環氧化酶

環氧化酶(Cyclooxygenase,cox)又稱前列腺素內氧化酶還原酶，是一種雙功能酶，具有環氧化酶和過氧化氫酶活性，是催化花生四烯酸轉化為前列腺素的關鍵酶。目前發現環氧化酶有兩種COX-1和COX-2同工酶，前者為結構型，主要存在於血管、胃、腎等組織中，參與血管舒縮、血小板聚集、胃粘膜血流、胃黏液分泌及腎功能等的調節，其功能與保護胃腸黏膜、調節血小板聚集、調節外周血管的阻力和調節腎血流量分佈有。後者為誘導型，各種損傷性化學、物理和生物因子激活磷脂酶A2水解細胞膜磷脂，生成花生四烯酸，後者經COX-2催化加氧生成前列腺素。

從治療學角度分析，COX-1和COX-2的主要區別是在生理功能上：COX-1是原生型的酶，在正常的狀態下就存在於胃腸道、腎臟等部位，其功能是促進生理性PGs的合成，調節正常組織細胞的生理活動，如對消化道黏膜起保護作用，改變血管張力等。

COX-2為同工酶，是誘生型酶。COX-2在正常組織細胞內的活性極低，當細胞受到炎症等刺激時，其在炎症細胞中的表達水平可升高至正常水平的10-80倍，引起炎症部位PEG2、PGI2和PGE1含量的增加，導致炎症反應和組織損傷。

在細胞內，COX-1主要位於內質網，COX-2則主要位於核膜，因此COX-2產生的PGs產物可以優先進入核內，調節靶基因的轉錄；而COX-1的PGs產物則通過胞漿分泌至組織間隙或血液內，完成調節生理活動的功能。另外，COX-1和COX-2的不同還反映在利用花生四烯酸的來源不同、mRNA的穩定性不同和終產物的不同。

COX的發展歷程是與NSIADs的研究密切相關的。100多年前，第一種NSAIDs阿司匹林即已面世，然而在早期人們對NSIADs的作用機制並不了解。1964年，J.R.vane及其同事發現阿司匹林具有阻斷內源性PGs合成酶的作用，在此基礎上Vane等人於1971年指出NSAIDS是通過抑制COX，阻斷花生四烯酸轉化為PGs，從而發揮其抗炎、止痛和解熱作用。這一理論的提出，促進了科學家們對COX的深入研究。1976年，有人首先分離得到具有酶活性的COX，這是一種存在於細胞內質網內的膜結合糖蛋白，分子量為71kDa，它可以將花生四烯酸轉化為PGG2，而PGG2又可還原成PGH2，最終形成一系列PGs。隨後的研究發現，細菌內毒素可使離體人單核細胞和在體小鼠巨噬細胞中COX的活性增強，而這種變化可受到糖皮質激素地塞米松的抑制。人們開始認識到體內可能存在著新的COX異構體。1991年有人分離得到了這種可被誘導產生的COX，命名為COX-2。COX-2在結構、功能等多方面均不同於以前發現的COX，所以人們將以前發現的COX命名為COX-1，即構成型COX，而COX-2為誘導型COX 。

COX是花生四烯酸代謝過程中前列腺素（prostaglandins，PGs）合成的限速酶。傳統觀念認為，COX有兩種結構亞型，即結構型COX-1和誘導型COX-2。近期，COX的第三種同工酶——COX-3，在神經系統組織內被發現。COX-1主要存在於正常的組織細胞中，催化產生維持正常生理功能的PGs。COX-2是一種膜結合蛋白。研究證實，在巨噬細胞、成纖維細胞、內皮細胞和單核細胞中COX-2均可被誘導表達。生理狀態下絕大部分組織細胞不表達COX-2；而在炎症、腫瘤等病理狀態下受炎性刺激物、損傷、有絲分裂原和致癌物質等促炎介質誘導后，呈表達增高趨勢，參與多種病理生理過程，具體是細胞膜磷脂通過磷脂酶A2途徑被水解釋放出花生四烯酸，在COX-2的催化下，合成前列腺素E2（PGE2），最後產生系列炎症介質，並通過瀑布式級聯反應參與機體各生理、病理過程。人類COX-2基因位於1號染色體q 25.2～q 25.3，長8.3 kb，含有10個外顯子和9個內含子，編碼604個氨基酸，含有17個氨基酸殘基的信號肽。

Pickup研究發現，炎症細胞因子、氧化應激等在2型糖尿病中具有重要作用，首次將2型糖尿病和亞臨床炎症聯繫起來。COX-2作為重要的炎症介質，參與糖尿病的發病機制以通過誘導合成PGs類衍生物來實現。PGE2作為COX-2的產物之一，能抑制葡萄糖刺激胰島素分泌，導致糖耐量減低。COX-2抑製劑能增加β細胞胰島素的合成，且呈劑量依賴形式。同時，COX-2作為炎性反應的介質，能降低人體對胰島素的敏感性。相關動物實驗顯示，NOD小鼠和BALB/C小鼠進展為糖尿病前，COX-2僅僅表達於胰腺內分泌細胞，糖尿病時期主要表達於胰腺巨噬細胞和樹突狀細胞，並且COX-2和胰島素在胰腺的不同細胞群中表達。提示了COX-2病理表達會影響胰島素分泌，並在胰島β細胞的病理生理過程中發揮重要作用。通過Heitmeier等的研究也證實，在1型糖尿病患者的胰島細胞中，一些細胞因子如IL-1、IFN-γ、TNF-α通過誘導刺激COX-2表達，使PGE2合成增加，造成胰島β細胞功能障礙和退化。在高葡萄糖濃度的刺激下，1型和2型糖尿病患者的胰島細胞、血管平滑肌細胞、內皮細胞及其離體培養的單核細胞中COX-2的表達均會增加。表明高血糖的刺激或炎性因子誘導都能使COX-2異常表達，造成胰島細胞損害。

DN作為糖尿病常見的微血管病變，又稱腎小球硬化症。COX-2主要在腎小球緻密斑、皮質髓襻升支粗段、足細胞和腎髓質的間質細胞表達，與其他炎性介質共同參與腎小球和腎小管間質結構功能改變，在DN發生中起重要作用。

1. COX-2在糖尿病腎組織中的表達及對腎損傷的影響：

劉志純等檢測鏈脲黴素（streptozotocin，STZ）誘導糖尿病大鼠模型腎組織COX-2發現，糖尿病組大鼠腎臟COX-2蛋白表達明顯增加。陳芳等觀察了3周及6周糖尿病大鼠腎組織COX-2表達后得出，糖尿病早期腎小球濾過率（GFR）大約增加50%，重要成因之一是PGs代謝紊亂。而應用COX-2抑製劑——羅非昔布干預3周和6周糖尿病大鼠后，藥物干預組腎臟肥大指數（分別為1.19±0.17、1.25±0.21）均顯著低於非干預組（分別為1.25±0.19、1.39±0.21，P<0.05）。以24 h尿蛋白、尿白蛋白為腎損傷生化指標，檢測到藥物干預組中兩指標在各時間點上都均顯著低於非干預組（P<0.01，P<0.05），且藥物干預組COX-2在腎組織表達顯著低於非干預組。綜合分析，糖尿病組腎組織COX-2的表達與24 h尿蛋白、尿白蛋白呈明顯正相關。Komers等通過研究4周及12周2型糖尿病動物模型的尿蛋白與COX-2的變化關係發現，糖尿病模型12周的尿蛋白較4周糖尿病模型顯著升高。與此同時，腎皮質中COX-2表達和尿PGE2也隨之相應升高。

以上研究共同證明了COX-2在糖尿病腎組織中的表達上調，且在病理、生化指標的分析中均提示COX-2導致腎損害。

大量動物實驗及臨床研究均證實高血糖是上調腎小球系膜細胞COX-2表達的最主要因素。其具體機制未完全明確。

2. 活性氧簇（ROS）產物作用：

通過將人系膜細胞（HMC）置於不同葡萄糖濃度中培養，Kiritoshi等發現，在30 mmol/L葡萄糖條件中HMC的COX-2 mRNA表達增加，同樣條件下，利用熒光探針檢測發現線粒體內ROS產物也增加。利用定向誘變將含有變異NF-κB結合位點序列的COX-2啟動子區瞬間轉染進HMC，看到單獨5′或3′端變異的序列使COX-2表達[分別為5.6 mmol/L葡萄糖條件下的（235.8±24.0）%、（212.8±4.8）%]較5′和3′端全變異序列的COX-2表達顯著增加。從而該研究認為由於COX-2是受NF-κB調控的靶基因，在高糖條件下通過線粒體電子傳遞鏈致使ROS產物增加，導致NF-κB的活化，進而讓HMC的COX-2 mRNA表達增加。

3. 磷脂醯肌醇-3-激酶（PI3K）/絲蘇氨酸蛋白激酶（AKT）途徑：

Sheu等在一項體外實驗中，將鼠腎小球系膜細胞置在含33 mmol/L的高濃度葡萄糖培養基中行24 h培養后發現，PI3K於高糖刺激1～5 min后活性升高，PI3K下游功能區AKT在高糖刺激5～20 min后活性增高，ROS及NF-κB則分別在高糖刺激15～120 min、30～60 min后表達升高。COX-2蛋白表達則於高糖刺激6 h后開始升高，24 h時達高峰。而同摩爾濃度的甘露醇卻不會影響COX-2蛋白的表達，由此排除了高糖因高摩爾滲透壓介質所致COX-2表達升高的機制。同時觀察到，若加入10 μmol/L的PI3K抑製劑，則能使ROS、NF-κB活性減低以致最終COX-2蛋白表達下降。故推測，在系膜細胞中高糖可能通過PI3K/AKT途徑激活ROS調控的NF-κB從而致使COX-2表達增加。

4. COX-2與12/15-脂氧合酶（12/15-LO）的共同作用：

有研究將糖尿病 db/db小鼠、STZ-小鼠的腎皮質系膜細胞在含25 mmol/L葡萄糖培養基中行24 h培養后，兩者的12/15-LO和COX-2表達與對照組相比均顯著增高（P<0.01）。12/15-LO基因敲除小鼠的COX-2 mRNA在腎皮質中的表達量低於野生型小鼠（P<0.01）。同時該研究發現，12/15-LO的代謝產物12（S）-HETE也能促使COX-2和PGE2表達增高。具體機制是，12（S）-HETE活化了JNK信號途徑使c-jun磷酸化，活化的c-jun通過CRE位點引起COX-2基因的表達。同時還證實了，COX-2和PGE2以正反饋調節12/15-LO的活性。這也說明12/15-LO和 COX-2的共同作用是DN進程中的一個潛在機制。

5. COX-2和PGE2的相互作用：

邢傑等在DN大鼠模型中用Western-blot檢測COX-2的表達時，不但發現高糖可使腎臟內COX-2蛋白增加，而且PGE2作為COX-2的代謝產物之一，在DN大鼠模型的腎皮質中是刺激腎小球系膜細胞COX-2蛋白表達增加的另一個因素。進一步說明，PGE2和COX-2在DN的發生與發展中可能存在正反饋、交互協同作用。

6. COX-2致DN的機制——腎血流動力學改變：

糖尿病時腎內血流動力學改變直接參與了DN的發生，是導致蛋白尿、腎小球硬化的重要因素。血流動力學異常也是DN的最早期表現。腎小球高濾則在其中起關鍵作用。COX-2表達增加可通過改變腎臟血流動力學和增強炎症反應而導致糖尿病腎臟損害。COX-2源性的PGs類化合物與腎小球高濾、高灌注密切相關，是腎血流動力學改變的機制，也是致使DN發生功能與形態學異常的基礎。

Nishikawa等研究表明DN早期腎臟超濾是由於COX-2過度表達所致。Komers等在實驗性糖尿病大鼠模型中觀察到，未經胰島素治療的糖尿病大鼠腎皮質與正常大鼠COX-2表達部位相同，但強度增加。分別將COX1抑製劑戊醯水楊酸鹽和COX-2抑製劑NS398用於STZ-糖尿病大鼠，並將此組的腎小球濾過分數（FF）和GFR分別與對照組相比，發現以上兩反映腎血流動力學的指數明顯降低（P<0.05），但未對平均動脈壓和腎血漿流量產生影響。同時觀察到，雖然兩種COX抑製劑均可減少尿PGE2，但只有NS398能同時減少此組大鼠尿PGE2（P<0.01）和尿血栓烷A2的排泄率（P<0.05）。說明COX-2源性的PGs參與了DN發生的腎血流動力學改變。糖尿病鼠血管平滑肌細胞COX-2高表達，使血管收縮的反應性增高可影響腎血流動力學。Cherney等以GFR、FF為檢測指標，在21名病程大於5年的1型糖尿病患者中使用選擇性COX-2抑製劑（塞來考昔）以觀察COX-2對1型糖尿病患者腎血流動力學的影響。結果在腎小球超濾病例組中，塞來考昔干預組的GFR、FF較對照組顯著降低（P<0.05）；但在正常濾過組，塞來考昔卻使以上兩指標較對照組提高（P<0.05）。

通過以上研究可得結論，一方面病理條件下，COX-2會導致腎小球高濾，加速DN的發生與發展。腎小球高灌注、高濾過使內皮、上皮細胞損害，破壞正常的濾過屏障，造成蛋白質濾過增加。另一方面生理條件下COX-2能維持正常的腎小球濾過。

徠炎症

早在1967年就發現COX在前列腺素合成中具有作用，但直到20世紀90年代，其在炎症中的誘導作用才被確定。對動物關節炎模型的研究發現，前列腺素含量的增加是由於COX-2的表達上升所引起的。在骨關節炎的軟骨及風濕性關節炎的滑液中都能檢測到COX-2的高表達。通過對人滑膜細胞和其它炎症細胞（如單核細胞）的培養，發現炎症因子（如IL-1、TNFα、LPS、TGFβ、EGF、PDGF和FGF）能誘導COX-2的高表達，而IL-4、IL-13等抗炎因子和免疫抑製劑糖皮質激素能降低COX-2的水平。在離體培養的骨關節炎病人滑膜細胞中能檢測到高水平的COX-2和前列腺素。

另外一種重要的炎症介質——一氧化氮（NO）能在骨關節炎的軟骨細胞中調節前列腺素的產生，而在滑膜細胞中則不能。對誘導性一氧化氮合酶（iNOS）與環氧化酶相互作用關係的研究表明，iNOS選擇性抑製劑能顯著降低COX-2水平。在iNOS基因敲除動物的細胞中，PGE2的含量顯著下降。在iNOS基因敲除小鼠的尿液中，PGE2含量下降達78%[，但COX-2蛋白含量沒有變化。據此，可以推測NO及其衍生物可能在體內調節COX-2的活性。為進一步研究COX-2在炎症中的地位，人們設計了一些COX-2特異性抑製劑。人體實驗表明，COX-2特異性抑製劑如Celecoxib和Rofecoxib能有效地治療骨關節炎、類風濕關節炎，並且沒有明顯的胃腸道毒性，因此在上述病症的治療中得到廣泛應用[。

腎炎

前列腺素（PGs）是重要的生理調節劑，能調節血管緊張性和維持體內的水鹽平衡。在哺乳動物的腎臟中，PGs能調節腎小球的血液動力學、腎小管的水鹽重吸收和腎素的分泌。長期以來，人們一直認為COX-1與正常的腎臟功能有關，而COX-2有另外的功能。但有研究表明，COX-2分佈於大鼠腎臟的緻密斑和髓質間質細胞中，緻密斑在調節腎小球過濾、近曲小管重吸收以及腎素分泌相互作用中有重要的功能，這與鹽平衡、腎流量有關。而COX-1與COX-2介導的系統在腎臟的相互作用尚不清楚。

前列腺素受體在腎臟內分佈不同，這可能是COX-1和COX-2所產生的不同的前列腺素產物對腎臟不同作用而引起的。對COX-2基因敲除小鼠的研究發現，組織特異性和時間依賴性的COX-2表達對動物出生后腎臟的發育、正常腎臟的結構和功能的維持是很必要的。COX-2基因敲除小鼠的腎臟發育存在嚴重的缺陷。COX-1染色法研究表明，在腎小球系膜細胞增生的腎小球炎症的大鼠模型中，COX-1在腎小球，主要是系膜細胞中含量大增；COX-2在緻密斑區域含量增多，但在腎小球細胞中沒有上調。由此可見，在腎小球中，是COX-1而非COX-2在調節前列腺素的合成。

特異的COX-2抑製劑用於研究正常人體中由COX-2控制產生的前列腺素對腎生理功能的作用，然而腎功能不全的病人如果服用COX-2選擇性抑製劑會產生腎衰竭。因此對於炎症，究竟應該使用COX-2選擇性還是非選擇性抑製劑，要看具體炎症的部位，如對腎小球腎炎，更傾向於應用COX-2非選擇性抑製劑。

阿爾茨海默病（AD）

2000年，有研究者討論了AD和炎症的分子機制關係。AD是一種發展性痴獃，腦中伴隨β-澱粉樣纖維沉澱，而微神經膠質細胞的表型激活作用與β-澱粉樣斑的形成有關。微神經膠質細胞的激活會導致綜合的局部致炎反應，引起炎症物質的分泌。流行病學研究表明，長期服用NSAIDs治療疾病（如風濕性關節炎）的病人患AD的可能性比不服用者減少50%。但NSAIDs在大腦中的具體藥理作用尚不明確，許多研究者都試圖通過實驗來解釋COX在AD病中的作用。細胞因子（如IL-1和IL-6）和一些急性期蛋白，如α1-抗胰凝乳蛋白酶（ACT）參與了AD的病理學過程。

一種新的NSAID——Tepoxalin能顯著抑制星形膠質細胞中IL-1β誘導的IL-6和ACT的合成。脂多糖（LPS）誘導的微神經膠質細胞經Tepoxalin作用也能降低IL-1β和IL-6的合成。這種作用是通過抑制核因子-κB（NF-κB）的活性得以實現的。而NF-κB在一定條件下能誘導COX-2的表達。另外，β-澱粉體能通過微神經膠質細胞刺激前炎性物質的分泌，介導神經毒性和星形膠質細胞的激活，這些作用也能被NSAIDs抑制，抑制作用可能是通過PPARγ的激活而實現的。

在偶發AD病人的海馬錐型層中COX-2表達升高，並且與澱粉斑密度有關。對來自轉基因小鼠COX-2高表達的神經元的體外研究表明，COX-2的上調能加強Abeta介導的氧化壓力。將54位AD病人屍體的腦部標本與正常死亡者比較，發現神經元COX-2在海馬錐型層神經元中的表達是早期AD病人發展性痴獃的一個標誌。IL-1β和合成的β澱粉多肽能誘導成神經細胞瘤細胞系（SK-NSH）中COX-2的表達和PGE2的釋放。由於COX-2與AD的發生和發展有密切關係，因此COX-2可以成為治療AD的一個基本靶點。

癌症

初步分子生物學研究表明，在人和動物結腸癌組織中COX-2的表達量增高，而在其周圍組織未檢測到COX-2的表達。大量表達COX-2不僅與結腸癌和上皮細胞腫瘤有關，且在人乳腺癌、肺癌、子宮癌、宮頸癌組織中的COX-2表達也有所上調。體外動物實驗還發現，COX-2在膀胱癌和皮膚癌中也有作用。而NSAIDs會顯著降低結腸癌動物模型腫瘤的發生率。

調查表明，在使用阿司匹林和其他NSAIDs藥物的人群中，結腸癌發病率下降40%-50%。Jacoby等發現，celecoxib（塞來昔布）能有效防止和抑制APC基因突變的腺瘤樣息肉瘤小鼠模型的腺瘤。臨床前研究顯示，Celecoxib不論在體內和體外都能抑制結腸癌細胞的生長，並且對胃腸道無副作用。美國FDA已批准該藥用於治療家族性結腸腺瘤樣息肉瘤。

NSAIDs可抑制腫瘤細胞生長、抑制血管生成和誘導腫瘤細胞凋亡。NSAIDs的抗腫瘤機制可能與其抑制COX活性、導致前列腺素合成減少有關。但迄今為止只是部分探明了它的作用機制。COX-2調節腫瘤細胞增殖和凋亡最可能的機制是通過與其下游的各種前列腺素及血栓素結合相應的受體（包括膜受體：G-蛋白偶聯受體和核內受體：PPARs）而發揮其相應的作用。此外，COX抑製劑對腦癌、頸癌及食道癌可能也有治療作用。

近年來，特異性COX-2抑製劑（如塞來昔布及羅非昔布）的陸續上市已對醫藥市場和臨床治療產生極大的影響。在藥品生產商和輿論的推動下，人們似乎已完全接受特異性COX-2抑製劑，並認為它將替代傳統的NSIADs。事實上，目前對COX-2尚存在不少疑問，例如目前已有部分研究證實COX-2對人體的正常生理機能同樣發揮著作用，而並非象以前所認為的只有在炎症、敗血症及細胞損傷等病理情況下才表達。那麼COX-2對機體正常生理活動究竟起著什麼樣的作用呢？另外，特異性COX-2抑製劑在減少傳統NSIADs胃腸道不良反應的同時，是否也會帶來其它的嚴重副作用？而目前已有一些臨床試驗發現特異性COX-2抑製劑可能增加患者心血管事件的危險性。再有，目前有研究提示可能人體內存在COX-3，那麼這種COX-3的作用是什麼，它與COX-1和COX-2的關係又如何？因此，從目前情況來看，有關COX的研究還遠未達到終點。

糖尿病及其併發症是一種慢性、低度炎症的觀點已經得到多數共識。諸多實驗與研究都已經證實，COX-2作為重要的炎症介質與糖尿病、DN的發生和發展關係密切。進一步尋找阻斷COX-2信號轉導途徑的干擾技術和研製針對性強的新型COX-2抑製劑都是今後研究的方向。