今天，小编要介绍的一篇文献是通过探究癌症和纤维化疾病中的氧化应激作用，为疾病提供一种抗氧化作用纳米粒子治疗干预的新措施。
这篇文章主要从简单的背景介绍、活性氧ROS的基本信息、ROS的主要来源NADPH氧化酶NOX4的相关内容、控制氧化应激的策略以及最终的结论等五个方面进行综述。
在体内，ROS和抗氧化应答的作用同时存在，相互拮抗，正常情况下二者会维持稳态，以维护正常的细胞生长、代谢和存活。当抗氧化应答作用不足以抵抗不断累积的ROS时，原有的稳态将会被打破，取而代之的是一种失衡状态，这种失衡状态就是氧化应激现象。体内的ROS主要由线粒体电子传递链和NOX氧化酶两种途径产生。ROS在较低浓度时是细胞增殖、迁移和凋亡的重要信号分子；当浓度较高时，ROS可以抵御病原体，增加白细胞和血小板的活化，同时增加白细胞的招募现象。尽管在固有免疫及免疫细胞中，ROS存在着有益的作用，但其在体内的主要作用依然是有害的，ROS会使蛋白质、脂质和DNA产生的不可逆损伤积累，最终导致突变和细胞死亡。
ROS，这里主要指NOX衍生的来源，和氧化应激均在多种疾病的发病机制或疾病进程中发现，本篇综述主要选取癌症和纤维化两种疾病中的氧化应激现象进行综述。目前针对纤维化疾病的主要治疗策略是试图减缓疾病的进程，然而这种治疗的效果是很局限的。针对肿瘤的治疗尽管很多，包括放化疗、手术、免疫治疗、甚至最新的靶向治疗新观点，但是肿瘤的治疗手段很容易出现耐药现象，并且肿瘤的复发几率是非常高的。另外，在放化疗过程中会产生一种亚致死性的ROS，促进肿瘤的侵袭和转移。因此，从发病机制方面入手，应用抗氧化剂来对抗和消除引发疾病的氧化应激作用，将会改善疾病的预后。然而，抗氧化剂的应用依然存在局限性，抗氧化剂的生物利用度较低，在病灶的局部药物浓度也很难满足治愈疾病的需求。因此，纳米技术的引入可以有效的针对靶点进行治疗。纳米技术同时可以与抗氧化剂联合使用，保护细胞免受氧化应激作用，同时也可以成为其他治疗手段，如药物等的传递平台。
活性物大致分为4类：活性氧、活性氮（RNS），活性硫（RSS）和活性氯（RCS）。其中ROS的含量最高。ROS一般被定义为含氧的电子还原产物，包括超氧阴离子自由基（O2??）、羟基自由基（OH?），氢氧根离子（OH?）、过氧化氢（H2O2）、单线态氧（1O2），和臭氧（O3）。ROS的来源包括外源性如衰老、验证、辐射、、化学品或药物，以及内源性如胞膜上的NOX酶、溶酶体中的过氧化物酶（MPO）或者线粒体中的电子传递链。细胞对于ROS的消除作用是内源性抗氧化剂，如谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）。O2??首先被SOD歧化为H2O2，之后通过GPX和CAT的作用转化为H2O，或者通过MPO作用转化为HOCl，并产生抗菌活性，另外还可以通过Fenton反应，通过使Fe2+氧化为Fe3+使H2O2转化为高活性的OH?。OH?作为HaberWeiss反应的一部分将与H2O2反应形成O2??，这又与H2O2形成OH?和OH?，进而重复循环。
在正常生理条件下，ROS的形成和消除受到ROS清除剂/内源性抗氧化剂的严格调控来维持稳态以避免氧化应激的有害效应。然而，ROS的消除过程会逐渐饱和，导致ROS的不断积累，最终使DNA、脂质和蛋白质形成永久性的改变和损伤，从而产细胞死亡、突变、癌变和纤维化等不利影响。
成纤维细胞和机成纤维细胞的活化和增殖导致细胞外基质的过度合成和累积，最终导致纤维化的形成。纤维化的进程首先是组织损伤的发生，引起炎症和成纤维细胞的活化，是细胞外基质（ECM）的合成并沉积，最终导致器官衰竭。纤维化的原因各异，但其中共同的因素包括物理或化学损伤、自身免疫性疾病（如系统性硬化症）、病毒引起的（如丙型肝炎病毒引起的肝纤维化）、酒精引起的（如酒精性肝纤维化）、高血压（如高血压心肌纤维化）以及其他未知原因（如特发性肺纤维化）。
TGF-β是最重要的促纤维化细胞因子，它在调控重要的生物过程，如细胞增殖、细胞外基质（ECM）的生产和上皮–间质转化（EMT）中起着至关重要的作用。很多实验结果证明，TGF-βmRNA和/或蛋白的表达在大多数纤维化疾病的患者和纤维化实验模型中均升高。ROS的存在可激活TGF-β信号通路，进一步使Smad2/3、PI3K以及JNK通路被激活，从而进一步刺激促纤维化基因的转录活性，如I型胶原蛋白（COLI）、α-平滑肌平滑肌肌动蛋白（α-SMA）和NOX4。其中，NOX4产生的ROS可激活JNK、NF-κB等信号转导通路，触发DNA氧化，造成DNA的不可逆损伤，最终使成纤维细胞增殖，转分化形成肌成纤维细胞，并形成细胞外基质，最终导致纤维化的形成。
在癌症中，ROS由化疗、辐射、炎症和缺氧等多种来源产生，使肿瘤细胞基因组不稳定性、大量异常存活、产生抗凋亡作用、过度增殖并生成血管，同时浸润、侵袭正常组织、并向远处转移。
ROS在肿瘤中可以调节细胞机制。ROS可以癌变DNA结合位点，或者氧化转录因子的半胱氨酸残基，也可以直接氧化多种类型的氨基酸，使蛋白质三级结构和构象发生改变，使其降解或抑制其活性，甚至可以直接使蛋白质发生羟基化，导致酶失活。
外源性和内源性ROS均会造成DNA的损伤，在正常细胞中，一系列应激反应基因及DNA修复机制将被活化。其中，TP53基因（编码p53蛋白的基因）可以参与细胞周期暂停、衰老和凋亡的极致，在正常基因中可以组织DNA的进一步损伤。然而，在癌症细胞中，TP53会突变，使DNA损伤加重，导致DNA修复机制不完善，造成基因的突变或缺失，DNA损伤更加严重，导致基因组的不稳定性，进一步激活癌基因，造成异常代谢和抗氧化剂生成的减少，这又会成为ROS的内源性来源。因此，在癌症细胞中，会通过这样一系列的正反馈调节机制使ROS不断累积。
原发肿瘤的持续生长，对于营养和氧气的需求也会同步增加，当这种需求难以满足时，肿瘤的病灶位置就会产生缺氧现象，为适应这种缺氧的微环境，肿瘤细胞会经历一些列的变化来适应不利环境，比如，肿瘤细胞的基因型会向更有利于生存的方向突变，例如上文提到的TP53的突变。同时，肿瘤细胞中缺氧诱导因子HIF-1转录因子将被激活，HIF-1α的羟化反应将被抑制，从而阻止了其在正常状态下的降解，HIF-1α会二聚化形成HIF-1β，并于DNA上的缺氧反应元件HREs结合，刺激靶基因转录，例如血管内皮生长因子（VEGF）、N-myc下游调节基因（NDRG）和葡萄糖转运蛋白I，这些基因会参与葡萄糖转运，糖酵解和血管形成，使癌细胞在这样的恶劣环境中生存。另外，缺氧的微环境也通过线粒体电子传递链中超氧化物、过氧化氢和羟基自由基释放，从而形成ROS，进而稳定常氧和缺氧条件下的HIF-1α。
与纤维化相似，在癌症中ROS和TGF-β信号通路相互联系。TGF-β1会参与免疫细胞的免疫抑制作用，通过直接抑制T细胞的细胞因子生成诱导免疫细胞凋亡，抑制许多免疫细胞的增殖分化，或者通过抑制主要组织相容性复合体II类抗原降低肿瘤细胞表面免疫原性。
TGF-β在较低水平，将会上调促血管生成因子包括血管内皮生长因子，结缔组织生长因子和成纤维细胞生长因子（FGF），而在高水平时，TGF-β刺激平滑肌细胞的募集和细胞分化，同时抑制内皮细胞生长，促进癌细胞中血管生成。
TGF-β是上皮–间质转化的主要诱导剂并通过结合SMAD依赖性和非依赖通路（如p38MAPK）造成细胞迁移。上皮–间质转化应答的下游作用包括转录重新编程，促进基因的失活（如E-钙黏着蛋白），编码上皮标志物和间质蛋白如N-钙黏着蛋白和波形蛋白基因活化。在许多癌症如转移性乳腺癌和非小细胞肺癌（NSCLC）中，E-钙黏着蛋白的下调是一个常见的特征。有研究表明，癌细胞中E-钙黏着蛋白在体外强制表达能抑制细胞迁移和侵袭，而在癌细胞中N-钙黏着蛋白强制表达会产生相反作用。从E-到N-钙黏着蛋白的表达转换和他们独特的表达方式反映了上皮–间质转化的表型，并与肿瘤的恶性程度和转移相关。
此外，TGF-β被认为是通过激活NOX4产生细胞内ROS的主要贡献者。NOX4衍生的ROS与胰腺癌细胞的上皮–间质转化表型相关，增加膀胱上皮癌的细胞存活率，并分别增加乳腺癌细胞和卵巢细胞的迁移和侵袭。
转移是导致癌症患者死亡的主要原因，是一个复杂的过程，包括多个导致癌细胞播散步骤：1）细胞粘附损失，2）通过ECM提高癌细胞的运动和侵袭，3）内吸收进入循环，4）外渗到远处组织，5）新环境的殖民化。ROS可以激活参与转移的几种通路。例如，ROS可以激活基质金属蛋白酶（MMPs），能降解基底膜和细胞外基质，促进癌细胞的内渗和外渗。另外，NOX家族导致的ROS生成被认为是形成癌细胞伪足和富含肌动蛋白的膜突出的关键，促进膜外周蛋白水解和侵袭行为。通过NAC，NOX抑制剂，DPI等抗氧化剂的使用，降低癌细胞中ROS含量，降低细胞生长、侵袭和伪足形成，因此抗氧化剂在减弱转移中存在重要作用。
NOX家庭由NOX1-5和双氧化酶DUOX1-2七个成员构成，其最主要的生物学功能是作为细胞内产生ROS的酶。NOX家族都是跨膜蛋白，通过一个电子转移到氧分子，产生ROS，并产生超氧阴离子（O2??），然后歧化成为H2O2。大多数NOX需要额外的亚基来实现功能，特别是NOX1-3，结合跨膜蛋白p22phox，使之进一步招募细胞质的调节亚基，如组织者（血管紧张素Ⅱ，p40吞噬细胞氧化酶，或NOXO1）、活化剂（p67phox或者NOXA1），和小GTPases（Rac1和Rac2）。NOX4，作为例外，只需要结合p22phox而不需要胞质亚基就可以达到最大酶活性。NOX5、DUOX1和DUOX2不需要结合亚基，但需要由Ca2+激活。此外，NOX1-5大多位于细胞质膜，NOX4在内质网（ER）、线粒体膜、核膜、粘着斑和侵袭伪足中均可以被检测出。
在特发性肺纤维化（IPF）患者肺成纤维细胞的研究和硬皮病患者皮肤成纤维细胞，以及许多体内纤维化模型中，包括肝纤维化、肺纤维化、糖尿病神经病变（与糖尿病相关的肾纤维化）中，NOX4mRNA的表达均被发现上调。TGF-β主要通过2个途径，SMAD2/3和PI3K通路，上调NOX4表达。通过NOX抑制剂二苯基氯化碘盐(DPI)、siRNA或抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）的使用，可以抑制NOX4活性，降低α平滑肌肌动蛋白（α-SMA）和I型胶原(COLI)在肺纤维化患者和博莱霉素诱导的肺损伤小鼠模型的成纤维细胞中的表达。
在包括胶质瘤、黑色素瘤、乳腺癌、卵巢癌和胰腺癌在内的几种类型癌症中均检测到NOX4表达。在癌细胞系中，NOX4水平升高与PI3K/Akt信号通路调节的细胞增殖和侵袭，TGF-β/SMAD3驱动的EMT和细胞迁移，以及Tks5依赖的侵袭伪足形成有关。用siRNA消除NOX4的治疗显著降低肿瘤生长，在膀胱癌、肾癌和胶质母细胞瘤的体内模型中。这些结果表明，NOX4是用于治疗癌症的药物干预的潜在靶点。
抗氧化剂已被普遍描述为可延缓、阻止或消除目标分子氧化损伤的物质。由于纤维化和癌细胞通常具有高于正常细胞的氧化应激水平，被认为患有这些疾病的患者将受益于抗氧化剂的使用。
膳食中的抗氧化剂包括维生素C（抗坏血酸）、维生素E（生育酚）、维生素A（β-胡萝卜素）和硒，有抵抗氧化损伤的能力，可以通过食物如水果和蔬菜等获得。
维生素C是一种水溶性的强抗氧化剂。维生素C以两种形式存在：L-抗坏血酸和氧化形式，脱水L-抗坏血酸。它能直接与纤维素的羟基反应和脂质过氧自由基形成水和脂质过氧化物。维生素C还可以中和维生素E和谷胱甘肽的自由基，再生这些抗氧化剂。
维生素E的主要作用是作为一种断链抗氧化剂，防止脂质过氧化的播散。
维生素A可以消除1O2，保护机体免受氧化损伤。
硒是人体必需的微量元素，可从饮食中获得，如坚果、肉类和鱼。硒会与氨基酸共同翻译，形成如硒代半胱氨酸和硒代蛋氨酸。含硒的氨基酸通过清除自由基和修复氧化硒成为抗氧化剂。
进行了一些临床试验，但大多数的数据是不确定的，大多数并没有在病人中表现出保护作用。这种益处未显现的原因可能是：1）食物与补充剂中抗氧化剂的化学成分存在差异，2）某些抗氧化剂存在疾病特异性（例如，某些抗氧化剂对于特定疾病的作用比其他抗氧化剂更有效），3）由于其生物利用度低，补充剂不能达到有效的细胞内水平。因此，一种更有效的可以被传送到一个特定的病变组织，并提高生物利用度的抗氧化剂比这些抗氧化补充剂更有益。
谷胱甘肽（GSH）、N-乙酰半胱氨酸（NAC）、超氧化物歧化酶（SOD）是酶相关抗氧化剂，作为第一线的细胞抗氧化剂。这些分子的作用也已有一些临床试验研究。GSH是细胞非主要蛋白巯基，作为还原剂，在调节细胞氧化还原状态是必不可少的。GSH参与保护细胞对抗自由基和其他许多细胞功能。GSH是其他抗氧化剂再生的关键，如生育酚和抗坏血酸。NAC是一种半胱氨酸的前体，可以补充细胞内的GSH水平。一些临床试验用GSH及NAC作为纤维化疾病，如肝纤维化和肺纤维化，以及癌症，如头颈部癌或肺癌，的干预措施。然而，这些实验的结果令人失望，大部分没有表现出有益作用。这主要是由于GSH和NAC的低生物利用度。SOD是催化超氧化物向过氧化氢转化的含金属蛋白质。胞浆和线粒体SOD已在多项研究证实为肿瘤抑制基因。SOD的过表达扩降低多种癌症的生长。SOD的过表达已被证明在体内肿瘤模型中具有防辐射和化学预防作用。在女性乳腺癌患者接受术后放疗中SOD局部给药的安全性和耐受性均良好。这些研究显示SOD存在化学保护作用。但目前没有临床试验研究表明SOD在人类对抗癌症生长的作用。
目前，一些非特异性的NOX抑制剂已被确定（靶点为一个以上的NOX亚型）。DPI是NOX酶的非特异性抑制剂。它能抑制多类黄素蛋白，包括eNOS、黄嘌呤氧化酶、胆碱酯酶和内部钙泵。富烯-5是一种水溶性的小分子NOX2和NOX4抑制剂。它的芳香结构使得电子离域。雷公藤红素是一种从雷公藤中提取的化合物，可以抑制NOX1，2,4，和5。米帕明蓝是一个有机的三苯甲烷染料，是一种抗抑郁药丙咪嗪的衍生物。它已被证明靶向NOX4。gkt和小分子抑制剂GKT均由法国生物科技公司Genkyotex研制。这两个化合物均具有对NOX1和4有高特异性，但对于NOX2和5的作用效果较小。
siRNA和shRNA使NOX4基因沉默的在多种癌症包括肺癌、肝癌与膀胱癌方面显示了良好的效果，同时减少肺内纤维化。然而，递送siRNA进入靶细胞，需要一个载体，如胶原，因为在生理条件下的siRNA是不稳定。
近年来，纳米技术已成为生物医学研究的主要焦点。无机纳米微粒的几种类型均通过清除自由基和降低活性氧的浓度，而具有内在的抗氧化性能。铈是稀土元素，属于元素周期表中的镧系元素。CeO2以Ce3+和Ce4+价态存在，使之可以作为一种抗氧化剂。CeO2的活性氧清除能力主要是基于纳米微粒表面Ce3+和Ce4+之间的氧化还原循环。富勒烯是由60个碳原子组成的球样分子，它被布置在一个六角形形成的空心球结构。它是一种强大的抗氧化剂，由于其碳原子的π电子离域，它能与自由基反应。富勒烯也能灭活羟基自由基通过结合它的双键。PtNPs由于其电子粒子表面的高比率导致的催化活性而具有清除活性氧的能力。
MSNPs据报道有清除活性氧（ROS），羟基自由基和自由基的能力。MSNP的ROS清除也抑制体外黑色素瘤细胞NOX4mRNA的表达。因此，MSNPs在氧化诱导的病理条件如纤维化和癌症下，有很大的治疗潜力。通过重复皮内注射博莱霉素建立了一个皮肤纤维化小鼠模型，导致皮肤厚度的增加。抗氧化MSNP纳米微粒明显抑制NOX4表达至不接受博莱霉素小鼠的基线水平。HSP47敲除加之MSNP抗氧化特性导致皮肤厚度和促纤维化标志物αSMA和I型胶原，比较于博莱霉素治疗组明显减少，提示该技术具有巨大的临床应用潜力。
ROS在纤维化和癌症的病理过程中有显著作用。很多研究者因此研究抗氧化复合物、酶和NOX抑制剂来治疗疾病，并在临床上试验。然而，由于较低的系统生物利用度和靶点位置的含量不足，导致数据结果欠佳。抗氧化纳米微粒提供了一个独特的选择，与小分子相比，可以延长循环。还可以设计以避免靶点和靶器官的快速清除。纳米微粒也作为基因、寡核苷酸、药物和造影剂的传递平台被广泛研究，为发展纳米颗粒类型的治疗诊断造影剂和合成增效治疗剂提供机会。
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