氧化應激與糖尿病腎病

景健飛

【摘要】糖尿病腎病（Diabetic nephropathy，DN）是糖尿病常見全身性微血管病變表現之一，而氧化應激對糖尿病腎病的發生發展具有重要意義。糖尿病引起代謝紊亂，導致自由基產生增多以及機體清除自由基機制減弱，使自由基蓄積，進而損傷腎臟組織，推動DN的發生發展。了解氧化應激在糖尿病腎病中的作用機制，為DN的防治提供了新的思路，本文綜述了氧化應激產生的主要途徑，及其造成腎組織損傷的機制等方面的研究進展。

【關鍵詞】氧化應激；糖尿病腎病；活性氧；抗氧化劑

【中圖分類號】R-1 【文獻標識碼】B 【文章編號】1671-8801（2014）04-0267-02

越來越多的實驗及臨床研究證實糖尿病情況下存在明顯的氧化應激（Oxidative stress）反應增強[1-2]。氧化應激反應中產生的活性氧 （Reactive oxygen species，ROS）在DN的發生發展上起關鍵作用，并可能是其主要發病機制之一[3]。本文主要對氧化應激與DN的關系進行概述。

1 氧化應激的概念

氧化應激指機體在受到各種有害刺激時，體內高活性物質如活性氧自由基（reactive oxygen species， ROS）和活性氮自由基（reactive nitrogen species， RNS）產生過多，氧化程度超出氧化物的清除，氧化系統和抗氧化系統失衡，從而導致組織損傷。因此，活性氧分子的生成增多和活性氧分子的清除減少是糖尿病患者發生氧化應激的基本過程。

2 氧化應激的形成機制

2.1 線粒體呼吸傳遞鏈

高糖引起線粒體超氧化物過量產生，加快ROS生成[4]。正常的氧化磷酸化會產生0.4%-4%的自由基（主要是超氧陰離子O2-），并被線粒體內的抗氧化物清除。高糖環境下，過多的燃料被投入到呼吸鏈，但沒有促進ATP的生成，而是促使電子向氧轉移，產生過多的O2-。當抗氧化物質如還原型谷胱甘肽（Glutathione，GSH）等不能提供有效的代償反應以維持細胞內氧化還原平衡，氧化應激隨之產生。用線粒體電子傳遞鏈復合體I的抑制劑Rotenone可有效阻斷系膜細胞中高糖誘導的ROS產生以及小管上皮細胞中纖連蛋白的分泌，提示由線粒體誘導的ROS在DN發病上發揮關鍵作用。

2.2 NADPH氧化酶

NADPH氧化酶最早在中心粒細胞內被發現，其通過產生O2-發揮吞噬及非特異性免疫作用。近年研究發現，血管平滑肌細胞、內皮細胞、系膜細胞、小管上皮細胞、纖維母細胞等非吞噬細胞亦含有上述酶類，并在正常情況下處于低表達水平，病理狀態下顯著升高。THALLAS-BONKE等[5]研究表明NADPH氧化酶抑制劑可有效抑制糖尿病大鼠腎組織中O2-的產生，減少蛋白尿和改善腎組織病理改變。證明NADPH氧化酶在糖尿病狀態下介導產生O2-的重要性。在糖尿病鼠腎臟中， NADPH氧化酶亞基NoX4和P22phox表達上調， NADPH氧化酶依賴的ROS產生可引起腎臟細胞DNA損傷，是糖尿病腎病的發展的重要原因。

2.3 蛋白激酶C（PKC）的激活

蛋白激酶C是普遍存在于胞內的專一性蛋白絲/蘇氨酸激酶簇，是ROS另一重要來源，也是糖尿病血管并發癥重要病理生理鏈中的匯聚焦點和關鍵環節。細胞內高糖狀態使磷酸二羥丙酮增多，二酰基甘油（DAG）增加，激活PKC多個亞型，進而活化細胞增加還原型輔酶（ II ）氧化酶，誘導ROS的合成，與此同時，PKC富含氧化還原敏感的半胱氨酸域，其調節域中的C1有Zn巰基，對活性氧簇極為敏感，因此ROS可反過來再活化蛋白激酶C，從而使ROS的產生進一步增加。體外研究[6]表明抑制PKC的活化可以顯著改善糖尿病和高糖對血管內皮功能的損傷。

2.4 蛋白非酶糖基化

AGEs可通過使蛋白質非酶糖化和交聯，改變細胞外基質結構的受體非依賴性途徑，與細胞表面特異性受體結合而調節細胞功能的受體依賴性途徑引起細胞組織損傷。AGEs還可通過與其受體RAGE或AGEs結合蛋白相互作用，干擾腎小球、腎小管細胞的分化、生成和作用受損，導致糖尿病腎病的發生發展。晚期糖基化過程能夠直接發生在抗氧化酶[7]，如Cu/Zn-SOD和Mn-SOD，改變這些酶的活性并加劇ROS在細胞內積聚。另外AGEs在腎臟組織積聚是導致糖尿病腎病發生、發展的重要因素[8]。

2.5 腎內活性氧清除減少

人體存在兩類抗氧化系統：一是酶抗氧化系統，包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathi-one peroxidase，GPX）、過氧化氫酶（catalase，CAT）等；另一類是非酶抗氧化系統，包括維生素C、維生素E、谷胱甘肽（GSH）、硫辛酸、褪黑素、類胡蘿卜素、微量元素銅、鋅、硒等。DM早期，在高血糖刺激下，腎組織部分抗氧化酶的活性代償性增高，但隨著DM病程延長及病情發展，部分抗氧化酶活性逐漸降低，NADPH、GSH水平降低，腎組織對維生素C等利用減少，促使體內抗氧化能力下降，最終導致腎組織內氧化應激的發生。

3 氧化應激致腎組織損傷的機制

3.1 氧化應激對腎臟足細胞的損傷

ROS使屬于終末分化階段的足細胞正常結構破壞、消失，受損后缺乏增殖再生的修復能力，腎小球濾過膜完整性被破壞，導致蛋白尿發生。Katalin等[9]研究發現高血糖引起的ROS增加使足細胞凋亡增加。另外有學者發現ROS可導致足細胞內硫酸肝素成分合成減少，造成腎小球基底膜上陰電荷的喪失，加重蛋白尿。

3.2 氧化應激對腎臟細胞外基質的影響

細胞外基質產生增多和/或清除減少而導致的腎小球基底膜增厚、系膜區增寬及間質纖維化是DN特征性的病理改變。ROS可刺激轉化生長因子β（Transforming growth factor-beta，TGF-β）的信號通路。TGF-β是一種多功能細胞因子，通過細胞表面的復雜受體信號傳導途徑調節細胞的增殖、分化，一方面可上調膠原mRNA表達，增加膠原蛋白組織合成，一方面通過減少基質金屬蛋白酶表達以及促進纖溶酶原激活劑抑制物合成來減少細胞外基質的降解，使腎小球細胞外基質沉積。Rhyu等[10]研究抗氧化劑同樣能減輕腎小管上皮間質轉化， 提示ROS在糖尿病腎小管間質纖維化中也起了重要作用。

3.3 ROS對腎小球血管通透性及血流動力學的影響

研究證明ROS可攻擊體內不飽和脂肪酸，通過脂質過氧化反應，生成過氧化產物丙二醛（MDA）及短鏈羥基，MDA有很強的交連性，能與含有游離堿基的蛋白質發生交聯，生成scKiff堿基產物，該產物破壞腎組織細胞膜生理狀態，使血管通透性增加。另外，ROS可直接刺激腎小管上皮細胞中血管緊張素II大量表達，導致腎小球內高壓的形成。王揚天等[11]研究表明，高糖引發的氧化應激通過激活核因子κB（ nuclear factor-kappa B， NF-κκB），促進誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase， iNOS）的過度表達， 最終導致一氧化氮（NO）的大量產生。NO是重要的血管內皮舒張因子， 能介導腎小球內高灌注、高濾過的發生，本身又是很強的自由基， 可與超氧陰離子反應形成毒性更強的過氧化亞硝基，，對細胞造成直接毒性作用甚至誘導細胞凋亡。

3.4 ROS與腎組織炎癥的關系

炎癥參與DN的發生發展，是DN研究領域的重要話題。高糖、氧化應激、血流動力學障礙等因素造成腎臟細胞損傷后，釋放炎性趨化因子，使白細胞濾出到損傷部位并活化，如不予治療，隨著濾出的白細胞增多，局部增殖活化釋放更多的炎癥趨化因子，進一步加重炎癥的發生。研究表明[12]氧化應激可以增加TGF-β、結締組織生長因子（CTG F）、白介素類、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）等細胞因子的產生，促進炎癥發展及腎臟損傷。

4 抗氧化劑的使用

大量動物實驗和部分臨床實驗表明，多種抗氧化物質如維生素E、谷胱甘肽、褪黑素、α-硫辛酸、蝦青素、新鮮大蒜、紅酒等能有效拮抗糖尿病中的氧化損傷，此外，一些用于其他治療目的的藥物也被證實具有抗氧化作用，并減少糖尿病腎病尿蛋白排泄。如格列齊特可清除自由基并使糖尿病鼠M n-SOD、內皮型一氧化氮及NADPH酶表達增加，從而降低氧化應激水平，減輕腎小球巨噬細胞浸潤及系膜細胞擴張；鈣離子阻滯劑可降低暴露于AGEs中的腎臟系膜細胞RAGE表達水平，進而減少ROS的產生；ARB類藥物可通過減少8-OHdG和NT的表達，提高血清SOD活性，提高機體抗氧化能力。然而在最近的研究中，抗氧化治療的成效并不引人矚目，有研究[13]指出靶向治療與ROS密切相關的酶似乎會更加有效。

5 結語

總之，氧化應激在糖尿病腎病的發生發展中起著重要的作用，抗氧化劑的應用是減輕腎臟損傷、延緩糖尿病腎病發展的重要手段，且具有很大的發展潛力。

參考文獻：

[1]Sayed MR， Iman MM， Dawlat AS. Biochemical changes in experimental diabetes before and after treatment with mangifera indica and psidium guava extracts [J]. Int J Pharm Biomed Sci， 2011， 2（2）： 29-41.

[2]PAN H Z，ZHANG L，GUO M Y， et al. The oxidative stress status in diabetes mellitus and diabetic nephropathy [J]. Acta Diabetol， 2010， 47（suppl 1）： 71-76.

[3]Jeong SI， Kim SJ， Kwon TH， et al. Schizandrin prevents damage of murine mesangial cells via blocking NSDPH oxidase-induced ROS signaling in high glucose [J]. Food Chem Toxicol ， 2012， 50（3/4）： 1045-1053.

[4]POLLOCK J S， POLLOCK D M， Endothelin， nitric oxide， and reactive oxygen species in diabetic kidney disease [J]. Contrib Nephrol， 2011，172： 149-159.

[5]THALLAS-BONKE V， COUGHLAN M T， BACH L A， et al. Preservation of kidney function with combined inhibiton of NADPH oxidase and angiotensin-converting enzyme in diabetic nephropathy [J]. Am J Nephrol. 2010， 32（1）： 73-82.

[6]WU D， PENG F， ZHANG B， et al. PKC-betal mediates glucose-induced Akt activation and TGF-betal upregulation in mesangial cells [J]. J Am Soe Nephrol， 2009， 20（3）： 554-566.

[7]THUILLIER R， TILLEMENT J P， HAUET T. Renal protective effect of metabolic therapy in patients with coronary artery disease and diabetes： from bench to bed side [J]. Cure Pharm Des. 2009， 15（8）： 863-882.

[8]Tesch GH， Lim AKH. Recent insights into diabetic renal injury from the db/db mouse model of type 2 diabetic nephropathy. American Journal of Physiology. 2011； 300（2）： F301–F310.

[9]Katalin Susztak， Amanda C， Raff， Mario Schiffer， et al. Glucose-induced Reactive Oxygen species Cause Apoptosis of Podocytes and Podocyte Depletion at the Onset of Diabetic Nephropathy [J]. Diabetes， 2006， 55： 225-233.

[10]Rhyu DY， Yang YQ， Ha H J， et al. Role of reactive oxygen species in TGF-β1-induced mitogen-activated protein kinase activation and epithelia mesenchymal transition in renal tubular epithelial cells [J]. J Am Soc Nephrol， 2005， 16（ 3）： 667-675.

[11]王揚天， 趙 明， 狄紅杰. 糖尿病大鼠腎病變過程中核因子КB及誘導型一氧化氮合酶的表達 [J]. 醫學研究生學報， 2006， 19（5）： 416-419.

[12]Xiao H， Li Y， Qi J， et a1. Peroxynitrite plays a key role in glomerular lesions in diabetic rats [J]. J Nephrol， 2009， 22（6）： 800-808.

[13]Altenhofer S， Kleikers PW， Radermacher KA， et al. The NOX toolbox： validating the role of NADPH oxidases in physiology and disease. Cellular and Molecular Life Sciences. 2012， 69： 2327–2343