氧化应激与疾病2015

上海医学院生理与病理生理学系王新红wangxh@shmu.edu.cn氧化应激与疾病第一节概述(Introduction)一、概念(concept)机体活性氧的产生过多或/和机体抗氧化能力减弱，活性氧清除不足，导致活性氧在体内增多并引起细胞氧化损伤的病理过程—氧化应激(oxidativestress)二、活性氧的产生活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)，一类由氧生成的、化学性质较基态氧活泼的含氧代谢物，它包括氧自由基,过氧化氢,单线态氧,脂过氧化物及其裂解产物。(一）自由基的概念(FreeRadical)高能磷酸化合物缺乏的机制(二）自由基分类（Classificationoffreeradical）氧自由基1脂性自由基2氮中心自由基31、氧自由基(Oxygenfreeradical,OFR)由氧诱发的自由基活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS）2、脂性自由基(Lipidradical):氧自由基与多聚不饱和脂肪酸发生脂质过氧化的链式反应后生成的中间代谢产物。3、氮中心自由基（Reactivenitrogenspecies,RNS）由氮形成，并在分子组成上含有氮的一类化学性质非常活泼的物质,也称活性氮。自由基特性Propertyoffreeradical 化学性质活泼,易失去单电子（氧化）或俘获其它基团的电子（还原）；产生损伤效应，同时产生新自由基 氧化性强 链式反应 存在时间短 (三）自由基的代谢FentonreactionO2O2.-H2O2OH.H2O H2Oe-e-+2H+e-+H+e-+H+4e-+4H+细胞色素氧化酶系统1%-2%Fe2/Cu2+O2+H2O2O2+OH+OH线粒体(mitochondria)血红蛋白、肌红蛋白、儿茶酚胺氧化过程(catecholaminesauto-oxidation)黄嘌呤氧化酶氧化过程(xanthineoxidase)激活的中性粒细胞(activatedneutrophil） 酶性清除剂 低分子清除剂 蛋白质抗氧化剂三、活性氧的清除抗氧化损伤的防御系统 主要作用 主要的抗氧化酶 超氧化物歧化酶（SOD) 清除O2.- 过氧化氢酶（CAT) 清除H2O2 谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX) 清除H2O2,有机过氧化物 磷脂氢过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶 清除脂类过氧化物 谷胱甘肽硫转移酶 清除有机过氧化物 主要的非酶性抗氧化剂 维生素类（VitE,VitC) 清除1O2O2.-阻断过氧化 谷胱甘肽 清除1O2OH•H2O2 蛋白质抗氧化剂(铜兰蛋白，清蛋白） 控制OH•生成 尿酸Cu2+Zn2+-SOD突变脊髓侧索硬化症(Amyotrophiclateralsclerosis,ALS)超氧阴离子降解清除超氧化物歧化酶(SuperoxideDismutase,SOD)(Mn2+-SOD、Cu2+Zn2+-SOD)LouGehrig病（卢伽雷病）StephenHawking第二节氧化应激对机体的影响膜脂质过氧化增强蛋白质功能抑制核酸及染色体破坏(DestructiveeffectsofOFR)活性氧使脂质、蛋白质、核酸氧化一、氧化应激的损伤效应破坏膜的正常结构间接抑制膜蛋白功能促进自由基及其它生物活性物质生成ATP生成减少巯基氧化，氨基酸残基氧化，蛋白质交联染色体畸变、核酸碱基羟化或DNA断裂DiabeticcataractSenileplaques二、氧化损伤的生物学意义活性氧的防御作用吞噬细胞杀灭、清除病原微生物1.MPO途径：2.呼吸爆发：激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，NADPH氧化酶激活，产生大量氧自由基，这种现象称为呼吸爆发或氧爆发OH•和1O2是杀菌的主要成分 活性氧的抗肿瘤作用 抑制肿瘤，诱导凋亡 活性氧的转化解毒作用 物理性因素电离辐射，紫外线照射，高压氧，高温 化学性因素药物，化学试剂，香烟，高温 生物性因素细菌及异物，细胞因子，免疫复合物及补体系统激活物 抗氧化物的缺乏营养、维生素、微量元素缺乏等 三、氧化损伤的常见原因第三节氧化应激与重要的疾病或病理过程一、氧化应激与缺血-再灌注损伤oxidativestressandischemia-reperfusioninjury二、氧化应激与凋亡oxidativestressandapoptosis三、氧化应激与神经退行性疾病oxidativestressandneurodegenerativedisease神经退行性疾病是与衰老密切相关的以大脑和脊髓的神经元细胞进行性丧失为特征的疾病，包括阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿舞蹈症、脊髓侧索硬化症等。（一）阿尔茨海默病Alzheimer'sDisease，AD65岁以上人群中痴呆患病率为4%～6% 80岁以上老人的患病率为20%左右AD的典型病理学特征 神经元纤维缠结(neurofibrillarytangles,NFTs)异常修饰的tau蛋白 老年斑(senileplaques,SP)（β淀粉样蛋白） 神经元细胞缺失Alzheimer病神经原纤维缠结。神经原纤维缠结在细胞质出现粉红色的细长丝。他们由细胞骨架中间丝组成Alzheimer病典型的显微镜表现包括“老年斑”与星形胶质细胞和小胶质细胞，老年斑是变性的突触前末梢。采用银染色很容易看到这些斑块,如图所示，许多斑块的大小各异病理特征阿尔茨海默病中氧化应激的标志8OHG是核酸的氧化标记物 蛋白羧基及硝化酪氨酸残基水平升高 MDA水平升高阿尔茨海默病中氧化应激的来源金属离子诱导自由基的生成Fe3+,Cu2+,Al3+,Zn2+ Aβ诱导活性氧的产生 其他途径来源的活性氧:NOPresenilin2基因突变等阿尔茨海默病(AD)蛋白激酶激活Tau蛋白异常磷酸化流*（二）帕金森病(Parkinsondisease,PD)PD的主要病理特征是黑质纹状体多巴胺能神经元显著缺失。 尚存的神经元内出现 路易小体(Lewybody)帕金森病中活性氧的来源多巴胺的自身代谢α-Synuclein基因突变线粒体功能缺陷神经毒素的作用兴奋性毒性、Ca2+失衡多巴胺代谢途径产生自由基神经退行性疾病中针对氧化应激的治疗策略维生素中的Vit.E，Vit.C、谷胱甘肽硫辛酸微量元素中的硒、锌褪黑素（melatonin，MLT）传统中药四、氧化应激与动脉粥样硬化oxidativestressandatherosclerosis动脉粥样硬化(Atherosclerosis,AS)是指在动脉及其分支的动脉壁内膜及内膜下有脂质沉着(主要是胆固醇及胆固醇脂),同时伴有中层血管平滑肌细胞移行至内膜下增殖,使内膜增厚,形成黄色或灰黄色状如粥样物质的斑块。动脉粥样硬化脂质氧化理论的提出脂源性理论无法解释4种现象:LDL-R缺乏的患者(家族性纯合子型高胆固醇血症)或动物模型,由于巨噬细胞表面的LDL-R缺乏,LDL无法通过LDL-R途径被巨噬细胞摄取,但是该类患者或动物模型动脉粥样硬化的发病率几乎是100%。?体外试验中,即使将单核-巨噬细胞和平滑肌细胞和浓度非常高的LDL血浆共同培养后,也并不能诱导胆固醇在细胞内的聚积。LDL-R受细胞内胆固醇含量的负反馈调节。LDL和LDL-R结合后,内吞进入巨噬细胞胞浆,与溶酶体结合后,在溶酶体酶的作用下,LDL中的蛋白质降解为氨基酸,而胆固醇酯水解为游离胆固醇和脂肪酸。但是,当细胞内胆固醇的含量饱和时,便会反馈性调节细胞表面的LDL-R的数量减少,功能下调。所以LDL经这一途径代谢只是一个生理过程,并不会引起胆固醇在巨噬细胞内堆积。??多个流行病学调查结果显示,动脉粥样硬化与高胆固醇血症之间呈一种非线性关系,动脉粥样硬化患者中合并高胆固醇血症的不到60%,有40%多的患者血脂完全正常。各国男性TC水平和总死亡率关系05101520253035血清TCmmol/L(mg/dL)冠心病死亡率(%)南欧，内陆地区日本2.60(100)3.25(125)3.90(150)4.50(175)5.15(200)5.80(225)6.45(250)7.10(275)7.75(300)8.40(325)9.05(350)DataarefromtheSevenCountriesStudyof12,467menfromSouthernEuropeanCountries,theUSAandJapan.VerschurenWMetal.JAMA1995;274:131–136.高LDL与动脉粥样硬化形成之间存在中间环节ROS可导致脂质、蛋白质和DNA的修饰*LDL如何被氧化修饰LDL表层ROSLDL表面多不饱和脂肪酸双链断裂ApoB氧化共轭双烯修改LDL表面结构交联LDL不再被LDL-R识别转而被SR-AI(classAscavengerreceptorI）受体识别Witztum,J.L.etal.J.Clin.Invest.1991.88,1785-1792高脂血症肾素-血管紧张素Ob基因表达物电磁辐射、吸烟*这是低密度脂蛋白（LDL）。LDL表层的多不饱和脂肪酸很容易被血浆中存在氧离子（O2-）和过氧化离子（O2-）氧化，发生双链断裂，并与LDL表层的载脂蛋白B（ApoB）交联形成一种叫共轭双烯的物质，由于共轭双烯的存在使得LDL表层结构发生了变化，形成了氧化修饰的LDL，即ox-LDL，而这种修饰的直接结果就是导致ox-LDL对巨噬细胞表面的清道夫受体AI（SR-A）产生了极强的亲和力。OxLDL的致AS特性上调清道夫受体表达易被巨噬细胞迅速摄取，无负反馈调节，形成泡沫细胞刺激EC释放MCP-1、CSF，促进单核细胞趋化并分化成组织巨噬细胞抑制局部巨噬细胞迁移；刺激单核细胞/巨噬细胞表达IL-1*oxLDL的致AS特性上调单核细胞/巨噬细胞清道夫受体，能被巨噬细胞迅速摄取，且无负反馈调节；上调其内皮细胞受体LOX-1表达，通过刺激内皮细胞释放MCP-1间接吸引单核细胞；刺激EC释放单克隆刺激因子促进单核细胞分化成组织巨噬细胞；抑制局部巨噬细胞迁移；是T细胞但非B细胞趋化因子。因此粥样斑块中包含单核细胞和T细胞。oxLDL具有免疫原性，并对多种细胞包括EC具有细胞毒作用，使内膜完整性受损。刺激单核细胞/巨噬细胞表达IL-1b，抑制内皮细胞的血管舒张；刺激SMC及成终结细胞分泌MMP，激活MMP影响斑块稳定性。，Ox-LDL在泡沫细胞形成过程中的作用LDLLDL内皮细胞管腔单核细胞巨噬细胞泡沫细胞内膜氧化修饰LDL细胞增殖、退化RossR.NEnglJMed1999;340:115-126.MCP-1穿越VCAM-1ICAM-1粘附SR高脂血症细胞因子*这部分是血管管腔，这是内皮细胞，这是内膜部分。首先，单核细胞在血管VCAM-1和细胞间ICAM-1的作用下，粘附到血管内皮上；然后，单核细胞在单核细胞趋化蛋白-1的介导下，穿越血管内皮细胞，进入血管内膜，并衍化成巨噬细胞；另一方面，高脂血症，主要是LDL-C升高，被氧化修饰后形成ox-LDL，由于我们刚才我们所讲的ox-LDL对巨噬细胞表面SR-A的极强亲和力，所以ox-LDL被迅速摄取到巨噬细胞内；巨噬细胞吞噬了ox-LDL后，增殖退化形成泡沫细胞；同时由于ox-LDL具有很强的细胞的毒作用，使得巨噬细胞产生大量细胞因子和炎性介质，这些细胞因子和炎性介质反过来又刺激和加重了单核-巨噬细胞的粘附-穿越-摄取-分泌-增殖-退化的过程，形成恶性循环，泡沫细胞大量堆积，形成动脉粥样硬化斑块。除此之外，ox-LDL也是内皮细胞增殖-退化，平滑肌细胞移行-增殖-退化过程中也扮演着最关键的角色。今天因为时间的关系，有机会再和各位专家探讨ox-LDL在这方面的研究。ROS与AS*氧化应激贯穿于AS的全过程。早期始于内皮功能受损，随着AS进展，炎细胞及斑块内的其他成分释放大量ROS，进一步促进AS形成。ROS升高对AS的影响主要通过4种机制：LDL氧化成为oxLDL；内皮细胞功能受损：MCP-1、MMP释放增加，粘附分子VCAM-1、ICAM-1、LOX-1表达增加，NO活性下降，血小板聚集；SMC迁移、增殖并释放MMP；单核细胞粘附、迁移、呑噬oxLDL形成泡沫细胞。还可以诱导内皮细胞凋亡。OxLDL导致AS发生的途径促进SMC增殖抑制内皮细胞的血管舒张具有免疫原性细胞毒作用：破坏内膜完整性T细胞趋化因子MMP，影响斑块稳定性*oxLDL的致AS特性上调单核细胞/巨噬细胞清道夫受体，能被巨噬细胞迅速摄取，且无负反馈调节；上调其内皮细胞受体LOX-1表达，通过刺激内皮细胞释放MCP-1间接吸引单核细胞；刺激EC释放单克隆刺激因子促进单核细胞分化成组织巨噬细胞；抑制局部巨噬细胞迁移；是T细胞但非B细胞趋化因子。因此粥样斑块中包含单核细胞和T细胞。oxLDL具有免疫原性，并对多种细胞包括EC具有细胞毒作用，使内膜完整性受损。刺激单核细胞/巨噬细胞表达IL-1b，抑制内皮细胞的血管舒张；刺激SMC及成终结细胞分泌MMP，激活MMP影响斑块稳定性。，如何理解氧化应激在AS发生中的作用高能磷酸化合物缺乏的机制***这是低密度脂蛋白（LDL）。LDL表层的多不饱和脂肪酸很容易被血浆中存在氧离子（O2-）和过氧化离子（O2-）氧化，发生双链断裂，并与LDL表层的载脂蛋白B（ApoB）交联形成一种叫共轭双烯的物质，由于共轭双烯的存在使得LDL表层结构发生了变化，形成了氧化修饰的LDL，即ox-LDL，而这种修饰的直接结果就是导致ox-LDL对巨噬细胞表面的清道夫受体AI（SR-A）产生了极强的亲和力。*oxLDL的致AS特性上调单核细胞/巨噬细胞清道夫受体，能被巨噬细胞迅速摄取，且无负反馈调节；上调其内皮细胞受体LOX-1表达，通过刺激内皮细胞释放MCP-1间接吸引单核细胞；刺激EC释放单克隆刺激因子促进单核细胞分化成组织巨噬细胞；抑制局部巨噬细胞迁移；是T细胞但非B细胞趋化因子。因此粥样斑块中包含单核细胞和T细胞。oxLDL具有免疫原性，并对多种细胞包括EC具有细胞毒作用，使内膜完整性受损。刺激单核细胞/巨噬细胞表达IL-1b，抑制内皮细胞的血管舒张；刺激SMC及成终结细胞分泌MMP，激活MMP影响斑块稳定性。，*这部分是血管管腔，这是内皮细胞，这是内膜部分。首先，单核细胞在血管VCAM-1和细胞间ICAM-1的作用下，粘附到血管内皮上；然后，单核细胞在单核细胞趋化蛋白-1的介导下，穿越血管内皮细胞，进入血管内膜，并衍化成巨噬细胞；另一方面，高脂血症，主要是LDL-C升高，被氧化修饰后形成ox-LDL，由于我们刚才我们所讲的ox-LDL对巨噬细胞表面SR-A的极强亲和力，所以ox-LDL被迅速摄取到巨噬细胞内；巨噬细胞吞噬了ox-LDL后，增殖退化形成泡沫细胞；同时由于ox-LDL具有很强的细胞的毒作用，使得巨噬细胞产生大量细胞因子和炎性介质，这些细胞因子和炎性介质反过来又刺激和加重了单核-巨噬细胞的粘附-穿越-摄取-分泌-增殖-退化的过程，形成恶性循环，泡沫细胞大量堆积，形成动脉粥样硬化斑块。除此之外，ox-LDL也是内皮细胞增殖-退化，平滑肌细胞移行-增殖-退化过程中也扮演着最关键的角色。今天因为时间的关系，有机会再和各位专家探讨ox-LDL在这方面的研究。*氧化应激贯穿于AS的全过程。早期始于内皮功能受损，随着AS进展，炎细胞及斑块内的其他成分释放大量ROS，进一步促进AS形成。ROS升高对AS的影响主要通过4种机制：LDL氧化成为oxLDL；内皮细胞功能受损：MCP-1、MMP释放增加，粘附分子VCAM-1、ICAM-1、LOX-1表达增加，NO活性下降，血小板聚集；SMC迁移、增殖并释放MMP；单核细胞粘附、迁移、呑噬oxLDL形成泡沫细胞。还可以诱导内皮细胞凋亡。*oxLDL的致AS特性上调单核细胞/巨噬细胞清道夫受体，能被巨噬细胞迅速摄取，且无负反馈调节；上调其内皮细胞受体LOX-1表达，通过刺激内皮细胞释放MCP-1间接吸引单核细胞；刺激EC释放单克隆刺激因子促进单核细胞分化成组织巨噬细胞；抑制局部巨噬细胞迁移；是T细胞但非B细胞趋化因子。因此粥样斑块中包含单核细胞和T细胞。oxLDL具有免疫原性，并对多种细胞包括EC具有细胞毒作用，使内膜完整性受损。刺激单核细胞/巨噬细胞表达IL-1b，抑制内皮细胞的血管舒张；刺激SMC及成终结细胞分泌MMP，激活MMP影响斑块稳定性。，