活性氧与疾病关系的研究进展

丁洪基，李龙龙，王 灿，王贵珍，张 迪

活性氧(reactive oxygen species, ROS)是指化学性质较活跃的含氧物质，根据其化学性质，ROS可分为自由基和非自由基两类。自由基通常是指外层轨道上含有1个未配对活性电子的ROS，属于单电子氧化剂，包括超氧阴离子自由基、羟基自由基、过氧自由基、烷氧自由基和氮自由基等。非自由基不含未配对电子，属于双电子氧化剂，包括过氧化氢、单态氧、臭氧、过氧亚硝酸盐/过氧亚硝酸和次氯酸等[1]。自由基比非自由基更不稳定，反应性更强[1]。在人体生物化学反应中，最重要、最常见的是氧化还原反应；其中大部分氧化还原反应属于自由基反应。没有自由基反应，就无法实现能量代谢。当自由基的生成高于抗氧化能力时，就会发生氧化应激(oxidative stress, OS)[2]。在生物体的整个生命周期中，ROS直接或间接影响细胞的结构、功能及细胞生物学的诸多方面[3]。ROS在人体中的作用是一把“双刃剑”，过量的ROS会对蛋白质、DNA和RNA造成损害，导致细胞的遗传改变，促进疾病的发生或细胞死亡。相反，低水平的ROS对细胞存活、生长、增殖、分化及免疫反应等多种生物功能均是必不可少的[4]。大量研究表明，心脑血管疾病、炎症、恶性肿瘤、糖尿病及动脉硬化等均与体内的氧化损伤有关，而氧化损伤是由代谢过程中产生的过量自由基或ROS引起的[5]。因此，深入分析ROS与疾病的关系具有重要意义。

1 ROS的产生和功能

细胞内ROS的形成是一种古老的抗微生物防御系统[6]。在生理条件下，有少量ROS在细胞发育过程中形成；在有氧呼吸或炎症过程中，ROS主要发生于肝细胞和巨噬细胞中[7]；在正常氧代谢过程中，ATP合成产生ROS。因此，大多数情况下ROS被认为是细胞活动能量灌注过程中的副产品[8]。约90%细胞的ROS来自线粒体[4]。ROS的内在来源主要由线粒体呼吸过程中的生化反应产生。除线粒体外，ROS还由多种酶产生，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)氧化酶、黄嘌呤氧化酶、一氧化氮合成酶和过氧化物酶等[9]。大部分生物体和细胞均可产生ROS，NADPH氧化酶的酶家族和线粒体的呼吸电子传递链是许多真核细胞中ROS的2个主要来源[10]。NADPH和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD)参与呼吸链和细胞代谢，能使各种细胞产生ROS。线粒体中的ROS是由各种酶产生，主要在电子运输链中[11]。在线粒体呼吸过程中，1%～2%的氧分子通过1～3个电子的还原转化为ROS。ROS的外部来源包括环境中的促氧化剂、毒素、辐射及各种化合物，包括乙醇、烟草和某些药物等[12]。

ROS的基本作用是具有代谢调节功能。ROS对机体具有两重性，高水平的ROS促进细胞凋亡，而低水平的ROS作为信号转换器，诱导细胞存活[13]。过量的ROS不仅会导致基因组突变，还会诱导蛋白质、脂质和多聚糖的不可逆氧化修饰，损害其功能，促进疾病发生或细胞死亡。相反，低水平的局部ROS作为氧化还原信号分子，在参与维持细胞自动调节的途径及调节关键转录因子中发挥重要作用。因此，ROS可塑造多种细胞功能，包括增殖、分化、迁移和凋亡[3]。ROS具有广泛杀灭微生物的作用，对革兰阳性和阴性细菌、病毒和真菌均具有高度杀灭作用；但在不同的研究中，ROS的杀菌作用是不一致的。ROS水平提高，增强了对细菌的杀灭作用，可能是由于代谢和能量供应增加所致，然而，当它们达到饱和时，效果甚微[8]。近年，Sun等[14]提出一种新的模式，即ROS是在各种亚细胞器的代谢过程中感知体内平衡和应激预警的新型集成网络。在ROS水平升高的基础上，ROS参与多种代谢途径，可将代谢应激传递给炎性小体，或扩展到其他应激感知途径，引起相应的反应，如增生、炎症和细胞死亡。

2 ROS与癌症

大量研究表明，ROS在癌症的起始、进展、血管生成及转移等方面均是必不可少的[15]。目前发现异常调节的ROS，可能通过激活各种致癌信号通路、DNA突变、免疫逃逸、肿瘤微环境、转移、血管生成和延长端粒促进肿瘤形成[15]。在肿瘤细胞中，ROS的产生是由于代谢率增加、基因突变和相对缺氧的结果[16]。癌细胞在ROS和抗氧化剂之间维持着微妙的平衡。在癌前或肿瘤进展的早期阶段，中等水平的ROS可诱导肿瘤发生、传播、转移和生存；随着肿瘤的进展，ROS水平超过了毒性阈值，导致细胞死亡、凋亡和衰老[12]。研究表明，ROS既可作为肿瘤的抑制剂，也可作为肿瘤的促进剂[17]。根据其使用的信号通路类型，决定其抑制或促进恶性进展[18]。Nrf2作为一种抗氧化剂，在肿瘤发展中控制ROS的水平。Nrf2的抑制作用可随着ROS水平的升高而减少肿瘤的发生[8]。Shen等[19]对22种肿瘤的ROS代谢进行分析，发现ROS代谢在不同肿瘤类型中发挥作用不同。据Malla等[20]报道，在乳腺肿瘤及其周围微环境细胞中ROS增加。ROS是乳腺肿瘤微环境的关键因子，其保证了各种成分之间的双向沟通，并在肿瘤进展和转移中发挥多种作用。

细胞的自噬过程涉及细胞器和蛋白质的降解，在与ROS水平升高相关的细胞过程中，起至关重要的作用。大量研究证明，ROS调节在自噬介导中有重要作用，ROS可能作为与自噬相关的生存信号靶点。近年，Aggarwal等[12]已转向寻找ROS衍生自噬在恶性肿瘤治疗中应用价值的研究。

miRNA是一种非编码的小RNA，由18～25个核苷酸的功能性RNA分子组成，在基因表达调控中发挥关键作用。研究表明，miRNA与肿瘤生长、转移和进展显著相关，其表达异常是肿瘤的重要标志物。值得注意的是，一些被称为ROS-miRs或redoximiRs的特定miRNA，受OS调控，并在对ROS的反应中调节靶基因的表达；提示ROS可能是miRNA的上下游调控因子。ROS作为上游调控因子，分别通过转录、转录后和表观遗传调控，调节miRNA的表达。另外，miRNA干扰ROS的产生(下游调节)，并参与ROS介导的功能。miRNA和ROS可通过协同或对抗，调节肿瘤的进展[13]。

肿瘤细胞与正常细胞相比，其表现出更多的ROS来维持恶性表型[21]。在肿瘤治疗中，有两种策略通过调节ROS来预防或治疗癌症。(1)化学预防：通过抑制ROS产生途径或使用抗氧化剂增强ROS的清除，阻止或减少细胞内的ROS，从而保护正常细胞免于恶性转化，抑制肿瘤发生的早期阶段。(2)ROS介导的抗癌治疗：刺激细胞内的ROS，使之达到毒性阈值，激活ROS诱导的细胞死亡途径[21]。光动力疗法(photo dynamic therapy, PDT)是一种新兴的治疗肿瘤方法，因其疗效高、选择性强等优点，在肿瘤治疗领域具有巨大的潜力[22]。然而，由于肿瘤微环境在较大程度上限制了ROS对肿瘤的杀伤作用，使PDT的疗效难以达到预期的效果。在过去的几十年里，已经研发出一系列措施，来增强ROS杀伤肿瘤细胞的能力，以促进PDT的临床转化和应用[22]。最近研究也揭示了ROS在肿瘤患者治疗中的重要性，因为它们可以诱导细胞凋亡和自噬，从而获得更好的治疗效果[23]。Kennel等[24]认为，多模式治疗方法在癌症患者的氧化还原操作中具有较好的疗效，如同时或按顺序使用氧化还原调节剂、常规化疗及靶向治疗。

3 ROS与炎症

ROS参与了从细菌、植物、动物及人类细胞中的大量代谢过程，其功能包括对细菌和寄生虫的直接抗菌活性及免疫信号的氧化还原调节和诱导炎症反应[10]。在应激情况下，通过ROS产生的促炎分子会引起炎症[3]。ROS是一种具有抗菌膜活性的新型抗菌药物，对伤口、手术残腔、溃疡和烧伤、慢性鼻窦炎、慢性支气管炎和支气管扩张、泌尿道感染等疾病均具有重要的治疗作用。ROS可以以不同的形式传递到感染部位，对细菌、病毒和真菌发挥较强的杀灭作用。ROS还能防止和分解生物膜，使之适应慢性炎症的治疗。目前，越来越多的证据表明，不平衡的ROS在炎症过程中起关键作用，OS介导的信号传导机制与炎症和组织损伤有关[3]。ROS的信号转导和破坏特性可以驱动炎症反应，以及由慢性炎症引起的疾病[25]。与炎症信号升高和代谢功能障碍相关的疾病，如动脉粥样硬化、糖尿病和中风，均与氧化还原平衡的改变有关。慢性炎症、ROS积累和癌症进展之间存在复杂的相互影响。因此，靶向ROS是一种非常有前途的调节肿瘤相关的慢性炎症和肿瘤发展的标志物[12]。

4 ROS与心血管疾病

ROS可调节多种心血管功能，如细胞增殖、迁移和死亡。OS与心肌梗死、缺血/再灌注或心力衰竭高度相关[26]。生理水平的ROS控制细胞的增殖和血管生成，而ROS水平进一步升高超过生理值时，可通过凋亡或自噬机制触发细胞程序性死亡，导致心律失常和心脏收缩功能障碍。心肌缺血是心力衰竭最常见的原因，缺血-再灌注损伤导致心肌细胞凋亡，这与高水平的ROS密切相关。缺血时，ATP短缺会损害离子泵，导致钙集聚；钙超量和ROS增加，能引起细胞膜破裂，导致细胞死亡。ROS引起的氧化损伤是心力衰竭的主要原因。ROS在能量供应中的作用非常重要，其可以保护心脏免受功能不足的突然衰竭。心肌肥厚是一个补偿过程，可使心脏保持足够的功能，在该过程中增加的ROS，是对心脏功能不足引起的能量需求反应[8]。

ROS通过其在代谢中的基本作用，调节血管内皮细胞的增殖和凋亡。OS可导致高血压并促进其病理过程。然而，大脑动脉的松弛也需要ROS。缺血-再灌注能引起线粒体中ROS生成增加导致的氧化损伤，琥珀酸是缺血的代谢标志物，负责ROS的生成。琥珀酸在再灌注过程中，由于富马酸过剩和苹果酸/天门冬氨酸的穿行作用而累积。然后，再被琥珀酸脱氢酶氧化。在这一过程中，琥珀酸通过线粒体的反向电子传递，增加了ROS的生成。抑制琥珀酸或调节ROS水平，可改善缺血-再灌注导致的氧化损伤。ROS可通过与脂质过氧化和巨噬细胞相关转录因子的相互作用，调控动脉粥样硬化[8]。ROS增加促进动脉血栓形成，并影响其他心血管疾病。总之，ROS是基本的能量需求和代谢旺盛所必需的物质，在心血管疾病的防治中占有重要位置。

5 ROS与COVID-19

由SARS-CoV-2引起的COVID-19疫情自暴发以来，给人类健康造成重大危害。COVID-19患者的加速进展与“细胞因子风暴”的高炎症有关，其造成严重的全身扰动，表现为铁失调及其相关的高铁蛋白血症。铁失调诱导ROS产生，并促进OS。Salch等[27]强调两种发病机制：(1)炎症细胞因子风暴、OS、微生物群失调、铁超载和ROS积累的恶性循环，导致线粒体内外功能障碍。(2)影响血小板线粒体及其“衍生物”的功能障碍，这些“衍生物”是炎症环境进展的关键介质，可导致与炎症信号通路相关的凝血功能障碍。Salch等[27]认为细胞内线粒体功能障碍导致COVID-19感染，细胞外线粒体(特别是血小板线粒体)可影响血液凝固和血栓形成，其可能是COVID-19发病机制中的关键介质和战略性治疗靶点。

2021年，Habib等[28]报道铁超载可能是COVID-19发病机制中的重要因素。病毒可能攻击和破坏血红蛋白，从而导致铁从卟啉中释放进入循环中，造成铁超载。由于铁的失调和过载可导致全身游离铁水平升高，过量的游离铁在其生成ROS的过程中具有非常强的活性和潜在的毒性。此外，铁催化的脂质损伤对非凋亡细胞死亡的铁死亡有直接致因作用。铁死亡会进一步加重炎症反应，并导致多器官衰竭、肺损伤和肺活量减少[28]。由于铁超载会导致COVID-19，一种潜在的治疗方法是应用乳铁蛋白减少铁超载，该糖蛋白除了对免疫系统有影响外，还可通过调节细胞因子和ROS的产生减少炎症，从而减少铁超载[28]。另一种处理铁超载的方法是使用铁螯合剂，由于ROS产生增多，患者血液中过量的游离铁会引起心脏铁中毒，用脱铁胺、脱铁石和脱铁易敏等螯合剂治疗，在当前COVID-19大流行期间，可能具有较高的治疗价值[28]。

Heras等[29]发现，线粒体和维生素D在COVID-19的发病过程中发挥重要作用，包括SARS-CoV-2在内的病毒常会在不同水平上改变线粒体动力学，以实现感染的进展。其中，包括线粒体DNA损伤、线粒体膜电位变化、线粒体代谢途径和钙平衡的改变、细胞内线粒体数量和分布的改变、身体抗氧化防御的损伤和ROS水平的增加等。另一方面，维生素D可作为一种有效的抗炎和抗氧化剂，能降低肾素-血管紧张素-醛固酮系统的激活，从而减少ROS的生成，改善SARS-CoV-2感染者的预后。因此，Heras等[29]建议提高全人类维生素D的血浆水平，特别是那些受到SARS-CoV-2感染的患者。

6 总结与展望

综上所述，许多重要的生命现象和疾病均与ROS有着直接或间接的关系。ROS主要来源于线粒体，通过使用线粒体靶向疗法来改善线粒体功能，可能是增强非药物治疗的重要策略。ROS的高化学反应性，使其成为大多数生物分子治疗的有效武器。在分子生物学和细胞生物学研究中，氧化剂涉及越来越多的变化和动态过程，其中潜在的化学途径往往是未知的。未来有望对这些高活性分子的机制及其氧化修饰的作用，进行更深入的研究。

目前，人们普遍认为ROS是具有不同来源和目标的信号网络的一部分，其不同的亚细胞区域表明存在多个不同的ROS热点。随着对ROS的认识不断扩大，针对ROS新的治疗方法，需要识别和抑制与特定疾病相关的有害ROS的主要来源，相信未来将会有更多针对特定ROS来源和明确机制的研究。