第二章 文獻探討
第三節 心血管疾病與氧化壓力
我們所熟知疾病中，動脈硬化、冠狀動脈疾病、中風、心肌梗塞、阿滋海默 症、帕金森氏症與癌症皆因氧化壓力和毒素所造成的細胞損傷所導致。這些疾病 中，過多的氧化壓力和慢性發炎反應二者是病理學上的兩大特徵，特別是心血管 疾病和第二型糖尿病皆與活性氧產量增加和抗氧化系統受損有密切的關係
（Kojda & Harrison, 1999）。
氧是細胞生存必需的分子，在正常的細胞新陳代謝時，常因氧的消耗或利用
而伴隨多種不同的活性氧（ROS）生成，這些含氧的自由基包含過氧化物或超氧 化物的分子，例如超氧陰離子（superoxide；O2˙－）、過氧化氫（hydrogen peroxide；
H2O2）和羥基自由基（hydroxyl radicals；OH˙－）等，這些帶有不穩定電子含氧 自由基，是導致心血管疾病包括高血壓、動脈硬化、心肌肥大、心臟衰竭和糖尿 病的發病機制。過多活性氧的產生，超過了抗氧化系統的生成，即對細胞產生了 氧化壓力（Yung, Leung, Yao, Chen, & Huang, 2006）。
一、氧化壓力
氧化壓力（oxidative stress）一詞被廣泛用於自由基相關文獻中，但從未被 真正定義。本質上，它是指活性氧 (reactive oxygen species, ROS）/活性氮（reactive nitrogen species, RNS）的產生和抗氧化物防禦系統之間嚴重的不平衡狀態。直到 Sies（1985）在他所編寫的書名當中使用「氧化壓力」一詞，並於第二版（Sies, 1991）
當中則明確定義為「一種破壞氧化物與抗氧化物之間的平衡狀態，且使它傾向於 氧化物而導致的潛在傷害」稱之氧化壓力。
氧化壓力的發生，來自於：（一）抗氧化物減少，如突變影響抗氧化酶 -Cu/ZnSOD（銅/鋅超氧化物岐化酶）、MnSOD（錳超氧化物岐化酶）或穀胱甘 肽過氧化酶（glutathioe peroxidase）；抗氧化物的損耗-低濃度的穀胱甘肽
（glutathione）、過量鐵離子。（二）ROS/RNS含量增加，如暴露於高氧、代謝 的毒素所產生ROS/RNS與ROS/RNS系統的過度活化（慢性發炎疾病中的吞噬 細胞被活化，如潰瘍性結腸炎與類風濕性關節炎）（Halliwell & Gutteridge, 1999）。
氧化壓力造成的後果是：（一）適應（adaptation）：細胞通常可以忍受輕度 的氧化壓力，導致抗氧化防禦系統合成的上調節（up-regulation），企圖來維持氧 化和抗氧化系統之間的平衡。例如，缺血預處理（ischaemic preconditioning），在 短期缺血狀態實驗豬的心臟中發現，缺血導致心臟收縮功能被抑制，並且有更多 的抗氧化物供來提供保護（Sun et al., 1996）。接著經過反覆短暫的缺血後，會導 致心臟快速回復其收縮功能，然而經抗氧化物治療的動物發現這樣適應被阻斷。
因此，缺血再灌注（ischaemia-reperfusion）所產生的ROS傷害，會導致心臟抑
制收縮功能，因而啟動保護機制的適應作用來抗衡。（二）細胞傷害（cellular
injury）：指受到物理或化學的刺激，使得細胞恆定造成暫時或永久性的改變
（Nicotera & Orrenius, 1994)。此傷害反應可能是可逆的，細胞進入一個短暫或延 長改變的穩定狀態，它並不會造成細胞死亡，但會造成細胞分子傷害，包括
DNA、蛋白質和脂質過氧化。（三）細胞死亡（cellular death）：細胞死亡必須經
過兩個機制-壞死（necrosis）和凋亡（apoptosis)，而壞死和凋亡皆來自於氧化壓 力所造成（Halliwell & Gutteridge, 1999）。
二、血管中ROS的來源與影響
血管硬化生成過程（atherogenesis）中，ROS來源與許多酵素系統及粒線體
有關（Harrison, Griendling, Landmesser, Hornig, & Drexler, 2003; Madamanchi, Vendrov, & Runge, 2005; Stocker, & Keaney, 2005 )，簡要說明如下：
（一）菸鹼醯胺嘌呤雙核苷磷酸氧化酶（NAD(P)H oxidase）：
NAD(P)H oxidase在血管細胞是很重要的超氧陰離子自由基（O2˙－）的來源
之一，它位於細胞膜上，過程是氧分子經由活化的NAD(P)H oxidase作用而產生 超氧陰離子（O2˙－）。NAD(P)H oxidase受到血管硬化過程中病理的刺激而產生 ROS，因而增加氧化壓力。
（二）黃嘌呤氧化酶（xanthion oxidase; XO）：
在病理情況下，XO是另一個主要氧化壓力的來源，它存在於血漿和內皮細 胞中，經由催化次黃嘌呤、黃嘌呤至尿酸過程產生O2˙－。
（三）脂氧酶（lipoxygenases; LO）：
Lipoxygenase是一群非血紅素鐵之二氧化酶（dioxygenases），它會催化氧 氣分子插入多元不飽和脂肪酸專一性的立體空間，產生具有生物活性脂類，包括 前列腺素（prostaglandins）、血栓素（thromboxanes）和白三烯（leukotrienes），
其有助於發炎反應與增加血管通透性。
（四）髓過氧化酶（myeloperoxidase; MLO）：
髓過氧化酶是由吞噬細胞所分泌的基質蛋白（heme protein），其藉由
Myeloperoxidase- H2O2 -Cl系統中產生次氯酸（HOCl），HOCl再與O2˙－產生羥 基自由基（OH˙－）。
（五）粒線體的ROS：
粒線體提供能量（ATP）經由氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）及電 子傳遞鏈至細胞利用，98%的電子是偶合（coupled）並產生ATP，剩下的1-2%
的電子遺漏掉而形成O2˙－。正常下，O2˙－會被SOD所清除，但是病理情況下，
電子傳遞鏈呈現不偶合情況，因而產生過多的O2˙－。
（六）一氧化氮合成酶未偶合作用（uncoupling of nitric oxide synthases） : 特別是指內皮細胞的NOS（eNOS）是病理情況下O2˙－的來源。如果精胺 酸或BH4減少時，eNOS則從偶合態（產生NO）變成非偶合態（產生O2˙－），
如此增加的O2˙－會改變NO參與的內皮依賴性血管舒張作用，進一步形成亞硝酸 鹽的氧化作用，促使BH4的氧化。
Cai 與Harrison（2000）指出多數的實驗動物研究顯示動脈硬化增加ROS
的地方，不僅是在血管內皮細胞，也在血管平滑肌細胞與外膜細胞（adventitial cells）。因此，高膽固醇、糖尿病、高血壓、吸煙、老化和硝酸鹽不耐症（nitrate
intolerance）都是增加ROS的因素，皆發生在動脈硬化生成的起始過程。ROS
在動脈硬化中影響黏著分子的表現、血管平滑肌增生與移行的刺激、內皮細胞的 凋亡、脂質的氧化、基質金屬蛋白酶活化和降低血管舒張活性。
因此，氧化壓力所牽涉的發病機制和動脈硬化的進展已是肯定的，也有研 究指出冠狀動脈硬化患者的冠狀動脈及斑塊中，發現與氧化壓力增加的相關證據
（Azumi et al., 2002）。此外，在動脈分支點，遭受動脈壁湍流而擾亂管壁穩態 層，因而增加該地ROS的產生並促進斑塊的形成。由此顯示，高濃度的活性氧 造成血管氧化壓力在動脈硬化發病機制扮演一個重要的角色（Leopold &
Loscalzo, 2008）。
三、氧化壓力的生化指標
生物體內自由基、過氧化物通常很不穩定，其半衰期又短，偵測設備昂貴
較不具臨床價值。ROS會參與體內生化反應，例如：使細胞膜磷脂質雙層結構改 變產生醛類化合物、使蛋白質產生羰基化合物，而 NO產生硝基化物等；一般這 些生化反應產物較為穩定，濃度含量較高，檢測方法簡單又 便宜，故常被用來作 為判斷的指標（Dalle-Donne, Rossi, Colombo, Giustarini, & Milzani, 2006）。
現在常被用來研究氧化壓力的脂質過氧化之生化指標有：丙二醛（MDA）、
Isoprostanes 、硫巴比妥酸反應物質（thiobarbituric acid-reactive substance，
TBARS）。以下就此三個指標概述之：
（一）丙二醛（MDA）：
MDA是活性氧破壞細胞膜磷脂質雙層，引發脂質過氧化作用的醛 類產物，
被視為人體重要之氧化傷害指標，也是體內含量最多之過氧化脂質。它具相當活 性會和體內之脂質、蛋白質、核酸等分子行交錯連結反應。MDA可以和蛋白質 中的自由胺基結合-通常是離胺酸（lysine, Lys）的胺基，形成MDA修飾之蛋白質 加成物，如dihydropyridine-lysine（二氫吡啶-離胺酸; DHP-Lysine），它會改變 了生化特性，如增進細胞的增生能 力，並且促進細胞的凋亡作用及免疫反應的特 性，或引起自體免疫抗體的產生（Rittie, Monboisse, Gorisse, & Gillery, 2002）。
被 MDA化的LDL和ox-LDL一樣具有促發炎的特性，可以促成泡沫細胞生成。有 研究證明MDA可以用來預測動脈硬化或心肌梗塞的進展；而糖尿病人血漿中的
MDA也有增加的現象，被認為和 糖尿病人的斑塊生成有關 （Dalle-Donne, Rossi,
Colombo, Giustarini, & Milzani, 2006）。
圖2-4 丙二醛與二氫吡啶-離胺酸的化學結構 Malondialdehyde
丙二醛
DHP-Lysine 二氫吡啶-離胺酸
（二）Isoprostanes
Isoprostanes家族中，以F2-Isoprostanes（F2-IsoPs）被研究最多。F2-IsoPs為F 型 prostane環構造，生物體內可產生64個似前列腺素F2α化合物，主要由非酶自 由基催化酯化的花生四烯酸的脂質過氧化作用。經由磷脂 酶裂解和釋放進入循環 後，迅速代謝並從尿中排泄。F2-IsoPs因為化學性質穩定，測量最準確，若以尿 液為檢體，具有非侵入性、方便取得的優點。除了血漿、尿液之外，包含各種體 液（滑液、支氣管液、膽汁、淋巴結、透析液、羊水，心包液和精液）皆可檢測 分析。F2- IsoPs，其中包括8- Iso -PGF2α，以2種形式存在人體血漿中：酯化脂質 和游離酸，而酯化形式是最多的，但只有水解的Isoprostanes才進入尿液排出體 外。Isoprostanes可以做為許多疾病狀態的功能性指標：F2- IsoPs在心血管疾病患 者的血漿濃度增加，如腎、腦和心肌缺血再灌注損傷、不穩定型心絞痛、心臟衰 竭、冠心病、急性缺血性中風、高膽固醇血症和動脈硬化（Montuschi, Barnes, &
Roberts, 2004; Basu, 2004）。近來，以氣相層析質譜儀（GC-MS/MS）測定尿中
8- Iso-PGF2α，對冠心病而言，它已被認為是一種新型、具敏感性、獨立的預測
指標（Basu, 2004）。
圖2-5 8-iso Prostaglandin F2的化學結構
（三）硫巴比妥酸反應物質（thiobarbituric acid-reactive substances, TBARS）
TBARS是最常用來偵測脂質過氧化的方法，它可與 MDA形成穩定的發色
物（chromogen），利用 TBA（thiobarbituric acid）之呈色法（測定530-540 nm 之 吸光值）來測定脂質過氧化物-丙二醛（MDA）。不過， TBA會與 MDA之外
的醛基產物發生反應，因此 TBARS的脂質過氧化的專一性不如 MDA
（Dalle-Donne, Rossi, Colombo, Giustarini, & Milzani, 2006），但也因此正好可以 偵測脂質以外的過氧化反應。
圖2-6 TBARS的化學結構反應式
第四節 心血管危險因子、氧化壓力與輪班工作
輪班型態造成心血管疾病的生物機制至今仍未明確，而誘發與促進細胞損傷 的結果相關機制已有所知，那就是氧化壓力（oxidative stress）所引起的致病機 轉（Sharifian, Farahani, Pasalar, Gharavi, & Aminian, 2005）。我們根據前面文獻 敘述CRP是一個系統性的發炎指標，許多研究也指出hsCRP與心血管疾病危險有 直接關聯（Ridker, 2004; Ridker, Hennekens, Burin, & Rifai , 2000），它也是一個 強大的心血管危險因子之預測指標。累積的證據顯示動脈硬化生成包含了血管壁 的發炎反應和氧化壓力引發的因素（Ross, 1999; Libby, 2002; Harrison, 2003）。
以下針對蒐集的文獻，以輪班工作者和健康者為對象，分析發炎反應與氧化 壓力之間的關係：
Dohi, Takase, Sato, 與Ueda（2007）針對 日本某地區551位的健康者為對象，
分析發炎指標（hsCRP）、氧化壓力指標（8-isoprostane）與傳統心血管危險因 子間的相關分析，發現發炎指標（hsCRP）和傳統心血管危險因子（BMI、HDL、
UA）以及氧化壓力指標（8-isoprostane）有顯著相關。另一研究由Liu, Yang, Huang,
Tan, 與Liu（2011）探討中國健康老人氧化壓力指標（總抗氧化能力、SOD活性、
XO活性及H2O2）和發炎指標（CRP 、IL- 6）之間的關係，發現CRP和IL-6檢測