氧自由基與胃黏膜的傷害

         氧自由基與胃黏膜的傷害

胡美華．陳盛煊 譯  

前言：

    在嗜氧生物身上，可自然產生氧自由基，亦可在以下各種病理狀態下產生，例如：嗜中性球活化、氧過多、放射線照射、缺氧-再灌流等而造成傷害（1）。氧自由基包括超氧自由基、過氧化氫和氫氧自由基等。其中氫氧自由基最具有反應力與破壞力。在細胞內超氧歧化酶（SOD），觸酶（catalase），與麩胱甘月太    過氧物酶（glutatione peroxidase）可保護細胞免受氧自由基的傷害,然而這些酶   在細胞外液內一般並未達到明顯有用的劑量。          

    Granger 與McCord 首先提出在缺氧-再灌流模式中氧衍生自由基之產生機轉（2, 3）。根據他們的假設，在缺氧的過程中腺苷三磷酸酶(adenosine triphosphate)分解代謝成次黃嘌呤（hypoxanthine）與黃嘌呤（xanthine）等中間產物，同時黃嘌呤去氫酶（xanthine dehydrogenase）轉變為黃嘌呤氧化酶（xanthine oxidase）。當組織再灌流時，氧分子重新加入，並在xanthine oxidase存在下與累積的hypoxanthine 或 xanthine作用而產生超氧自由基（O₂^-）,過氧化氫（H₂O₂）與尿酸。在此步驟中SOD與catalase可阻斷氧自由基的產生。其中SOD使氧自由基變成過氧化氫，而calatase使過氧化氫轉化成沒有毒性的水（2,3）。

   這兩種氧自由基在金屬離子，例如鐵存在時，進一步反應產生氫氧自由基或更高的鐵氧化狀態。經由細胞膜脂質過氧化作用，具有高度反應性與細胞毒殺性之氧自由基將造成組織的傷害（4），而其主要的機轉是經由氧自由基對細胞間質內玻璃醣炭基酸（hyaluronic acid）和膠質（collagen）之破壞而來。

氧自由基作用的標的分子

細胞膜脂質的過氧化反應源自氧自由基具有改變任何高反應性的化學物質之特性，它可從不飽和脂肪酸的甲基碳中抽取其氫原子。例如氫氧自由基(‧OH)與氧鐵複合物可在缺血-再灌流情況下產生。在與氧分子反應產生過氧自由基（LOO.）之前，以碳為中心的自由基（L.）分子會先發生重組（參見附圖）。這些自由基繼而互相結合釋放出單氧（singlet oxygen）來攻擊細胞膜上的蛋白質，或從其附近脂肪酸之邊鏈上獲取氫離子，進而延長過氧化脂質的連鎖反應。所以單一事件亦會啟動眾多脂肪酸之邊鏈，進而產生過氧化氫脂質（lipid hydroperoxide）。細胞膜內的抗氧化物質，則可藉由掠取過氧自由基中的氫離子來打斷此連鎖反應。人體細胞膜內可打斷自由基連鎖反應最重要的抗氧化物質是維生素E（5）。

 過氧化氫脂質（lipid hydroperoxide）被認為可造成大部份氧衍生自由基引發之細胞膜傷害。脂質過氧化可破壞細胞膜的完整功能與生物流體性，而使細胞膜上的受體和酶去活化，進而Ca²⁺離子等的通透性產生非特異性變化。維生素E可與脂質過氧化自由基作用，而終止以自由基為媒介所產生的連鎖反應。維生素E在血漿與胃黏膜中為防止組織受自由基之傷害而消耗掉。在胃黏膜受傷害時可見有維生素E之減少，表示氧自由基的傷害可能是胃黏膜受傷的主要原因之一。

胃黏膜中氧自由基的來源

胃腔內自然或病理環境下產生的氧自由基，都會使胃黏膜上皮曝露於其傷害中。胃上皮細胞可提供胃腔內氧化物的第一線防衛系統。正常情況下雖然連續曝露於氧化物中，健康的胃表皮也不會受影響。由此可知，胃黏膜本身可能有對抗氧化作用之功能。的確，胃壁比其他器官如腎臟、心臟或肺臟具有更高濃度的抗氧化物glutathione（6）。

胃腔內氧化物可能來自於下列:包括攝取的食物、缺catalase觸酶的細菌(可產生過氧化氫)、唾液、黏膜細胞脫落物(具有xanthine oxidase)或香煙與焦油(含多量之氧自由基與過氧化氫)。抽一根煙就可吸入10¹⁵個自由基（吸入焦油會產生10¹⁴個自由基）。抽煙會阻礙組織胺H₂接受器拮抗劑的作用，而增加消化性潰瘍的復發率（8）。臨床研究指出氧自由基可能參與壓力引起之急性胃黏膜病變的發生，並且減低胃潰瘍的癒合度。

鐵

當病人吞食鐵劑時，經由人類胃中的維他命C的作用，會產生鐵之還原而使胃黏膜產生傷害（7）。鐵以低分子量螯合物儲存於細胞內或與血色素結合，或以非游離鐵蛋白等狀態存在，主要以三價鐵離子(Fe³⁺)的狀態出現。當鐵離子與過氧化氫接觸，細胞內三價鐵離子將很快地還原成二價鐵離子而產生更多的活性物種，例如產生大量的氫氧自由基而對細胞產生傷害。在體外，將Phenan-throline與Desferrioxamine（鐵離子螯合物）加入蛙胃黏膜之培養皿中，可防止氧自由基引起的細胞傷害。Phenan-throline可直接螯合二價鐵離子，而Desferioxamine可在三價鐵離子轉變成二價鐵離子之前被螯合掉。研究亦發現細胞外鐵離子的角色;若將可與細胞外鐵離子結合且可抑制氫氧自由基產生的apotrans-ferrin加入蛙胃黏膜培養皿緩衝液中，並無法防止xanthine oxidase引起的胃黏膜傷害。由此可見，除非在細胞內之鐵可與之作用產生較具殺傷力的氫氧自由基，否則過氧化氫本身對胃細胞的傷害不大。

麩胱甘月太 還原環（Glutathione redox cycle）

減少細胞內過氧化氫的毒性作用可由內生性catalase 或glutathione（GSH）還原環而得。glutathione還原環可在以下三種獨立點被藥物破壞：

（1）      BCNU(1,3-bis-chloroethyl-1-nitro-sourea)抑制GSH還原酶 的活性。

（2）      BSO(buthionine sulfoximine)經由抑制γ-glutamylcysteine synthetase而減少GSH的生物合成。

（3） DEM(diethyl maleate)在細胞內可與GSH結合而形成硫醚（thioether）並分解之 (10,11) 。

因此，打斷GSH還原環會使細胞對細胞外過氧化氫之傷害減少抵抗力。然而相反地，當胃黏膜細胞的內生性catalase活性被aminotriazole抑制時(87﹪抑制)，胃黏膜細胞並不會增加對過氧化氫的敏感性。這些數據是根據研究aminotriazole對內皮細胞95% catalase活性的抑制並不會增強這些細胞對過氧化氫敏感性而來（12）。因此，細胞內的GSH還原環似乎在氧自由基對胃黏膜的傷害上扮演更重要的保護角色。

胃黏液

   一層可再生的膠狀黏液覆蓋在胃腸道的上皮表面。在人類，此黏液有190μm，老鼠則有72μm的平均厚度。高分子醣蛋白（glycoproteins）為黏液的黏性與附合性等膠質特性之主要形成成份。在胃與十二指腸內，黏液保護胃表皮細胞免於胃酸及胃蛋白酶的侵蝕。黏液亦保護整個腸胃道黏膜以下之組織不受消化性、機械性或是致病性微生物的傷害。

   在體外，胃黏液具有有效清除氧自由基毒性的作用（13）。最近的一項報告明白地指出，在胃黏液細胞內堆積的黏液，對細胞外之活性氧具有部份但明顯的保護作用。關於此論點的一個解釋 ;可能在於某些醣類如葡萄糖及甘露醇（manitol）是氫氧自由基的強力清除者。而黏液內含有非常高濃度的醣類 (N-acetyl-glucosamine , galatose, fucose)。例如，葡萄糖在僅僅0.8mg/ml的濃度下就具有強力清除氫氧自由基的作用。黏液分泌物內含有非常高濃度的醣(黏膜表面之胃黏液含有將近40mg/ml)，將更具有清除氫氧自由基的能力。

    在氧自由基大量產生而分解黏液層或破壞黏液合成因子之情況同時存在時，將對胃黏膜產生很大的傷害力。從胃潰瘍病人身上切除下來的胃前庭黏膜上，可見其上較缺乏黏液 , 而低分子量且膠質產生性缺乏之醣蛋白量反而增加。

一氧化氮（NO）

眾所皆知一氧化氮參與了各種組織中的許多生理機能。它可調節粒性環酶（granulate cyclase）之活性，藉以影響c-GMP的功能。最近的研究指出;一氧化氮在休息和受到刺激的情況下可調節胃黏膜的微循環，並且與前列腺素和感覺性神經月生  月太 交互作用以維持胃黏膜的完整性。（14）一氧化氮在調整及保護胃黏膜血流上被認為是重要的角色。其他和一氧化氮有關的防衛性機轉，包括：刺激上皮細胞分泌黏液、抑制血小板的聚集與黏合、抑制嗜中性白血球黏於內皮細胞上及進入血管中清除超氧自由基等，以減少胃黏膜之傷害。然而胃十二指腸黏膜防衛因子之一的bicarbonate可由抑制一氧化氮的合成而增加，這與一氧化氮的保護角色是抵觸的。同時，氧自由基與一氧化氮也可很快地結合而轉變為更具有殺傷力與反應力的過氧化氮（peroxynitrite）（15）。

幽門螺旋桿菌

幽門螺旋桿菌(Helico-bactor pylori)和胃炎及胃潰瘍等胃疾病有關。最近已對幽門螺旋桿菌陽性的病患施予抗生素治療。幽門螺旋桿菌對胃腸疾病有關的病理機轉尚未完全瞭解。許多研究指出幽門螺旋桿菌本身具有對嗜中性球的趨化性（16，17）。這些嗜中性球活化時向細胞外放出對胃黏膜有傷害性的氧自由基。在體外實驗中，這些氧自由基可對培養中的胃黏膜細胞產生傷害。而且，由幽門螺旋桿菌內尿素酶產生的氨（ammonia）會加強胃黏膜之傷害，而此傷害可為monochloramine所調節（18）。所以幽門螺旋桿菌可能會產生分解黏液與傷害上皮細胞的物質以減少胃黏液對酸傷害的保護性（19）。如果可投予抑制嗜中性白血球活性、氨產生或是氧自由基產生之物質，將對幽門螺旋桿菌引起胃黏膜的傷害具有有效的治療作用。雖然幽門螺旋桿菌本身或幽門螺旋桿菌產生的發炎介質不能穿透完整的細胞膜，但是可以藉由精神壓力或高濃度胃酸破壞胃屏障，而進入黏膜間質與微血管靜脈。後者之立論可由動物實驗得到支持;只有在胃黏膜屏障受破壞的胃，於投入幽門螺旋桿菌後可產生胃炎（20）。

摘要

氧自由基引發的胃黏膜傷害及胃的抗氧化保護機能和以下的數點有關：

1．      產生氧自由基或過氧化氫的xanthine或xanthine oxidase所造成的傷害，可藉由像allopurinal或oxypuri-nol等xanthine oxidase之抑制物來防止。

2．    因/xanthine/xanthine oxidase與因過氧化氫產生的傷害（glucose oxydase/β-D(+)glucose）可由細胞外catalase而非由 SOD 來抑制。

3.  細胞外鐵離子與apotransferrin之結合可抑制細胞外氫氧自由基之產生，但並不會防止xanthine oxidase所引起的傷害。由此可見，細胞外的鐵或氫氧自由基並不會引發傷害。

4. 由於過氧化氫具有電子中和性，很容易穿透細胞膜而造成傷害。過氧化氫進入細胞後主要被GSH還原環或堆積於細胞內的黏液來清除。

5. 曝露於多餘的過氧化氫中時，細胞將無法去毒而產生傷害。此機轉主要為儲存於細胞內的三價左旋鐵（L-Fe³⁺）轉變為二價左旋鐵（L-Fe²⁺）而與過氧化氫作用形成更具活性的過氧複合物（此可產生氫氧自由基或更高活性的鐵氧化狀態）。

6. Desferrioxamine與phenanthroline藉由螯合儲存的三價鐵或還原二價鐵來保護細胞，此並不影響內因性抗氧化防禦系統。

7. 細胞內（並非細胞外）氧自由基似乎參與了過氧化氫的傷害作用。此外，胃黏液與一氧化氮具有有效的胃保護作用。而幽門螺旋桿菌引發的胃傷害可能亦包括氧自由基的作用。

結論

        氧自由基能對一些分子如脂肪、核酸、酵素及蛋白質造成生物性傷害。在體外，人類或其他哺乳動物的細胞可被少量細胞外的氧自由基所 傷害或毀滅。在細胞膜上的親脂性不飽和脂肪酸特別容易和氧自由基起反應而產生 脂質過氧化物。了解胃黏膜在高濃度氧自由基存在下如何保持胃黏膜完整是很重要 的發現。

從胃黏膜內各種細胞分泌出來的各色各樣的氧自由基，參與了胃黏膜傷害的致病機轉。由內皮細胞、血小板、巨嗜細胞與平滑肌細胞所釋放出來的自由基，可對缺氧-再灌流模式所造成的組織傷害提供解釋。瞭解氧自由基的來源，傷害的機轉，以及抗氧化防禦機轉，將可對氧自由基引發之胃疾病提供了未來新的治療方向。

謝誌

本文翻譯自一九九八年八月號之medical progress雜誌，承蒙原作者．韓國Yonsei大學藥學系之Kyung Hwan Kim教授之同意，特此致謝。

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