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慢性肾病中髓过氧化物酶的作用机制

时间:2019-01-07

  摘    要: 慢性肾病 (CKD) 是全球性公共健康问题。终末期肾病 (ESRD) 指各种CKD的终末阶段, 具有较高的心血管并发症和死亡风险, 且无论透析或是肾移植, 其经济成本均较高。CKD患者由于代谢紊乱、免疫缺陷、炎性反应等原因, 机体内伴随进展性氧化应激的风险大大增加。氧化应激是指体内氧化和抗氧化系统的失衡, 可导致多组织器官的氧化损害和功能障碍。髓过氧化物酶 (MPO) 主要存在于髓系细胞嗜苯胺蓝颗粒中, 是反应中性粒细胞和巨噬细胞活化的特异性指标。MPO及其衍生氧化物可通过对多种生物分子的氧化修饰作用, 促进了CKD及其并发症的发生、发展。

  关键词: 慢性肾脏疾病; 髓过氧化物酶; 氧化应激; 脂质过氧化; 心血管疾病;
 

慢性肾病中髓过氧化物酶的作用机制
 

  慢性肾病 (CKD) 是全球性公共健康问题。终末期肾病 (ESRD) 指各种CKD的终末阶段, 具有较高的心血管并发症和死亡风险, 且无论透析或是肾移植其经济成本均较高。CKD患者由于代谢紊乱、免疫缺陷、炎性反应等原因, 机体内伴随进展性氧化应激的风险大大增加[1]。氧化应激是指体内氧化和抗氧化系统的失衡, 可导致多组织器官的氧化损害和功能障碍。髓过氧化物酶 (MPO) 主要存在于髓系细胞嗜苯胺蓝颗粒中, 是反应中性粒细胞和巨噬细胞活化的特异性指标。MPO及其衍生氧化物可通过对多种生物分子的氧化修饰作用, 促进了CKD及其并发症的发生、发展。

  1、 CKD中的氧化应激反应

  CKD患者由于营养不良、抗氧化防御系统能力下降, 再加上药物和透析的不良反应, 导致促氧化毒素和强氧化产物的逐步累积, 体内氧化还原稳态被破坏, 进而诱发全身性氧化应激损伤。活性氧在CKD的发生、发展过程中起着重要作用。研究表明, CKD患者体内多种氧化损伤标志物水平明显增加;其中研究较多的有蛋白类的3-硝基酪氨酸和羧甲基赖氨酸、脂质类的丙二醛、4-羟基壬烯醛、脂氢过氧化物、羟胆固醇、F2-异前列腺素和氧化低密度脂蛋白, 以及核酸类的DNA和RNA氧化等[2]。虽然透析给ESRD患者保证了一定的生活质量, 但长期透析治疗也可引起多种并发症, 这可能与透析过程中活性氧的生成和清除不平衡有关。透析可导致亲水性抗氧化物质的丢失、脂溶性抗氧化物质的消耗、辅酶和抗氧化酶功能障碍, 进一步减弱机体的抗氧化能力[3]。

  CKD患者还普遍存在系统性炎性反应, 其机制可能与免疫缺陷、免疫细胞活化、促炎细胞因子和氯化氧化物生成等有关。在慢性肾功能不全队列研究 (CRIC) 中, 肾小球滤过率 (GFR) 与多种炎症标志物呈负相关;CKD患者高水平的急性时相反应蛋白与促炎因子可预测其心血管疾病的发生率和死亡率。同样, 透析也可促进全身性的炎性反应[4]。由于血液与透析膜的生物相容性反应, 中性粒细胞、单核细胞被激活, 产生氧化活性中间物, 致使促炎氧化应激反应的发生, 该过程中MPO发挥了重要作用[3]。研究显示, 透析患者体内中性粒细胞脱颗粒产物MPO和弹性蛋白酶水平增加[5]。

  2、 MPO是CKD高氧化应激状态的关键因子

  MPO含有血红素, 与吞噬细胞杀伤微生物的氧依赖性机制有关。MPO在中性粒细胞的嗜苯胺蓝颗粒中含量最多, 其次为单核细胞和一些巨噬细胞亚群[6], 包括常驻组织的巨噬细胞, 如腹膜巨噬细胞、小胶质细胞和Kupffer细胞。MPO可催化过氧化氢反应, 将超氧阴离子、卤化物和拟卤化物离子 (Cl-、Br-和SCN-) 歧化成相应的次卤酸 (次氯酸、次溴酸、次硫氰酸) 或者活性氮化物、酪氨酰基等活性中间体[3,6]。次氯酸及其他MPO衍生氧化物可介导蛋白、核酸、脂质和碳水化合物等生物分子的氧化损伤, 进而影响组织器官的功能[7]。次氯酸可通过降低细胞外基质蛋白对内皮细胞的黏附性来诱导内皮细胞的功能障碍;并可活化基质金属蛋白酶, 使内皮细胞周围的血管和组织环境变得不稳定。中性粒细胞是血管炎症的主要调节者[8]。由于细胞外的MPO可催化血液中的脂蛋白和其他分子发生过氧化反应, 因此, 通常认为MPO是体内脂质过氧化的主要推动因子之一。血浆脂蛋白的脂质过氧化可进一步促进动脉粥样硬化的发生, 这与CKD患者高发动脉粥样硬化性心血管并发症密切相关。

  3、 MPO源性的氧化物与CKD的蛋白损伤

  在体内和体外条件下, 次氯酸可与多种生物分子发生反应, 包括含硫醇、氮及不饱和羰基的化合物等。次卤酸与蛋白分子的反应, 可使蛋白发生解折叠和酶失活。在吞噬细胞的活性期间形成的蛋白氧化产物被认为是MPO活性的特异性标志物, 血浆中这种产物的增加代表CKD患者氧化应激能力加强。

  血浆中的清蛋白和低分子抗氧化物可保护细胞外液免受吞噬细胞产生氧化剂的影响。清蛋白是最丰富和最重要的血浆蛋白;生理条件下, 血清清蛋白占总血浆蛋白的50%~60%。因此, 清蛋白是人体血浆中氧化物的强清除剂, 具有抑制羟基自由基、过氧自由基及次氯酸反应的能力。血浆蛋白对活性物质非常敏感, 当清蛋白长期处于氧化应激状态时, 其构象和功能会发生变化, 氧化修饰后清蛋白会不可逆的丧失了其生物学特性。在长期透析的尿毒症患者中, 清蛋白的结构改变, 导致其与配体的结合能力以及其抗氧化能力均下降[9]。

  CKD患者的低蛋白血症, 可能是由于炎症和蛋白、卡路里摄入不足所导致的。炎性反应可诱发厌食症, 通过产生特定细胞因子以进一步降低血浆清蛋白浓度, 还可抑制清蛋白的吸收、增加内源性清蛋白的分解代谢。由于清蛋白是血液和细胞外环境中的重要抗氧化剂, 低蛋白血症促进了CKD患者氧化应激反应的发生和发展。在人体中, 清蛋白可充当一氧化氮的储备库, 因此, 低蛋白血症也降低了一氧化氮的生物利用度和内皮依赖性的血管舒张作用。研究表明, 在接受血液透析的患者中, 低蛋白血症是脑血管疾病 (CVD) 发生的不利因素;血浆清蛋白水平与透析患者的生存预后密切相关[10]。

  CKD患者中高水平的尿素, 可通过蛋白氨基甲酰化反应促进蛋白的翻译后修饰。临床研究显示, 在维持透析的CKD和ESRD患者中, 血液氨基甲酰化清蛋白的水平可预测CVD的发生风险[11]。氨基甲酰化清蛋白可促进炎性反应, 动脉粥样硬化斑块中含有丰富的氨基甲酰化清蛋白;氨基甲酰化低密度脂蛋白 (LDL) 可能是泡沫细胞的致病性配体;白细胞MPO催化的蛋白氨基甲酰化是人类动脉粥样硬化病变中氨基甲酰化的主要机制[12]。尿素是人体内蛋白分解的代谢产物, 在水溶液中可缓慢分解形成氰酸 (及其共轭碱、氰酸酯) 。生理状态下, 氰酸和它的活性形式异氰酸处于平衡状态。健康人血浆中异氰酸浓度约为50nmol/L, 而CKD患者中可高达150nmol/L[5]。活性形式的异氰酸, 能够与蛋白氨基特别是赖氨酸残基的氨基相互作用, 产生高瓜氨酸[2]。氰酸酯也可经由MPO催化拟卤化物硫氰酸的氧化反应产生[11]。硫氰酸是MPO的优选底物;生理条件下约有高达50%的过氧化氢被MPO用来氧化硫氰酸。大量证据已证实, 蛋白的氨基甲酰化可导致高密度脂蛋白 (HDL) 和LDL的功能受损[13]。

  4、 MPO与CKD患者的脂质紊乱和脂质过氧化

  动脉粥样硬化性CVD的并发症是CKD患者死亡的主要原因。由MPO和氯化氧化物系统介导的脂质的氧化或氯化是动脉粥样硬化的发生和进展的关键过程[14]。MPO催化产生的氯化氧化物可促使LDL氧化, 是动脉粥样硬化斑块中泡沫细胞形成的始动因素[15]。氧化修饰的脂蛋白可抵抗胆固醇逆向转运, 脂质过氧化物还可影响单核细胞的活化、黏附、渗透和分化功能。

  血脂异常是增加CKD患者CVD风险的重要因素[16]。CKD患者最常见的血脂异常包括三酰甘油及高富含三酰甘油脂蛋白 (如极低密度脂蛋白和中间密度脂蛋白) 水平增加, 而高密度脂蛋白水平降低。脂蛋白脂酶 (LPL) 主要水解乳糜微粒和极低密度脂蛋白;肝脂肪酶 (HL) 主要水解中间密度脂蛋白 (IDL) 和LDL;内皮脂肪酶 (EL) 主要水解高密度脂蛋白。LPL的活性降低和富含三酰甘油脂蛋白颗粒的代谢缓慢可导致CKD患者血脂异常的发生、发展。全身性炎性反应和氧化应激、脂蛋白氧化修饰、载脂蛋白氨基甲酰化、编码基因下调等因素均可抑制CKD患者中的脂肪分解酶的活性和作用[17]。

  众所周知, LDL在动脉粥样硬化的发生、发展中起重要作用[17]。MPO衍生的氧化产物可诱导LDL蛋白和脂质组分发生氧化, 形成MPO依赖性的氧化LDL颗粒[18]。氧化LDL较天然LDL具有更强的致动脉粥样硬化改变作用:诱导内皮功能障碍、促进炎性反应、趋化巨噬细胞、刺激巨噬细胞集落刺激因子表达、影响黏附分子和单核细胞的活化等。在CKD患者持续性的氧化应激和慢性炎症状态下, 细胞外MPO的增加可能是脂蛋白发生氧化修饰的主要引发剂。有研究显示, 氧化LDL在CKD患者循环血液和肾间质组织中高度富集;透析患者体内高水平的MPO依赖性氧化LDL可作为血浆MPO活性的潜在标志物[18]。

  HDL除了参与胆固醇逆向转运、从细胞中运输过量胆固醇至肝脏进一步代谢的作用外, 还发挥了抑制内源性炎性反应、血小板聚集和LDL氧化的作用[19]。在CKD患者中, 血液中HDL胆固醇的水平降低, 且存在HDL颗粒的结构修饰和功能损伤[19]。活性脂质过氧化产物如丙二醛可以修饰和交联载脂蛋白AI中的特定残基, 导致HDL的功能改变, 进而影响巨噬细胞中胆固醇的流出, 促进动脉粥样硬化发展。此外, CKD患者中卵磷脂胆固醇酰基转移酶 (LCAT) 和对氧磷酶活性降低, 也会影响胆固醇的逆向转运。CKD患者HDL颗粒减弱的抗氧化和抗炎特性, 也可能是源于HDL代谢相关酶如对氧磷酶等的活性降低。

  5、 CKD患者MPO水平的临床研究

  AFSHINNIA等[20]选取了不同分期的111名CKD患者, 结果发现随着CKD的进展, 血浆MPO水平呈明显下降趋势, 但MPO催化反应生成的氧化产物3-氯化酪氨酸则呈明显升高趋势;进一步分析还发现, 伴有冠心病的CKD患者血浆MPO、3-氯化酪氨酸水平均高于未伴有冠心病的患者;由此提示不同分期CKD患者血浆MPO水平随疾病严重程度逐渐降低, 但其催化活性则逐渐增加;血浆MPO、3-氯化酪氨酸水平可作为CKD患者发生冠心病的风险预测因子。CHEN等[21]选取了CRIC中3 169例CKD患者, 经过平均6.3年的随访, 结果发现在排除年龄、性别、种族、吸烟、血脂等传统危险因素的影响后, 发生了外周动脉疾病的CKD患者血浆MPO水平仍明显高于未发生外周动脉疾病的患者;可见升高血浆MPO水平与外周动脉疾病的发生风险密切相关。另有研究显示, 在血液透析或连续腹膜透析等肾脏替代治疗的患者中, 血清MPO活性或浓度均增加[22], 可见, 透析治疗可明显增加CKD患者中性粒细胞的MPO水平。

  6、 展望

  探讨氧化应激对CKD的发生和发展的作用, 有助于评估其肾功能损伤程度, 指导临床治疗方案以进一步减缓疾病进程、延迟并发症和合并症的发生。嗜中性粒细胞的活化, MPO的释放及其氯化中间产物的形成, 可诱发CKD患者体内的高氧化应激状态及全身性炎性反应, 进而对生物分子造成持续性的氧化损伤。MPO衍生氧化产物可影响细胞功能并促成组织损伤。氧化修饰的脂质和蛋白可促进动脉粥样硬化的发生, 进而导致CKD患者的CVD并发症。尽管近年来部分研究对MPO及其氯化中间产物的复杂作用机制取得了一定的进展, 但其在CKD和ESRD中介导氧化应激和炎性反应的确切分子机制仍需进一步研究。

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