从氧化应激探讨吸烟与血管老化

雷 燕,王 铭

吸烟现已明确其是心血管疾病的独立危险因素之一。而血管老化既是一种血管的增龄变化,也是一种疾病状态下的血管病理改变,它的发生可以极大地促进动脉粥样硬化及相关疾病的发生和进展。目前,无论是对吸烟危害的研究,还是对血管老化机制的探讨,氧化应激都是其中的重要研究方向。因此,本文就从氧化应激的角度,对吸烟与血管老化的内在联系及相互作用机制作一探讨。氧化应激通常是指生物体出现的持久异常氧化还原状态,由于氧化能力的异常提高,从而导致细胞成分的过氧化修饰[1]。自由基和其他活性物质的大量产生,随之造成的细胞氧化还原平衡的紊乱,就会严重干扰其稳态的维持,促使病理改变的发生。

正常条件下,人体具备对氧化应激的耐受性,能够控制具有潜在损伤作用的氧化应激因子。最充分的支持证据就是[2],人体中具有非常发达的内源性抗氧化防御系统,它能够拮抗多种活性物质和促氧化剂的作用。比如,对于超氧化物和过氧化氢这两种典型的氧化物,人体就具有完整的防御性保护成分。但是,对于某些活性物质如一氧化氮的代谢产物、过亚硝酸盐等,人体的防御能力还不强。值得注意的是,人体的这种耐受性和防御能力会受到诸多因素的影响,比如吸烟就是重要的破坏因素之一。当这些破坏因素作用于人体时,自由基或活性物质的产生、清除发生障碍,氧化还原平衡会向氧化增强状态转变,由此导致氧化应激的产生。

1 吸烟与氧化应激

研究发现[3],吸烟除了人所共知的尼古丁的危害之外,在吸烟的气相和焦油中还存在着大量对人体有害的自由基,它们可以直接或间接地攻击细胞膜成分,产生氧化应激反应,并且导致各种疾病的发生。

首先,吸烟的过程实际上是一个不完全燃烧的过程,会产生蒸馏和一系列的氧化还原反应。在这一系列复杂的氧化还原过程中,很容易发生电子在众多烟草燃烧产物之间的转换,在焦油和气相中形成多种稳定的和不稳定的产物和自由基。通过电子自旋共振波谱分析发现[4],焦油中主要包括有几种特别稳定的自由基,它们主要是醌类自由基(Q/QH)、多环芳烃自由基、石墨碳和磷自由基。其中前两者所占的比重较大,并且是两类可以直接导致氧化应激的重要物质。而产生于气相中的自由基,则多是瞬时不稳定的自由基,它们主要是烷氧基(RO-)和烷基(R-)自由基等,同样具有促使氧化应激反应发生的能力。

其次,吸烟所产生自由基的毒性,以及导致氧化应激反应的方式有直接和间接两种。所谓直接毒性,就是指吸烟过程中产生的某些自由基可以直接损伤细胞成分,形成病理改变。所谓间接毒性,就是指吸烟所产生的焦油相和气相物质可以引起多形核白细胞的聚集和活化,产生和释放大量活性氧自由基,从而导致氧化应激损伤。除了上述常见的自由基之外,吸烟产生的气相物质还会引起细胞膜脂质的过氧化,从而产生脂类自由基。随着吸烟时间的延长,脂类自由基和脂质过氧化水平在不断地增加,其所引起的细胞膜损伤也日益严重。更值得注意的是,由自旋捕集剂(PMN)产生的活性氧自由基,既可以单独引起细胞成分的损伤,又可以与吸烟产生的自由基产生联合作用,共同对细胞产生毒害作用。细胞膜研究还表明[5],吸烟产生的自由基不仅可以使细胞膜的流动性发生改变,而且还可以使膜蛋白及酶的构象发生变化,由此必然影响细胞内外物质的交换,造成细胞功能的障碍。

再次,研究已经充分证明,吸烟通过其产生的氧化应激反应,能够导致诸多病理改变及相关疾病的产生和进展。比如,吸烟产生的多种自由基可以联合作用,通过引起血脂紊乱、血管内皮功能障碍等病理改变,从而导致血管结构和功能的异常,心血管事件的发生率也随之上升[6,7]。张晓胡等[8]研究发现,吸烟通过其产生的氧化应激反应,能够引起内皮素合成酶释放增多,血管舒缩功能出现障碍,以及血管平滑肌细胞增殖活跃等;同时,低密度脂蛋白(LDL)的氧化易患性也增加,氧化型低密度脂蛋白(ox-LDL)水平随之升高,从而促进了动脉硬化的产生。更进一步的研究结果还有,Raij等[9]认为,吸烟时所产生的氧自由基,特别是超氧阴离子可以降低血管内皮释放NO的生物活性,并且可以抑制内皮细胞合成及表达一氧化氮合酶(eNOs)的功能。Cavusoglu等[10]的一项研究提示吸烟促发的氧化应激反应可使血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)的血浆浓度急剧上升,引起内皮炎症反应和内皮功能障碍,从而加速动脉硬化,引发冠心病。Winkelmann等[11]研究发现吸烟合并冠心病者,体内负荷后胰岛素水平及代表氧化应激和内皮功能受损的生化标志物明显高于无吸烟的冠心病患者,提示吸烟可导致氧化应激的发生、内皮功能的受损和胰岛素的抵抗,从而增加冠心病的严重程度。

2 血管老化与氧化应激

血管是由内膜、中层和外膜所组成,构成内膜和中层的主要细胞是血管内皮细胞(EC)和平滑肌细胞(VSMC),它们是防御各种应激因子的第一道防线,并在氧化应激的作用下产生适应性修饰。如果血管内皮细胞和平滑肌细胞因氧化应激发生损伤,则不可避免地引起血管老化。

首先,在血管老化的过程中,其最明显的改变就是顺应性的减小和血管壁的增厚。这种改变不仅仅是出现在老年人群中,在年轻人群的病变血管中也会出现类似的结构改变。老化血管为了适应血流产生的剪切力和伸展力,往往需要从根本上改变血管的内皮层,使其增厚,以及使内膜细胞的外基质成分发生改变;同时,血管平滑肌细胞也出现增殖,并随之产生细胞间质以及细胞外基质蛋白合成的增多[12]。老化血管通常表现为胶原蛋白的成倍增加和弹性蛋白含量的基本不变,由于弹性蛋白相对含量的降低,血管于是出现硬化。

其次,多种活性的自由基物质能够通过氧化应激作用促进血管老化的病理改变。在这些物质中,活性氧(ROS)和活性氮(RNS)所产生的生化过程及其调节最具有代表性。ROS如过氧化物和H2O2能引起血管内膜和中层的增厚,并使血管壁产生炎症反应,因此被视为血管疾病的“危险因子”。并且ROS在生长因子介导的病理改变中也扮演着重要的信号分子的角色。最新研究发现[13],ROS能够通过NF-κ B依赖性途径诱导血管内皮生长因子(VEGF)的表达,特别是其中VEGFR2的表达。生理情况下,VEGF有助于血管内皮的修复,而在病理状态下,由过量ROS产生的过量VEGF就促进了内膜的增厚,导致了血管的老化。RNS对血管系统的作用具有双重效应,一方面能够发挥自由基的氧化应激作用,而另一方面,还能够通过环磷鸟苷酸(cGM P)系统调节各种具有保护性和有益的生理活动。RNS对血管内皮细胞的损害作用与VEGF密切相关。VEGF由VSM C释放,是EC的促有丝分裂因子。Van-der-Zee等[14]发现在内皮细胞中VEGF可促进NO的合成。然而,研究发现通过RNS诱导的对核转录因子活化蛋白-1(AP-1)与DNA结合的抑制,能够下调VEGF的表达和减少NO的合成,从而使血管的修复增殖功能受到抑制,舒缩功能也出现碍[15]。并且还发现在缺氧状态下,RNS所导致的VEGF基因表达的下调会更加严重,由此形成了相关病理改变的恶性循环。同时,RNS还能够激活对氧化还原敏感的转录因子如 NF-κ B和AP-1,从而上调几种主要的促炎症蛋白,其中包括有白介素(IL)-1、IL-6、IL-8和肿瘤坏死因子(TNF-α)等,由此可导致血管炎症反应的产生和加剧,进一步促进血管老化的发展。而RNS对血管的有益作用主要表现在,NO不仅具有抗动脉粥样硬化的特性,还能够抑制血小板的聚集、VSMC和EC的增殖以及白细胞的黏附等[16]。

再次,在氧化应激的作用下,蛋白质和脂质会产生非酶修饰,即糖基化过程,经过复杂而不可逆的分子反应后就合成了糖基化终末产物(AGEs)。AGEs是异质性复合物,积聚在EC内或血管壁上,从而加速血管的老化[17]。具体的机制主要是,AGEs能够明显地加快EC氧化态的形成,并且可以通过与特异性受体(RAGE)结合以发挥第二信使的功能。AGEs与RAGE的结合既可以促使EC和VSMC的异常增殖,以及血管内膜和中层的增厚、硬化;还可以活化核转录因子 NF-κ B和诱导VCAM-1和单核细胞趋化因子-1(M CP-1)的表达[18],从而增加血管的炎症反应。因此,现在普遍认为AGE/RAGE的相互作用可能是氧化应激和血管老化进展中的潜在机制。

最后,细胞内出现的氧化应激反应,以及由此所产生的对于相关基因表达的选择性诱导,是血管老化的主要分子机制之一。不同的自由基物质可以直接或间接的方式刺激或“致敏”血管细胞,使其产生活性氧,进而调控基因的表达。同时,自由基的生化研究还揭示[19],许多的自由基及其代谢产物能够经常性地行使细胞内信号转导调节子的作用,这就为研究氧化应激导致血管老化的机制提供了新的路径。

3 小 结

吸烟能够产生大量的自由基物质,从而促使人体发生氧化应激反应;而氧化应激又能够通过多条途径促使血管老化的发生和进展。由此,在众多研究都关注于吸烟与动脉粥样硬化的今天,通过氧化应激这座桥梁,将吸烟导致血管老化的机制,作进一步的澄清,将有助于深化我们对于吸烟造成血管损害的认识。再考虑到血管老化与动脉粥样硬化之间的密切联系,有理由相信,以氧化应激为纽带的对于吸烟与血管老化的研究,必将为吸烟与动脉粥样硬化的研究注入新的内容。目前十分清楚的是,血管系统具有体内全部最利于促发氧化应激反应的成分和条件,而吸烟可以大大地优化和重组这些成分和条件。吸烟所促发的氧化应激,主要通过EC和VSMC的变性增殖、血管的增厚硬化以及促进血管炎症反应等途径促使了血管的老化。因此,吸烟异化了氧化应激的发生,而氧化应激又成为了血管老化的基础。

[1] 周敏.氧化应激与血管老化[J].现代医药卫生,2007,23(18):2731-2734.

[2] Cakir-Atabek H,Demir S,Pinarbasili RDJ,et al.Effects of different resistance training intensity on indices of oxidative stress[J].Strength Cond Res,2010,24(9):2491-2497.

[3] 方允中,郑荣梁.自由基生物学的理论与应用[M].北京:科学出版社,2003:327-329.

[4] Edirisinghe I,Rahman I.Cigarette smoke-mediated oxidative stress,shear stress,and endothelial dysfunction:Role of VEGFR2[J].Ann N Y Acad Sci,2010,1203:66-72.

[5] 刘晓瑞,俞仲毅.从自由基理论解释吸烟危害[J].中国老年学杂志,2007,27:97-98.

[6] Lepsanovi L,Brkljac O.Effect of smoking on lipoprotein metabolism[J].Med Preg l,2001,54(9-10):453-458.

[7] Barua RS,Ambrose JA,Eales-Reynolds LJ,et al.Heavy and light cigarette smokers have similar dy sfunction of endothelial vasoregulatory activity:An in vivo and in vitro correlation[J].J Am Coll Cardiol,2002,39(11):1758-1763.

[8] 张晓胡,晓兰,徐仓宝,等.香烟尘粒对血管平滑肌细胞增殖的作用[J].中国动脉硬化杂志,2002,10(4):294-296.

[9] Raij L,DeMaster EG,Jaimes EA.Cigarette smoke-induced endothelium dysfunction:Role of superoxide anion[J].J Hy pertens,2001,19(5):891-897.

[10] Cavusoglu Y,Timuralp B,Us T,et al.Cigarette smoking increases plasma concentrations of vascular cell adhesion molecule-1 in patients with coronary artery disease[J].Angiology,2004,55(4):397-402.

[11] Winkelmann BR,Boehm BO,Nauck M,etal.Cigarette smoking is independently associated with markers of endothelial dy sfunction and hyperinsulinaemia in nondiabetic individuals with coronary artery disease[J].Curr Med Res Opin,2001,17(2):132-141.

[12] 阮云军,银孟卓,吴赛珠.血管老化的研究进展[J].实用老年医学,2006,20(6):418-420.

[13] Gonzalez-Pacheco FR,Deudero JJ,Castellanos MC,et al.Mechanisms of endothelial response to oxidative agg ression:Protective role of autologous VEGF and induction of VEGFR2 by H2O2[J].Am J Physiol Heart Circ Phy siol,2006,291:1395-1401.

[14] Van-der-Zee R,M urohara T,Luo Z,et al.Vascular endothelial g rowth factor(VEGF)/vascular permeability facto r(VPF)augments nitric oxide release from quiescent rabbit and human vascu-lar endothelium[J].Circulation,1997,95:1030.

[15] Konishi A,Aizawa T,Mohan A,et al.Hydrogen peroxide activates the Gas6-Axl pathway in vascular smooth muscle cells[J].J Biol Chem,2004,279:28766-28770.

[16] Emanueli C,Van Linthout S,Salis M B,et al.Nitric oxide-releasing aspirin derivative NCX 4016 promotes reparative angiogenesis and prevents apoptosis and oxidative stress in a mouse model of peripheral ischemia[J].A rterioscler Thromb Vasc Biol,2004,24:2082.

[17] Nilsson PM,Boutouyrie P,Laurent S.Vascular aging A tale of EVA and ADAM in cardiovascular risk assessment and prevention[J].Hypertension,2009,54:3.

[18] Deora AA,Hajjar DP,Lander HM.Recruitment and activation of Raf-1 kinase by nitric oxide-activated Ras[J].Biochemistry,2000,39(32):9901-9908.

[19] Bell D,Campbell M,Wang X,et al.Adrenomedullin gene delivery is cardio-protective in a model of chronic nitric oxide deficiency combining pressure overload,oxidative stress and cardiomyocy te hypertrophy[J].Cell Phys Bio,2010,26(3):383-394.