纳米氧化铈抗氧化保护心肌细胞的研究进展

袁敏 韩轩茂 蔺雪峰

(1.内蒙古科技大学包头医学院研究生院,内蒙古 包头 014010; 2.内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院心内科,内蒙古 包头 014010)

抗氧化剂最早在20世纪下半叶开始流行。在20世纪90年代初期,一项大型人体研究表明,维生素E补充剂可能与降低心血管疾病风险有关,这将抗氧化剂在临床中的应用推向了高潮[1]。此前,虽然也有许多临床前研究和流行病学工作报道了抗氧化剂对慢性炎症、神经变性和癌症相关的有益作用[2-3],但因抗氧化剂的反应性不受控制、溶解性差、吸收曲线有限、生物利用度低,并且在靶点的浓度低等一系列特点,使得抗氧化疗法在医疗方向的发展受到限制[4]。如今,只有少数抗氧化剂达到了使用标准并投入临床应用,包括用于治疗乙酰氨基酚过量的N-乙酰半胱氨酸、用于治疗脑梗死的依达拉奉、用于治疗糖尿病神经病变的α-硫辛酸、用于治疗慢性静脉功能不全的一些类黄酮(膳食植物中存在的多酚化合物),以及用于治疗骨关节炎的黄芩素和儿茶素[5-6]。不过,这些治疗还远远不能满足目前临床对抗氧化剂使用的需求。纳米酶作为一种天然酶与纳米材料结合的新型人工酶,近年来被广泛报道。由于纳米酶稳定的结构和理化特性,使其具有高稳定性、易扩增以及低成本的优点[7],目前已有相当多的纳米材料被发现具有模拟酶活性,并在环境保护、疾病治疗等方面展现出巨大潜力[8]。金属元素铈(Ce)是可从氟碳铈矿中提取到的一种氧化剂,是所有稀有元素中含量最丰富的,该元素具有极好的氧缓冲能力,Ce与氧通过水相合成法以纳米粒子的形式组合在一起,构成了新型纳米材料纳米氧化铈(cerium oxide nanoparticles,CeNPs),其晶体结构中Ce3+和Ce4+可快速而方便地交换,根据其表面Ce3+/Ce4+的混合价态的存在,以及表面存在的大量氧空位,使其表现出氧缓冲优势。这些氧空位可使CeNPs具有超氧化物歧化酶模拟活性、过氧化氢酶模拟活性、羟基和一氧化氮清除活性[9-10]。CeNPs在生理pH值状态下表现出最佳的抗氧化性能,而在酸性条件下表现为氧化酶的性能[11]。因此,CeNPs可为受到氧化应激的机体细胞提供高效、持久的保护作用。虽然其抗氧化的具体机制目前尚未十分明确,但因为CeNPs对正常组织显示出的毒性最小,同时可提供对活性氧(reactive oxygen species,ROS)依赖性氧化损伤细胞的保护作用[12],使其成为预防和治疗氧化应激导致的相关疾病的潜在治疗工具,目前已在生物及医学领域的应用中引起了极大的关注。

1 CeNPs对ROS的调控

大量研究[13-15]表明,CeNPs可降低ROS水平,在体内、体外清除ROS,进而降低大多数炎症介质,防止内皮细胞损伤,减少因ROS的过量产生而导致的坏死和凋亡。炎症严格意义上来讲是免疫应答反应的外在表现,炎症可能通过在免疫反应期间清除ROS来瞄准代谢过程,从而调整免疫反应[16]。炎症与氧化应激是相互促进的关系,ROS作为信号分子在炎症反应的进展中起重要作用,ROS的过量产生导致机体氧化应激进而发生炎症。炎症反应过程中机体会快速释放大量炎症因子,如肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素(interleukin,IL)-1和IL-6等,并在短时间内生成大量ROS,从而造成机体的炎症反应[17]。体内ROS的清除主要依靠超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性,CeNPs因其具有以上两种酶的模拟活性,可清除过量产生的ROS。Zheng等[18]的研究表明,通过检测三种炎症相关因子(TNF-α、一氧化氮、IL-6)的表达,得出CeNPs可下调以上三种炎症因子的表达,从而减轻炎症反应;通过模拟超氧化物歧化酶的活性,使用过氧化氢诱导细胞应激,利用H2DCFDA分析得出CeNPs可清除超氧自由基,具有抗氧化能力,证实减少氧化应激有助于减轻炎症反应。因此,可以得出,CeNPs可通过调控炎症因子的表达,进而调控ROS的产生,在机体内炎症的发生和发展中起重要作用。

ROS作为氧化呼吸链过程中产生的高氧化性化合物,在机体免疫调节中发挥着不可忽视的作用。Ce的两种氧化态使得氧空位的形成和占据成为可能,氧空位对其氧(电子)缓冲能力是必不可少的,因此其能作为氧化反应和还原反应的催化剂。CeNPs在再循环过程中是抗还原剂(Ce4+到Ce3+)还是抗氧化剂(Ce3+到Ce4+),要依赖于周围移除的过量的ROS。在M1(致力于无氧糖酵解)极化过程中,ROS被CeNPs有效清除,但当细胞表达M0(致力于有氧糖酵解)或M2(致力于脂肪酸氧化)表型时,没有观察到CeNPs的活性或生物效应。可以看出CeNPs的ROS缓冲能力随着ROS浓度的增加而增加,直到CeNPs表面饱和。不仅如此,CeNPs的生物降解性也可通过其Ce3+/Ce4+的相互转化被证明,在催化循环过程中,“活化”态的Ce3+会从纳米粒子中泄漏出来并游走,在体内可降解成无害的Ce3+,通过尿液排出体外[9]。因此,正是因为CeNPs可通过降低ROS的水平而发挥抗炎作用,并且因其具有可观的生物降解性,使其在医学生物领域越来越受到重视。

2 氧化应激造成心肌损伤的机制

通俗来讲,氧化应激要么是ROS水平的升高,要么是抗氧化剂水平的降低。当氧化物质的水平高于抗氧化剂的水平时,氧化还原稳态就会被扰乱并导致氧化应激。这些氧化物质的低水平是正常信号转导过程所必需的,但较高水平的氧化物质已被证明与许多病理状态有密切关系。过量产生的自由基是导致人体许多氧化应激造成相关疾病的主要原因。

氧化应激在急性心肌损伤以及进行性心脏和血管疾病中的致病作用越来越明显。氧化应激可导致氧化还原敏感转录因子的激活和促炎细胞因子如TNF-α的转录。心肌损害的机制可能涉及多种复杂的因素,其中ROS的产生、脂质过氧化以及氧化应激损伤备受关注[19];同时也涉及心肌内炎症反应的增强及TNF-α和IL-1等促炎介质的释放;以及线粒体功能障碍和细胞变性引起的心肌细胞凋亡等[20],但目前大多数研究更倾向于ROS产生过量所导致的心肌损害。其中促炎细胞因子,如TNF-α、IL-1β、IL-6被认为是进行性心功能不全造成的心肌相关疾病过程中的潜在参与者[21-23]。这些细胞因子由心肌中的所有有核细胞类型产生,可能通过ROS诱导的细胞内信号转导(如核因子-κB)等机制的激活,进而造成心肌损伤。缺血再灌注(ischemia reperfusion,IR)诱发性损伤是导致冠心病的主要原因,在心肌IR过程中,内皮细胞不仅产生大量的ROS,而且会显著降低抗氧化活性,ROS的过量增加会导致冠心病的IR损伤,而ROS的水平可由谷胱甘肽过氧化物酶家族调节。有研究[24-25]发现,在冠心病患者中,谷胱甘肽过氧化物酶的过度表达可通过抑制ROS的产生减少IR引起的凋亡。此外,抑制TRPM4(一种钙激活的非选择性阴离子通道)可保护心肌免受IR损伤,通过实验证明,对TRPM4的封锁可能通过保持线粒体膜的活性和细胞内ATP水平,减少ROS的产生来保护心肌细胞免受氧化应激的影响[26]。

3 CeNPs保护心肌细胞的机制

目前,纳米医学和生物工程领域的研究人员已生产出具有独特的ROS清除能力的纳米级抗氧化剂(即纳米抗氧化剂),成功地治疗了ROS相关的疾病,在心肌IR、糖尿病、视网膜疾病、胃肠炎症、肝脏炎症、脑卒中、帕金森病和癌症的治疗中发挥作用,以上这些疾病都与过量的ROS产生和炎症有关[27]。因此,从理论的角度来看,抗氧化剂既可以保护机体免受氧化应激,又可以通过抑制ROS依赖性炎症反应促进病原性炎症的解决,使机体恢复体内稳态平衡[28],因此,CeNPs在未来生物医学领域的应用前景十分可观。

此前,在Pagliari等[29]的研究中首次证实了CeNPs颗粒对心脏祖细胞免受氧化应激有着前所未有的长期保护作用,心肌祖细胞内ROS的减少可能是由于纳米颗粒的自我再生机制,包括前文中提到的Ce3+和Ce4+氧化还原循环与超氧化物和过氧化氢反应的离子状态,模拟两种关键抗氧化酶——超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的作用而发挥作用。因为CeNPs的仿生抗氧化作用和抗炎特性,可减少ROS的产生进而减少炎症和随后的组织损伤。所以,到目前为止已有大量关于心肌IR的相关研究,而DNA断裂已被证明会引发ROS的产生,这将会破坏抗氧化剂和ROS产生之间的平衡。Mohamed[30]的研究通过用CeNPs与醋酸铅共处理瑞士白化小鼠造成铅毒性模型,研究发现在CeNPs与醋酸铅共给药的CeNPs小鼠的心脏组织中观察到,DNA断裂诱导显著减少,凋亡相关基因(p53及K-ras)和炎性细胞因子(IL-6和环氧合酶-2)的信使RNA表达水平的提高可能源于CeNPs 清除ROS的能力,并且通过2,7-二氯荧光素二乙酸盐染色显示的ROS水平的降低也得到了证实。因为炎症细胞因子环氧合酶-2和IL-6是炎症反应的主要调节剂,同时,研究还证明包括IL-6和环氧合酶-2在内的炎性细胞因子的信使RNA高表达,从而证明通过给予醋酸铅可以诱导ROS的额外产生而触发炎症,因此可以得出结论,ROS充当炎性信号分子和介质,并且在炎性疾病进展中也具有重要作用。Nassar等[31]提供了CeNPs通过抑制内皮素-1和内皮素A受体改善肺动脉高压大鼠模型中的肺动脉高压以及减少心脏肥大的证据,研究表明在CeNPs治疗组中,与心脏抗氧化相关的所有氧化应激参数均显著降低,0.5 mg/kg的CeNPs可导致ROS减少70%,过氧化氢减少了50%,谷胱甘肽水平提高50%,同时抗凋亡蛋白胱天蛋白酶3在不同浓度的CeNPs 治疗组中均有不同程度的降低,因此研究得出结论,CeNPs可减少炎症介质的产生,改善右心室肥大,减弱心脏的氧化应激和凋亡。相关团队其他研究人员[32-33]还通过在两种不同动物模型中研究了CeNPs对阿霉素造成的心脏毒性的改善,实验发现在高剂量和低剂量的CeNPs预处理组中,乳酸脱氢酶水平、肌酸激酶同工酶水平均显著降低,同时在高剂量组中发现,内源性抗氧化物谷胱甘肽及过氧化氢酶活性显著增加,不仅如此,在低剂量CeNPs预处理组还显示促炎因子IL-6及TNF-α水平显著降低,因此可以得出结论,CeNPs可能通过减轻氧化应激减轻炎症反应,从而使阿霉素诱导的心脏毒性减轻,这将为临床上在预防阿霉素等化疗药物造成心肌损伤的治疗中提供更多的可能。El Shaer等[34]在研究中观察到CeNPs作为心脏保护剂在异丙肾上腺素心脏毒性大鼠模型中的抗氧化效果,并与经典的卡托普利进行比较,发现CeNPs除了可通过抗氧化机制提高抗氧化能力外,还改善了大多数生化参数,肌酸激酶同工酶、乳酸脱氢酶、门冬氨酸转氨酶和丙氨酸氨基转移酶水平均显著下降,而抗氧化酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的水平均显著升高。以上多项研究均从不同方向证明了CeNPs是通过发挥其自身再生的抗氧化特性,减少ROS的产生进而减轻心肌细胞氧化应激和炎症过程,为保护心脏功能不全和延缓心室重塑的进展提供了更充分的依据[35-36]。

4 CeNPs抗氧化保护心肌细胞的发展前景

本文从免疫调节方向描述了CeNPs与ROS的关系,通过控制细胞能量供应来调节免疫化学潜能,从而调节免疫反应。免疫细胞相对于它们的激活状态显示出不同的分解代谢模式,与它们的特定功能(维持、清除、防御、分解和修复)相关,这些功能与不同的ROS需求和产生相关,而CeNPs因其具有高度可溶性、安全性和潜在的生物可降解性,能通过减轻与许多病理障碍相关的氧化应激来表现出抗氧化、抗炎和抗血管生成的作用,进而减轻心肌细胞氧化应激,发挥保护心肌细胞的机制。但本文中所提到的相关研究中CeNPs多是采用不同方法进行合成,涉及CeNPs的理化性质及晶体结构,还需进行广泛表征,过程相对烦琐,对于CeNPs的应用是一难点,同时研究中也表明CeNPs在不同浓度组均可表现出抗氧化应激减少ROS的作用,因此,在相关研究过程中,CeNPs抗氧化保护心肌细胞的最佳浓度是最重要的因素之一,但这些并不影响CeNPs在生物医学领域中所展现出的巨大潜力。

5 总结

综上所述,目前大部分研究更倾向于CeNPs是通过减少ROS的产生发挥抗氧化性能的。CeNPs可通过减少ROS的产生保护心肌细胞免受氧化应激的损伤,但其在体内发挥作用时因摄入方式不同将导致生物分布、代谢降解以及毒性评价产生差异。如果通过大量动物实验克服这些困难,可能会打破目前抗氧化剂在临床上应用的局限性,为抗氧化剂在临床的应用提供新的指导方向。因此,探究CeNPs保护心肌细胞的具体机制十分重要,这将可能为人类新型纳米材料抗氧化治疗疾病开启一个崭新的时代。