活性氧（reactive oxygen species，ROS）可導致細胞凋亡進而引發器質性疾病，損傷心臟功能，在多種心臟疾病的發生中起重要作用。雖然抗ROS療法備受期待，但目前仍缺乏公認理想的方案以預防ROS損傷。作為重要的內源性抗氧化系統之一，硫氧還蛋白（thioredoxin，Trx）被研究證明具有出色的抗氧化活性。通過不同方法激動Trx-1活性，能還原關鍵生物分子，或清除ROS，或調節眾多細胞生存相關信號通路，抵抗ROS損傷。本文就Trx-1在心臟抗氧化治療中的研究進展作一綜述，以探討Trx-1作為抵抗ROS損傷靶點的潛力與可能性。
心臟是線粒體含量最高、代謝最活躍的器官，而線粒體是活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要來源，故而，心臟是最容易被ROS損傷的部位之一，ROS在許多心臟疾病中發揮了重要作用[1]。然而，目前仍未有符合臨床需要的抗氧化劑。硫氧還蛋白（thioredoxin，Trx）系統是重要的內源性抗氧化系統，被證明在抗氧化應激中發揮作用[2]，可以還原保護多種重要靶點，調節細胞生存相關信號通路，發揮心臟抗氧化作用，可能成為心臟抗氧化的潛在靶點。本文將圍繞Trx的抗ROS機制及其亞型Trx-1在心臟ROS損傷中的預防治療作用進行綜述。
1 硫氧還蛋白與心臟活性氧損傷
1.1 硫氧還蛋白系統概述
Trx系統存在廣泛，含有多個抗氧化蛋白，如Trx-1、Trx-2、Trx-3及它們的還原酶（TrxR）和過氧還原酶，抑制Trx的硫氧還蛋白相互作用蛋白（TXNIP）有時也被涵蓋其中。Trx-1位于細胞外、細胞質和細胞核內，Trx-2僅位于線粒體中，Trx-3僅存在于精細胞中[3]。在機體中，Trx-1與Trx-2均有良好的抗氧化作用，但與Trx-1相比，Trx-2的相關研究相對不充分。盡管Trx-2被證明具有抗氧化損傷的作用[4-5]，但近年來研究[6-7]主要集中在微生物方面，故本文主要對Trx-1的作用進行探討。TrxR是一種同型二聚酶，以還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）為輔酶，是目前已知唯一能還原氧化態Trx的酶，能將電子從NADPH傳遞給Trx[8]。TXNIP是唯一一種與Trx相互作用的抑制蛋白，通過與Trx之間形成二硫鍵抑制其還原能力[9]。人體的Trx是一種分子量僅有12 kD的多功能小蛋白，不僅具有抗氧化作用，也是一種抗炎和抗凋亡蛋白，血清中的Trx水平是公認的氧化應激生物指標[1]。
1.2 硫氧還蛋白-1的抗活性氧作用
ROS會攻擊許多生物分子，其中蛋白質被認為是氧化修飾的主要靶點，例如血液蛋白中的β2糖蛋白I、β3整合素，其氧化影響凝血與血栓的形成[10]。ROS還會促進脂質氧化。它會攻擊富含脂質的生物膜，引起膜上磷脂的過氧化，導致細胞凋亡，并形成正反饋，進一步產生自由基[8]。因此，ROS在很大程度上充當信號分子，調節多種信號通路，介導受調控的細胞死亡，如凋亡、程序性壞死、鐵死亡、自噬等。ROS是細胞凋亡最有力的刺激因子之一。例如，ROS通過氧化線粒體心磷脂，能促進細胞色素c（Cyt c）的釋放，誘導細胞凋亡[11]。總之，在冠狀動脈粥樣硬化性心臟病、心肌梗死和心律失常等疾病中，都有證據證明ROS與炎癥反應相協同，通過損傷心肌導致疾病的發生[9]。
Trx-1可以直接作用于被ROS破壞的重要生物分子，如還原蛋白質被氧化產生的二硫鍵，從而對氧化損傷起保護作用。還原態的Trx-1可以與過氧化物酶相互作用并還原過氧化物酶，而過氧化物酶則將H2O2轉化為水，發揮直接清除ROS 的作用[5,12]。ROS被清除后，其作為上游信號分子引發的反應自然會被清除，故而ROS介導的損傷相關信號通路都會被阻斷，使得Trx-1同時具有直接與間接的抗ROS損傷功能。Trx-1作為抗氧化劑，不僅可以還原蛋白質，還具有還原核糖核酸還原酶和蛋氨酸亞砜還原酶從而修復DNA的功能[2]。總之，Trx-1有優秀的抗ROS作用，能直接清除ROS或還原被ROS損傷的分子，阻斷其介導的損傷相關信號通路，發揮保護作用；見圖1。
圖1
Trx-1作用模式圖
Trx-1：硫氧還蛋白-1；ASK1：細胞凋亡信號激酶1；NF-κb：核因子κB；ROS：活性氧
1.3 硫氧還蛋白-1的抗炎抗凋亡作用
Trx-1除上述作用外，還可以直接作用于一些信號通路上的其他靶點，發揮抗炎抗凋亡等效應，減輕ROS造成的損傷。例如，細胞凋亡信號激酶1（ASK1）是一種絲裂原激活的蛋白激酶（MAPK），負責p38 MAPK通路的激活，導致細胞凋亡。Trx-1可以通過抑制ASK1來抑制細胞凋亡[13]，還原態Trx-1與ASK1的N端結合，抑制ASK1作為信號傳遞因子的功能，誘導ASK1降解[14]。而氧化態的Trx-1會與ASK1分離，導致下游ASK1信號激活、細胞色素c釋放和含有半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶caspase-3的激活，最終導致細胞凋亡的結果[8]。Trx的耗竭會誘導細胞自噬，引起嚴重的炎癥反應，導致心肌細胞損傷[15]，故需使其維持在一定水平。Trx-1也參與了線粒體相關通路的調節，在氧化應激中Trx-1上調自身，保護線粒體蛋白免受氧化以減少功能損傷，并且通過抑制線粒體通透性過渡孔的開放來維持線粒體功能，避免線粒體內容物如Cyt c等逸出[16]，發揮抗凋亡作用。
但也有研究認為，Trx-1可通過逆轉caspase的硝化來促進凋亡信號。還原的Trx-1可以降低caspase-6的活性來抑制凋亡，而氧化的Trx-1則具有相反的作用。為解釋這一現象，Benhar等[11]提出了“死亡閾值”模型，該模型認為，一方面，Trx-1清除氧化劑抗凋亡；另一方面，面對更高強度的應激，Trx-1促進凋亡反應，通過安全清除損傷細胞來維持生物穩態。因此我們認為，在閾下應激時，抗凋亡作用有利于器官正常功能的維持，對機體起保護作用，而面對閾上刺激，機體更加需要的是清除損傷細胞，故而此時發生的凋亡與自噬，同樣具有保護作用。不論哪種情況，Trx-1起到的都是保護作用，彼此并無矛盾；見圖1。
2 硫氧還蛋白-1與心臟抗氧化治療
實驗[5]證實，Trx-1在多種病理條件下都具有心臟保護作用。例如，高表達Trx的轉基因小鼠存活時間較長，對氧化應激有較強的抵抗力。在人心臟疾病中，也都觀察到患者Trx-1水平的升高，如心肌炎、心肌梗死、動脈粥樣硬化、心肌肥厚、缺血-再灌注損傷等[12]，這意味著在這些疾病中，Trx系統對心肌損傷做出了響應。由于在這些疾病中氧化應激均發揮了重要作用，故而Trx-1水平的升高可能是機體自身應激產生的保護機制。Trx也被實驗證明在人心臟中具有清除活性氧的保護作用，是治療相關疾病的潛在靶點[17-18]。
2.1 關于硫氧還蛋白-1心臟保護作用的研究進展
在基礎研究中，許多藥物被證實可以干預Trx-1的作用。用N-乙酰半胱氨酸（NAC，谷胱甘肽的前體）預處理心肌細胞系H9c2細胞后，還原形Trx-1的水平增加，可以抑制細胞凋亡，而氧化Trx-1的積累則可能促進凋亡信號通路[19]。用3.5%七氟醚預處理H9c2細胞可抑制TXNIP表達及其與Trx的結合，降低抑制Trx-1的力量以增強抗氧化防御作用，促進心肌細胞活力[20]。用右美托咪啶（Dex）處理離體心臟和H9c2心肌細胞后發現，本應因氧化應激降低的Trx-1水平維持正常，發揮了心臟保護作用，而用特異性Trx-1抑制藥PX-12處理后，Dex的抗氧化等功能消失[21]。異戊醇鈉與胰島素也被證實能提高Trx-1水平[22-23]，GLP類似物Exendin-4和刺芒柄花素均被證實可能通過抑制TXNIP發揮抗氧化作用[24-25]。用編碼Trx-1的腺病毒載體介導心肌內基因轉移也被證實能有效減少心肌氧化應激、心肌纖維化與凋亡[1]。一些預處理操作同樣被證實可以干預Trx-1水平，如遠端缺血預處理和運動預處理，均可增加Trx-1的表達或抑制TXNIP，減少梗死面積，降低心肌細胞凋亡和氧化應激水平[26]。盡管原理各有不同，但上述研究均提示，使用靶向Trx-1的藥物可能成為應對ROS損傷的心臟保護手段。
此外，直接補充Trx-1蛋白或許也是可行的干預方法。成年小鼠于再灌注前用人Trx處理后，DNA片段化程度降低，梗死面積減小。用免疫染色檢測整個心肌后，全身性給與的Trx-1被證明可以被心肌細胞攝取[27]。這說明Trx-1不僅能在細胞外環境如血漿，組織液中發揮抗氧化作用，也可能保護細胞內受ROS攻擊的結構，如維持細胞生命活動的關鍵酶類，是可干預、效果好的潛在心臟抗氧化損傷靶點。
臨床研究[28]中發現，維拉帕米可以通過降低TXNIP表達提高人Trx-1的作用。接受遠端缺血預處理的患者術前心臟組織樣本中Trx蛋白水平顯著上調，發揮了一定的心臟保護作用[29]。
總之，不論在基礎研究還是臨床研究中，都證實了Trx-1是預防心臟相關ROS損傷的潛在靶點，且具有切實可行的干預方法，具有實用價值。
2.2 爭議及待解決的問題
目前關于Trx的研究仍存在一些爭議，如關于TXNIP對Trx-1表達水平的作用，目前仍未達成共識。在全基因敲除小鼠、組織特異性TXNIP敲除小鼠模型和TXNIP缺陷小鼠模型實驗[30]中發現，雖然阻斷TXNIP可以減輕心肌梗死后心臟損傷和改善預后，但Trx活性沒有顯著變化。Trx-1的翻譯后修飾或其與其他蛋白質相互作用導致的改變可能會讓細胞和器官從生理狀態轉換為多種病理狀態[3]。
除上述爭議外，Trx-1的應用還有其固有的限制之處，如半衰期較短，價格昂貴，沒有公認恰當的干預手段，這些問題都有待解決。此外，Trx-1抗ROS的合適劑量，無論是在動物實驗還是在臨床試驗中，均沒有被確定。需指出的是，必要水平的ROS對生長因子介導的信號傳遞、蛋白質折疊和其他生理需要的二硫鍵形成以及正常的線粒體功能至關重要，缺乏必要的氧化劑可能導致還原性壓力，引起蛋白錯誤折疊，引發心肌疾病[31]。故抗氧化劑的水平并非越多越好，需審慎確定劑量以維持其平衡。
3 小結
Trx-1近年來受到越來越多的關注，針對Trx-1的不同干預手段及其多樣的保護作用也在不斷被發現。雖然目前還處于探索階段，但隨著研究的深入，Trx-1的心臟抗ROS損傷潛力將不斷被發掘，有廣闊的應用前景。
利益沖突：無。
作者貢獻：孫伊人構思框架，閱讀文獻，撰寫文章；楊子琪整理文獻，參與框架構建，文稿修改；王欣然查閱文獻，參與文稿寫作；錢永軍指導項目，文章構思，審閱修改文章。
心臟是線粒體含量最高、代謝最活躍的器官，而線粒體是活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要來源，故而，心臟是最容易被ROS損傷的部位之一，ROS在許多心臟疾病中發揮了重要作用[1]。然而，目前仍未有符合臨床需要的抗氧化劑。硫氧還蛋白（thioredoxin，Trx）系統是重要的內源性抗氧化系統，被證明在抗氧化應激中發揮作用[2]，可以還原保護多種重要靶點，調節細胞生存相關信號通路，發揮心臟抗氧化作用，可能成為心臟抗氧化的潛在靶點。本文將圍繞Trx的抗ROS機制及其亞型Trx-1在心臟ROS損傷中的預防治療作用進行綜述。
1 硫氧還蛋白與心臟活性氧損傷
1.1 硫氧還蛋白系統概述
Trx系統存在廣泛，含有多個抗氧化蛋白，如Trx-1、Trx-2、Trx-3及它們的還原酶（TrxR）和過氧還原酶，抑制Trx的硫氧還蛋白相互作用蛋白（TXNIP）有時也被涵蓋其中。Trx-1位于細胞外、細胞質和細胞核內，Trx-2僅位于線粒體中，Trx-3僅存在于精細胞中[3]。在機體中，Trx-1與Trx-2均有良好的抗氧化作用，但與Trx-1相比，Trx-2的相關研究相對不充分。盡管Trx-2被證明具有抗氧化損傷的作用[4-5]，但近年來研究[6-7]主要集中在微生物方面，故本文主要對Trx-1的作用進行探討。TrxR是一種同型二聚酶，以還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）為輔酶，是目前已知唯一能還原氧化態Trx的酶，能將電子從NADPH傳遞給Trx[8]。TXNIP是唯一一種與Trx相互作用的抑制蛋白，通過與Trx之間形成二硫鍵抑制其還原能力[9]。人體的Trx是一種分子量僅有12 kD的多功能小蛋白，不僅具有抗氧化作用，也是一種抗炎和抗凋亡蛋白，血清中的Trx水平是公認的氧化應激生物指標[1]。
1.2 硫氧還蛋白-1的抗活性氧作用
ROS會攻擊許多生物分子，其中蛋白質被認為是氧化修飾的主要靶點，例如血液蛋白中的β2糖蛋白I、β3整合素，其氧化影響凝血與血栓的形成[10]。ROS還會促進脂質氧化。它會攻擊富含脂質的生物膜，引起膜上磷脂的過氧化，導致細胞凋亡，并形成正反饋，進一步產生自由基[8]。因此，ROS在很大程度上充當信號分子，調節多種信號通路，介導受調控的細胞死亡，如凋亡、程序性壞死、鐵死亡、自噬等。ROS是細胞凋亡最有力的刺激因子之一。例如，ROS通過氧化線粒體心磷脂，能促進細胞色素c（Cyt c）的釋放，誘導細胞凋亡[11]。總之，在冠狀動脈粥樣硬化性心臟病、心肌梗死和心律失常等疾病中，都有證據證明ROS與炎癥反應相協同，通過損傷心肌導致疾病的發生[9]。
Trx-1可以直接作用于被ROS破壞的重要生物分子，如還原蛋白質被氧化產生的二硫鍵，從而對氧化損傷起保護作用。還原態的Trx-1可以與過氧化物酶相互作用并還原過氧化物酶，而過氧化物酶則將H2O2轉化為水，發揮直接清除ROS 的作用[5,12]。ROS被清除后，其作為上游信號分子引發的反應自然會被清除，故而ROS介導的損傷相關信號通路都會被阻斷，使得Trx-1同時具有直接與間接的抗ROS損傷功能。Trx-1作為抗氧化劑，不僅可以還原蛋白質，還具有還原核糖核酸還原酶和蛋氨酸亞砜還原酶從而修復DNA的功能[2]。總之，Trx-1有優秀的抗ROS作用，能直接清除ROS或還原被ROS損傷的分子，阻斷其介導的損傷相關信號通路，發揮保護作用；見圖1。
圖1
Trx-1作用模式圖
Trx-1：硫氧還蛋白-1；ASK1：細胞凋亡信號激酶1；NF-κb：核因子κB；ROS：活性氧
1.3 硫氧還蛋白-1的抗炎抗凋亡作用
Trx-1除上述作用外，還可以直接作用于一些信號通路上的其他靶點，發揮抗炎抗凋亡等效應，減輕ROS造成的損傷。例如，細胞凋亡信號激酶1（ASK1）是一種絲裂原激活的蛋白激酶（MAPK），負責p38 MAPK通路的激活，導致細胞凋亡。Trx-1可以通過抑制ASK1來抑制細胞凋亡[13]，還原態Trx-1與ASK1的N端結合，抑制ASK1作為信號傳遞因子的功能，誘導ASK1降解[14]。而氧化態的Trx-1會與ASK1分離，導致下游ASK1信號激活、細胞色素c釋放和含有半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶caspase-3的激活，最終導致細胞凋亡的結果[8]。Trx的耗竭會誘導細胞自噬，引起嚴重的炎癥反應，導致心肌細胞損傷[15]，故需使其維持在一定水平。Trx-1也參與了線粒體相關通路的調節，在氧化應激中Trx-1上調自身，保護線粒體蛋白免受氧化以減少功能損傷，并且通過抑制線粒體通透性過渡孔的開放來維持線粒體功能，避免線粒體內容物如Cyt c等逸出[16]，發揮抗凋亡作用。
但也有研究認為，Trx-1可通過逆轉caspase的硝化來促進凋亡信號。還原的Trx-1可以降低caspase-6的活性來抑制凋亡，而氧化的Trx-1則具有相反的作用。為解釋這一現象，Benhar等[11]提出了“死亡閾值”模型，該模型認為，一方面，Trx-1清除氧化劑抗凋亡；另一方面，面對更高強度的應激，Trx-1促進凋亡反應，通過安全清除損傷細胞來維持生物穩態。因此我們認為，在閾下應激時，抗凋亡作用有利于器官正常功能的維持，對機體起保護作用，而面對閾上刺激，機體更加需要的是清除損傷細胞，故而此時發生的凋亡與自噬，同樣具有保護作用。不論哪種情況，Trx-1起到的都是保護作用，彼此并無矛盾；見圖1。
2 硫氧還蛋白-1與心臟抗氧化治療
實驗[5]證實，Trx-1在多種病理條件下都具有心臟保護作用。例如，高表達Trx的轉基因小鼠存活時間較長，對氧化應激有較強的抵抗力。在人心臟疾病中，也都觀察到患者Trx-1水平的升高，如心肌炎、心肌梗死、動脈粥樣硬化、心肌肥厚、缺血-再灌注損傷等[12]，這意味著在這些疾病中，Trx系統對心肌損傷做出了響應。由于在這些疾病中氧化應激均發揮了重要作用，故而Trx-1水平的升高可能是機體自身應激產生的保護機制。Trx也被實驗證明在人心臟中具有清除活性氧的保護作用，是治療相關疾病的潛在靶點[17-18]。
2.1 關于硫氧還蛋白-1心臟保護作用的研究進展
在基礎研究中，許多藥物被證實可以干預Trx-1的作用。用N-乙酰半胱氨酸（NAC，谷胱甘肽的前體）預處理心肌細胞系H9c2細胞后，還原形Trx-1的水平增加，可以抑制細胞凋亡，而氧化Trx-1的積累則可能促進凋亡信號通路[19]。用3.5%七氟醚預處理H9c2細胞可抑制TXNIP表達及其與Trx的結合，降低抑制Trx-1的力量以增強抗氧化防御作用，促進心肌細胞活力[20]。用右美托咪啶（Dex）處理離體心臟和H9c2心肌細胞后發現，本應因氧化應激降低的Trx-1水平維持正常，發揮了心臟保護作用，而用特異性Trx-1抑制藥PX-12處理后，Dex的抗氧化等功能消失[21]。異戊醇鈉與胰島素也被證實能提高Trx-1水平[22-23]，GLP類似物Exendin-4和刺芒柄花素均被證實可能通過抑制TXNIP發揮抗氧化作用[24-25]。用編碼Trx-1的腺病毒載體介導心肌內基因轉移也被證實能有效減少心肌氧化應激、心肌纖維化與凋亡[1]。一些預處理操作同樣被證實可以干預Trx-1水平，如遠端缺血預處理和運動預處理，均可增加Trx-1的表達或抑制TXNIP，減少梗死面積，降低心肌細胞凋亡和氧化應激水平[26]。盡管原理各有不同，但上述研究均提示，使用靶向Trx-1的藥物可能成為應對ROS損傷的心臟保護手段。
此外，直接補充Trx-1蛋白或許也是可行的干預方法。成年小鼠于再灌注前用人Trx處理后，DNA片段化程度降低，梗死面積減小。用免疫染色檢測整個心肌后，全身性給與的Trx-1被證明可以被心肌細胞攝取[27]。這說明Trx-1不僅能在細胞外環境如血漿，組織液中發揮抗氧化作用，也可能保護細胞內受ROS攻擊的結構，如維持細胞生命活動的關鍵酶類，是可干預、效果好的潛在心臟抗氧化損傷靶點。
臨床研究[28]中發現，維拉帕米可以通過降低TXNIP表達提高人Trx-1的作用。接受遠端缺血預處理的患者術前心臟組織樣本中Trx蛋白水平顯著上調，發揮了一定的心臟保護作用[29]。
總之，不論在基礎研究還是臨床研究中，都證實了Trx-1是預防心臟相關ROS損傷的潛在靶點，且具有切實可行的干預方法，具有實用價值。
2.2 爭議及待解決的問題
目前關于Trx的研究仍存在一些爭議，如關于TXNIP對Trx-1表達水平的作用，目前仍未達成共識。在全基因敲除小鼠、組織特異性TXNIP敲除小鼠模型和TXNIP缺陷小鼠模型實驗[30]中發現，雖然阻斷TXNIP可以減輕心肌梗死后心臟損傷和改善預后，但Trx活性沒有顯著變化。Trx-1的翻譯后修飾或其與其他蛋白質相互作用導致的改變可能會讓細胞和器官從生理狀態轉換為多種病理狀態[3]。
除上述爭議外，Trx-1的應用還有其固有的限制之處，如半衰期較短，價格昂貴，沒有公認恰當的干預手段，這些問題都有待解決。此外，Trx-1抗ROS的合適劑量，無論是在動物實驗還是在臨床試驗中，均沒有被確定。需指出的是，必要水平的ROS對生長因子介導的信號傳遞、蛋白質折疊和其他生理需要的二硫鍵形成以及正常的線粒體功能至關重要，缺乏必要的氧化劑可能導致還原性壓力，引起蛋白錯誤折疊，引發心肌疾病[31]。故抗氧化劑的水平并非越多越好，需審慎確定劑量以維持其平衡。
3 小結
Trx-1近年來受到越來越多的關注，針對Trx-1的不同干預手段及其多樣的保護作用也在不斷被發現。雖然目前還處于探索階段，但隨著研究的深入，Trx-1的心臟抗ROS損傷潛力將不斷被發掘，有廣闊的應用前景。
利益沖突：無。
作者貢獻：孫伊人構思框架，閱讀文獻，撰寫文章；楊子琪整理文獻，參與框架構建，文稿修改；王欣然查閱文獻，參與文稿寫作；錢永軍指導項目，文章構思，審閱修改文章。
