Nrf2与心血管系统疾病

  摘要 心血管系统易患多种疾病从而引起较高的患病率和死亡率。许多心血管疾病的发生与抵抗氧化应激所诱导的细胞损伤或死亡有关，从而导致器官功能失调。核因子相关因子2（Nrf2）通过抗氧化反应元件调节抗氧化酶的表达。Nrf2在众多心血管疾病的抗氧化防御中发挥重要作用，如动脉粥样硬化、高血压和心力衰竭等。

关键词 核因子相关因子2(Nrf2)、氧化应激、动脉粥样硬化、高血压

到2020年，心血管疾病将成为全球范围内导致死亡和残疾的主要原因，随着死亡人数不断上升，预计到2030年将超过2400万的数量。这些致命的杀手不再只是影响发达国家，目前发生心血管疾病死亡的人超过80％出现在世界各地低收入和中等收入国家【1】。因此对于心血管疾病发病机制及其治疗成为众多科研者研究的目标。已明确氧化应激参与到了心血管疾病的进程中，是包括心肌梗死、充血性心脏衰竭、动脉粥样硬化、高血压等发生及加重的关键因素【2】。氧化应激将造成细胞凋亡，组织、器官损害从而引起功能障碍，而核因子相关因子-2（Nrf2）是细胞对抗氧化应激的重要调节因子，Nrf2激活后可以介导多种抗氧化酶和Ⅱ相解毒酶的表达，发挥抗氧化应激与促进细胞生存的作用【3】。因此，研究Nrf2与心血管系统疾病之间的联系将有可能提供有希望的治疗新靶点。
1、Nrf2
核因子相关因子-2（Nuclear factor-erythroid 2-Related Factor 2，Nrf2）是1994年首次发现的调控抗氧化基因和保护细胞的II相解毒酶的一个转录因子，是Cap-n-collar家族成员之一，广泛表达于心血管系统。Nrf2通过与抗氧化反应元件（ARE）抗氧化和细胞保护基因序列相互影响，从而在氧化应激的适应性反应中发挥重要作用【4】。当处于非激活状态时， Nrf2定位于细胞浆中，与胞浆蛋白伴侣分子Kelch-like ECH associated Protein 1（Keap1）相互作用，并迅速被泛素-蛋白酶途径降解，使Nrf2功能处于抑制状态。然而，当暴露于氧化或亲电子压力时，Nrf2的磷酸化导致Nrf2与Keap1解离，随后Nrf2易位到细胞核。在细胞核中，Nrf2与抗氧化反应元件（Antioxidant Response Elements，AREs）序列结合【5】，启动由ARE介导的抗氧化蛋白和Ⅱ相解毒酶，如血红素加氧酶-1（HO-1），NAD（P）H：醌氧化还原酶-1（NQO1），谷胱甘肽-S-转移酶（GST）等基因的转录及表达，保护细胞免受自由基损害，防止细胞凋亡并促进细胞存活【6】。
2、Nrf2与氧化应激及心血管疾病
氧化应激和炎症涉及多种心血管疾病，如动脉粥样硬化，再灌注损伤，高血压和心脏衰竭、心肌肥厚和心肌梗死，是心血管疾病发生发展过程中至关重要的发病机制【7】。氧化应激(oxidative stress，os)是指机体的活性氧(reactive oxygen species，ROS)产生过多或/和机体抗氧化能力降低，导致氧自由基及其相关代谢产物过量聚集【8】，过多的ROS会对核酸、蛋白质及脂质造成损伤，导致机体可逆或不可逆的损伤，引起血管内皮功能障碍，甚至是细胞凋亡和坏死【7】【9】。ROS可激活一些调控氧化还原的转录因子，而这些转录因子在心血管疾病的病理生理学中发挥者重要作用。其中，核因子相关因子2(Nrf2)是一个对氧化还原敏感的碱性亮氨酸拉链蛋白转录因子，诱导一系列抗氧化基因和其他保护细胞的II相解毒酶的表达【10】。ROS产生可激活Nrf2，同时Nrf2又可明显降低氧化应激水平，减少ROS产生【11】，这可能是由于心脏内Nrf2持续激活上调了一些内源性抗氧化剂的转录，其下游基因参与了保护对抗心血管疾病的发病机制【12】。越来越多的证据显示，Nrf2通过抑制心血管疾病发生发展的主要诱发因素-氧化应激，从而成为维持心血管内稳态的一个重要调节器。在此，我们回顾当前的文献提出Nrf2具有重要的心脏保护机制，因此，Nrf2有望成为心血管疾病一种很有价值的治疗靶点【10】。
2.1 Nrf2与动脉粥样硬化
动脉粥样硬化和相关心血管并发症，如中风和心肌梗死可致较高的发病率和死亡率【13】。动脉粥样硬化是一种炎症性疾病，其特征在于内皮渗透、氧化低密度脂蛋白堆积，内皮损伤（血液湍流、高血压和吸烟毒素）以及感染。这个过程可导致动脉粥样硬化病变，损害血管直径，增加局部缺血的危险性【11】。而氧化应激诱导的血管内皮细胞损伤是动脉粥样硬化发病机制中的一个重要因素【14】，在动脉粥样硬化中Nrf2调节血红素加氧酶1和谷胱甘肽过氧化物酶1的表达水平从而起到一定的保护作用【15】。Ding【13】等用高胆固醇喂养大鼠诱导动脉粥样硬化，而给予药物干预上调Nrf2表达后，其介导的抗氧化基因增加有助于减缓动脉粥样硬化病变进展，说明Nrf2具有抗动脉硬化的功能。然而矛盾的是，Nrf2可增加清道夫蛋白的表达以促进动脉粥样硬化的形成，Nrf2缺陷小鼠即使存在更强的氧化应激，但动脉硬化程度却降低。与野生型对照相比，Nrf2基因敲除小鼠主动脉粥样硬化程度出乎意料的减少，因此得出结论，Nrf2表达通过全身代谢和局部血管联合效应促进动脉粥样硬化病灶的形成【15】。因此，目前对于Nrf2在动脉粥样硬化中的作用仍具有争议。

2.2 Nrf2与缺血再灌注损伤
急性心肌缺血后使用药物或机械干预恢复冠脉血流量（灌注）以恢复细胞功能对存活心肌是至关重要的。然而矛盾的是，尽管再灌注后氧气水平恢复，再灌注本身通过启动局部氧化应激和区域炎症反应，产生大量活性氧物种及促炎中性粒细胞浸润至缺血组织，引起大量细胞损伤和细胞死亡，则加剧了局部缺血损伤，这称为“再灌注损伤”【16】【17】。以往的研究已表明，氧化应激、炎症反应、血小板聚集、微血栓形成及细胞死亡共同参与了心肌缺血再灌注损伤的疾病进程中【18】。其中，氧化应激所致的钙超载及活性氧（ROS）过度产生是缺血再灌注发生发展的关键因素【19】。核因子相关因子2（Nrf2）可调节细胞内抗氧化剂及抗炎成分，是抵御氧化应激的枢纽。Nrf2基因敲除小鼠对氧化应激的耐受能力明显降低，这是由于破坏小鼠Nrf2将减弱或废除对抗氧化应激反应的抗氧化剂编码基因，从而加剧氧化应激及炎症反应【20】【21】。用大鼠心脏H9c2细胞模拟缺血再灌注（10小时缺氧，16小时常氧）后导致细胞内大量活性氧产生，氧化应激水平明显增加。同等条件下，与II相抗氧化酶诱导剂D3T共培养可明显降低细胞内ROS水平。同时发现细胞内Nrf2的mRNA和蛋白质水平增加，表明Nrf2可能是控制缺血再灌注损伤后细胞内ROS，降低氧化应激水平的关键【11】。此外，Deng【16】等发现予α-硫辛酸预处理激活大鼠心脏Nrf2信号可显著减轻由心脏缺血再灌注所指的心肌细胞死亡，减少心梗面积并改善心功能。这表明，在缺血再灌注后迅速激活Nrf2对心脏具有保护作用。
2.3 Nrf2与心力衰竭
尽管进来对心脏衰竭（HF）治疗有了较大的进步，但其发病率，死亡率和经济负担仍然非常高。高血压，局部缺血，糖尿病，和在临床上所使用的一些抗癌药物是心脏重构和心力衰竭的常见原因。已证实氧化应激是引起心衰的一个重要原因。心脏内活性氧（ROS）产生增多可直接导致心肌细胞大量坏死和凋亡，进而导致心脏重构和功能障碍，因此认为ROS产生和氧化应激在这一病理过程中起到了枢纽作用。Nrf2广泛表达于心血管系统，是调控抗氧化基因和其他保护细胞的II相解毒酶的一个转录因子【22】。新的证据显示，Nrf2及其靶基因通过抑制心力衰竭发生发展的关键角色-氧化应激，进而成为维持心血管稳态的重要调节器。已证实心肌细胞程序性细胞死亡（细胞凋亡）是心衰进程中的基本过程，而Nrf2可调节抗氧化剂和硫醇还原剂，例如N乙酰半胱氨酸，和锰超氧化物歧化酶的表达以阻止或延迟凋亡。相比于野生型小鼠，Nrf2基因敲除小鼠将出现病理性心脏肥大，明显心肌纤维化及细胞凋亡，致死亡率增加，这与心肌内4-羟基-2-壬烯醛和8-羟基脱氧水平升高以及完全封锁心肌内数个抗氧化基因的表达有关。此外，无论是在心肌细胞或是心肌成纤维细胞中过表达Nrf2，都可明显抑制了肥厚性因子诱导的ROS产生和增长，然而封锁Nrf2则出现了相反效果【23】。激活Nrf2及其靶基因，如HO-1，SOD和GPX，都可有效防止心脏重构。虽然不能排除一些可能通过不依赖Nrf2的途径保护心脏，但Nrf2诱导的细胞防御过程仍是主要驱动力。因此，Nrf2是维持心脏结构和功能完整性的主要调节器，激活Nrf2及其靶基因可抑制氧化应激反应，为防止病理性心脏重构及心脏衰竭提供了一种新的机制【22】。
2.4 Nrf2与高血压
高血压是造成在世界各地发病率和死亡非常普遍的病理状态，是心血管疾病最相关的危险因素之一。尽管高血压发病潜在机制尚未完全阐明，但大量证据表明，氧化应激在其病理生理学中发挥中心作用。高血压的发病机制可归因于维持血管壁内环境的活性氧（ROS）过度产生，血管紧张素II（AT-II）、内皮素-1（ET-1）及加压素II（UT-II）增高诱发血压升高也可增加ROS产生。同时，因血压升高所增加的机械力同时也刺激ROS生成。最终，ROS诱导细胞内钙浓度增加引起血管收缩，从而促成了高血压发病【24】。然而，Nrf2通过调节其下游抗氧化剂转录活化以减少ROS产生，说明Nrf2可能在调控血压方面也起重要作用【11】。在自发性高血压大鼠模型中发现Nrf2表达增加【25】，且Nrf2可诱导HO-1的表达，而HO-1在自发性高血压大鼠模型中具有降压作用。在血红素的分解过程中，HO-1可促进CO的生成，而CO通过依赖于NO具有降血压作用。CO也可抑制内皮素的生成，而内皮素是一种强缩血管物质。此外，大量研究结果表明，在自发性高血压大鼠模型中，增加HO/CO信号通道活性可降低血压。上述研究结果表明，Nrf2也许在调节血压中发挥重要作用【11】。
3、总结
Nrf2是维持细胞氧化还原平衡，减轻氧化应激相关病理过程中的关键组成部分。在心血管系统中，多组织Nrf2缺乏的患者更倾向于患多种疾病。若Nrf2表达不足以防止高血压，那Nrf2将可能不足以防止氧化应激、动脉粥样硬化及心脏衰竭，这也显示了进一步证实Nrf2作为潜在治疗靶点的迫切性。然而，也有证据显示，增加Nrf2活性也许会加速心血管疾病的病理病程。在缺血再灌注前短暂地激活Nrf2活性也许会促进心功能的恢复，而长期持续激活Nrf2则不利于心功能的恢复。因此，在确定Nrf2是一个潜在的心血管疾病治疗靶点之前，我们需进一步理解Nrf2在心血管疾病中的作用。
参考文献
【1】Valentin Fuster, MD,et al.Global burden of ardiovascular disease.Journal of the American College of Cardiology.2014;64(5):520-522.
【2】Reuland DJ, McCord JM,et al.The role of Nrf2 in the attenuation of cardiovascular disease.Exerc Sport Sci Rev. 2013 Jul;41(3):162-8.
【3】Niture SK, Kaspar JW, et al. Nrf2 signaling and cell survival. Toxicol Appl Pharmacol. 2010. 244(1): 37-42.
【4】Tang W, Jiang YF,et al.Role of Nrf2 in chronic liver disease.World J Gastroenterol. 2014 Sep 28;20(36):13079-13087.
【5】Niture SK, Kaspar JW, Shen J, Jaiswal AK. Nrf2 signaling and cell survival. Toxicol Appl Pharmacol. 2010. 244(1): 37-42.
【6】Kaspar JW, Niture SK, et al.Nrf2:INrf2 (Keap1) signaling in oxidative stress.Free Radic Biol Med. 2009 Nov 1;47(9):1304-9.
【7】Ichihara S.The pathological roles of environmental and redox stresses in cardiovascular diseases.Environ Health Prev Med. 2013 May;18(3):177-84.