氧化应激驱动动脉粥样硬化全病程：从低密度脂蛋白氧化与泡沫细胞形成到斑块不稳定及靶向治疗转化挑战

《Frontiers in Physiology》：Oxidative stress and atherosclerosis: from LDL oxidation and foam cell formation to plaque instability – three decades of evidence and remaining therapeutic challenges

　　

动脉粥样硬化仍是全球心血管疾病发病率和死亡率的主要原因。过去三十年中，大量证据已确立氧化应激是动脉粥样硬化发生中的核心致病机制，驱动低密度脂蛋白（LDL）氧化、泡沫细胞形成、血管炎症并最终导致斑块不稳定。本综述综合了当前关于活性氧（ROS）和氧化应激在动脉粥样硬化进展中多方面作用的认识。研究人员检查了LDL氧化及其随后被巨噬细胞清道夫受体摄取的分子机制，进而导致泡沫细胞形成。研究批判性分析了氧化应激通过基质金属蛋白酶（MMPs）激活、新生血管形成和坏死核心扩大对斑块易损性的贡献。此外，研究人员讨论了将上述认识转化为治疗策略的过程，包括抗氧化维生素试验的令人失望结果，以及线粒体特异性抗氧化剂和NADPH氧化酶（NOX）抑制剂等新型靶向策略的出现。尽管在理解病理生理学方面取得了显著进展，但针对氧化应激的有效抗动脉粥样硬化治疗仍难以实现。本综述识别了知识中的持续空白，并概述了研究和治疗开发的未来方向。氧化应激、炎症和脂质代谢之间复杂的相互作用继续为心血管医学带来挑战和机遇。

1 Introduction：心血管疾病（CVDs）仍是全球首位死因，动脉粥样硬化是脂质驱动的慢性炎症性疾病；即使采用强化他汀、PCSK9抑制剂、抗血小板和靶向抗炎治疗，残余心血管风险仍高。过去三十年，活性氧（ROS）由有害副产物转变为调控血管功能和病理的信号分子；LDL氧化假说扩展至从内皮功能障碍到斑块破裂的全过程。多种酶源包括NADPH氧化酶（NOX）、黄嘌呤氧化酶（XO）、线粒体电子传递链和髓过氧化物酶（MPO）。抗氧化维生素试验失败促使重新评估抗氧化策略。本文旨在综合三十年证据并更新概念框架，强调内皮功能障碍为启动界面、氧固醇和氧化磷脂的生物活性、泡沫细胞形成及ROS介导NLRP3炎症小体激活驱动斑块不稳定，并评估靶向治疗与转化差距。

1.1 Literature search strategy and methodology：检索PubMed/MEDLINE、Scopus、Web of Science和Google Scholar，覆盖1995年1月至2026年初英文同行评议原创研究、高影响力临床试验和里程碑综述；采用MeSH词和文本词组合，围绕氧化应激/ROS、动脉粥样硬化/内皮功能障碍、LDL氧化/氧固醇/泡沫细胞、NLRP3炎症小体/血管炎症、抗氧化剂/NOX抑制剂/线粒体靶向抗氧化剂。纳入基于科学性、机制深度及与内皮氧化还原-炎症轴相关性。综述新颖性在于超越将氧化应激视为脂质过氧化被动标志物的经典观点，构建整合框架，突出内皮功能障碍为启动性氧化还原界面，阐明氧固醇的细胞毒和受体介导效应，描绘细胞ROS来源的阶段特异性贡献，并批判性评估靶向氧化还原治疗从临床前机制合理性到临床疗效之间的差距。

2 Redox pathomechanisms and oxidative stress in atherosclerosis
2.1 Sources of reactive oxygen species in the vascular wall：血管壁ROS由多种酶和非酶途径产生；明确来源对靶向治疗至关重要。NOX、XO、解偶联内皮型一氧化氮合酶（eNOS）和MPO是血管细胞ROS与活性氮（RNS）的主要酶源。NOX家族有7个亚型（NOX1–5、DUOX1、DUOX2），以Nox1、Nox2、Nox4和Nox5为主。Nox2在内皮细胞表达并促进血管超氧生成，Nox2缺陷减轻实验性动脉粥样硬化。Nox1在血管平滑肌细胞（VSMCs）高表达，血管紧张素II激活Nox1-ROS促进增殖、迁移和炎症基因表达。Nox4作用复杂，组成性产ROS也可能经H₂O₂信号发挥保护作用。Nox5为钙依赖亚型，在人动脉粥样硬化斑块中诱导并参与内皮功能障碍和血管炎症。NOX来源超氧与一氧化氮（NO）快速反应生成过氧亚硝酸盐，损害NO生物利用度并使内皮转向促炎促凝表型；NOX-ROS与线粒体功能障碍共同触发NF-κB通路的NLRP3炎症小体启动和激活，释放IL-1β和IL-18，形成内皮损伤、炎症细胞募集和早期动脉粥样硬化的自维持环路。

2.1.2 Mitochondria：线粒体功能障碍研究始于20世纪50年代末至60年代；近十年高分辨多组学和遗传模型确认线粒体ROS（mtROS）释放和线粒体自噬缺陷是内皮衰老和NLRP3炎症小体激活的关键触发因素，器官靶向抗氧化剂成为精准心血管治疗前沿。呼吸链复合物I和III是超氧生成主要位点；mtROS参与内皮功能障碍、炎症和斑块进展。巨噬细胞来源mtROS通过STAT5信号驱动泡沫细胞形成，促进代谢重编程和STAT5靶基因染色质可及性增强。

2.1.3 Xanthine oxidase and myeloperoxidase：XO催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化为尿酸，副产超氧和H₂O₂；心血管病患者XO活性升高，别嘌醇或非布司他可改善内皮功能，但对心血管结局影响仍有争议。MPO在中性粒细胞和巨噬细胞丰富表达，由H₂O₂和氯离子生成次氯酸（HOCl）；MPO氧化剂修饰LDL、消耗NO并激活金属蛋白酶，人斑块中富集，血浆MPO升高独立预测心血管风险。

2.1.4 Uncoupled nitric oxide synthase：eNOS正常生成NO维持血管稳态；当四氢生物蝶呤（BH₄）或L-精氨酸不足时解偶联，生成超氧而非NO。eNOS解偶联见于动脉粥样硬化、高血压和糖尿病；氧化应激氧化BH₄促进解偶联，形成加重内皮功能障碍的恶性循环。

2.2 Antioxidant defense systems：血管壁有酶和非酶抗氧化防御。超氧化物歧化酶（SOD）催化超氧歧化为H₂O₂，包括胞质Cu/Zn-SOD（SOD1）、线粒体Mn-SOD（SOD2）和胞外Cu/Zn-SOD（SOD3）；SOD3保护细胞外空间。谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物还原酶/硫氧还蛋白（Prx/Trx）系统协同中和ROS。GPx1以还原型谷胱甘肽为辅因子；硒影响抗氧化能力。硫氧还蛋白和过氧化物还原酶系统还原蛋白硫醇和H₂O₂；硫氧还蛋白相互作用蛋白（Txnip）负调控硫氧还蛋白并参与血管炎症和动脉粥样硬化。

3 LDL oxidation and atherogenicity
3.1 Mechanisms of LDL oxidation：LDL氧化是动脉粥样硬化早期关键事件。天然LDL含易氧化多不饱和脂肪酸（PUFAs）于磷脂和胆固醇酯中；氧化经自由基和酶促途径。自由基链式反应由ROS夺取PUFA氢原子生成脂质自由基，与氧形成脂质过氧自由基并传播，脂质氢过氧化物分解为丙二醛（MDA）和4-羟基壬烯醛（HNE）等活性醛。酶促氧化在体内同等或更重要：12/15-脂氧合酶（12/15-LOX）直接氧化LDL脂质；MPO生成反应性物种修饰LDL脂质和蛋白；活化巨噬细胞分泌鞘磷脂酶水解LDL鞘磷脂，促进聚集和氧化。

3.2 Structure and composition of oxidized LDL：氧化低密度脂蛋白（oxLDL）是异质性颗粒群。微修饰LDL（mmLDL）为早期产物，保留apoB-100被LDL受体识别但获得促炎特性；进一步氧化使apoB-100赖氨酸残基被活性醛修饰，阻止LDL受体识别并允许清道夫受体摄取。oxLDL含氧化磷脂（oxPLs）和氧固醇。氧固醇如7-酮胆固醇、7β-羟基胆固醇和27-羟基胆固醇是独特生物活性物种，具细胞毒、促炎和受体介导效应；7-酮胆固醇细胞毒性显著，触发细胞内ROS、细胞器功能障碍和巨噬细胞凋亡。氧固醇还通过PKCδ、ERK1/2和PPARγ依赖信号上调单核/巨噬细胞CD36，加速oxLDL内化和泡沫细胞形成。

3.3 Biological activities of oxidized LDL：oxLDL对内皮细胞诱导VCAM-1、ICAM-1和E-selectin表达，促进单核细胞黏附穿移；增加通透性并诱导凋亡，损害内皮屏障。巨噬细胞中oxLDL经TLR4和TLR2激活NF-κB和MAPK产生细胞因子；LOX-1结合oxLDL介导内化、促炎信号和ROS生成。oxLDL趋化单核细胞和T细胞，抑制巨噬细胞迁移，并促血栓包括组织因子表达、血小板活化和纤溶受损。

4 Foam cell formation
4.1 Macrophage cholesterol uptake via scavenger receptors：泡沫细胞是早期病变标志，源于巨噬细胞摄取修饰脂蛋白。天然LDL因细胞内胆固醇下调LDL受体而不易被巨噬细胞内化；oxLDL被不受胆固醇调控的清道夫受体（SRs）识别，导致失控摄取和胆固醇蓄积。SRs分A–J十类。oxLDL内化主要由SR-A1（MSR1/CD204）、CD36（SR-B2）和LOX-1（OLR1/SR-E1）等介导；SR-A1或CD36基因缺陷显著减少巨噬细胞oxLDL蓄积并减轻病变。LOX-1在晚期病变上调并参与泡沫细胞形成；SR-PSOX/CXCL16兼具清道夫受体和趋化因子功能。

4.2 Cholesterol esterification and storage：内化脂质转运至晚期内体和溶酶体，溶酶体酸性脂肪酶（LAL）水解胆固醇酯为游离胆固醇；酰基辅酶A:胆固醇酰基转移酶-1（ACAT1）再酯化并储存为胞质脂滴。ACAT1抑制阻止酯化，使游离胆固醇升高至细胞毒浓度。胆固醇流入与外流平衡决定泡沫细胞形成；ATP结合盒转运体A1（ABCA1）和ABCG1分别介导向载脂蛋白A-I和成熟高密度脂蛋白（HDL）外流；外流受损促进泡沫细胞蓄积。

4.3 Cellular consequences of foam cell formation：持续游离胆固醇过载超过ACAT1再酯化和ABCA1/ABCG1外流能力，未酯化胆固醇在细胞器膜蓄积，触发未折叠蛋白反应的内质网（ER）应激、线粒体膜功能障碍和炎症激活。泡沫细胞是动脉粥样硬化主动驱动者，释放细胞因子、趋化因子和基质金属蛋白酶（MMPs）加速病变不稳定。oxLDL内化诱导有氧糖酵解（Warburg效应），丙酮酸激酶M2（PKM2）介导糖酵解转变并加剧血管炎症。慢性细胞器应激推动泡沫细胞凋亡；早期凋亡细胞经胞葬清除，晚期氧化应激和oxLDL损害胞葬识别，未清除凋亡泡沫细胞继发坏死，释放脂质、氧化碎片和危险信号，驱动无细胞坏死核心扩大。

5 Oxidative stress and plaque instability
5.1 Characteristics of vulnerable plaques：急性心血管事件多由斑块破裂或侵蚀而非渐进性管腔狭窄引起。易损斑块有大脂质坏死核心（>40%斑块体积）、薄纤维帽（<65 μm）、活跃炎症和新生血管。氧化应激促进各特征。纤维帽提供结构完整性；MMPs锌依赖蛋白酶降解细胞外基质，削弱纤维帽。ROS氧化pro-domain半胱氨酸直接激活MMPs，超氧和H₂O₂激活pro-MMP-2和pro-MMP-9；ROS还经NF-κB和AP-1增加MMP表达。MMP-1、MMP-8和MMP-13裂解纤维帽主要结构成分纤维状胶原；MMP-9降解变性胶原和基底膜。人冠状动脉斑块中MMP-1与高周向应力区域共定位。

5.2 Necrotic core expansion and cholesterol crystals：坏死核心由巨噬细胞死亡及细胞碎片、胆固醇结晶和氧化脂质蓄积形成。氧化应激促进巨噬细胞凋亡和损害胞葬，扩大坏死核心。过量游离胆固醇形成胆固醇结晶，激活NLRP3炎症小体驱动IL-1β和炎症；细胞氧化还原失衡也调节NLRP3活性，线粒体功能障碍及XO和NOX等酶源ROS促进NLRP3启动和组装。晚期斑块缺氧诱导HIFs；HIF-1α稳定促进糖酵解、血管生成和铁代谢基因。缺氧下HIF-1α靶基因血红素加氧酶-1（HO-1）高表达驱动巨噬细胞来源泡沫细胞铁死亡，加剧斑块不稳定。

5.3 Intraplaque hemorrhage and neovascularization：晚期斑块由外膜血管滋养管来源新生血管穿入内膜；新生血管结构异常、内皮连接缺陷，允许血浆成分和红细胞漏入斑块。斑块内出血提供富含胆固醇和铁的红细胞，促进炎症和氧化应激。红细胞释放血红素和铁经Fenton化学生成ROS；巨噬细胞铁蓄积促进泡沫细胞形成和氧化应激。红细胞来源磷脂贡献脂质池，巨噬细胞清除血红蛋白诱导HO-1表达，对斑块稳定性有复杂影响。

5.4 Smooth muscle cell phenotype and fibrous cap integrity：晚期病变VSMCs可转分化为巨噬细胞样表型，收缩标志物下调、CD68和Mac-2等巨噬细胞标志物上调；炎症细胞因子、oxLDL摄取和氧化应激驱动该转变。VSMC来源泡沫细胞贡献坏死核心并可能损害纤维帽完整性。氧化应激抑制VSMC增殖和胶原合成并促进凋亡；与MMP介导基质降解共同导致纤维帽变薄。VSMC修复与炎症破坏的平衡决定斑块稳定性。

6 Clinical evidence linking oxidative stress to atherosclerosis
6.1 Biomarkers of oxidative stress：早期临床研究常用脂质过氧化下游指标，尤其血浆MDA和硫代巴比妥酸反应物质（TBARS），但TBARS分析特异性有限。经典脂质过氧化检测的临床转化受分析非特异性、离体伪影和循环浓度反映生成与清除等限制。近期转向特征更明确的氧化和炎症通路，包括oxLDL相关指标、MPO和质谱法尿F2-异前列腺素，用于急性冠脉综合征和动脉粥样硬化性心血管病的机制表型和风险评估。oxLDL与冠心病严重程度相关并独立预测事件；MDA升高但技术受限；MPO预测事件但受标准化和特异性限制；SOD、CAT和GPx活性降低见于冠心病患者，但可能反映慢性氧化应激的适应性反应。

6.2 Genetic evidence：遗传研究支持氧化应激作用。抗氧化酶基因多态性与心血管风险相关；Mn-SOD（SOD2）Ala16Val多态性影响酶定位和活性，Val变异部分研究增加风险。线粒体DNA单倍群编码不同呼吸链组分变异，可能影响ROS产生和心血管风险。

7 Therapeutic challenges and strategies
7.1 Lessons from antioxidant vitamin trials：抗氧化维生素试验转化困难。维生素E、维生素C和β-胡萝卜素大规模随机对照试验多未显示心血管获益，部分提示危害。HOPE和HOPE-TOO试验中维生素E 400 IU/天未减少事件，并提示心衰风险增加；妇女健康研究39,876名女性中维生素E对主要心血管事件无影响；荟萃分析认为维生素E不降低心血管死亡或事件。原因可能包括全身抗氧化补充不能有效降低关键细胞器氧化应激、已建立动脉粥样硬化后干预过晚、ROS具生理信号功能而非特异性抑制可能有害。

7.2 Targeting specific ROS sources：对全身抗氧化局限的认识促进靶向特定酶源。NOX抑制剂尤其有前景；Nox2等小分子抑制剂在临床前显示希望。XO抑制剂别嘌醇和非布司他被广泛研究，有效降低尿酸并可能改善内皮功能，但降尿酸与抑制XO抗氧化作用的相对贡献仍有争议。

7.3 Mitochondria-targeted antioxidants：线粒体既是ROS来源又是靶点，促成线粒体靶向抗氧化剂。MitoQ为泛醌衍生物与亲脂三苯基膦阳离子结合，依赖膜电位在线粒体积聚并抗氧化；临床前显示心血管保护，临床试验在帕金森病和丙型肝炎中显示安全性和潜在获益。SS-31（Elamipretide）靶向心磷脂并保护线粒体功能；心衰和线粒体疾病试验正在进行。靶向策略可能避免全身抗氧化补充缺陷并减少病理性mtROS。

7.4 Anti-inflammatory approaches：氧化应激与炎症密切，抗炎策略可间接降低氧化应激。CANTOS试验中canakinumab（IL-1β中和抗体）减少残余炎症风险患者心血管事件，确立炎症为治疗靶点。秋水仙碱抑制微管聚合和NLRP3炎症小体激活；COLCOT显示心梗后低剂量秋水仙碱减少事件，LoDoCo2扩展至慢性冠心病；其抗炎作用可能通过多机制降低氧化应激。

7.5 Statins and pleiotropic effects：他汀是动脉粥样硬化预防基石，除降LDL外有多效性抗氧化作用：降低NOX表达和活性、增加eNOS表达、改善抗氧化酶活性。这些作用贡献他汀不能完全由LDL降低解释的获益；高强度他汀降低氧化应激标志物并独立于LDL降低改善内皮功能。

8 Discussion：三十年来，氧化应激在动脉粥样硬化中的作用从以LDL氧化修饰为中心的简化模型，发展为空间区室化氧化还原信号、炎症和细胞特异性氧化通路的复杂观点。1990年代氧化修饰假说促使期待维生素E和C等广泛抗氧化策略可减少LDL氧化和动脉粥样硬化，但非特异性抗氧化补充大型试验多令人失望；维生素试验失败暴露全球清除ROS的局限，并强调ROS在细胞稳态和血管信号中的生理作用。随血管氧化还原生物学进展，注意力转向离散细胞来源；NOX和解偶联eNOS是内皮功能障碍、血管炎症和动脉粥样硬化的重要贡献者；线粒体功能障碍既是后果又是血管损伤放大器，过量mtROS和线粒体自噬缺陷促进内皮衰老、炎症信号和动脉粥样硬化进展。治疗策略从广泛非特异性抗氧化补充转向通路导向的抗炎和氧化还原调节策略；低剂量秋水仙碱和canakinumab的IL-1β阻断提供靶向NLRP3–IL-1β炎症轴可降低残余炎症心血管风险的概念验证。但仍存在炎症表型异质性、最佳患者选择不确定以及需保留保护性宿主防御和生理信号通路等转化挑战。未来精准氧化还原医学需整合区室化氧化还原动态与免疫代谢、训练免疫和单细胞多组学分析，并按疾病阶段和患者生物标志物特征定制靶向治疗。将分子靶点转化为临床模态需在ClinicalTrials.gov等全球注册中严格验证；sLOX-1等新兴生物标志物有机制合理性但受检测标准化和预测力变异限制；靶向LOX-1的人源化单克隆抗体MEDI6570临床结果不确定，说明中和多配体清道夫通路复杂；抗PCSK9单抗和siRNA平台成功显示靶向分子拦截优于传统他汀，但成本限制一线部署，对约20%他汀不耐受患者是疾病修饰替代，说明生物标志物发现需与分层患者选择在晚期临床试验中对齐。

9 Conclusion：三十年生物医学研究确立氧化应激是连接心血管危险因素与动脉粥样硬化各阶段的核心区室化机制。血管氧化还原生物学发生范式转变：从早期全球脂质氧化过度简化观点转向器官特异性ROS信号、解偶联酶通路和ROS驱动NLRP3炎症小体激活的细致理解。早期非特异性抗氧化维生素试验失败不否定氧化应激假说，而强调靶向、位点特异性治疗策略的必要性。线粒体靶向抗氧化剂、选择性NOX抑制剂和双重氧化还原-炎症调节剂等新兴方法有望克服既往转化障碍。弥合临床前机制合理性与临床治疗成功之间的差距需转向精准氧化还原医学；通过整合区室化氧化还原治疗与验证生物标志物、免疫代谢谱和阶段特异性患者分层，心血管研究下一时代有望将机制认识转化为抗ASCVD有效临床干预。