第二节 氧化应激
一、氧化应激的概念
氧化应激（oxidative stress）是指当多种原因致使体内的反应性氧化物ROS及相关物质产生时的细胞内、外状态。换言之，氧化应激是指人体在遭受各种有害刺激时，体内高活性分子如活性氧和活性氮产生过多，氧化程度超出细胞对氧化物清除的抗氧化能力，氧化系统和抗氧化系统失衡，从而导致组织损伤。
氧化应激的概念最早源于人类对衰老的认识。1956年英国学者Harmna首次提出自由基衰老学说，该学说认为自由基攻击生命大分子造成组织细胞损伤，是引起人体衰老的根本原因，也是诱发肿瘤等恶性疾病的重要原因。1990年，美国从事衰老研究的Sohal教授指出了自由基衰老学说的种种缺陷，并首先提出了氧化应激的概念。
从某种角度看，人体几乎所有的器官确实都很会受到氧化应激带来的伤害，症状表现不计其数，如疲倦、全身无力、肌肉和关节痛、消化不良、焦虑、抑郁、皮肤瘙痒、头痛，以及注意力难以集中和感染难以痊愈等。一般认为，氧化应激是许多疾病发生的前提条件和病情发展中的加重因素，也就是说，氧化应激可因渐进式病理损害而引发或加重疾病，因此，由氧化应激水平升高诱发的最常见疾病有心脏病、癌症、骨关节炎、风湿性关节炎、糖尿病以及神经退化性问题，如阿尔茨海默病、帕金森病。
如果氧化应激诱发慢性疾病的观点是正确的，那么只需要提高机体抗氧化的能力，就应该能控制氧化应激造成的损伤，抗氧化物质对上述这些疾病甚至衰老都有非常理想的治疗和预防效果。但是不幸的是，人们先后进行的大量实验最终没有获得预期的效果，无论是维生素类抗氧化物质（如维生素A、C和E），还是一些所谓的天然抗氧化物质，最后都没有被证明能治疗或缓解上述疾病。
最近抗氧化领域又提出了新的观点，认为过去采用一种抗氧化物质无效的根本原因，是因为体内氧化和抗氧化系统是一个网络，要在各个层面上全面提高抗氧化能力，简单地说，就是同时使用各种抗氧化物质，才能有效提高机体抗氧化能力，达到治疗氧化应激的目的。显然，联合使用抗氧化物质，只是在抗氧化手段上的简单优化，并没有从根本上突破传统抗氧化的观念。
二、氧化应激损伤
氧自由基的化学活性很强，可以损害组织细胞。其损害作用不仅是因为本身的强氧化作用，还因为
启动“连锁反应”和“反应蔓延”形成一系列也具有强氧化作用，甚至更强氧化作用的其他自由基，如过氧化氢（H2O2）、羟自由基（·OH）以及单线态氧（1O2或
）等都具有强氧化作用。另一方面，自由基作用于机体细胞和组织后，生物分子受损，并产生更多的ROS；ROS可继续发挥破坏各种生物分子的作用，这些分子损伤后又可使ROS的产生进一步增加，形成恶性循环。
1.ROS对膜的过氧化作用
与膜的多不饱和脂肪酸作用，先形成中间产物烷自由基（RO·），然后与超氧阴离子反应形成烷过氧基（ROO·）。后者再与另一类脂作用引起抽氢反应形成过氧化脂质（ROOH）。ROOH形成后自发地或在过渡金属离子催化下产生均裂，所形成的ROO·和RO·又能以链式支链反应不断产生ROOH，造成细胞膜、内质网、溶酶体、线粒体等的生物膜结构破坏及通透性增加，使细胞的能源发生障碍，而致细胞衰老、死亡。脂质过氧化作用最终产物是丙二醛，故常以测定丙二醛含量来判定脂质过氧化程度。
2.ROS对蛋白质的破坏
脂质过氧化过程中，所产生的脂质自由基可以从各种蛋白质分子内夺取氢原子，产生蛋白质自由基。蛋白质自由基可进一步引起蛋白质分子的聚合，肽链的断裂等变化或使蛋白质与脂质形成聚合物。
3.ROS对酶活性的影响
过多的氧自由基会破坏酶的活性。其机制可能是：①通过自由基的链式反应使酶分子发生聚合；②通过丙二醛使酶分子发生交联；③通过破坏酶蛋白使酶失活；④通过与酶分子中的金属反应，使酶活性降低。
4.ROS对去氧核糖核酸（DNA）的损伤
既可直接损伤DNA，也可通过氧化而间接损伤DNA，导致基因突变和致癌作用。DNA发生的氧化性损伤主要有六种形式：①双链断裂；②姊妹染色单体互换；③DNA-DNA或DNA-蛋白质交联；④损伤后的碱基既可入碱基序列中，也可脱掉；⑤去甲基化；⑥基因突变。
5.ROS的直接作用
使上皮组织基底膜的透明质酸变性，导致组织纤维化，造成组织损害。超氧阴离子既能损伤细胞膜，又能损伤细胞间质，而血浆、脑脊液、关节液中超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的含量比细胞内低得多，所以超氧阴离子也可致细胞外损害。
ROS的直接作用与其剂量密切相关。中等剂量ROS的氧化刺激可以导致细胞凋亡。迄今为止，已有多条氧化应激诱导凋亡的途径被揭示，如ROS可以诱导神经酰胺的生成、c-Jun N端激酶（c-Jun N-terminus kinase，JNK）的活化、P53的活化、PI3激酶调节蛋白P85的表达等多种途径引发细胞凋亡。值得注意的是，凋亡过程中也生成ROS，如体外实验显示，IL-3依赖细胞发生凋亡之前已有ROS的产生，这些ROS可能加速整个凋亡的进程。
高浓度ROS对细胞有直接杀伤作用，如机体吞噬细胞的过氧化氢体就是利用ROS对所吞壁的异物进行消化分解。高浓度ROS可使caspase失活，造成细胞坏死。如果在培养细胞时加入过量的ROS，会对细胞产生杀伤作用。
三、高压氧与氧化应激
自由基与氧中毒、放射性损伤、衰老、癌症等有密切关系。高压氧治疗可增加组织中ROS的浓度。
（一）高压氧可提高组织中ROS的浓度
高压氧造成机体ROS产生增多的确切机制尚未阐明。现认为可能与多个环节有关。
1.激活细胞内黄嘌呤氧化酶，通过尿酸代谢途径产生超氧阴离子
高压氧下，黄嘌呤氧化酶活化可能是产生自由基的始发因素之一。高压氧可激活黄嘌呤脱氢酶转变成黄嘌呤氧化酶，而该酶氧化次黄嘌呤使之转变成黄嘌呤，后者又在该酶催化下生成尿酸，同时该酶通过对分子氧（O2）的单价还原，使其变成超氧阴离子。超氧阴离子是自由基链式反应起始因子，通过Haber-Weiss反应或在过渡性金属离子Fe2+或Ca2+参与下，经Fenton反应生成·OH。
2.损伤线粒体电子传递体系
高压氧可使线粒体电子传递体系所传递的电子流溢出，过早地传递给O2而生成超氧阴离子，后者又可造成线粒体膜结构与功能进一步损伤。正常情况下，机体内大部分O2在细胞色素氧化酶复合物等作用下，得到4个电子直接还原成H2O，但有3%～5%发生单电子还原生成超氧阴离子，高压氧使此过程得到加强。同时，正常情况下，辅酶Q固定于呼吸链，并受严格控制，以半醌自由基形式沿呼吸链传递电子。当高压氧损伤线粒体导致辅酶Q脱离呼吸链时，辅酶Q则将电子直接给予O2，发生自动氧化产生超氧阴离子。
此外，在肺受高压氧的损伤时，多核细胞和巨噬细胞聚集，在NADPH氧化酶催化下，O2从还原型辅酶Ⅰ或Ⅱ（NADPH）获得电子而变成超氧阴离子。
（二）高压氧下机体对氧自由基的防御能力
高压氧能使SOD活性升高，可能是机体抗氧化酶系统被激活或被诱导释放所致。而SOD活性随着疗程的延长而略有下降趋势，可能与过高压力条件下SOD活性受抑制或消耗过多，以及脂质过氧化物含量升高有关。因此高压氧治疗时，必须严格掌握好治疗压力、时程和疗程，以防氧中毒的发生。
（三）高压氧与放射治疗
高能放射可直接作用于具有生物活性的大分子（如核酸、蛋白质等），使其发生电离、激发或化学键断裂，而造成分子结构和性质的改变，从而引起正常功能和代谢活动的障碍；同时还可以作用于水分子，引起水分子的电离和激发，形成·OH等自由基，进而作用于生物大分子，造成破坏，而加重放射损伤。由于生物体内含水量很大，而且放射分解产生的·OH等自由基团又非常活泼，易广泛发生化学反应。体外实验表明，电离辐射引起DNA的损伤，90%是由于·OH的作用。因此通过间接作用即自由基作用而造成的分子损伤，较直接作用更为重要。
高压氧合并放射治疗癌肿可能产生治疗矛盾。一方面患者在照射前和照射期间，呼吸高压氧可使血液和肿瘤内的氧浓度增高，使癌肿内的缺氧细胞转为富氧细胞，后者对放射敏感性大大地提高，容易被放射线杀灭，因而增强放射治疗的效果。但另一方面，高压氧治疗增加了体内自由基的生成，加重了放射治疗的组织损伤。
因此高压氧合并放射治疗一直有争议。近来有人认为，肿瘤细胞与正常细胞比，所受的损伤更大，预计只要掌握得当，合并治疗还是利大于弊的。
（四）高压氧与衰老
自由基学说为老化机制之一。该学说认为自由基参与正常或病理过程时，与分子氧反应形成过氧基团，引起细胞膜（还有线粒体膜、微粒体膜）的主要构成成分之一——类脂质的破坏，从而使细胞的能源发生障碍而致细胞受损。也就是说，生物膜中的脂肪酸在过氧化中产生的自由基和膜蛋白相互作用，导致膜蛋白破坏，引起细胞的衰老和死亡。因此自由基诱导过氧化反应在人类衰老过程中占重要地位。老年人血液中一部分有活性的SOD转变为无活性的酶，因此认为自由基是老年时期细胞衰老的原因。高压氧治疗虽可提高体内SOD活性，但目前尚未用高压氧来治疗或防止老化。
（五）高压氧与恶性肿瘤
目前认为，自由基可导致细胞的DNA链断裂，诱发基团突变，因此在诱癌、促癌及抗癌过程中起着一定的作用。由于高压氧可使组织内自由基增多，因而对肿瘤也有一定影响。
目前还不清楚自由基是具有抗癌作用，还是具有致癌作用，其与癌的关系很复杂，至今亦仍未被揭示清楚，因此对癌症患者或有患癌风险的患者（如某些病毒感染和癌症家族史者），选用高压氧治疗一定要审慎。
（余志斌）