抗氧化劑在健康與疾病中的作用機(jī)制

本文作者巴里哈利韋爾教授是科睿唯安（Clarivate）2021年3位化學(xué)引文桂冠獎(jiǎng)獲得者之一。獲獎(jiǎng)原因是在自由基化學(xué)方面的開(kāi)創(chuàng)性研究，包括自由基和抗氧化劑在人類疾病中的作用。哈利韋爾主編《自由基生物醫(yī)學(xué)》，對(duì)于自由基生物醫(yī)學(xué)的系統(tǒng)知識(shí)推廣發(fā)揮了重要作用。他這次關(guān)于自由基的最新綜述，是我們了解世界頂級(jí)學(xué)者對(duì)自由基生物醫(yī)學(xué)的最新觀點(diǎn)和這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展，都是非常有幫助的。

新加坡國(guó)立大學(xué)Barry Halliwell近日發(fā)表綜述，闡述了以活性氧(ROS)為代表的促氧化劑與抗氧化劑（antioxidant）在體的平衡，及其在正常生理與病理中發(fā)揮的作用；突出強(qiáng)調(diào)了目前相關(guān)知識(shí)與研究的空缺。Halliwell B. Understanding mechanisms of antioxidant action in health and disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 2024 Jan;25(1):13-33. 作者從ROS產(chǎn)生的機(jī)制與調(diào)節(jié)、正常生理作用、拮抗其過(guò)度活躍的抗氧化原理、內(nèi)源產(chǎn)生/外源（來(lái)自食物或者合成藥物）補(bǔ)充的抗氧化劑種類與工作機(jī)制等出發(fā)，細(xì)致梳理了該活性氧類分子與“抗氧化劑抵抗網(wǎng)絡(luò)（antioxidant defence network）”的平衡。

作者很有批判性地提到：雖然人們?cè)谏习俜N疾病發(fā)現(xiàn)ROS等的異常變化，但是活性氧并不一定起驅(qū)動(dòng)作用，有些時(shí)候還通過(guò)觸發(fā)內(nèi)源機(jī)體保護(hù)機(jī)制等途徑來(lái)發(fā)揮積極作用；目前也很少有抗氧化藥物展示積極的臨床效果，即使有效果的幾種也沒(méi)有充分證據(jù)支持就是通過(guò)抗氧化發(fā)揮功能，后續(xù)需要進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)。

另外，作者提示關(guān)注抗氧化劑潛在通過(guò)消化道發(fā)揮的功能；以及健康的生活方式（避免肥胖、控制血糖/膽固醇、適量運(yùn)動(dòng)、健康食物（水果、蔬菜、谷物等））潛在通過(guò)提高機(jī)體抗氧化能力發(fā)揮的積極作用。

該項(xiàng)工作2024年1月3日發(fā)表在Nature Reviews Molecular Cell Biology。

背景介紹

一、自由基活性氧概述

體內(nèi)產(chǎn)生的幾種活性氧（ROS）被廣泛定義為含有氧原子但比氧氣本身更具反應(yīng)性的分子。一些ROS是自由基，含有一個(gè)或多個(gè)未配對(duì)電子的原子或分子，即單獨(dú)占據(jù)原子或分子軌道的電子；而另一些是非自由基，其所有電子都成對(duì)。一些ROS是偶然產(chǎn)生的，例如，通過(guò)自動(dòng)氧化反應(yīng)和電子傳輸鏈中電子的泄漏；而另一些ROS則是生物細(xì)胞主動(dòng)產(chǎn)生的，以支持防御病原體（框1）和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（圖1）等重要過(guò)程。

一個(gè)重要的信號(hào)分子活性氧是非自由基過(guò)氧化氫（H2O2）。另一個(gè)是自由基一氧化氮NO?，其上標(biāo)點(diǎn)表示含有自由電子的自由基，一氧化氮具有多種生理作用；NO?的自由基化學(xué)性質(zhì)可解釋了其許多生理學(xué)效應(yīng)。事實(shí)上，ROS密切參與需氧生命過(guò)程的各個(gè)方面，從精子功能和卵子受精到胎盤的形成、胚胎發(fā)育/組織重塑、出生以及器官包括大腦的生長(zhǎng)和發(fā)展。特別指出，嬰兒從宮腔低氧過(guò)渡到空氣環(huán)境中21%氧氣時(shí)發(fā)生的超氧應(yīng)激，導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增加。

當(dāng)兩個(gè)自由基相遇時(shí)，它們的未配對(duì)電子可以相互結(jié)合形成一個(gè)共價(jià)鍵（共享一對(duì)電子）。例如，NO?與一些氨基酸衍生自由基結(jié)合。NO?與O2??的反應(yīng)形成過(guò)亞硝酸鹽，具有潛在的有害影響（表1）。當(dāng)一個(gè)自由基與一個(gè)非自由基反應(yīng)時(shí)，則會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即一系列自由基反應(yīng)發(fā)生。

ROS中的“反應(yīng)性”一詞涵蓋了廣泛的范圍。諸如超氧陰離子自由基（O2??）和H2O2這樣的物種反應(yīng)性有限（表1），而羥自由基（OH?）的反應(yīng)性非?？膳拢詳U(kuò)散控制速率攻擊所有生物分子，并經(jīng)常引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。一個(gè)重要的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是脂質(zhì)過(guò)氧化，其中一種ROS會(huì)導(dǎo)致膜和脂蛋白中多不飽和脂肪酸（PUFA）側(cè)鏈的多個(gè)分子氧化。OH?通常通過(guò)從膜或脂蛋白中PUFA側(cè)鏈的C?H基團(tuán)中提取一個(gè)氫原子來(lái)啟動(dòng)脂質(zhì)過(guò)氧化。

氫原子（H?）只含有一個(gè)電子，是一個(gè)典型的自由基，因此從C–H共價(jià)鍵中提取它會(huì)在碳上留下一個(gè)未配對(duì)的電子：

PUFA?H + OH? →PUFA? + H2O            (1) 

PUFA碳（C?）自由基迅速與O2反應(yīng)生成過(guò)氧基自由基（PUFA-O2?）：

PUFA? + O2 → PUFA?O2?                  (2)

其反應(yīng)性足以從另一PUFA側(cè)鏈（有時(shí)在同一條鏈上）上的C?H上提取H?以繼續(xù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)： 

PUFA?O2?+ PUFA?H → PUFA?O2H + PUFA?  (3) 

由PUFA衍生的過(guò)氧化物（PUFA?O2H）破壞膜結(jié)構(gòu)，也可以分解產(chǎn)生更多的自由基和細(xì)胞毒素醛，如4-羥基壬烯醛。質(zhì)子化的O2??形式（HO2 ?）（表1）也可以啟動(dòng)脂質(zhì)過(guò)氧化，但其生物學(xué)意義尚不確定。

此外，OH?攻擊所有其他生物分子，包括所有DNA四種堿基和脫氧核糖，生成多種DNA損傷產(chǎn)物。事實(shí)上，OH?在體內(nèi)DNA損傷中發(fā)揮作用的最佳證據(jù)之一就是觀察到OH?引起的這種獨(dú)特的氧化DNA損傷模式。其他ROS如過(guò)氧基自由基（例如，PUFA-O2 ?）、單線態(tài)氧（1 O2）和非自由基次氯酸（HOCl）（框1）和過(guò)亞硝酸鹽（ONOO?）[表1]的反應(yīng)性介于中間，它們與許多但不是所有的生物分子反應(yīng)，速度比OH?慢。1 O2是O2的一種形式，其電子構(gòu)型通過(guò)輸入能量重新排列以使其更具反應(yīng)性。與正常O2不同，1 O2可以直接將PUFA殘基氧化為過(guò)氧化物。氧化損傷一詞用于描述ROS對(duì)生物分子造成的損害，它涉及幾種（但絕不是所有）人類疾病，尤其是癌癥（框2）、心血管疾病、眼部和神經(jīng)退行性疾病（請(qǐng)參閱“使用抗氧化劑預(yù)防或治療人類疾病”）。幾種ROS（OH? 、1 O2、HOCl、ONOOH和某些過(guò)氧基自由基）可以攻擊DNA（產(chǎn)生誘變堿基氧化產(chǎn)物）（框2）、RNA、蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)。1 O2引起的氧化損傷在幾種疾病中起作用，例如卟啉病，這是由血紅素合成缺陷引起的疾病。卟啉病患者皮膚中的異常色素作為光敏劑，它們吸收光能并將能量傳遞給O2以產(chǎn)生1 O2，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的皮膚損傷。相比之下，由治療性光敏劑故意產(chǎn)生的1 O2用于治療某些癌癥，即所謂的光動(dòng)力療法（框2）。

本綜述重點(diǎn)介紹了抵消ROS的抗氧化劑（圖1）。它探討了“抗氧化劑”一詞的含義、存在的不同類型、它們的機(jī)制、它們?cè)谏韺W(xué)中的重要性（例如，防止感染）（框1）和病理學(xué)中的重要性、我們對(duì)這些知識(shí)的差距以及如何填補(bǔ)這些差距?？寡趸瘎?，無(wú)論是天然還是合成的，在治療或預(yù)防疾病方面的成功和失敗以及這些成功和失敗背后的原因也被討論。

圖1 活性氧和抗氧化劑平衡。

活性氧物質(zhì)（ROS）在體內(nèi)通過(guò)多種機(jī)制產(chǎn)生，包括黃嘌呤氧化酶（當(dāng)其將黃嘌呤和次黃嘌呤氧化為尿酸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超氧自由基（O2??）和過(guò)氧化氫（H2O2））和單胺氧化酶酶（當(dāng)其氧化單胺時(shí)，會(huì)產(chǎn)生H2O2），一氧化氮合酶（如果它們變得“解偶聯(lián)”，通常是由于缺乏它們的輔因子四氫生物喋呤，使得電子逃逸到O2形成O2??而不是NO?）和NADPH氧化酶家族（框1）。另一個(gè)重要的ROS來(lái)源是在電子通過(guò)電子傳遞鏈時(shí)，特別是線粒體中的電子逃逸到O2上生成O2??。電子也可以從血漿、核和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的電子傳遞鏈中逃逸，但這些似乎不如線粒體是O2??的重要來(lái)源。線粒體ROS的產(chǎn)生不應(yīng)僅被視為意外泄漏，因?yàn)樗部赡茉诩?xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。然而，線粒體ROS無(wú)法控制可能導(dǎo)致危及生命的后果。此外，ROS還可以通過(guò)不穩(wěn)定的生物分子如多巴胺、腎上腺素、還原型黃素、去甲腎上腺素和四氫生物喋呤等的O2依賴性氧化而產(chǎn)生。這種生物分子的O2依賴性氧化通常被稱為“自氧化”，但在沒(méi)有過(guò)渡金屬離子的情況下非常緩慢，這些過(guò)渡金屬離子催化許多這樣的“自氧化”反應(yīng)（表1描述了過(guò)渡金屬的促氧化作用以及上述螯合劑如何控制這一點(diǎn)）。ROS水平受到抗氧化防御網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)，其主要組成部分是內(nèi)源性酶（表1），并得到飲食衍生的抗氧化劑的幫助（表2）。輕微的傾斜表明抗氧化防御網(wǎng)絡(luò)并不能消除所有的ROS，因?yàn)槠渲幸恍┚哂杏杏玫淖饔?。因此，氧化損傷會(huì)持續(xù)發(fā)生，受損的分子必須被修復(fù)或替換。

框1 吞噬細(xì)胞產(chǎn)生活性氧抵抗病原體

? 當(dāng)吞噬細(xì)胞（中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞）遇到病原體時(shí)，它們會(huì)激活一種增加氧氣消耗的“呼吸爆發(fā)”。這種氧氣被NADPH氧化酶復(fù)合物（NOX2）利用來(lái)生成超氧自由基（O2??）。為了在血漿膜和吞噬泡中組裝活性氧化酶，來(lái)自血漿膜和細(xì)胞質(zhì)的多個(gè)組分必須結(jié)合在一起（見(jiàn)圖）。

NADPH +2O2 →NADP++H+ +2O2?? 

? 防止吞噬細(xì)胞中O2??的產(chǎn)生（例如，通過(guò)先天性遺傳缺陷降低NOX2組件的活性或阻止它們的組裝）會(huì)導(dǎo)致持續(xù)和多重感染的綜合征，稱為慢性肉芽腫病，這表明O2??的產(chǎn)生對(duì)于殺死幾種（但并非所有）病原體很重要。

? O2??如何實(shí)現(xiàn)殺死作用尚不完全清楚。大部分O2??經(jīng)歷歧化反應(yīng)（表1）以生成過(guò)氧化氫（H2O2）。一些病原體會(huì)被H2O2殺死，這取決于它們的H2O2去除酶活性以及它們胞內(nèi)的催化鐵離子含量（表1），從而產(chǎn)生細(xì)胞毒性O(shè)H?。中性粒細(xì)胞中的酶髓過(guò)氧化物酶也會(huì)利用H2O2生成次氯酸（HOCl），這是一種強(qiáng)大的抗菌和抗真菌劑。

H2O2+Cl?+H+ →HOCl+H2O

? 一些活化的吞噬細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一氧化氮（NO?），它與O2??反應(yīng)生成過(guò)氧亞硝酸鹽（ONOO?）（表1），這有助于殺死病原體。

? B細(xì)胞、T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞在受到刺激時(shí)也會(huì)產(chǎn)生O2??，但其水平低于吞噬細(xì)胞。這在免疫應(yīng)答中起作用，可能也在嵌合抗原受體T細(xì)胞治療（框2）中起作用。ROS，活性氧物種。

二、抗氧化劑的定義和特性 

本節(jié)描述了抗氧化劑的定義、存在的類型及其作用機(jī)制。 

2.1抗氧化劑的定義

什么是抗氧化劑？這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)討論了幾十年（詳見(jiàn)其他文獻(xiàn)）。2022年的一個(gè)共識(shí)聲明得出了兩個(gè)可能的定義，即： （1）“任何延遲、預(yù)防或消除目標(biāo)分子氧化損傷的物質(zhì)”或 （2）“一種與氧化劑反應(yīng)的物質(zhì)，以調(diào)節(jié)其與其他目標(biāo)的反應(yīng)，從而影響氧化還原依賴的生物信號(hào)傳導(dǎo)途徑和/或氧化損傷”。

第一個(gè)定義包括清除氧化損傷分子的系統(tǒng)，而第二個(gè)不包括。第二個(gè)定義更好地強(qiáng)調(diào)了ROS的生理作用，如受抗氧化劑的影響，似乎更全面可取，盡管修復(fù)氧化損傷或替換氧化損傷分子，在維持健康方面非常重要。然而，盡管ROS通常作為氧化劑，但它們并不總是如此。例如，O2??就具有還原性，可以還原三價(jià)鐵離子，這有助于減少鐵離子的細(xì)胞毒性（表1）： 

Fe3+ + O2?? → Fe2+ + O2     (4) 

因此，在第二個(gè)定義中或許應(yīng)該用“ROS”取代“氧化劑”才合理。對(duì)抗氧化劑這個(gè)詞的更廣泛的定義已經(jīng)被提出；其中一個(gè)將在下面探討，參見(jiàn)“生活方式作為一種‘抗氧化療法”。并不存在“最好的”抗氧化劑，不同的抗氧化劑以不同的速率與不同的ROS反應(yīng)，在不同的細(xì)胞、亞細(xì)胞和細(xì)胞器內(nèi)特別是在線粒體中（表1）分別發(fā)揮作用，并保護(hù)不同的分子靶標(biāo)（表1和表2）。另一個(gè)經(jīng)常使用的術(shù)語(yǔ)是“促氧化劑”，它指的是在所研究的反應(yīng)條件下刺激目標(biāo)分子氧化損傷的化合物。 

2.2 抗氧化劑的類型 

抗氧化劑可以在人體內(nèi)產(chǎn)生（表1和圖1），可以從飲食中獲得（表2和圖1），也可以是合成分子，通常用于治療人類疾病。前兩種類型構(gòu)成了一個(gè)“抗氧化防御網(wǎng)絡(luò)”，這個(gè)術(shù)語(yǔ)是由已故的自由基生物學(xué)家Lester Packer引入的。ROS具有有用的生理作用，尤其是在信號(hào)傳導(dǎo)和抵御病原體方面（方框1），但其中一些會(huì)損傷生物分子。因此，抗氧化防御網(wǎng)絡(luò)的功能是在一分鐘內(nèi)（甚至可能是一秒鐘）調(diào)節(jié)ROS水平，以允許有用的作用繼續(xù)進(jìn)行，同時(shí)最大限度地減少氧化損傷（圖1）。這需要對(duì)ROS生成和抗氧化防御的精細(xì)調(diào)控，特別是對(duì)過(guò)氧化物酶的調(diào)控，H2O2是一種主要的信號(hào)傳導(dǎo)ROS，過(guò)氧化物酶是能在生理范圍內(nèi)調(diào)節(jié)H2O2水平的主要物質(zhì)（表1）?？寡趸烙皆趥€(gè)人、組織、細(xì)胞類型、同一組織中的同種細(xì)胞類型（例如，受到O2濃度變化的影響）、細(xì)胞外到細(xì)胞內(nèi)、以及不同亞細(xì)胞器官如線粒體之間都存在差異。 

另一個(gè)考慮因素是性別差異；例如，雌性哺乳動(dòng)物的某些內(nèi)源性抗氧化劑水平高于雄性。事實(shí)上，有人建議，女性比男性壽命更長(zhǎng)的原因可能與抗氧化酶水平較高和體內(nèi)鐵儲(chǔ)存量較低有關(guān)（由于月經(jīng)導(dǎo)致），因?yàn)殍F具有促氧化性質(zhì)（表1）。然而，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，ROS和抗氧化劑在決定壽命方面的作用仍然不清楚，因此我在這里不再進(jìn)一步探討。 

由于某些ROS具有重要生理作用，抗氧化防御網(wǎng)絡(luò)并不能完全去除它們。因此，生物分子的氧化損傷程度會(huì)持續(xù)發(fā)生，正如通過(guò)這種損傷的生物標(biāo)志物所揭示的那樣，并在圖1中以輕微的傾斜表示。必須處理氧化損傷的分子——修復(fù)氧化DNA對(duì)于阻止癌癥（框2）和其他疾病的發(fā)展成為至關(guān)重要，而氧化脂質(zhì)、RNA和蛋白質(zhì)通常被破壞并被替換。后者通常通過(guò)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和20S蛋白酶體發(fā)生。如果這些修復(fù)系統(tǒng)的效率降低，就像在衰老和某些疾病如癡呆癥中可能發(fā)生的那樣，氧化損傷水平將增加。蛋白質(zhì)中的甲硫氨酸殘基，多個(gè)ROS如HOCl和ONOO?可以將其中的硫氧化為亞砜，通過(guò)甲硫氨酸亞砜還原酶酶可以把亞砜重新轉(zhuǎn)化為甲硫氨酸。這種甲硫氨酸氧化和還原的循環(huán)可能參與信號(hào)傳導(dǎo)，甚至可能是消除某些ROS的方法。甲硫氨酸殘基清除它們，然后被再生。

2.3、抗氧化活性機(jī)制

抗氧化劑的作用機(jī)制包括以下幾個(gè)方面：

（1）催化去除ROS的酶，如超氧化物歧化酶（SOD）等（表1）。

（2）通過(guò)結(jié)合或以非氧化還原活性形式儲(chǔ)存鐵離子、銅離子、血紅素和含血紅素蛋白質(zhì)，減少氧化劑的可用性。這些金屬離子是氧化損傷的強(qiáng)催化劑（表1）。

（3）物理性的ROS“猝滅劑”，例如類胡蘿卜素對(duì)單線態(tài)氧的猝滅作用（表2）。它們從單線態(tài)氧中移除多余的能量，并將單線態(tài)氧轉(zhuǎn)化回正常氧分子。

（4）“犧牲劑”優(yōu)先與ROS反應(yīng)，阻止它們攻擊更重要的生物分子。例如谷胱甘肽（GSH）、泛醌、α-生育酚、一些類胡蘿卜素（類胡蘿卜素既可以猝滅也可以與單線態(tài)氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。它們還可以清除其他幾種ROS）、抗壞血酸（也稱為維生素C）、白蛋白、黏液和神經(jīng)酰胺（表1和表2）。有時(shí)，犧牲劑的氧化形式可以回收為原始化合物，例如通過(guò)谷胱甘肽還原酶將氧化型谷胱甘肽（GSSG）還原為谷胱甘肽（表1），通過(guò)多種酶將抗壞血酸自由基還原為抗壞血酸，以及通過(guò)抗壞血酸或泛醌將α-生育酚自由基還原為α-生育酚（表1）。否則，它們將被破壞并重新合成（如果體內(nèi)合成），或者從飲食中補(bǔ)充。

（5）亞細(xì)胞定位過(guò)渡金屬離子氧化劑。細(xì)胞或組織結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)加速氧化損傷（尤其是在大腦中），部分原因是金屬離子從其正常的受限位置釋放到細(xì)胞的其他部分。例如，溶酶體中金屬蛋白的降解會(huì)導(dǎo)致這些器官內(nèi)高濃度的過(guò)渡金屬離子（尤其是鐵和銅）。溶酶體膜的破裂會(huì)釋放這些離子，并在細(xì)胞的其他部分促進(jìn)氧化損傷。

（6）生活方式的改變也會(huì)產(chǎn)生抗氧化作用（參見(jiàn)“生活方式作為抗氧化‘療法’”）。

生物體還使用其他策略來(lái)減少ROS的產(chǎn)生，有些作者將這些策略歸類為抗氧化劑。例如，線粒體中的解偶聯(lián)蛋白（如UCP1、UCP2和UCP3）通過(guò)防止質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)過(guò)高，從而防止電子從電子傳遞鏈泄漏生成O2??，調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生。盡管線粒體產(chǎn)生的一些ROS似乎是偶然的，但它似乎也參與了線粒體向細(xì)胞其他部分的氧化還原信號(hào)傳導(dǎo)。將線粒體電子載體組裝成復(fù)合物（I、II、III、IV）和超級(jí)復(fù)合物，通過(guò)促進(jìn)電子從一個(gè)載體流向下一個(gè)載體（而不是逃逸到O2形成O2??），從而減少電子泄漏。由于下一個(gè)載體的接近，胞內(nèi)O2濃度也被保持在較低水平，進(jìn)一步降低O2??的產(chǎn)生。事實(shí)上，一個(gè)通用的抗氧化策略是盡量減少暴露于O2，正如其他地方所解釋的那樣。例如，昆蟲(chóng)似乎通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉它們的氣孔來(lái)維持低但恒定的內(nèi)部O2水平。人類的血管系統(tǒng)似乎已經(jīng)進(jìn)化到為我們的身體提供適量的氧氣，既不會(huì)太少（冒著由線粒體氧化磷酸化引起的能量生產(chǎn)受損的風(fēng)險(xiǎn)），也不會(huì)太多（冒著氧化損傷增加的風(fēng)險(xiǎn)）。此外，一些干細(xì)胞可能居住在缺氧的環(huán)境中，以保持它們的氧化損傷水平較低，直到氧氣被需要時(shí)才出現(xiàn)。一些細(xì)胞通過(guò)改變其膜脂質(zhì)的成分使其更能抵抗過(guò)氧化作用，或者用ROS耐受酶取代ROS敏感酶，例如大腸桿菌中的反丁烯二酸酶C，與其他大腸桿菌反丁烯二酸酶不同，它不會(huì)被ROS失活。

2.4內(nèi)源性抗氧化劑的產(chǎn)生

我們的抗氧化劑防禦網(wǎng)絡(luò)的主要部分是酶，它們催化地去除ROS。表1解釋了它們的作用機(jī)制、生理意義和相互關(guān)係。每個(gè)酶分子處理多個(gè)ROS底物的分子。通過(guò)檢查酶表達(dá)降低（例如通過(guò)敲除或siRNA）或增加的生物體的表型，已經(jīng)充分確定了它們?cè)隗w內(nèi)的重要角色。例如，通過(guò)對(duì)齧齒動(dòng)物中最重要的去除O2??的酶（特別是線粒體含錳SOD（MnSOD））進(jìn)行敲除，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的表型。這說(shuō)明了即使在較小的水平上，過(guò)多的線粒體中O2??的產(chǎn)生也會(huì)造成損害，儘管它在適度水平上具有生理信號(hào)傳導(dǎo)作用。

此外，一些在體內(nèi)產(chǎn)生的特定分子通過(guò)存儲(chǔ)過(guò)渡金屬離子（例如鐵質(zhì)蛋白質(zhì)鐵蛋白或血紅素蛋白質(zhì)）或?qū)⑵浣Y(jié)合為氧化還原無(wú)活性形式以允許它們?cè)隗w內(nèi)安全運(yùn)輸（例如鐵運(yùn)輸?shù)鞍邹D(zhuǎn)鐵蛋白），幫助隔離過(guò)渡金屬離子促氧化劑（表1）。其他分子作為“犧牲性抗氧化劑”起作用（見(jiàn)“抗氧化劑的作用機(jī)制”），包括白蛋白、血小板和尤其是GSH，它不僅是穀胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPx）酶的底物，還可以清除多種ROS（例如，高速率清除OH? 、HOCl和ONOOH，但僅以低速率且生物學(xué)上不顯著的速度清除O2??或H2O2）（表1）。與酶不同，當(dāng)犧牲性抗氧化劑與ROS反應(yīng)時(shí)自身會(huì)被消耗，必須被替換補(bǔ)充（例如，氧化白蛋白的蛋白水解及其由肝臟重新合成）或回收利用（例如，谷胱甘肽還原酶將GSSG轉(zhuǎn)化回GSH）（表1）。

內(nèi)源性抗氧化劑的活性受到多層次調(diào)節(jié)的控制，包括基因轉(zhuǎn)錄水平和後轉(zhuǎn)譯修飾。它們的水平隨時(shí)間而變化，尤其是對(duì)於GSH和過(guò)氧化氫酶。細(xì)胞外液與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境具有不同的抗氧化劑組成。當(dāng)生物體暴露於較高水平的ROS時(shí)，體內(nèi)抗氧化劑防禦水平往往會(huì)增加（見(jiàn)“增加內(nèi)源性抗氧化劑水平”）。

2.5 飲食來(lái)源的抗氧化劑

許多在體外具有抗氧化劑性質(zhì)的飲食分子通常被認(rèn)為是體內(nèi)重要的抗氧化劑，包括常被統(tǒng)稱為維生素E的8個(gè)單酚（4個(gè)生育酚和4個(gè)生育三烯醇）（表2），其他單酚、抗壞血酸、類胡蘿卜素、多酚，如類黃酮和麥角硫因（表2）。人類流行病學(xué)研究表明，血液中這些化合物的高濃度與發(fā)生氧化損傷導(dǎo)致病理的疾病的風(fēng)險(xiǎn)較低有關(guān)，包括心血管疾病、糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、眼部疾病（白內(nèi)障、黃斑變性）和某些類型的癌癥（框2）。抗壞血酸和維生素E，尤其是α-生育酚（表2），對(duì)人類是必需的。但不同國(guó)家每日需求量不一樣，估計(jì)為每天60-200毫克和約15毫克。低攝入量的維生素E或抗壞血酸（低于推薦的日常攝入量）與氧化損傷水平的增加有關(guān)（其他地方綜述），但在大多數(shù)人類研究中，高攝入量似乎不會(huì)進(jìn)一步降低氧化損傷水平。然而，含有高水平的維生素E、抗壞血酸、類胡蘿卜素如番茄紅素或β-胡蘿卜素和多酚的“抗氧化健康補(bǔ)充劑”已經(jīng)變得流行，包括綠茶或紅酒提取物，或純多酚（如表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯）。它們在維持健康方面的價(jià)值尚不確定。

框2 活性氧、抗氧化劑和癌癥的關(guān)系

A. 抗氧化劑可以預(yù)防癌癥的發(fā)展

ROS的作用

一些活性氧物質(zhì)（ROS）（OH?，單態(tài)氧（1 O2），過(guò)氧化自由基，ONOOH和次氯酸（HOCl），但不包括過(guò)氧化氫（H2O2）或超氧陰離子自由基（O2??））可以將DNA堿基氧化為誘變產(chǎn)物，如8-羥基脫氧鳥(niǎo)苷（8OHdG），這可以引發(fā)癌癥的發(fā)展。ROS（尤其是H2O2）可以刺激惡性細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移。

抗氧化劑的作用 抗氧化酶和谷胱甘肽（GSH）（表1）可以降低ROS水平，保護(hù)DNA并降低癌癥發(fā)病率。P53可以促進(jìn)這一點(diǎn)（見(jiàn)“增加內(nèi)源性抗氧化劑水平”）。實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物中抗氧化酶的缺失（尤其是超氧化物歧化酶（SOD），過(guò)氧化氫酶和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPx））通常會(huì)增加癌癥的發(fā)病率。飲食中的抗氧化劑可以幫助保護(hù)胃腸道免受癌癥發(fā)展的影響（見(jiàn)“胃腸道中的抗氧化劑”）。

B. 抗氧化劑可能干擾癌癥治療

ROS的作用

高水平的ROS可以在惡性細(xì)胞中停止細(xì)胞周期或觸發(fā)凋亡，壞死或鐵死亡（見(jiàn)“活性硫物種作為抗氧化劑”）在惡性細(xì)胞中。激活p53可以促進(jìn)這一點(diǎn)（見(jiàn)“增加內(nèi)源性抗氧化劑水平”）作為一種抗癌機(jī)制。許多，如果不是所有的，化療藥物進(jìn)一步增加ROS的產(chǎn)生，以殺死惡性細(xì)胞，就像放射療法（產(chǎn)生OH?）和光動(dòng)力療法（產(chǎn)生1 O2）一樣。腫瘤環(huán)境中的吞噬細(xì)胞（中性粒細(xì)胞，巨噬細(xì)胞）和淋巴細(xì)胞對(duì)腫瘤的攻擊也可以提高ROS水平（框1）。

抗氧化劑的作用

惡性細(xì)胞產(chǎn)生更多的ROS來(lái)幫助增殖和轉(zhuǎn)移，因此容易受到額外的ROS通過(guò)p53或癌癥治療造成的損害，使ROS水平上升如此之多以至于細(xì)胞死亡。惡性腫瘤通常會(huì)增加抗氧化劑的水平來(lái)保護(hù)自己，通常是通過(guò)核因子紅細(xì)胞2相關(guān)因子2（NRF2）（框3），它在許多癌癥中被激活。在動(dòng)物模型中，維生素E、抗壞血酸或N-乙酰半胱氨酸（NAC）的給藥有時(shí)會(huì)促進(jìn)腫瘤的發(fā)展，因?yàn)樗鼈儗OS水平保持在低于腫瘤細(xì)胞停滯/毒性的閾值。靜脈注射抗壞血酸已被建議（但尚未確定）是一種抗癌藥物，但其作用是促氧化劑（生成H2O2）而不是抗氧化劑。抑制GPx4（表1）以觸發(fā)鐵死亡已被提議作為癌癥治療的一種方法，抑制含銅和鋅的SOD（CuZnSOD）或過(guò)氧化氫酶也是如此。

C. 抗氧化劑可以輔助癌癥治療

ROS的作用

嵌合抗原受體T細(xì)胞療法是一種癌癥治療方法，其中T細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行修改以鼓勵(lì)它們攻擊惡性細(xì)胞，然后注入患者體內(nèi)。腫瘤細(xì)胞環(huán)境通常是促氧化的，這可能會(huì)阻礙T細(xì)胞療法，因?yàn)檫@些細(xì)胞對(duì)氧化損傷敏感（見(jiàn)“飲食抗氧化劑作為治療藥物”和“影響NRF2的飲食化合物”）。這種促氧化狀態(tài)可能是由于惡性細(xì)胞產(chǎn)生的增加的ROS（見(jiàn)上文B部分）以及腫瘤環(huán)境中的中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞（框1）引起的。

抗氧化劑的作用

有建議說(shuō)，選擇性地增加嵌合抗原受體T細(xì)胞中的抗氧化劑水平可能有益于增加它們對(duì)腫瘤細(xì)胞環(huán)境中的ROS的抵抗力，從而改善它們攻擊腫瘤的能力

2.6胃腸道內(nèi)抗氧化劑

膳食中的抗氧化劑可以在胃腸道中發(fā)揮作用，從而影響身體的其他部位，尤其是大腦。在胃內(nèi)飲食成分和胃液中都存在高水平的抗壞血酸。如果攝入富含水果、蔬菜和谷物的飲食，體內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)高水平的類胡蘿卜素、生育酚、生育三烯酚、谷胱甘肽、黃酮和其他酚類化合物。所有這些化合物都可以清除ROS并保護(hù)胃腸道免受飲食中存在的促氧化劑（如防止可能引發(fā)胃腸道癌癥發(fā)展的DNA損傷）的損害（框2）。例如，人類唾液、許多蔬菜和加工肉類富含亞硝酸鹽（NO2?），它與胃酸反應(yīng)產(chǎn)生HNO2和氮氧化物，這些物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生誘變DNA脫氨產(chǎn)物。幾種膳食抗氧化劑（例如黃酮類和類胡蘿卜素）可以清除這些HNO2衍生物。飲食中也含有過(guò)渡金屬離子，而某些飲料（尤其是咖啡）富含過(guò)氧化氫，它們會(huì)與這些離子反應(yīng)生成OH?（表1）。這是由于抗壞血酸的作用（在這種情況下，抗壞血酸作為促氧化劑），它將Fe3+離子還原為Fe2+，將Cu2+離子還原為Cu+，從而進(jìn)一步生成OH?。然而，這種OH?可以被膳食抗氧化劑以及胃腸道內(nèi)壁的黏液層清除。此外，黏液和一些多酚類物質(zhì)可以結(jié)合Fe2+和Cu2+，降低這些離子生成OH?的能力。肉中含有血紅蛋白和肌紅蛋白等血紅素蛋白質(zhì)（即使是一些素食漢堡也含有植物來(lái)源的血紅素蛋白——植物血紅蛋白）。所有這些血紅素蛋白質(zhì)都可以作為促氧化劑（表1）。當(dāng)它們與過(guò)氧化物反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高度活性的高價(jià)鐵（鐵IV）物種，這些物種可以氧化蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。幸運(yùn)的是，抗壞血酸、多酚類物質(zhì)和谷胱甘肽可以清除高價(jià)鐵物種。食物通常含有細(xì)胞毒性脂質(zhì)氧化產(chǎn)物（脂質(zhì)過(guò)氧化物、異前列腺素、醛等）。飲食中的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA可以在胃腸道中進(jìn)一步氧化，由金屬離子和血紅素蛋白質(zhì)催化，生成更多對(duì)細(xì)胞有毒的物質(zhì)。這都可以通過(guò)膳食抗氧化劑來(lái)阻止。引用Gorelik等人的話說(shuō)：“當(dāng)含有促氧化劑血紅素蛋白質(zhì)的紅肉遇到具有抗氧化劑作用的類黃酮類物質(zhì)的紅酒”。一些ROS（O2??和H2O2）也是由胃腸道中的NADPH氧化酶和相關(guān)的雙氧化酶（DUOX2）酶產(chǎn)生的，以幫助協(xié)調(diào)那里的免疫細(xì)胞的功能并阻止病原菌的生長(zhǎng)。來(lái)自飲食的抗氧化劑/促氧化劑可以以幾種方式與這些ROS相互作用。

在十二指腸和小腸中，抗壞血酸、谷胱甘肽和所有形式的維生素E（表2）大部分被吸收，肝臟在體內(nèi)保留某些α-生育酚異構(gòu)體，但通過(guò)膽汁將其他生育酚的某些異構(gòu)體排回胃腸道。相比之下，類胡蘿卜素和多酚類的吸收通常遠(yuǎn)未完成。因此，結(jié)腸中含有一些抗壞血酸和谷胱甘肽，但還有大量的未吸收的黃酮類化合物、其他酚類化合物、類胡蘿卜素以及β-、γ-和δ-生育酚（如果飲食中富含它們）。這些化合物會(huì)在結(jié)腸微生物群落中發(fā)生廣泛的代謝，特別是多酚類化合物，以生成其他分子（包括尿石素、雌馬酚、戊酸和4-羥基苯乙酸等單酚類物質(zhì)），這些分子被人體吸收后似乎能改善大腦和血管系統(tǒng)的功能。多酚類化合物和類胡蘿卜素還會(huì)影響腸道菌群的組成，并對(duì)健康產(chǎn)生潛在的積極影響。酚類和其他抗氧化劑的作用可能會(huì)對(duì)外周結(jié)腸/直腸上皮產(chǎn)生保護(hù)作用，例如抑制脂氧合酶、環(huán)氧合酶2、血管生成和脂質(zhì)過(guò)氧化等。多酚類化合物和類胡蘿卜素以及幾種其他飲食成分的降解產(chǎn)物可以激活NRF2系統(tǒng)（框3），增加胃腸道上皮細(xì)胞中的抗氧化劑水平。谷胱甘肽會(huì)被幾種腸道細(xì)菌大量吸收和代謝，這可能會(huì)與人類腸粘膜谷胱甘肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OCTN1競(jìng)爭(zhēng)谷胱甘肽的攝取。這種攝取對(duì)細(xì)菌（以及宿主）的重要性尚不確定，但它可能有助于保護(hù)細(xì)菌免受胃腸道中的ROS的影響。還有跡象表明谷胱甘肽可以預(yù)防結(jié)腸癌的發(fā)生。胃腸道還可能向身體提供抗氧化劑活性的反應(yīng)性硫物質(zhì)（見(jiàn)“反應(yīng)性硫物質(zhì)作為抗氧化劑”）。

框3 Keap1–NRF2–ARE 系統(tǒng) 

Keap1-NRF2-ARE通路是對(duì)抗氧化應(yīng)激的重要防御機(jī)制。NRF2是一種廣泛表達(dá)在動(dòng)物組織中的轉(zhuǎn)錄因子。大多數(shù)NRF2通過(guò)與keap1蛋白質(zhì)結(jié)合而被保持在無(wú)活性狀態(tài)，主要位于細(xì)胞質(zhì)中，這促進(jìn)了NRF2被蛋白酶體快速降解。許多外來(lái)化合物（“異生物質(zhì)”）會(huì)引發(fā)氧化應(yīng)激，并且是或可以形成親電劑——能夠與蛋白質(zhì)、DNA或脂質(zhì)的高電子密度位點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)的試劑（如不飽和醛類，脂質(zhì)過(guò)氧化過(guò)程中形成的4-羥基壬烯醛）。增加的ROS產(chǎn)生激活了磷酸化NRF2的蛋白激酶，導(dǎo)致其與keap1分離。然后，NRF2進(jìn)入細(xì)胞核并與特殊的基因序列ARE結(jié)合，啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄。此外，keap1富含半胱氨酸殘基，它們的直接修飾也可以通過(guò)ROS和親電劑來(lái)阻止NRF2的蛋白酶降解，導(dǎo)致其積累并結(jié)合到ARE上。NRF2控制超過(guò)250個(gè)編碼參與異生物質(zhì)代謝和抗氧化防御的酶的基因的表達(dá)，包括GSH合成、NADPH的產(chǎn)生（對(duì)抗氧化防御系統(tǒng)所需的（圖1））、金屬離子儲(chǔ)存蛋白（例如鐵蛋白），這些蛋白能最小化氧化還原活性過(guò)渡金屬水平、GPx和血紅素氧合酶-1（HO-1；一種具有細(xì)胞保護(hù)性質(zhì)的酶，通過(guò)降解促氧化劑血紅素來(lái)降低氧化應(yīng)激）（表1）。它降解血紅素為膽綠素和一氧化碳，但也釋放鐵離子，這些鐵離子通過(guò)同時(shí)升高鐵蛋白水平來(lái)安全儲(chǔ)存，以減輕其促氧化效應(yīng)?？傮w而言，提高游離NRF2的水平會(huì)增加廣泛的內(nèi)源性抗氧化防御。例如，在嵌合抗原受體T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞中激活NRF2可能增強(qiáng)它們攻擊惡性腫瘤的能力（框2，C部分）。另一方面，惡性細(xì)胞往往因突變或致癌信號(hào)而表現(xiàn)出NRF2活性升高，這可為癌細(xì)胞生存、生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移提供優(yōu)勢(shì)（框2）。

2.7作為藥物的合成抗氧化劑

為了治療疾病，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多具有體外抗氧化活性的合成化合物。它們包括重組SOD和過(guò)氧化氫酶酶、氮氧自由基/氮氧化物、鐵離子螯合劑、氘化的PUFAs（通過(guò)將氘替代PUFAs中的C?H鍵中的氫原子使其更難被提取出來(lái)，從而減緩脂質(zhì)過(guò)氧化）、硫醇（包括GSH的前體）以及ROS生成酶抑制劑，如NADPH氧化酶、黃嘌呤氧化酶、單胺氧化酶或產(chǎn)生HOCl的酶髓過(guò)氧化物酶（圖1和框1）。

針對(duì)疾病病理學(xué)的其他機(jī)制開(kāi)發(fā)的藥物往往被認(rèn)為在體內(nèi)也能發(fā)揮抗氧化作用（四環(huán)素、水楊酸、普羅布考、丙泊酚、吡哆醇胺和曲格列酮等藥物被建議具有這種作用）。支持這些建議的證據(jù)有限，因此我不再進(jìn)一步討論它們。

 2.8 建立體內(nèi)抗氧化能力 

在評(píng)估聲稱具有抗氧化特性的合成或膳食化合物在體內(nèi)也具有抗氧化作用的說(shuō)法時(shí)，首先值得詢問(wèn)的問(wèn)題是，該化合物在體內(nèi)可達(dá)到的水平上能否與具有生物學(xué)意義的活性氧反應(yīng)得足夠快。存在幾種方法來(lái)確定反應(yīng)速率常數(shù)（在其他地方進(jìn)行了綜述）。因此，如果該化合物在體外需要毫摩爾水平才能有效地清除活性氧，但在體內(nèi)只能以微摩爾水平存在，那么它可能產(chǎn)生的效果不能歸因于直接的抗氧化活性。一個(gè)例子是硫化氫（見(jiàn)“作為抗氧化劑的反應(yīng)性硫物種”）。另一個(gè)例子是褪黑激素。多篇論文描述了褪黑激素在體外清除活性氧的特性，但在正常體內(nèi)褪黑激素水平下是不可行的。相比之下，人體體液和組織中抗壞血酸的含量及其與某些活性氧的反應(yīng)速率，可以使它能夠在體內(nèi)清除多種活性氧。

然而，抗壞血酸或其他任何化合物似乎能夠在體內(nèi)清除某些活性氧并不意味著它實(shí)際上可以（例如，它可能不在適當(dāng)?shù)奈恢茫?，或者清除是有益的（例如，反?yīng)可能產(chǎn)生有毒的終產(chǎn)物，如損傷性自由基）。關(guān)鍵問(wèn)題是該化合物是否能夠減少體內(nèi)的氧化損傷。這通過(guò)使用氧化損傷的生物標(biāo)志物來(lái)評(píng)估，這些生物標(biāo)志物通常在血液、尿液和有時(shí)在組織活檢中測(cè)量。2022年的共識(shí)聲明確定了目前被認(rèn)為是DNA、RNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)氧化損傷的良好生物標(biāo)志物，因此我不在這里進(jìn)一步描述它們。報(bào)道對(duì)氧化損傷生物標(biāo)志物的影響的研究表明，推薦膳食水平的α-生育酚可以防止體內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化，這可能是其最重要（如果不是唯一）的生物學(xué)作用，盡管還提出了其他作用。相比之下，即使長(zhǎng)期高劑量服用，抗壞血酸（在推薦量以上）、多酚或麥角硫因在體內(nèi)發(fā)揮全身抗氧化作用的證據(jù)也很薄弱（減少氧化損傷的生物標(biāo)志物）。抗壞血酸作為幾種酶的輔因子的成熟作用在體內(nèi)可能比ROS清除更重要（表2）。事實(shí)上，當(dāng)在細(xì)胞培養(yǎng)中添加到細(xì)胞中或輸注到癌癥患者體內(nèi)時(shí)（方框2），胃腸道中的抗壞血酸可以通過(guò)減少Fe3+和/或產(chǎn)生H2O2而成為促氧化劑。

使用生物標(biāo)志物有一些注意事項(xiàng)。在人類中，它們只能在體液或少數(shù)組織的活組織檢查中測(cè)量，而在大多數(shù)組織/器官中無(wú)法測(cè)量。因此，在體內(nèi)特定部位發(fā)揮抗氧化作用的物質(zhì)可能不會(huì)導(dǎo)致全身生物標(biāo)志物水平發(fā)生可檢測(cè)的變化。例如，抗壞血酸可以在呼吸道清除吸入的氧化性空氣污染物（如臭氧和自由基二氧化氮（NO2?）），而血漿或尿液中的生物標(biāo)志物不一定能檢測(cè)到這種效果。組織損傷可通過(guò)上調(diào)麥角硫因轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，導(dǎo)致麥角硫因在損傷部位積聚，可能是為了盡量減少氧化損傷。這種效應(yīng)同樣不太可能通過(guò)全身氧化損傷生物標(biāo)志物檢測(cè)出來(lái)。在胃腸道中發(fā)揮的抗氧化或促氧化作用也可能無(wú)法通過(guò)血液或尿液中測(cè)量的氧化損傷生物標(biāo)志物檢測(cè)到。

2.9 總抗氧化能力

在測(cè)量化合物清除ROS的速度時(shí)，最好使用體內(nèi)存在的ROS?？稍趯?shí)驗(yàn)室中生成超氧自由基、過(guò)氧化氫、次氯酸、過(guò)氧亞硝酸鹽和羥基自由基，以測(cè)量它們與假定抗氧化劑的反應(yīng)速率常數(shù)（見(jiàn)其他文獻(xiàn)）。然而，已開(kāi)發(fā)出多種用于食品或體液的檢測(cè)系統(tǒng)，聲稱測(cè)量其“總抗氧化能力”（TAC），即測(cè)量其清除合成自由基（如有機(jī)過(guò)氧自由基、ABTS?+、galvinoxyl或DPPH）的能力。例如，使用這些方法測(cè)量健康和疾病狀態(tài)下體液中TAC的變化，或者比較不同水果、蔬菜和飲料（葡萄酒、茶、甚至啤酒）之間的TAC。人們往往（經(jīng)常是令人懷疑的）認(rèn)為TAC更高意味著更有益于健康的食品和飲料。然而，體液或食品中抗氧化防御酶的貢獻(xiàn)并不能通過(guò)TAC檢測(cè)來(lái)捕捉。這些檢測(cè)通常會(huì)檢測(cè)到體內(nèi)抗氧化作用不確定的分子（例如尿酸），而且體外抗氧化作用往往不能轉(zhuǎn)化為體內(nèi)作用，正如已經(jīng)討論過(guò)的。更糟糕的是，不同的方法可能會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。此外，一些分子（如己烯雌酚和藥用植物黃牛木提取物）在這種檢測(cè)中表現(xiàn)出抗氧化作用，但最終證明是有毒的。無(wú)論如何，清除合成自由基的能力不能等同于清除體內(nèi)發(fā)生的ROS。因此，我和其他人（包括美國(guó)農(nóng)業(yè)部）不建議使用這種方法。然而，TAC檢測(cè)在篩選材料（例如植物提取物、新藥）方面是有價(jià)值的，可以用于鑒定潛在的新型抗氧化劑作為治療劑、食品防腐劑甚至化妝品。

三、用抗氧化劑預(yù)防和治療人類疾病

本節(jié)檢視了抗氧化劑在疾病治療中的成功與失敗，以及背后的原因。 

3.1ROS在人類健康和疾病中的作用

使用抗氧化劑，無(wú)論是合成的還是天然的，來(lái)預(yù)防或治療疾病存在一個(gè)問(wèn)題，那就是ROS在疾病中的作用復(fù)雜且與它們的有益作用相交。例如，框2展示了ROS和抗氧化劑在癌癥中的雙方面作用。冒著過(guò)度簡(jiǎn)化的風(fēng)險(xiǎn)，可以總結(jié)如下：抗氧化防御有助于保護(hù)你不患癌癥；然而，用抗氧化劑治療患有癌癥的患者可能不僅無(wú)益，甚至可能加劇疾?。?，B部分）。實(shí)際上，旨在抑制而不是促進(jìn)腫瘤中抗氧化劑的方法——例如，通過(guò)防止NRF2激活（框3），耗盡GSH或抑制酶類如GPx4、SOD1或過(guò)氧化物酶——已被建議作為癌癥的療法（框2，B部分）。使用抗氧化劑治療神經(jīng)退行性疾病是有潛力的，但應(yīng)該記住ROS（包括NO?）在大腦中有其有用的作用，類似于所有器官，必須仔細(xì)平衡O2水平、ROS產(chǎn)生、抗氧化防御和清除氧化損傷分子（圖1）。大腦ROS參與血壓調(diào)節(jié)、疼痛感知、學(xué)習(xí)和記憶，以及可能在海馬體中的神經(jīng)發(fā)生。事實(shí)上，由于慢性肉芽腫病（框1）導(dǎo)致ROS生成受損的患者或慢性肉芽腫病的動(dòng)物模型顯示出涉及突觸可塑性缺陷的記憶障礙。同樣，盡管過(guò)量的ROS產(chǎn)生在心肌梗死期間會(huì)導(dǎo)致心臟損傷，但ROS在正常心臟功能中具有重要的生理作用，特別是在調(diào)節(jié)Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)方面。

3.2膳食抗氧化劑作為治療劑

已經(jīng)進(jìn)行了許多臨床試驗(yàn)，使用高劑量的膳食抗氧化劑，最常見(jiàn)的是抗壞血酸、維生素E（通常是α-生育酚）和β-胡蘿卜素，有時(shí)還有其他類胡蘿卜素如番茄紅素、蝦青素或葉黃素來(lái)嘗試延遲或減緩諸如癡呆癥、白內(nèi)障、黃斑變性、自身免疫性疾病、敗血癥、癌癥、糖尿病和心血管疾病等疾病的發(fā)作或進(jìn)展。結(jié)果令人失望，大多研究是負(fù)面的。例如，早期研究表明高劑量的α-生育酚適度減緩了癡呆癥的進(jìn)展，但后來(lái)的研究并未證實(shí)這一點(diǎn)，甚至表明有害效應(yīng)。然而，對(duì)于心血管疾病，盡管結(jié)果通常不太令人滿意，但一組糖尿病患者中的一個(gè)亞組可能從α-生育酚補(bǔ)充中獲益更多。Hp2–2型血紅蛋白是一種抗氧化劑；它結(jié)合血紅蛋白，減少其促氧化活性并幫助清除它。Hp2–2型血紅蛋白的效果較差，其較差的抗氧化活性可能與α-生育酚在體內(nèi)減少由血紅蛋白刺激的脂質(zhì)過(guò)氧化的效果有關(guān)。關(guān)于有癌癥風(fēng)險(xiǎn)的人是否應(yīng)該攝入抗氧化補(bǔ)充劑存在廣泛的爭(zhēng)論（作者個(gè)人不建議補(bǔ)充），但除了吸煙者應(yīng)避免β-胡蘿卜素補(bǔ)充劑因?yàn)樗鼈兛赡芗铀俜伟┑陌l(fā)展之外，沒(méi)有明確的答案是清楚的。由于p53的激活和許多癌癥治療方法通過(guò)增加氧化損傷來(lái)幫助殺死惡性腫瘤細(xì)胞（框2），有理由保持謹(jǐn)慎。事實(shí)上，動(dòng)物研究揭示抗壞血酸、維生素E或N-乙酰半胱氨酸（NAC）有時(shí)會(huì)加速癌癥進(jìn)程。

框4 維生素E等抗氧化劑臨床試驗(yàn)無(wú)效的可能原因

1. 氧化損傷在疾病病理中并不重要。 

2. 補(bǔ)充劑并未增加組織/器官的抗氧化劑水平；例如，補(bǔ)充α-生育酚可以進(jìn)入大腦，但尚不清楚補(bǔ)充劑如何提高人腦水平。如果飲食充足，抗壞血酸補(bǔ)充劑似乎不會(huì)提高大腦水平。大腦中的多酚和類胡蘿卜素水平太低，無(wú)法發(fā)揮直接的抗氧化活性。

3. 抗氧化劑進(jìn)入了組織/器官，但未能到達(dá)氧化損傷的部位。

4. 抗氧化劑到達(dá)了正確的位置，但未能減少氧化損傷。例如，維生素E抑制脂質(zhì)過(guò)氧化，但可能無(wú)法防止阿爾茨海默病中觀察到的氧化DNA、RNA和蛋白質(zhì)損傷的增加。

5. 活性氧物質(zhì)（ROS）具有一些重要的生理功能，可能會(huì)受到干擾。

6. 試驗(yàn)研究的是疾病的進(jìn)展而不是疾病的發(fā)生（例如，給已經(jīng)處于肺癌高風(fēng)險(xiǎn)的重度吸煙者服用抗氧化劑，這太晚了，無(wú)法有效）。

7. 試驗(yàn)使用了過(guò)高的劑量；體外研究表明，某些抗氧化劑的高劑量，包括抗壞血酸和維生素E，可能是促氧化劑。

8. 試驗(yàn)使用了高劑量的單一藥物，這可能影響其他可能具有重要代謝作用的藥物的攝取/分布（例如，高劑量的α-生育酚可以降低體內(nèi)其他生育酚的水平，高劑量的β-胡蘿卜素可以降低其他類胡蘿卜素的攝?。?。

9. 抗氧化劑的給予時(shí)間太晚，在氧化損傷已經(jīng)發(fā)生之后；例如，這可能是許多抗氧化劑無(wú)法改善中風(fēng)患者預(yù)后的原因。

3.3 抗氧化劑無(wú)效的原因

為什么結(jié)果如此令人失望？盒子4列出了可能的解釋。一個(gè)顯而易見(jiàn)的原因是，如果氧化損傷在疾病病理學(xué)中不重要，抗氧化劑就不會(huì)起作用。歷史表明，每當(dāng)發(fā)現(xiàn)潛在的組織損傷新介質(zhì)時(shí)，例如過(guò)量的NO?、白三烯或細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素或TNF，許多科學(xué)家都會(huì)急忙測(cè)量它們?cè)谒麄儭矚g’的疾病中的含量，發(fā)現(xiàn)它們升高，并得出結(jié)論認(rèn)為這種介質(zhì)在疾病病理學(xué)中很重要。探索ROS在疾病病理學(xué)中的作用在1970年代（繼SOD酶發(fā)現(xiàn)之后）成為一個(gè)熱門話題，并且遵循相同的模式：ROS被聲稱在200多種疾病中都很重要，范圍從HIV到囊性纖維化甚至男性型禿頂。然而，由疾?。ɑ蚱渌麢C(jī)制如創(chuàng)傷、過(guò)度運(yùn)動(dòng)、缺血、熱傷或冷傷）本身引起的組織損傷會(huì)提高氧化損傷水平。解釋這一現(xiàn)象的機(jī)制包括招募產(chǎn)生ROS的吞噬細(xì)胞到受傷組織（盒子1），激活促進(jìn)氧化損傷的酶（例如，磷脂酶、鈣蛋白酶、脂氧合酶、黃嘌呤氧化酶），釋放促進(jìn)氧化的過(guò)渡金屬離子和血紅蛋白（表1），稀釋抗氧化劑，破壞電子載體在電子傳遞鏈中的組織（導(dǎo)致更多的電子泄漏形成O2??）以及通過(guò)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）酶增加NO?的產(chǎn)生，常常導(dǎo)致ONOO?的增加（表1）。因此，證明氧化損傷增加并不等同于證明它對(duì)疾病有貢獻(xiàn)，這就像檢測(cè)到更多的NO?或TNF一樣（兩者在某些疾病中很重要，但在其他疾病中則不是）。由于組織損傷導(dǎo)致的ROS產(chǎn)生增加可能會(huì)進(jìn)一步損害組織（原則上，抗氧化劑可能會(huì)有所幫助；受到盒子4中列出的警告的影響），或者額外的ROS可能不會(huì)有所貢獻(xiàn)（抗氧化劑將沒(méi)有效果）。然而，ROS有時(shí)可以觸發(fā)內(nèi)源性抗氧化劑水平的增加（參見(jiàn)“增加內(nèi)源性抗氧化劑水平”）和/或其他防御措施（如熱休克蛋白），以保護(hù)受損組織。如果發(fā)生這種情況，清除ROS可能會(huì)惡化病理過(guò)程。這是小劑量毒性激活效應(yīng)的一個(gè)例子，指的是低至中等壓力的保護(hù)作用，以防止隨后更大的壓力。例如，動(dòng)物心臟短暫缺血-再灌注產(chǎn)生OH?，當(dāng)心臟重新氧合時(shí)會(huì)損害收縮功能。清除ROS改善了收縮功能，但也阻止了心臟反復(fù)短暫缺血期預(yù)適應(yīng)。在一些關(guān)節(jié)炎和其他自身免疫疾病的動(dòng)物模型中，減少吞噬細(xì)胞產(chǎn)生的ROS使疾病惡化，因?yàn)镽OS不僅損害關(guān)節(jié)（負(fù)面效應(yīng)），而且還氧化性地?fù)p害加劇疾病的淋巴細(xì)胞，抑制它們的行動(dòng)，這也與癌癥治療有關(guān)（盒子2，部分C）和二甲基富馬酸（DMF）的治療作用（參見(jiàn)“影響NRF2的合成化合物”）。這些ROS的積極和消極效應(yīng)對(duì)人類的意義由慢性肉芽腫?。ê凶?）說(shuō)明?；颊咭騌OS在殺滅病原體方面很重要而遭受嚴(yán)重感染。然而，他們也遭受慢性炎癥，因?yàn)镽OS有助于調(diào)節(jié)炎癥。因此，真正有效的抗氧化療法可能會(huì)導(dǎo)致副作用，例如增加感染風(fēng)險(xiǎn)和破壞依賴ROS的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。另一個(gè)與人類高度相關(guān)的例子是運(yùn)動(dòng)。適度運(yùn)動(dòng)眾所周知可以促進(jìn)健康。在收縮的骨骼肌中產(chǎn)生ROS（O2??、H2O2、NO?和OH?），太多會(huì)導(dǎo)致肌肉損傷（過(guò)度運(yùn)動(dòng)就是這樣），但適度運(yùn)動(dòng)觸發(fā)適應(yīng)性反應(yīng)，包括抗氧化防御酶的增加，允許后續(xù)更大的肌肉活動(dòng)而不損傷。幾篇論文聲稱用維生素E或抗壞血酸補(bǔ)充人體會(huì)削弱這些適應(yīng)性反應(yīng)，但其他人并沒(méi)有確認(rèn)這一點(diǎn)。當(dāng)然，如果這些補(bǔ)充劑未能降低體內(nèi)氧化損傷水平（參見(jiàn)“具有抗氧化特性的飲食衍生物”），預(yù)測(cè)不會(huì)有任何效果。然而，似乎有一個(gè)共識(shí)，即攝入抗氧化補(bǔ)充劑的人在良好的飲食下并不能改善運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。 

3.4 活性氧和抗氧化劑在癡呆中的作用

盡管有上述的警示，但有充分的證據(jù)表明ROS在幾種疾病的病理過(guò)程中起著重要作用，包括輻射損傷、鐵過(guò)載(表1) 、 α-生育酚耗竭、白內(nèi)障和黃斑變性、高血壓、糖尿病、心血管疾病、某些癌癥(框2)和神經(jīng)退行性疾病，特別是癡呆。大腦容易受到氧化損傷，原因有多個(gè)。但是，我們?nèi)绾巫C明ROS在導(dǎo)致或加重這些疾病中的關(guān)鍵作用呢？必須滿足以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：i. ROS (或由其引起的氧化損傷)必須在損傷部位可檢測(cè)到。由于難以定量地捕獲ROS，因此通常測(cè)量氧化損傷。這是合乎邏輯的，因?yàn)閷?dǎo)致疾病的是氧化損傷而不是產(chǎn)生的總ROS量(其中一些是有用的)。ii. 組織損傷的時(shí)間過(guò)程與氧化損傷的形成時(shí)間過(guò)程一致，先于或伴隨其后。iii. 將ROS直接應(yīng)用于相關(guān)時(shí)間過(guò)程(見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)ii )的組織，以類似于體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的速度/濃度，應(yīng)再現(xiàn)組織損傷和氧化損傷。iv. 清除ROS或抑制其形成應(yīng)該減少組織損傷，程度與抑制氧化損傷的程度相對(duì)應(yīng)。讓我們將這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于癡呆癥，特別是阿爾茨海默病。大量證據(jù)表明受影響的大腦區(qū)域中RNA、 DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化損傷水平升高。這種上升發(fā)生在疾病過(guò)程的早期，無(wú)論是人類還是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，都發(fā)生在認(rèn)知開(kāi)始受損且未完全癡呆時(shí)。增加的氧化損傷既來(lái)自多種機(jī)制(包括β-淀粉樣蛋白產(chǎn)生ROS和巨噬細(xì)胞的不適當(dāng)激活)導(dǎo)致的ROS產(chǎn)量增加，也來(lái)自受損分子(尤其是氧化蛋白)清除受損。因此，滿足了標(biāo)準(zhǔn)i和ii 。標(biāo)準(zhǔn)iv已在動(dòng)物模型中得到解決，顯示β-淀粉樣蛋白誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激導(dǎo)致腦部病變，而給予的抗氧化劑，包括α-生育酚和麥角硫因，減緩了疾病的進(jìn)展。不幸的是，由于在框4中探討的原因，α-生育酚在人類中效果不佳。鑒于老年人群中癡呆癥發(fā)病率的增加，開(kāi)發(fā)能夠穿過(guò)血腦屏障并減少關(guān)鍵分子靶點(diǎn)的氧化損傷的抗氧化劑(可能麥角硫因就是其中之一)值得緊急關(guān)注。即使這些化合物在臨床上成功，也必須研究它們是否作為抗氧化劑起作用和/或其他機(jī)制。

四、人工合成抗氧化劑

本節(jié)描述了為治療人類疾病而開(kāi)發(fā)的合成抗氧化劑，以及它們的成功和失敗。

4.1合成抗氧化劑簡(jiǎn)介

許多具有抗氧化特性的合成物質(zhì)已經(jīng)進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段。已經(jīng)進(jìn)行了髓過(guò)氧化物酶抑制劑、GSH前體、NADPH氧化酶抑制劑、“線粒體靶向抗氧化劑”、氘化脂肪酸、鐵離子螯合劑“SOD模擬物”（小分子被認(rèn)為能模仿SOD活性，盡管它們并不是特異性的O2??清除劑）以及血紅素結(jié)合蛋白血紅素氧解酶（表1）等的臨床試驗(yàn)。當(dāng)然，關(guān)鍵問(wèn)題是它們是否具有治療效果。一些試驗(yàn)未能顯示出治療效果，有些試驗(yàn)表明有益處但需要更多數(shù)據(jù)（例如與mitoQ相關(guān)的研究，mitoQ是一種線粒體靶向形式的輔酶Q10 (CoQ)），還有許多其他試驗(yàn)仍在進(jìn)行中。即使合成抗氧化劑有效，下一個(gè)問(wèn)題是它們是通過(guò)減少氧化損傷（標(biāo)準(zhǔn)iv，見(jiàn)‘ROS和抗氧化劑在癡呆癥中的作用’）還是通過(guò)其他機(jī)制起作用。讓我們就三種在臨床上證明有用的合成抗氧化劑，即依布硒ebselen（2-苯基-1,2-苯并異硒唑-3(2H)-酮）、衣達(dá)拉奉edaravone和NAC來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題。

4.2依布硒

依布硒是一種酶模擬物，最初是為了模擬GPx（表1）在還原過(guò)氧化物方面的作用而開(kāi)發(fā)的。不久后，人們發(fā)現(xiàn)它具有額外的作用，包括提高NRF2水平、清除過(guò)氧亞硝酸鹽、抑制Fe2+運(yùn)輸和與蛋白質(zhì)硫醇基團(tuán)結(jié)合，有時(shí)還會(huì)抑制酶活性。依布硒的臨床試驗(yàn)（大多數(shù)來(lái)自日本的研究）表明，它可以在一定程度上改善中風(fēng)患者的結(jié)果。一個(gè)依布硒類似物ALT-2074正在臨床試驗(yàn)中用于糖尿病和冠狀動(dòng)脈疾病。依布硒的治療效果是由于其抗氧化活性還是由于其他機(jī)制尚不確定，因?yàn)槠駷橹箞?bào)告的臨床試驗(yàn)很少測(cè)量氧化損傷的生物標(biāo)志物。一項(xiàng)確實(shí)檢測(cè)到的試驗(yàn)沒(méi)有檢測(cè)到抗氧化效應(yīng)。

4.3衣達(dá)拉奉 

衣達(dá)拉奉用于治療中風(fēng)和肌萎縮側(cè)索硬化癥患者，臨床上效果適中。衣達(dá)拉奉最初是作為OH?等ROS的清除劑開(kāi)發(fā)出來(lái)的，但在體內(nèi)不太可能以這種方式起作用，已經(jīng)提出了其他作用機(jī)制（見(jiàn)‘NRF2系統(tǒng)的激活’）。由于OH?在其形成位置反應(yīng)，只有能夠在至少毫摩爾范圍內(nèi)存在的化合物（這高于體內(nèi)可達(dá)到的衣達(dá)拉奉水平）才能與生物分子競(jìng)爭(zhēng)攔截OH?并防止損害。衣達(dá)拉奉的化學(xué)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)補(bǔ)充表1）并沒(méi)有表明它為什么與其他芳香化合物相比具有特別高的ROS清除活性的原因。我找不到用衣達(dá)拉奉治療的患者氧化損傷的測(cè)量數(shù)據(jù)，因此其作用機(jī)制仍然是一個(gè)開(kāi)放的問(wèn)題。衣達(dá)拉奉與右旋龍腦醇的組合似乎比單獨(dú)使用衣達(dá)拉奉在中風(fēng)的II期和III期臨床試驗(yàn)中更有效。

4.4 N-乙酰半胱氨酸

NAC在臨床上用于治療對(duì)乙酰氨基酚中毒和作為粘液溶解劑。此外，數(shù)百篇論文，其中許多發(fā)表在領(lǐng)先的期刊上，描述了它作為抗氧化‘ROS清除劑’的使用，以‘確立’ROS在不同系統(tǒng)中的作用（在其他地方進(jìn)行了綜述）。實(shí)際上，‘NAC’和‘抗氧化劑’似乎是文獻(xiàn)中的互換詞。這些論文中的許多描述了保護(hù)效應(yīng)，但很少有具體描述NAC的分子靶點(diǎn)和作用機(jī)制；它是通過(guò)清除ROS、提供半胱氨酸以提高GSH水平還是通過(guò)其他機(jī)制起作用？很少有研究提供證據(jù)表明NAC降低了氧化損傷。事實(shí)上，在一些人類研究中它并沒(méi)有這樣做。NAC在某些動(dòng)物模型中加劇了癌癥的發(fā)展。實(shí)際上，NAC只是對(duì)常見(jiàn)的ROS（H2O2, O2??）的一個(gè)差勁清除劑，與大多數(shù)硫醇類似，其主要抗氧化作用可能在于通過(guò)提供半胱氨酸來(lái)維持細(xì)胞GSH水平。這可能解釋了它對(duì)對(duì)乙酰氨基酚毒性的保護(hù)作用，以及諷刺的是，它在動(dòng)物中促進(jìn)癌癥發(fā)展的作用，通過(guò)激活p53、吞噬細(xì)胞來(lái)源的ROS、光動(dòng)力療法、放療或化療使腫瘤更耐受攻擊（框2部分B）。NAC的作用機(jī)制不僅僅是作為ROS清除劑或GSH的前體；它可能干擾TNF誘導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)，通過(guò)還原二硫鍵改變細(xì)胞表面蛋白，與脂質(zhì)過(guò)氧化的醛末端產(chǎn)物如羥基壬烯酸反應(yīng)，并發(fā)揮直接的抗菌作用。NAC還可以產(chǎn)生硫化氫（H2S），一種越來(lái)越多地被認(rèn)為是扮演重要代謝角色的分子。因此，除非氧化損傷成比例地減少（標(biāo)準(zhǔn)iv），否則不應(yīng)得出通過(guò)NAC抑制生物學(xué)現(xiàn)象證明了ROS的作用的結(jié)論。

五、提高內(nèi)源性抗氧化水平

由于抗氧化酶及其輔因子（例如，GSH）在最小化氧化損傷方面尤其重要（表1和圖1），另一種抗氧化療法是使用能夠增加體內(nèi)它們活性的試劑。

5.1調(diào)節(jié)內(nèi)源性抗氧化劑活性的機(jī)制

體內(nèi)有多種系統(tǒng)調(diào)節(jié)抗氧化劑水平，它們相互影響彼此的功能。例如，NF-κB響應(yīng)壓力增加多種基因的轉(zhuǎn)錄。一個(gè)后果是iNOS水平增加，從而產(chǎn)生更多的NO?和ONOO?。NF-κB在大多數(shù)（如果不是所有）炎癥性疾病中被激活，導(dǎo)致細(xì)胞因子水平增加（其中一些，如TNF，促進(jìn)ROS的產(chǎn)生）。NF-κB的激活總體上增加了ROS的產(chǎn)生，但也增加了某些急性期蛋白的水平（即動(dòng)物對(duì)感染和炎癥通常呈血漿水平增加或減少的蛋白質(zhì)）；一些急性期蛋白具有抗氧化特性（表1）。MnSOD水平也增加，可能是為了確保線粒體O2??水平不會(huì)過(guò)高，否則可能會(huì)災(zāi)難性地發(fā)生。AP-1（激活蛋白1）是一種轉(zhuǎn)錄因子家族，也參與應(yīng)激反應(yīng)，受氧化還原調(diào)控，可以增加某些抗氧化劑的水平，如GSH、過(guò)氧化氫酶和含銅和鋅的SOD（CuZnSOD）。AP-1與主要調(diào)節(jié)抗氧化劑水平的通路之間可能存在正負(fù)交叉通訊，由NRF2介導(dǎo)（見(jiàn)下一節(jié)）。p53蛋白由p53腫瘤抑制基因編碼，與ROS之間存在復(fù)雜的關(guān)系。正常的低p53活性有助于防止癌癥的發(fā)展，部分原因是通過(guò)幫助維持GSH、GPx和SOD等抗氧化防御水平（框2，A部分）。惡性腫瘤中的p53進(jìn)一步激活可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)榇傺趸瘎┠Ｊ?，增加編碼增強(qiáng)ROS產(chǎn)生的蛋白質(zhì)基因的轉(zhuǎn)錄，如脯氨酸氧化酶（一種在將脯氨酸轉(zhuǎn)化為吡咯啉-5-羧酸時(shí)產(chǎn)生H2O2的酶復(fù)合物），并降低NADPH的產(chǎn)生（幾種抗氧化酶所需的輔因子；圖1）和GSH水平，目的可能是促進(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡。更復(fù)雜的是，ROS有時(shí)可以激活p53功能，而過(guò)多的ROS則可能抑制它。廣泛分布在組織中的叉頭框O（FOXO）轉(zhuǎn)錄因子有助于調(diào)節(jié)代謝、抗應(yīng)激和細(xì)胞死亡。它們可以增加MnSOD、過(guò)氧化氫酶、GPx、銅藍(lán)蛋白、過(guò)氧化物酶和20S蛋白酶體的表達(dá)。FOXOs本身受到其–SH殘基氧化的氧化還原調(diào)控。過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子PGC-1α有助于控制線粒體的生物發(fā)生和功能，包括響應(yīng)運(yùn)動(dòng)增加MnSOD、過(guò)氧化物酶和硫氧還蛋白還原酶的表達(dá)，尤其是在肌肉中。它的作用與FOXO蛋白密切相關(guān)。此外，包括GPx、過(guò)氧化氫酶以及尤其是過(guò)氧化物酶在內(nèi)的抗氧化防御酶的活性受到翻譯后修飾的影響。例如，MnSOD賴氨酸殘基上的乙?；档土诉@種酶的O2??清除活性，而SIRT酶的去乙?；饔脛t增加了它的活性。因此，激活線粒體SIRT酶的試劑可以增加MnSOD活性并調(diào)節(jié)線粒體O2??水平。SIRT酶激動(dòng)劑已被證明可以延長(zhǎng)模型生物的壽命，并且一些已被推廣為補(bǔ)充劑，特別是作為SIRT酶激動(dòng)劑的飲食酚類化合物白藜蘆醇（存在于葡萄、其他水果、葡萄汁和紅酒中）。然而，它在人類中的生物利用度很低，并且用它進(jìn)行的臨床試驗(yàn)在治療疾病方面給出了可變（有些有希望，有些負(fù)面）但通常不確定的結(jié)果。

5.2 激活NRF2系統(tǒng)

描述在框3中的NRF2通路是在體內(nèi)控制抗氧化防御最重要的系統(tǒng)。事實(shí)上，已經(jīng)提出NRF2信號(hào)傳導(dǎo)的進(jìn)化對(duì)于允許海洋脊椎動(dòng)物適應(yīng)陸地生活至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冃枰褪芨叩拇髿釵2水平和陽(yáng)光暴露引起的更大ROS產(chǎn)生。NRF2與PGC-1α、FOXOs、p53和NF-κB之間存在廣泛的相互作用。例如，NF-κB的激活可以減少NRF2的作用，反之亦然，減少的NRF2可以增強(qiáng)NF-κB誘導(dǎo)的炎癥。因此，一個(gè)生物體對(duì)ROS的增加抗氧化活性涉及影響基因轉(zhuǎn)錄和翻譯后修飾的多個(gè)途徑，盡管NRF2起著主要作用。增加NRF2依賴性基因轉(zhuǎn)錄甚至可能被視為氧化應(yīng)激的標(biāo)志物，盡管其他機(jī)制也可能導(dǎo)致它（框3）。阿爾茨海默病患者腦組織核中NRF2的水平降低，這導(dǎo)致了該疾病中觀察到的增加氧化損傷。與此一致的是，使用蘿卜硫素（見(jiàn)“影響NRF2的飲食化合物”）增加小鼠阿爾茨海默病模型中的NRF2水平減少了氧化損傷和淀粉樣物質(zhì)積累并增加了認(rèn)知功能。依達(dá)拉奉可以激活NRF2通路，原則上這可以更好地解釋其治療效果而不是僅僅清除ROS。據(jù)報(bào)道還有Ebselen和ergothioneine也能增加NRF2的水平。然而，對(duì)于這些化合物中沒(méi)有一個(gè)有足夠的證據(jù)表明它們能降低體內(nèi)氧化損傷水平（見(jiàn)“Ebselen”和“Edaravone”）。

5.3影響NRF2的飲食化合物

幾種飲食化合物在細(xì)胞培養(yǎng)中增加NRF2依賴性基因轉(zhuǎn)錄并且在動(dòng)物中以高劑量給予時(shí)也是如此；這些包括姜黃素（存在于姜黃中）、十字花科蔬菜中的olitipraz、西蘭花中的sulforaphane和大蒜中的allicin。這些化合物與Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1（keap1）中的–SH基團(tuán)結(jié)合以使其失活。至于在通常的飲食水平下是否有足夠的這些化合物被吸收以影響體內(nèi)的NRF2活性尚不確定；上述化合物吸收不良且迅速代謝成不能激活NRF2的產(chǎn)物。然而，它們可能影響胃腸道上皮細(xì)胞中的NRF2，有助于保護(hù)它們免受飲食促氧化劑的影響（見(jiàn)“胃腸道中的抗氧化劑”）。已經(jīng)在臨床試驗(yàn)中測(cè)試了高劑量的sulforaphane、姜黃素、olitipraz、姜黃提取物和西蘭花用于治療多種疾?。òò┌Y、糖尿病、肝損傷和蛛網(wǎng)膜下腔出血）：它們的有效性尚不清楚。

5.4合成化合物影響NRF2 

一個(gè)主要的臨床成功故事是二甲基呋喃甲酰胺（DMF），BG12，被批準(zhǔn)為復(fù)發(fā)性多發(fā)性硬化癥的首選治療方法。它通過(guò)與其巰基反應(yīng)來(lái)失活keap1，從而提高NRF2的水平。

然而，二甲基富馬酸（DMF）與硫醇基團(tuán)的其他反應(yīng)能力（例如在淋巴細(xì)胞上）可能會(huì)導(dǎo)致治療的副作用，并可能有助于其治療效果（例如通過(guò)減少多發(fā)性硬化癥中淋巴細(xì)胞造成的損傷）?；加卸喟l(fā)性硬化癥的患者神經(jīng)系統(tǒng)病變和血漿中的氧化損傷水平增加，但我未能找到發(fā)表的文章表明DMF減少了這種氧化損傷或在人類中增加了GSH水平，因此其作用機(jī)制仍然是一個(gè)開(kāi)放的問(wèn)題。然而，在患有多發(fā)性硬化癥的患者外周血細(xì)胞中，已經(jīng)證明了DMF激活了NRF2途徑，與其通過(guò)NRF2起作用一致。實(shí)際上，在小鼠模型的多發(fā)性硬化癥中，DMF增加了神經(jīng)系統(tǒng)中的NRF2，與疾病改善相關(guān)；這種效應(yīng)在缺乏NRF2的小鼠中未見(jiàn)到。然而，即使在缺乏NRF2的小鼠中，DMF也可能調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。一種針對(duì)NRF2的藥物目標(biāo)較少成功，即合成三萜類化合物bardoxolone methyl，它經(jīng)歷了臨床試驗(yàn)用于治療慢性腎臟病和2型糖尿病。不幸的是，盡管腎功能有所改善，但心血管安全問(wèn)題導(dǎo)致試驗(yàn)停止。正在評(píng)估更安全的衍生物，以及通過(guò)不同機(jī)制干擾NRF2-keap1相互作用的化合物，例如促進(jìn)keap1降解或直接抑制NRF2-keap1相互作用——這些作用應(yīng)該比針對(duì)-SH基團(tuán)的試劑更具特異性，并且在治療癡呆方面具有潛力。盡管如此，另一種三萜類化合物omaveloxolone被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)用于治療弗里德賴希共濟(jì)失調(diào)癥，盡管其治療效果似乎有限。

5.5與增加NRF2活性相關(guān)的一些注意事項(xiàng)

人們不希望通過(guò)NRF2增加抗氧化防御到足以干擾ROS的生理作用的程度。缺乏keap1的小鼠有持續(xù)活躍的NRF2并且由于胃腸功能障礙而在出生后不久死亡，盡管這些影響是否涉及‘減少的ROS’尚未報(bào)告。在使用增強(qiáng)NRF2的試劑（飲食來(lái)源或合成）時(shí)也應(yīng)該小心（例如吸煙者或有癌癥風(fēng)險(xiǎn)的受試者），因?yàn)閻盒阅[瘤處于氧化應(yīng)激下，p53、吞噬細(xì)胞和各種治療方法可以通過(guò)增加這種壓力來(lái)殺死它們（框2）。因此，提高NRF2水平可以保護(hù)腫瘤，尤其是肺癌。

六、結(jié)論和未來(lái)展望

氧化損傷會(huì)導(dǎo)致多種疾病，尤其是隨著年齡增長(zhǎng)發(fā)病率增加的疾病，如癡呆、眼疾、多種癌癥和心血管疾病。讓我們通過(guò)回顧我們?cè)谑褂每寡趸瘎┲委熁蝾A(yù)防這些疾病方面所取得的進(jìn)展來(lái)結(jié)束本文，并提出未來(lái)可以采取的一些方法。

6.1抗氧化劑在疾病預(yù)防中的應(yīng)用

盡管氧化損傷在上述疾病中發(fā)揮作用，但根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，補(bǔ)充飲食來(lái)源的抗氧化劑或合成抗氧化劑似乎對(duì)預(yù)防或治療這些疾病幫助不大，盡管許多試驗(yàn)仍在進(jìn)行中。框4提供了一些解釋。DMF、依布硒和衣達(dá)拉奉具有一定的治療效果，但尚不清楚這是否歸因于抗氧化作用（通過(guò)NRF2或其他機(jī)制），還是由其他機(jī)制介導(dǎo)。一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是我們是否可以開(kāi)發(fā)能夠減少特定生物分子特定部位氧化損傷的抗氧化劑（特別是大腦），同時(shí)不會(huì)過(guò)多干擾ROS的生理作用。

表3 各種影響活性氧和氧化劑水平的生活方式

干預(yù)方法

特點(diǎn)

運(yùn)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)促進(jìn)人體健康，部分原因是氧化應(yīng)激激活并提高內(nèi)源性抗氧化能力。

減肥

肥胖提高氧化損傷，部分因?yàn)槭侵窘M織內(nèi)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生更多ROS和釋放更多細(xì)胞因子。減肥可以降低氧化損傷。

控制膽固醇水平

高膽固醇血癥提高氧化損傷，他汀能糾正這一趨勢(shì)。通過(guò)降低膽固醇，影響低密度脂蛋白水平，他汀也被當(dāng)成具有間接抗氧化作用。

控制高血糖

高血糖提高患者脂質(zhì)過(guò)氧化水平，高水平葡萄糖具有促氧化效應(yīng)。

健康飲食

健康飲食有利于攝取許多構(gòu)建抗氧化網(wǎng)絡(luò)的營(yíng)養(yǎng)素。

避免接觸高活性氧毒素，特別是戒煙

香煙對(duì)人具有強(qiáng)促氧化效應(yīng)，可提高氧化損傷水平，也含有多種致癌物。

6.2生活方式作為抗氧化“療法” 

已知有幾種活動(dòng)可以促進(jìn)健康，包括運(yùn)動(dòng)、避免肥胖、控制血糖和膽固醇以及食用富含水果、蔬菜和谷物的高質(zhì)量飲食，這些活動(dòng)至少在一定程度上可能通過(guò)抗氧化劑類型的機(jī)制起作用（例如，降低導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增加的化合物水平，如葡萄糖）。表3解釋了其中的原理。然而，令人奇怪的是，許多體外具有抗氧化性質(zhì)的飲食來(lái)源化合物在體內(nèi)似乎沒(méi)有發(fā)揮系統(tǒng)抗氧化作用。這就引出了一個(gè)問(wèn)題：我們?nèi)绾谓忉屃餍胁W(xué)研究顯示它們有益的結(jié)果。它們可能只在特定部位發(fā)揮抗氧化作用（在血液或尿液中測(cè)量的氧化損傷生物標(biāo)志物無(wú)法檢測(cè)到這些作用），或者通過(guò)胃腸道的作用促進(jìn)健康（參見(jiàn)“胃腸道中的抗氧化劑”）。其中許多化合物還會(huì)產(chǎn)生其他代謝效應(yīng)，尤其是作為酶輔因子的抗壞血酸，以及可能是各種形式的維生素E（表2）。富含水果、谷物和蔬菜的飲食可以降低患上多種疾病的風(fēng)險(xiǎn)，包括心血管疾病、癡呆、其他神經(jīng)退行性疾病、中風(fēng)、糖尿病、白內(nèi)障、黃斑變性和多種癌癥。這樣的飲食富含抗氧化劑，如果您食用這些飲食，您的血液中的抗氧化劑水平會(huì)上升。并不一定是抗氧化劑導(dǎo)致了這些有益效果，它們可能是由于許多其他飲食成分，包括提高NRF2水平的物質(zhì)。事實(shí)上，良好的飲食習(xí)慣還有另一個(gè)重要方面，即許多通常不被視為抗氧化劑的飲食成分有助于抗氧化防御網(wǎng)絡(luò)，尤其是內(nèi)源性抗氧化劑（表1）。例如，錳需要錳超氧化物歧化酶；鐵需要過(guò)氧化氫酶；銅需要銅鋅超氧化物歧化酶、細(xì)胞外超氧化物歧化酶和血清銅蛋白；鋅需要銅鋅超氧化物歧化酶；含硫氨基酸（甲硫氨酸、半胱氨酸）用于生成GSH；核黃素是谷胱甘肽還原酶的黃素腺嘌呤二核苷酸輔因子；煙酰胺用于生成NAD(H)和NADP(H)；硒是GPx酶、硫氧還蛋白還原酶和甲硫氨酸亞砜還原酶所需的活性物質(zhì)1。因此，如果飲食缺乏這些營(yíng)養(yǎng)素中的任何一種或全部，抗氧化防御網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)以多種方式受損。補(bǔ)充高水平的抗壞血酸、維生素E、類胡蘿卜素、多酚等可能不太可能糾正這種情況；需要多種飲食成分以正確的平衡存在。盡管如此，幾項(xiàng)生物標(biāo)志物研究表明，多吃水果和蔬菜（甚至黑醬油）可以降低全身氧化損傷水平，盡管其他研究并未發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)?？傮w而言，不能得出結(jié)論認(rèn)為良好飲食的好處是由于氧化損傷減少所致，盡管這可能是其中一個(gè)原因。目前，促進(jìn)健康的生活方式（表3）是避免疾病最有效的策略；按照表3中的建議似乎更有可能降低氧化損傷水平，而不是攝入超過(guò)正常劑量的飲食來(lái)源抗氧化劑。事實(shí)上，有人試圖擴(kuò)大抗氧化劑一詞的定義，以包含飲食和生活方式的這種作用，即“抗氧化劑是指任何生理學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)或藥理學(xué)操作，激活編碼抗氧化酶基因的表達(dá)，從而增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)活性氧或氮物種氧化的抵抗力”。

6.3活性氧和抗氧化劑反應(yīng)的個(gè)體差異

個(gè)體之間的氧化損傷水平和抗氧化劑水平差異很大，他們對(duì)促氧化劑的反應(yīng)、組織損傷引起的氧化損傷增加或補(bǔ)充抗氧化劑的反應(yīng)也是如此。這有多種原因，包括飲食和遺傳學(xué)，一個(gè)例子是觸珠蛋白類型（參見(jiàn)“膳食抗氧化劑作為治療劑”）。例如，吸煙會(huì)增加幾種氧化損傷生物標(biāo)志物的濃度，尤其是F2-異前列腺素。然而，仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一些吸煙者這些生物標(biāo)志物的濃度處于“正?！狈秶?，而一些非吸煙者的濃度則在“吸煙者”范圍內(nèi)。也許只有那些基礎(chǔ)氧化損傷水平較高的人才會(huì)因疾病引起的額外氧化損傷而受到影響，并對(duì)給予的抗氧化劑做出反應(yīng)。有些作者稱他們?yōu)椤案舻娜恕保ㄔ谄渌胤竭M(jìn)行了綜述），指的是油脂腐臭是由于脂質(zhì)過(guò)氧化1所致。

6.4如何進(jìn)一步推進(jìn)

正如最近討論的那樣，關(guān)于抗氧化劑對(duì)疾病影響的研究很少定義涉及哪些ROS、它們來(lái)自哪里、它們?nèi)绾蔚竭_(dá)目標(biāo)以及哪些特定的分子目標(biāo)受到影響以及為什么會(huì)受到影響。

“氧化損傷”一詞通常被解釋為對(duì)廣泛的生物分子的隨機(jī)、不加區(qū)別的損害，例如由OH?引起的損害。然而，真實(shí)的病理過(guò)程往往出奇地具有特異性。因此，在帕金森病中，增加的氧化DNA損傷似乎只影響鳥(niǎo)嘌呤。在阿爾茨海默病中，蛋白質(zhì)組學(xué)顯示只有某些蛋白質(zhì)受到氧化損傷。大多數(shù)情況下，這種選擇性背后的機(jī)制尚未確定。很少有關(guān)于給予的抗氧化劑（無(wú)論是膳食還是合成的）如何在組織、細(xì)胞、器官和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)室（例如線粒體基質(zhì)或膜間空間）中分布的數(shù)據(jù)，而且對(duì)于犧牲性抗氧化劑來(lái)說(shuō)，氧化產(chǎn)物的生物學(xué)效應(yīng)和命運(yùn)是什么也鮮有報(bào)道。例如，類胡蘿卜素、藥物和多酚的氧化產(chǎn)物可能同時(shí)具有有益的和有害的生物學(xué)效應(yīng)。我們大致了解內(nèi)源性抗氧化防御的組織分布以及細(xì)胞和亞細(xì)胞定位（表1），但我們不知道膳食來(lái)源的抗氧化劑如抗壞血酸、麥角硫因、類胡蘿卜素、黃酮類化合物、生育酚、生育三烯醇及其代謝物在器官、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)室、細(xì)胞、組織和器官中的正常位置，以及這些水平如何隨著補(bǔ)充而改變。因此，我們不知道在這些部位清除ROS是否可行（參見(jiàn)“體內(nèi)抗氧化活性的建立”）。因此，我們必須朝著闡明這些外源性抗氧化劑在分子水平上的作用機(jī)制的方向前進(jìn)。另一個(gè)需要注意的因素是動(dòng)物研究可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)性的結(jié)果。例如，將抗氧化劑用于癡呆或中風(fēng)的嚙齒動(dòng)物模型可以改善其結(jié)果并減少氧化損傷，這在人類中通常不會(huì)觀察到（參見(jiàn)“ROS和抗氧化劑在癡呆中的作用”）。許多研究將抗壞血酸作為抗氧化劑給予大鼠和小鼠，而不考慮這些動(dòng)物自己會(huì)合成它30；很少測(cè)量補(bǔ)充額外抗壞血酸對(duì)內(nèi)源性抗壞血酸合成（以及隨之產(chǎn)生的H2O2，表2）和組織抗壞血酸水平的實(shí)際影響。

6.5活性硫作為抗氧化劑

本綜述關(guān)注的是處理ROS的抗氧化劑。其他活性類別的自由基也存在，例如活性氮和鹵素物種，盡管它們的主要成員（HOCl、NO? 、ONOO? 、ONOOH和NO2 ? ）也被歸類為ROS。一個(gè)日益增長(zhǎng)的研究領(lǐng)域是活性硫物種（RSS）：其中一種H2S在體內(nèi)發(fā)揮重要作用。H2S至少可以在體外清除ONOO? /ONOOH。然而，盡管尚未完全確立，但H2S在體內(nèi)的水平似乎遠(yuǎn)低于其他能夠與ONOO? /ONOOH反應(yīng)的抗氧化劑的水平，如GSH（表1），因此這種能力在體內(nèi)可能無(wú)關(guān)緊要。氫過(guò)硫化物（RSSH）和多硫化物（RSSnR）可以抑制脂質(zhì)過(guò)氧化并保護(hù)細(xì)胞免受鐵離子和脂質(zhì)過(guò)氧化有關(guān)的鐵死亡的影響，后者通過(guò)控制鐵離子供應(yīng)和通過(guò)泛醌和GPx4介導(dǎo)的脂質(zhì)過(guò)氧化速率來(lái)實(shí)現(xiàn)（表1）。然而，RSSH和RSSnR在體內(nèi)的水平也沒(méi)有得到充分確立，需要建立抗氧化活性是否在體內(nèi)可行（參見(jiàn)“體內(nèi)抗氧化活性的建立”）。盡管如此，RSS仍然是值得進(jìn)一步研究的物種。甚至有人提出腸道微生物群向身體提供RSS作為抗氧化防御。

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網(wǎng)址: 科學(xué)網(wǎng)—抗氧化劑在健康與疾病中的作用機(jī)制【自然綜述】 http://www.u1s5d6.cn/newsview25756.html