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抗氧化剂应激

已有 9966 次阅读 2012-3-5 02:20 |个人分类:氢气效应基础|系统分类:科研笔记| normal, class, 抗氧化剂

Int. J. Mol. Sci. 2012, 13, 2091-2109; doi:10.3390/ijms13022091

氧化应激是许多疾病发生的重要原因，并广泛被人们接受。而且很容易让人联想到，抗氧化物质具有治疗疾病和保健作用。但是最近20年的研究，逐渐让人重新审视这种观点，甚至有人提出一个和氧化应激相反的概念：抗氧化剂应激。本人认为，无论从科普角度，还是从科研工作角度，系统了解抗氧化剂应激的概念十分必要。这里根据个人理解，介绍一篇最新综述。

摘要：抗氧化剂是市面最常见的健康产品。确实有许多报道显示抗氧化剂的有利作用，但更有不少质疑，甚至发现抗氧化剂的可能危害作用。氧化或抗氧化任何一个方面过度增加都可以造成身体内抗氧化物质和自由基之间的平衡被打破，从而导致危害。本文重点对抗氧化剂的危害性进行综述。简言之，当身体内抗氧化剂过度增加可以造成“抗氧化剂诱导的应激”。

一、背景和概念。

地球上原来没有现在这么多氧气，甚至早期的生命都是厌氧生物，现在仍有大量这类细菌存在，例如我们人体的大肠和口腔等部位就是它们的栖息地。后来地球上的氧气浓度大幅度提高后，更加适应有氧环境的需氧生物进化出来，并逐渐形成现在丰富多彩的生命现象。也可以这么说，就是因为有氧气的存在，才进化出现在的高等生命。在生命进化过程中，抗氧化酶的出现可能具有加速作用。因为厌氧生物普遍缺乏抗氧化酶如SOD、CAT(过氧化氢酶)，而这些抗氧化酶在需氧生物则普遍存在¹。需氧生物利用氧气产生化学能量维持细胞生存。在细胞生长、分化、适应和细胞死亡等正常生物功能中，活性氧和活性氮发挥重要作用，而正是需氧生物的代谢过程担负着产生活性氧和活性氮的任务²。在炎症反应中，活性氧和活性氮也具有重要作用，甚至可以说就是一类重要的炎症分子。总之，活性氧和活性氮不是生命物机体的敌人，而是朋友。正如Barry Halliwell的说法³：All aspects of aerobic life involve free radicals and antioxidants—you cannot escape them nor should you wish to‖.（不知道怎么翻译才好）

化学分子中，电子成对分布是稳定的。自由基的特征是拥有不成对电子的分子和原子，因此自由基有提供和获取电子的特点。细胞生物化学过程或外来自由基都是生物体自由基的常见来源。许多活性氧和活性氮是自由基。一些生物大分子如蛋白质和脂肪，当受到氧气、药物诱导的自由基、射线等作用后可以变成生物大分子自由基⁴。这种生物大分子自由基可导致细胞功能紊乱甚至死亡⁵。如当过氧化氢存在时，氨鲁米特通过修饰MPO为大分子自由基导致出现药物诱导的粒细胞缺乏症⁶。二乙基亚硝胺（致癌物）处理的大鼠肝脏内有脂质自由基（活体EPR）⁷。脂质自由基或被自由基修饰的脂质是动脉硬化形成的关键因素⁸。

根据Halliwell的定义，抗氧化剂是在低于氧化剂剂量条件下可以延缓氧化剂发生氧化反应的物质（也就是说是一种相对概念）⁹。正如自由基不是绝对有害，抗氧化剂也不是绝对有利。抗氧化剂的本质上是一种电子获得或给予中介物质。作为一种电子供应体，一旦发挥作用，抗氧化剂自身也必然因丢失电子必然变成自由基。当然这个新形成的自由基仍可以被其他抗氧化剂再次中和，然后后者变成新的自由基。如此反复形成循环或发生逆反应而形成缓冲对（类似酸碱缓冲对），这是一种典型的平衡系统。所谓氧化应激就是自由基的产生过多，而抗氧化的作用不足以对抗。显然，平衡也可以因抗氧化剂过多而发生倾斜。这种因抗氧化能力过强的紊乱被Dündar定义为抗氧化剂应激。当然细胞内抗氧化系统不仅是抗氧化剂，而且有一套精细的抗氧化酶系统。

二、自由基的生理功能。

自由基最重要的生理功能是作为信号分子。活性氧或活性氮在细胞因子受体、酪氨酸激酶受体、丝/苏氨酸激酶G蛋白偶连受体、铁通道相关受体如血管紧张素II、细胞因子、谷氨基酸、EGF、VEGF和PDGF受体的信号传导中发挥关键作用。自由基可以通过氧化还原调节NFkB、CREB、Nrf2和P53等信号分子¹⁰。超氧阴离子和过氧化氢可以直接激活ERK、PKB、MAPK和胰岛素受体激酶¹¹。

活性氧的作用具有剂量依赖性。如在Jurkat T细胞，0.7 μM的过氧化氢可以促进细胞增殖，1.0–1.3 μM可以导致细胞凋亡，>3 μM则可以导致细胞坏死。高浓度过氧化氢如20–400 μM可以促进蛋白水解，但更高浓度则可以抑制蛋白水解。mM级别的过氧化氢可以导致蛋白氧化损伤¹²。预处理是研究活性氧剂量生物学效应的一个很有价值的手段。研究发现，单次或反复轻微损伤性刺激可以保护可导致严重损伤的严重损伤刺激。高压氧、短暂缺血、束缚应激、低氧、高温、小剂量LPS和适当的有氧锻炼等都可以作为预处理措施¹³。这里以有氧锻炼为例解释ROS在预处理中的作用。在急性或剧烈体育锻炼时，ROS会大量产生¹⁴。由于耗氧量增加，很容易联想到线粒体是体育锻炼大量产生ROS的主要源头，但研究发现NADPH氧化酶, XO和 PLA2才是剧烈体育锻炼大量产生ROS的更重要原因¹⁵。长期适当体育锻炼可降低急性剧烈体育锻炼产生ROS¹⁵。这种适应效应的分子机制可能与ROS激活NFκ-B并促进NOS和抗氧化酶的表达¹⁶。实际上，过氧化氢确实具有诱导细胞抗氧化酶的表达¹⁷。

三、抗氧化剂的促氧化作用

如前所述，但遇到活性氧时，抗氧化剂失去电子会变成不稳定的氧化剂。在这种情况下，抗氧化剂会变成对细胞有害的促氧化物质。其毒性决定于其氧化能力。例如β胡萝卜素的还原电位为0.65 V，维生素E的为0.50 V，类黄酮的为0.25–0.50 V，尿酸为0.25 V，维生素C为0.01 V¹⁸。

Damiani认为，优秀抗氧化剂是那些和强氧化性物质反应产生低氧化活性的物质（具有降低整体氧化能力的作用）。本人认为，优秀的抗氧化剂是一些具有温和抗氧化作用的生物兼容性好的物质，温和抗氧化是维持细胞氧化还原平衡的必然选择，生物兼容性好是因为不能给细胞带来额外的代谢负担。

维生素E和活性氧/氮如超氧阴离子或亚硝酸阴离子反应可以产生α生育酚自由基¹⁹，α生育酚自由基可以被维生素C或谷胱甘肽等重新还原成维生素E²⁰。在还原生育酚自由基的同时，维生素C变成抗坏血酸自由基，抗坏血酸自由基的氧化活性低于α生育酚自由基，β胡萝卜素也可以还原生育酚自由基²⁰ 。因此，为实现理想的抗氧化效果，维生素E需要联合使用其他抗氧化剂。而内源性抗氧化系统对上述抗氧化循环也十分重要。有些疾病可降低内源性抗氧化系统的抗氧化能力，使用维生素E不仅不能发挥有效抗氧化作用，反而可能因为机体无法有效中和α生育酚自由基导致更严重的氧化损伤。例如吸烟可以导致维生素C缺乏，吸烟的人使用维生素E就可能发生这类损伤²⁰。维生素C也可以恢复氧化型谷胱甘肽和胡萝卜素类自由基为还原状态。硫辛酸具有恢复抗坏血酸自由基为抗坏血酸的作用²¹。

有些抗氧化剂的表现为氧化性或抗氧化性决定于浓度。例如硫辛酸和DHLA在0.01–0.05 mM时可以阻止亚硝酸阴离子氧化酪氨酸形成3硝基酪氨酸；在0.1mM时具有促进线粒体通透性；在0.25mM时可促进葡萄糖摄取；在1mM时能刺激线粒体钙离子释放。β胡萝卜素在1–3 μM时具有保护DNA氧化损伤的作用，但在4–10 μM则具有促进DNA氧化损伤的作用。对体外肿瘤细胞，高浓度的β胡萝卜素具有抑制生长，促进发生凋亡的作用。

当存在一些过渡金属离子时，有些抗氧化剂表现出氧化性。例如维生素C可转化为维生素C自由基，对羟基肉桂酸的酚羟基转化为苯氧基²²。在氧气和亚铁离子存在时，胡萝卜素可以转化为视黄醛和胡萝卜素自由基²³。其他一些氧化刺激如紫外线、热、自由基和臭氧也可以将胡萝卜素转化为视黄醛和胡萝卜素自由基²³。使用维生素E和C可以减少香烟诱导的肺内胡萝卜素自由基增加。抗氧化剂和自由基反应产生的氧化剂具有氧化毒性。如胡萝卜素自由基可以抑制大鼠肺、脑和肝脏线粒体呼吸，促进白细胞凋亡、DNA氧化、提高末期糖基化终产物。

总之，抗氧化剂的潜在氧化毒性决定于其浓度、氧化还原能力、合并其他抗氧化剂、过渡金属离子和内源性抗氧化能力。当然，这些因素目前没有完全明确，而且抗氧化剂的氧化毒性也存在明显的种属差异。

四、抗氧化剂的临床研究。

尽管许多疾病和氧化损伤关系密切，由于使用抗氧化剂不能改变疾病的发展进程，导致人们对使用抗氧化剂治疗疾病心存疑虑²³^,²⁴。有学者认为，抗氧化剂对疾病的治疗作用只能表现在动物模型和细胞水平上²⁴。在细胞水平上，存在许多影响因素，例如氧分压远远超过组织、细胞培养环境和过多的抗氧化剂水平。有人提出，对人类来讲，只有联合使用多种小剂量抗氧化剂才可以获得治疗效果。目前尚不清楚，不同的人类抗氧化酶表型是否会对抗氧化剂产生不同反应。有意思的是，每当有抗氧化剂无效甚至负面效应的报道时，抗氧化剂有害的推测更能获得广泛认可。在临床研究中，用来评价氧化损伤的生物学功能评价标志才是个重要问题。需要特别强调的是，评价临床效果必须小心各类影响因素，例如评价氧化损伤指标、治疗策略（预防、剂量、联合用药和治疗周期等）、疾病状态、观察时间和患者数量等。更有意思的是，最近Ristow等在一篇综述中提出，适当的氧化应激可以延长寿命²⁵。以下我们将对一些重要的临床研究进行汇总。

1、抗氧化剂有效的报道

护士健康研究(NHS)是一个样本量超过87000美国护士的队列研究，受试者年龄34-59岁，无心血管疾病史，随访8年。研究结果发现，补充维生素E（每天至少100单位，至少持续2年）可以使灌心病发病率降低40%以上²⁶。

老年流行病学人群调查，涉及11178名美国人（性别不限），年龄67-105。结果发现维生素补充者发生冠心病的危险明显下降²⁷。

健康职业随访研究计划(HPFS)观察了大约40000美国男性健康从业人员，年龄50-75岁，无冠心疾病、糖尿病和高胆固醇血症史。受试者连续超过2年每天补充100单位以上维生素E，结果发现可以显著减少冠心病发病率²⁸ 。

美国首次国家健康和营养调查(NHANES I)。这次研究涉及美国男性和女性受试者11384，年龄25-74。结果发现补充维生素C可以降低男性患者心血管疾病死亡率，但女性无效²⁹。

苏格兰心脏健康研究涉及3833女性和4036男性受试者，年龄40-59岁，无心脏疾病历史，维生素C和胡萝卜素补充可以降低男性冠心病发病率²⁹^,³⁰。最近Myung等的荟萃分析研究总结了22病例对照研究报道（从274篇论文），评价10073患者宫颈癌危险性。结果发现，维生素B12, C, E和胡萝卜素对宫颈癌有预防作用。维生素E和胡萝卜素的癌症预防研究涉及27111芬兰男性抽烟者，年龄50-69岁，随访16-19.4年。结果发现，大剂量的维生素E可以降低胰腺癌和前列腺癌危险性，同一研究还发现，大剂量类黄酮也和胰腺癌低发病率相关^31-33 。

2. 抗氧化剂对氧化应激类疾病无效的研究

通过对有心血管疾病高风险的20536名高血压患者进行5年的随访，补充维生素C、E和β胡萝卜素不仅对降低血压无效，对死亡率和心血管疾病发病率也无显著影响³⁴^,³⁵。

鹿特丹的一项研究涉及4802名荷兰人，年龄55-95岁，无心肌梗死历史，4年随访观察发现，补充维生素E和心肌梗死发病率无相关性。苏格兰心脏健康研究（同前）也没有发现维生素C、E和β胡萝卜素对各种原因引起的死亡率有影响。包括20536名受试者的心脏保护研究，每天补充维生素E600mg、维生素C250mg和β胡萝卜素20 mg，也没有证明对心脏疾病的预防效果²⁹。

基本预防项目，涉及4,495受试者，平均年龄64岁，至少存在一类冠心病危险因素，受试者每天口服100 mg阿斯匹林和300mg维生素E。后期由于发现其他同类研究项目证明口服阿斯匹林和维生素E无心脏保护作用，试验被提前终止²⁹。

2. 抗氧化剂对人体有害的研究

通过对有心血管疾病高风险的20536名高血压患者进行5年的随访，补充维生素C、E和β胡萝卜素不仅对降低血压无效，对死亡率和心血管疾病发病率也无显著影响²⁹^,³⁴。鹿特丹研究涉及4802名荷兰人，年龄55-95岁，无心肌梗死历史，4年随访观察发现，补充维生素E和心肌梗死发病率无相关性。苏格兰心脏健康研究（同前）也没有发现维生素C、E和β胡萝卜素对各种原因引起的死亡率没有影响。心脏保护研究包括20536名受试者，每天补充600 mg维生素E、250 mg维生素C和β胡萝卜素20 mg也没有证明对心脏疾病的预防效果²⁹。

基本心脏预防项目，涉及4495受试者，平均年龄64岁，至少存在一类冠心病危险因素，受试者每天口服100 mg阿斯匹林和300mg维生素E。由于其他研究项目证明口服阿斯匹林和维生素E无心脏保护作用，试验被提前终止²⁹。心脏保护效果评估研究项目(HOPES)包括2545女性和6999男性，年龄55岁以上，拥有冠心病或糖尿病和至少一项动脉硬化危险因子，每天补充400单位维生素E或安慰剂，血管紧张素转化酶抑制剂或安慰剂，4.5年的随访观察显示，维生素E对动脉硬化无预防效果²⁹^,³⁶。意大利GISSI研究项目涉及11324意大利人，这些受试者均为最近3个月内心肌梗死后存活的患者。他们接受每天1 g Omega-3和/或维生素E治疗，3-5年的随访观察证明维生素E治疗无效²⁹^,³⁷。Rytter等将40名2型糖尿病患者进行随机分2组，一组使用水果蔬菜提取的抗氧化剂（含维生素E、维生素C和β胡萝卜素），另一组给安慰剂。治疗12周后，研究发现，虽然患者的抗氧化系统明显提高，但这些天然抗氧化剂对代谢、氧化应激和炎症等均无明显影响³⁸。最近Suksomboon等对包括418名2型糖尿病患者9个8周维生素E治疗效果的临床研究分析发现，除非患者本来存在严重的营养和维生素E缺乏，维生素E治疗对控制血糖没有价值³⁹。Arain等对4个维生素E治疗结肠癌的临床研究进行分析发现，这些研究涉及94069患者，其中47029使用维生素E，观察时间为4年。结果发现，维生素E对结肠癌没有治疗价值⁴⁰。

3 抗氧化剂有害的报道

前面分别介绍了使用抗氧化剂有效和无效的报道，这里对抗氧化剂有害的报道进行汇总。澳大利亚的一项研究，69名收缩压超过125 mmHg的高血压患者，每天口服500 mg维生素C和1000 mg葡萄籽多酚，连续6周。试验结束时患者收缩压和舒张压均有增加，内皮细胞相关的血管舒张和氧化应激指标均无改变⁴¹。高密度脂蛋白动脉硬化治疗研究（HATS），160名男性（<70）和女性（<63），高密度脂蛋白低水平和<400 mg/dL的甘油三酯，患者被分成4组，分别为辛伐他汀合并烟碱组，辛伐他汀合并烟碱+抗氧化剂，抗氧化剂组和安慰剂组。抗氧化剂包括维生素E (800 IU/day), 维生素C (1000 mg/day),  carotene (25 mg/day) 和selenium (100 μg/day)。3年的随访研究结果发现，抗氧化剂不仅没有效果，而且可以掩盖辛伐他汀合并烟碱升高高密度脂蛋白的治疗效果²⁹^,⁴²。

前列腺、肺、结肠和卵巢癌普查试验(PLCO)是一项针对美国25,400绝经妇女的前瞻性研究，年龄55-74，随访10年的研究结果发现，补充叶酸（≥400 μg/day）的绝经妇女乳腺癌发病率显著增加（增加20%），而经过饮食摄取叶酸对绝经妇女乳腺癌发病率没有影响⁴³。β胡萝卜素和视黄醛效果试验(CARET)涉及18314美国人，分别给β carotene (30 mg/day) 、维生素A (25000 IU/day) 或安慰剂，试验2年后被中途终止。因为分析发现，和安慰剂组对比，维生素治疗组肺癌发病率增加28%，死亡率增加17%²⁹^,⁴⁴。生育酚和β胡萝卜素癌症预防研究(ATBC)，涉及29,133男性吸烟者，年龄50-69岁，每天口服α生育酚50 mg、β胡萝卜素30 mg。研究结果发现，和安慰剂组对比，补充生育酚和β胡萝卜素可使死亡率增加8%²⁹^,⁴⁵^,⁴⁶。Bjelakovic等对补充抗氧化剂预防胃肠道癌的效果进行荟萃分析，从14个研究中选择了7个高质量的随机对照研究，涉及131727患者。研究结果发现补充抗氧化剂能提高死亡率，而且对胃肠道癌无预防效果⁴⁷。Myung等分析了3327篇论著中的31篇，包括22个试验全部161045名患者中88,610名使用抗氧化剂治疗，从整体数据分析，发现使用抗氧化剂对预防癌症无效。而通过对其中4个试验分析，作者发现，使用抗氧化剂可显著提高膀胱癌发病率⁴⁸。

维生素C (12.5 mg/Kg) 和NAC(10 mg/Kg)可显著提高健康人急性体育运动后氧化应激，原因可能是维生素C被运动诱导的活性氧转化为维生素C自由基⁴⁹。Ristow等研究抗氧化剂对胰岛素敏感性、胰岛素敏感性转录调节和抗氧化酶SOD、GPx 和CAT的基因表达。19名运动员和20名健康非运动员分别口服维生素E (400 IU/day)、维生素C (1000 mg/day)或安慰剂。运动训练持续4周，研究结果发现运动可以提高胰岛素敏感性、胰岛素敏感性转录调节和抗氧化酶活性。但补充抗氧化剂可以掩盖运动训练效果⁵⁰。最近Peternelj等综合评价了23个关于抗氧化剂降低长期运动有效性研究，他们发现抗氧化剂干扰了运动诱导的血管扩张和胰岛素信号增强⁵¹。最近发表的爱荷华妇女健康研究结果，1986年超过60岁的38772名妇女参与该试验，在不同阶段自我报告维生素和矿物质补充情况，研究发现维生素和矿物质补充和死亡率增加有关，而维生素和铁同时补充则更糟糕⁵²。

就目前掌握的临床研究资料看，需要注意的是，关于抗氧化剂有效的报道有194734受试者，抗氧化剂无效的有149097受试者，而抗氧化剂有害的报道有404986。评价比较这些研究需要注意一些重要影响因素，例如受试人群的年龄、性别、健康状况和种族，关于抗氧化剂的种类、联合使用、补充剂或饮食补充，而随访时间和观察指标也很重要²⁶。例如，爱荷华妇女健康研究⁵²受试者数量是国家健康研究项目的2倍，但国家健康研究受试者更年轻，随访时间短，国家健康研究项目关注的是维生素E，而爱荷华妇女健康研究关注的是维生素和矿物质补充，国家健康研究是分析对心脏疾病的影响，而爱荷华妇女健康研究观察对死亡率的影响。同样比较有效的HPFS和有害的ATBC²⁸^,⁴⁶，也有些因素可能会影响结果分析。HPFS是观察的健康人群，而ATBC观察的是男性吸烟者。HPFS是观察维生素E的作用，ATBC是分析联合使用维生素E和胡萝卜素的效果。HPFS的随访时间比ATBC短。HPFS观察对肺癌的影响，而ATBC是观察对死亡率的影响。因此，HPFS和ATBC的主要区别是不同的观察对象，不同观察指标。吸烟和癌症都和氧化应激相关，从前面的分析可以明确，抗氧化剂和活性氧反应可以变成自由基。这可以部分解释ATBC的研究结果，单独使用维生素E无作用，而联合使用维生素E和胡萝卜素则会促进癌症发生，提高死亡率⁴⁶。CARET研究观察维生素A和胡萝卜素对石棉暴露或吸烟者的影响⁴⁴，石棉暴露或吸烟都可以促进癌症的发生，由于维生素A和胡萝卜素可以明显提高癌症的发生和死亡率而被迫中途停止试验。可以假设胡萝卜素在严重DNA氧化损伤的情况下具有促进肿瘤发生的作用。胡萝卜素是一种高还原活性的抗氧化剂，这是胡萝卜素和活性氧反应产生毒性自由基的基础。由于高浓度胡萝卜素本身就可以导致DNA氧化损伤。因此有人假设，吸烟后致癌物质干扰类胡萝卜素代谢可导致DNA突变。另外一种不利影响是干扰了机体正常的抗氧化防御反应，例如长期锻炼可以减少急性运动后自由基的产生。长期锻炼可以通过适当增加活性氧，活性氧通过激活NFkB等途径提高细胞抗氧化酶的表达¹⁶^,⁵³^,⁵⁴。这种变化被称为预适应。而抗氧化剂可以通过减少活性氧的产生降低抗氧化防御反应，限制了预适应的有利作用⁵⁰。

五、结论

抗氧化剂曾经被寄以治疗疾病的厚望，但大量临床研究显示抗氧化剂会产生许多有害效果，最极端的结果是证明抗氧化剂可以增加死亡率。尽管我们现在仍不清楚产生这些效果的具体机制，但结果提示如果抗氧化能力超过体内自由基产生的能力，抗氧化剂可以打破体内氧化抗氧化平衡。由于我们对这一结论仍不能清楚解释，最好的建议是用通过食物摄取抗氧化物质来代替抗氧化剂补充。而最理想的提高内源性抗氧化能力的手段是适当的日常的体育锻炼。

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