在多种组织中研究发现，过度的机械力刺激能激活细胞的氧化应激系统，产生大量的过氧化产物，引起细胞的氧化应激损伤。然而，人体在进化过程中获得了防御这些损害的功能，机体氧化系统被激活的同时，抗氧化系统也相应地被激活，从而使细胞抵御氧化应激损害。

转录因子NF-E2相关因子2(Nrf2)是细胞抗氧化反应的中枢调节者，生理情况下其活性处于相对抑制状态，在应激源的作用下，Nrf2转移入核，启动抗氧化基因及Ⅱ相解毒酶的转录，调节许多细胞保护蛋白的表达，使细胞抵抗氧化应激损伤。

转录因子NF-E2相关因子2(NF-E2-related factor 2，Nrf2)，具有一个高度保守的碱性亮氨酸结构域，属于CNC-bZIP (cap‘n’collar subfamily of basic leucine -zipper)家族。Nrf2几乎在所有组织中均有表达，不影响人体的生长发育过程。Nrf2基因有6个功能区，即环氧氯丙烷ECH同源结构域(Nrf2-ECH homology), 分别被命名为Neh1至Neh6。①Neh1区含有一个CNC类型的碱性亮氨酸拉链结构bZIP，bZIP与小Maf蛋白(small Mafproteins，包括MafG、MafK、MafF)形成异二聚体，识别ARE上的DNA序列(GCTGAGTCA)并与之结合，启动目的基因的转录^[1]。此外，该区还含有功能性的核定位信号(nuclear localization signal, NLS)和核输出信号(nuclear export signal, NES), 在Nrf2的核定位和降解中起重要作用。②Neh2区是Nrf2与胞质蛋白Keap1结合区，Neh2上的ETGE基序在这一过程中起重要作用，ETGE缺失或突变会解除Nrf2-Keap1的相互作用^[2]。③xNeh3的C-端对Nrf2的转录活性是必不可少的^[3]，通过与染色质解螺旋酶DNA结合蛋白6(chromodomain helicase DNA-binding protein 6, CHD6)相互作用激活Nrf2的转录。④Neh1与Neh2之间有2个独立激活区Neh4和Neh5，其富含酸性氨基酸残基，Neh 4和Neh 5与共激活因子CREB结合蛋白CBP [CAMP-response element; binding protein (CREB)，CBP]结合促使CBP协同参与对Nrf2目标基因转录活性的激活^[4]。⑤Neh6区富含丝氨酸残基，与Nrf2氧化还原非依赖的负性调节作用相关，其功能目前尚不清楚。

氧化应激是指机体遭遇多种因素刺激以后，体内活性氧(reactive oxygen species, ROS)产生过多，超过机体的抗氧化防御能力，引起氧化-抗氧化平衡失调，脂质、蛋白质、核酸等遭遇氧化损伤引起机体生命活动失调时的一种应激状态。ROS主要包括超氧阴离子(O₂^-)、羟自由基(OH^-)、过氧化氢(H₂O₂)、一氧化氮(NO)等，适量的ROS在体内可充当信号递质调节细胞功能，发挥积极作用，过量蓄积则直接导致氧化损伤。体内抗氧化防御体系主要由超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、过氧化氢酶(CAT)及抗氧化物质(如维生素C、维生素E)等组成，可及时清除过量的ROS，维持氧化-抗氧化平衡。抗氧化系统可直接调节氧化应激水平。

Nrf2是CNC转录因子家族中活性最强的转录调节因子，能与抗氧化反应元件ARE相互作用。ARE是一个特异性的DNA-启动子结合序列，Nrf2与ARE的结合能调控依赖ARE的Ⅱ相解毒酶基因和抗氧化基因的转录，包括谷胱甘肽S转移酶(GSTs)、Gpx、过氧化物酶Ⅰ、SOD、谷氨酸半胱氨酸连接酶(GCL)、CAT、血红素氧合酶(HO-1)、NADPH、醌氧化还原酶(NQO1)等，清除ROS，调节氧化应激水平，帮助细胞对抗氧化和化学损伤，维持细胞稳态及正常功能。Kobayashi等认为Nrf2是调控细胞对外来异物和氧化应激损伤的关键因子，其缺失或激活障碍会引起抗氧化基因表达减少，细胞对应激源的敏感性增高，与化学促癌的发生、炎症修复进程延长、细胞凋亡等病变过程密切相关^[5]。相反，Nrf2的过度表达能保护细胞免受H₂O₂、NO、谷氨酸盐等引起的氧化应激损伤^[6]。

研究发现，许多因素可影响Nrf2的表达，Keap1是其主要的调节因子，Nrf2和Keap1均含有半胱氨酸残基，Keap1的半胱氨酸残基可与ARE诱导物相互作用。正常生理情况下，细胞氧化还原状态稳定，大部分Nrf2与Keap1结合，通过Keap1与胞质肌动蛋白的结合锚定于胞质，被泛素化连接酶泛素化，促进泛素蛋白酶体(Cul3 E3)降解Nrf2，维持Nrf2的基础水平。另一部分Nrf2以其活性形式存在于细胞核中介导基因的基本转录。当细胞受到亲电子物质或者氧化剂的作用引起机体氧化-还原失衡，通过细胞内信号转导途径激活Keap1，使其半胱氨酸残基被修饰，使E3泛素化连接酶构象改变，Nrf2的泛素化作用消除或减弱，导致其磷酸化，从而与Keap1解耦联，转移入核并与肌腱膜纤维肉瘤蛋白(musculoaponeurotic fibrosarcoma protein, Maf)结合^[7]。Maf是Nrf2形成异二聚体的伴侣分子，Nrf2与Maf蛋白的结合是Nrf2识别并结合ARE上DNA序列的分子基础^[8]。Nrf2-Maf-ARE的结合启动Ⅱ相解毒酶及抗氧化蛋白的基因转录，调节许多细胞保护蛋白质的表达，提高机体的抗氧化应激能力。当细胞内恢复氧化还原平衡时，Nrf2即与ARE解离，Nrf2离开胞核进入胞质，通过E3泛素化连接酶降解，维持Nrf2的低水平。

在多种组织中研究发现，过度的机械力环境能激活细胞的氧化应激系统，产生大量的过氧化产物，引起细胞的氧化应激损伤。但与此同时，细胞的抗氧化系统也被激活，从而保护细胞免受氧化应激的损伤。研究发现，多种因子参与了此过程，其中Nrf2在此过程中起重要作用。

血液循环过程中，血管内皮细胞一直处于血流动力学产生的剪应力和循环机械张力环境中。血液流动产生的剪应力和循环机械张力在血管内皮细胞ROS和RNS的产生中起重要作用。Godbole等^{[9, 10]}研究发现，流体剪应力能激活血管内皮细胞NADPH氧化酶、黄嘌呤氧化酶、eNOS以及平滑肌细胞的iNOS促进O₂^-和NO的产生，引起血管的氧化应激损伤。Warabi等^[11-13]对脐静脉内皮细胞的研究中发现，脉动的层流剪应力(PLSS)能诱导抗氧化酶如HO-1，GCLM, GCLC, NQO1的基因表达，Nrf2在此过程中起重要作用。在PLSS作用下，Nrf2大量积聚并向核内转移诱导Nrf2调节的细胞保护基因的表达，当对脐静脉内皮细胞进行Nrf2基因沉默以后GCLM的高表达明显被抑制，同样对Nrf2基因缺陷小鼠内皮细胞的研究中发现PLSS作用下其细胞保护基因没有被诱导，由此可见，机械张力能够诱导Nrf2调节的抗氧化基因和其他消除机械力诱导的ROS生成增加的基因表达从而对细胞起保护作用，Papaiahgari^[14]和Wagner^[15]等亦得出相同的结论。Liu等^[16]研究发现，生理水平的循环张力通过ROS-Nrf2信号通路刺激血管内皮细胞抗氧化基因HO-1的表达，从而抑制其细胞凋亡，保护细胞免受氧化应激损伤。机械力刺激抗氧化基因HO-1的表达依赖ROS的产生和Nrf2的调节，ARE的改变能抑制机械力的启动效应，由此可见，ARE在此过程中起重要作用。尽管多个转录因子能与ARE结合，但Nrf2在ARE依赖的HO-1基因的表达中起主要作用^[17]。Hosoya^[18]研究发现稳定的层流剪应力能增强Nrf2结合到NQO1的调节区域, 这些结果说明Nrf2在机械力作用下上调细胞保护基因是必不可少的。同样，Nioi等^{[19, 20]}研究发现，Nrf2能够与许多抗氧化基因启动子区域的ARE结合，诱导NQO1的表达，调节约70%的剪切应力诱导基因定位于血管内皮细胞。与此相反，Lee等^[21]研究发现，振动剪应力(OSS)能够诱导Nrf2与Ⅰ型组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)结合，导致Nrf2脱乙酰，抑制Nrf2结合于NQO1 ARE，抑制NQO1的表达。Sun等^[22]亦研究发现，Nrf2乙酰化后其抗氧化反应中的DNA结合活性明显增加。由此可见，血液循环系统中，不同的机械力对Nrf2的调节作用不同，但除了振动剪应力，脉动剪应力和循环机械张力均在激活细胞的氧化应激系统引起细胞损伤的同时激活Nrf2，诱导抗氧化酶和蛋白的基因转录，保护细胞免受氧化应激损伤。

在呼吸系统的研究中发现，呼吸机相关性肺损伤(VILI)是由机械通气过程中过度的机械张力作用于肺泡和肺血管，引起促炎性因子释放以及多器官功能障碍的一种机械性损伤^[23]。研究发现，氧化应激失衡参与VILI的发生。机械通气过程中，周期性机械张力反复作用于肺内皮和肺实质，导致肺内皮细胞和上皮细胞产生ROS，引起氧化应激失衡，肺内细胞抗氧化活性下降，氧化损伤明显加强^[24-28]。Papaiahgari等^[29]用急性机械通气诱导小鼠VILI模型探讨Nrf2在VILI发病机制中的作用。他们研究发现，Nrf2基因敲除(Nrf2^-/-)的小鼠在机械通气作用下肺泡和肺血管通透性以及炎性反应均明显强于Nrf2基因表达(Nrf2^+/+)的小鼠。Nrf2缺乏明显增强多种促炎性细胞因子参与VILI的发病。Nrf2^-/-小鼠机械通气作用下肺组织氧化应激失衡，多种主要的抗氧化酶表达明显减弱，当补充抗氧化剂后其VILI的发病明显减弱。Nrf2^-/-小鼠VILI病情明显重于Nrf2^+/+小鼠。由此可见，Nrf2在VILI的发病中起重要作用，通过调节氧化应激平衡对细胞起保护作用。支气管哮喘是一种伴有气流受限和气道高反应性的呼吸系统疾病，支气管平滑肌的过度收缩力引起哮喘的组织病理改变，导致气道狭窄，促进细胞外基质(ECM)的重构。由此可见，机械力学因素与支气管哮喘的发病机制有关。近年研究发现，氧化应激也参与哮喘的发病。An等^[30]研究发现，支气管平滑肌的收缩能诱导Nrf2调节基因的表达，包括GCLC, GCLM以及HO-1，Nrf2信号通路激活剂能明显诱导上述抗氧化以及细胞保护基因的表达。

牙齿在咀嚼、病理性咬合创伤以及矫形过程中都会产生机械力，使牙周、牙髓产生机械性损伤、炎性反应以及循环障碍。牙齿矫形过程中的机械力作用能降低牙髓质的呼吸速率，促进细胞凋亡、组织损伤，引起炎症，组织纤维化以及血液循环障碍^{[31, 32]}。Lee等^{[33, 34]}研究发现，机械力作用于牙髓质细胞能促进炎性细胞因子以及抗氧化基因如HO-1、SOD、NQO1、GPX的表达，激活细胞的氧化应激系统，使ROS产生增加。与此同时，细胞产生的ROS能明显的激活Nrf2并促进Nrf2的核转移及蛋白表达。当给予HO-1抑制剂处理以后，机械力诱导的ROS的产生、ARE的基因表达、Nrf2的核募集作用明显被抑制，证明机械力能激活炎性细胞因子以及氧化应激系统，并促进Nrf2/ARE调节的抗氧化酶的表达。HO-1信号通路是牙髓质细胞和牙周韧带成纤维细胞在机械力作用下产生适应性改变的关键分子机制，机械力通过HO-1信号通路促进牙髓质细胞的细胞分化从而对牙齿起保护作用。由此可见，Nrf2抗氧化系统对机械力作用下的牙髓质细胞具有保护作用。

氧化应激是力学相关性疾病引起细胞损伤的重要机制。Nrf2信号通路是近几年氧化应激领域的研究热点，是细胞抗氧化反应的中枢调节者。Nrf2通过与Keap1、ARE等相互作用启动抗氧化基因及Ⅱ相解毒酶的转录，调节许多细胞保护蛋白质的表达，保护细胞免受氧化应激损伤。通过对Nrf2抗氧化作用在力学相关性疾病中作用机制的研究，可为力学相关性疾病的预防和治疗提供新思路。