由基三苯甲基，才真正认识到自由基是可以独立存在的物质。但这个阶段人们并没有把自由基与生物学联系起来。
上个世纪五六十年代，辐射生物学的研究，证明自由基可导致机体损伤，才启动了自由基生物学。但此时仍没有意识到机体内存在自由基。1969年，美国学者McKord和 Fridovich发现了SOD，才使人们认识到自由基是机体的组成成分。1973年，Babior等证明了炎症反应与自由基的关系。1981年，Granger等证明了缺血再灌注损伤与自由基的关系，才引起了自由基生物学的研究高峰。这时，人们普遍认为，自由基是造成组织细胞损伤的元凶，能清除自由基的物质可以治疗各类自由基引起的损伤。一直到现在，仍有一些人坚持这样的错误观点。
随着研究的深入，人们逐渐认识到，自由基不仅可引起机体损伤，也是生物活性物质，具有重要的生理作用。其中最重要的一个发现，就是确定了一氧化氮是一种信号分子。近年来，又先后证明，过氧化氢，甚至超氧阴离子等常见活性氧都具有信号调节作用。
二、氧化应激与抗氧化的思路
最近几年，关于自由基或活性氧有几个比较重要的进展值得关注。一个是内源性抗氧化，另一个是抑制活性氧的产生，最后是选择性抗氧化。
氧化应激损伤是许多疾病发生的基础，但也会同时启动机体产生内源性保护反应，产生何种结果关键是氧化应激的程度，严重的氧化应激可产生损伤，但适度的氧化应激可动员机体产生保护作用(Apel K,et al.2004)。
关于氧化应激启动内源性保护反应的研究很多，其中研究比较深入的是抗氧化反应元件。NF-E2-related factor（Nrfs）是启动抗氧化反应元件的转录因子，属于抗氧化反应元件CNC(cap‘n’collar)转录因子家族，其主要成员有Nrfs和Bachl-2。CNC转录因子需要与其它同类蛋白结合形成异二聚物后，才能反式作用于抗氧化反应元件(ARE)介导靶基因的表达，小Maf蛋白能与CNC转录因子形成异二聚物，而且这些复合物在抗氧化剂诱导的氧化应激反应中，能改变ARE介导的靶基因表达。ARE介导的靶基因主要包括II相酶，如谷胱甘肽硫转酶（GST）、血红素加氧酶（HO-1）和醌还原酶（NQO1）等。这些酶大部分是机体抗氧化能力的重要组成部分(Clark J, et al. 2008)。
Nrfs有Nrf1、Nrt2和Nrf3三种亚型。Nrfl、Nrt2都参与氧化应激反应，促进ARE介导的抗氧化基因转录，但Nrf3的功能还不是很清楚，其中对Nrt2的研究最多。在静息细胞中，绝大部分Nrf2在细胞质中以非活性状态和Keapl相结合，Nrt2的Neh2结构域是其结合部位，另一部分以活性状态存在于细胞核中介导基因的基本转录。Keapl可抑制Nrf2活性并介导Nrt2降解。Keapl从Keapl-Nrf2复合物中解离后，活性状态的Nrf2增加，核转位后启动转录活性(Kobayashi M et al. 2002)。当暴露于氧化应激或亲电子物质时，通过细胞外信号通道途径蛋白激酶C(Protein kinase C，PKC)、磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)和(或)丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)途径，致使Nrt2磷酸化而调节ARE活性，Nrt2从Keapl-Nrf2的复合物中解离是Nrf2核转位并在核内积聚的基础。也有研究认为，真核起始因子2 (Eukaryotic initiation factor 2 alpha，elF2)激酶家族成员中的PERK(PKR-like endoplasmic reticulum kinase)能够直接作用于Nrt2而使其磷酸化，PERK依赖的磷酸化发生在Nrt2的Neh2结构域，导致构象改变而触发了Keapl-Nrt2复合物的解离，并阻止它们重新形成复合物，并认为PERK途径PERK活化后触发的UPR是胞浆中Keapl-Nrt2解离和继后Nrt2核转位的必需和充分条件(Rushworth SA et al. 2006; Kweon MH et al. 2006)。除内源性氧化应激外，研究还发现，许多天然和合成物质具有激活Nrf2的作用，其中莱菔硫烷(sulforaphane，SFN)是目前发现作用最强的物质(Fahey JW et al. 2002)。
众所周知，体内活性氧的产生一般都来自氧化还原反应，如果能抑制氧化还原反应，就能减少活性氧的产生，能发挥这样作用的物质有一氧化碳和硫化氢，当然这些物质的毒性都很强，目前尚难以直接应用与临床，将来也许能通过研究这些物质，开发出毒性弱的替代药物。
选择性抗氧化的研究是基于这样的事实，在各种活性氧中，过氧化氢和一氧化氮等具有非常重要的信号作用，毒性作用很弱，而羟自由基和过氧亚硝基阴离子毒性强，是导致细胞氧化损伤的主要介质[24，25]。过去人们针对氧化应激损伤治疗的研究思路是寻找足够强的还原性物质，但还原性太强，必然导致内源性氧化还原状态的失衡，甚至是导致抗氧化治疗无效的关键原因。因此，寻找可选择性中和羟自由基和过氧亚硝基阴离子的物质，是治疗各类氧化损伤的有效方法，是抗氧化应该选择的正确思路之一。特异性抗氧化是用比较特异的抗氧化物质来阻断那些主要损害机体的自由基，保留正常或好的自由基的方法，日本学者发现的一个药物：衣达拉奉，就是一个典型代表。最近有研究发现，氢气也是具有选择性抗氧化的物质之一，这也是将来研究的重要方向。
三、抗氧化的研究设想
上述三种抗氧化思路各有优缺点，内源性抗氧化的途径，是启动内源性抗氧化能力，应该是比较理想的思路，但由于需要经过基因表达，对那些急性氧化损伤很难起到明显效果。抑制活性氧产生也比较有效，但抑制氧化还原反应，必然干扰正常集体的生物学过程，产生的毒副作用会比较大。选择性抗氧化比较理想，但难以用与维持性治疗。那么，是否可以将这些方法结合起来，取长补短。最近，已经有人尝试将后两种方法联合治疗心脏移植的体外心脏保护，取得了比较可喜的效果，相信这将是将来抗氧化治疗的一个理想手段。
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