氧化應激及炎癥對糖尿病腎病的影響

閻婷婷，趙英政，易憲文，徐光翠

(1.新鄉醫學院公共衛生學院毒理學教研室，河南 新鄉 453003；2.南陽市第二人民醫院，河南 南陽 473200)

糖尿病是一種常見的具有遺傳傾向的葡萄糖代謝和內分泌障礙性疾病，可導致糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)、糖尿病視網膜病變及糖尿病周圍神經病變等微血管并發癥和周邊動脈疾病等大血管并發癥，其中DN是糖尿病患者晚期最嚴重的并發癥，由于長期不可逆的腎臟損傷而最終導致終末期腎衰竭，是糖尿病患者死亡的主要原因之一[1]。氧化應激是機體氧化和抗氧化系統自穩態失衡，導致活性氧(reactive oxygen species，ROS)產生過量，超過機體正常的清除能力，從而引起組織器官氧化損傷，特別是線粒體損傷[2]。DN患者腎臟組織中許多炎癥相關因子如細胞黏附因子、趨化因子和促炎因子表達增高[3]。研究顯示，氧化應激和炎癥參與了DN的發生及發展，氧化應激和炎癥是DN發病機制中的重要環節甚至是中心環節[4]。臨床研究顯示，抗炎抗氧化藥物能顯著降低DN患者尿白蛋白的排泄，并降低體內炎性相關因子腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和丙二醛(malondialdehyde，MDA)水平[5]，說明抗氧化劑對預防和治療DN有重要作用。因此，本綜述從DN的發病機制出發，探討氧化應激及炎癥對DN的影響，并進一步闡述抗氧化劑硫辛酸(alpha-lipoic acid，LA)在DN治療中的作用。

1 氧化應激與DN

高血糖是引起糖尿病及其并發癥的最主要因素，其中氧化應激是高血糖導致機體損傷的重要機制。機體在高血糖狀態下可通過2種途徑誘導氧化應激：(1)高血糖誘導自身氧化，這是體內ROS增多的主要原因；(2)誘導體內抗氧化酶糖基化[6]，這一過程導致體內抗氧化酶活性降低或消失。這2種途徑均與糖尿病患者的高血糖狀態緊密相關。高血糖刺激體內氧化應激反應加強，氧化應激狀態下常伴隨ROS水平升高，ROS比較復雜，包括氧自由基、非自由基的氧衍生物。研究表明，氧化應激可以損傷胰島β細胞，胰島β細胞是氧化應激的重要靶點[7]，該細胞內抗氧化酶如過氧化氫酶、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)等水平較低，因此，抗氧化能力差，對ROS較為敏感。ROS不僅可以直接損傷細胞中的DNA和蛋白質而促進胰島β細胞凋亡，還可作為信號分子參與調節胰島素分泌，從而間接抑制β細胞功能[8]。β細胞受損使胰島素分泌水平降低，分泌高峰延遲，影響對糖的處理能力，從而導致血糖波動加劇，因而出現難以控制的餐后高血糖(圖1)。高血糖與氧化應激之間形成惡性循環，導致組織細胞發生氧化損傷[9]。

圖1 氧化應激對糖尿病的影響

NAMAZI等[10]研究表明，DN的發生機制主要是由于強氧化應激狀態下大量ROS的參與。正常情況下，線粒體是產生和消除ROS的主要細胞器，機體90%以上的ROS由線粒體氧化呼吸鏈的“電子漏”產生，并能在線粒體中通過呼吸鏈底物端與呼吸鏈氧端的電子漏動態平衡來消除ROS；另外，體內炎性因子和細胞溶質酶的釋放也是引起ROS增多的重要因素[11]。糖尿病狀態下腎臟長期受慢性炎癥刺激，導致機體炎性因子水平增高，促進ROS生成，隨著氧自由基的過量產生，體內ROS與抗氧化酶的平衡被打破，從而引起線粒體損傷，包括線粒體呼吸鏈損傷及膜滲透性破壞，導致一系列的氧化應激反應。

細胞和動物實驗也證明了氧化應激是引起DN患者腎損傷的重要因素。SON等[12]在利用高濃度葡萄糖處理的腎細胞DN模型研究中發現，當腎細胞暴露于高血糖環境時會發生明顯的脂質過氧化及ROS增多，加入抗氧化劑干預后細胞的氧化應激狀態明顯減輕。高血糖情況下有利于活性氧的產生，過量的ROS在DN發病機制中發揮著重要的作用。ROS的產生與糖尿病并發癥的關系十分復雜，但目前一致認為其與糖尿病血管并發癥的病理機制有關，如晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products，AGEs)增多、蛋白激酶C及轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)激活均與ROS有密切的關系[13]。此外，動物模型研究也表明，在糖尿病及DN的發展中存在高水平的氧化應激[14]。因此，尋找合適的抗氧化劑對治療DN具有十分重要的意義。

2 線粒體損傷與DN

線粒體是真核細胞的重要細胞器，是機體能量代謝的中心。機體約80%～90%的三磷腺苷是通過線粒體內膜上電子傳遞鏈的氧化偶聯而產生，為生命活動提供最根本的能源支持。LOSCHEN[15]于1971年首次證明線粒體呼吸鏈可產生氧自由基，同時，線粒體是產生ROS的重要器官。糖尿病高血糖狀態可導致線粒體內膜電位差增大，形成內膜超極化，電子通過輔酶Q的傳遞使氧分子還原，產生大量的ROS。此外，線粒體內膜中富含高不飽和脂肪酸，易受ROS的攻擊，所以線粒體既是體內ROS產生的主要部位，又對ROS氧化損傷異常敏感[16]。機體高血糖狀態造成氧化應激與線粒體損傷的惡性循環。LA在線粒體中合成，可保護機體免受氧化應激的刺激。糖尿病時，高血糖刺激體內線粒體合成過多的ROS，機體氧化應激加重，抗氧化劑LA生成障礙，使得LA保護機體的作用減弱，導致腎臟損傷。有證據表明，細胞和線粒體ROS增多均與DN的發病機制有關，最終可導致腎小球肥大、足細胞凋亡、系膜基質擴張、炎癥細胞浸潤和線粒體功能障礙[17]。尤其當線粒體DNA生成減少，線粒體膜電位去極化和三磷腺苷產生減少等線粒體存活和自噬之間發生不平衡時易發生線粒體功能障礙[18]。

SHIMADA等[19]指出，線粒體受損可導致線粒體DNA發生氧化損傷，氧化的DNA釋放出線粒體后與細胞質中的核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(nucleotide binding and oligomerization domain-like receptor family pyrin domain-containing 3，NLRP3)炎性體結合，激活NLRP3炎性體。NLRP3炎性體激活機制包括2種途徑：(1)通過激活經典的核轉錄因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)炎癥信號通路，隨后介導NLRP3及其下游的炎性因子白細胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-18等表達增強；(2)由于活性氧損傷線粒體，導致線粒體發生DNA氧化損傷，激活NLRP3炎性小體[20]。有實驗表明，糖尿病患者的腎臟足細胞受到高濃度葡萄糖或AGEs刺激時，線粒體ROS產生增多，繼而激活NLRP3炎性體，而NLRP3炎性體與DN發生明顯相關。NLRP3炎性體激活腎小管上皮細胞的上皮-間質轉化，這是DN中與腎小管萎縮和間質纖維化相關的過程[21]。動物實驗也證明,當抑制糖尿病小鼠線粒體中ROS后，腎小球炎性體的活化減弱[22]。目前,關于ROS介導的線粒體功能障礙與糖尿病腎損傷的炎癥和纖維化過程尚需要進一步研究。

3 炎癥反應與DN

氧化應激和炎癥緊密相連，二者相互促進，是導致DN病情進展的重要原因。炎癥是細胞遭受外界刺激時的一種保護性反應，通過一系列炎癥反應過程，最終去除致病因子。但炎癥反應過于強烈或持久，將會對機體造成損傷。DN作為一種慢性炎癥已經被大家所熟知，長期的慢性炎癥刺激必然會引起腎損傷。

DN的發生與全身和局部炎癥相關。有研究表明，DN患者腎臟中ROS水平升高介導巨噬細胞的浸潤和炎癥細胞的募集，促使炎性因子IL-1β、IL-6、TNF-α、單核細胞趨化因子-1(monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)-1及TGF-β和NF-κB的產生，這些炎性因子在啟動糖尿病腎損傷中起關鍵作用[23]。有研究顯示，糖尿病大鼠模型的腎小球細胞和腎小管間質中MCP-1上調，同時在糖尿病患者的尿液以及腎組織活檢中發現MCP-1水平升高[24]。此外，DN的進展也與血漿中IL-6和TNF-α的水平相關。據報道，IL-6和TNF-α均能促進系膜細胞增殖，細胞外基質擴增，并通過ROS產生的正反饋回路增加內皮細胞通透性[25]。NF-κB是糖尿病炎癥反應起始的主要轉錄因子，DN患者腎臟中NF-κB表達增加，并出現腎小球系膜細胞增殖，系膜基質擴張和腎小球硬化。此外，NF-κB是一種重要的上游轉錄因子，可調節刺激黏附分子和促炎因子(包括MCP-1、TNF-α和IL-6)的表達[26]，此過程相互促進，加快DN的發生、發展。巨噬細胞抗原復合體-1(macrophage antigen complex-1,Mac-1)是最近鑒定的表面受體，與高血糖介導的細胞炎癥相呼應。YOON等[27]報道，終末期腎病患者粒細胞和單核細胞中Mac-1(CD11b/CD18)表達增加與血漿中MDA的升高及超氧化物和過氧化氫的產生有關，這表明氧化應激和炎癥之間存在密切聯系。

4 LA抗氧化抗炎作用對DN的保護機制

LA是在線粒體內由硫辛酸合成酶(lipoic acid synthase，LIAS)產生并參與多種代謝功能的天然抗氧化劑，LA通過清除體內多種自由基和還原其他抗氧化劑，在機體抗氧化系統扮演重要角色[28]。LA可抑制高血糖導致的氧化應激和線粒體功能失調造成的施萬細胞凋亡，并潛在地保護線粒體[29-30]。LA的獨特之處在于它具有良好的親水性和親脂性，在生物體內能很好地發揮作用。LA與其他抗氧化劑不同，其氧化及還原形式均能改善DN的癥狀，在醫學界有萬能抗氧化劑之稱[31]。

此外，LA作為體內必不可少的一些酶復合物的成分，在蛋白質、碳水化合物和脂肪酸的代謝中起主要作用。LA還通過增強其細胞運輸功能來調節血糖水平。除上述功能外，LA作為強抗氧化劑，還可清除細胞呼吸過程中產生的自由基[32]，硫醇為存在于LA中的基團，可與自由基反應，從而提高其抗氧化能力。GONZALEZPEREZ等[33]報道，LA可增加SOD和GSH的抗氧化能力，并能再生維生素E。因此，LA是一種抵抗ROS和自由基的天然抗氧化劑，在改善體內糖脂代謝以及減弱機體氧化應激方面起著至關重要的作用[34]。體外和體內研究表明，LA可以提高體內多種天然硫醇抗氧化劑水平[35]。據報道，以0.12 g·kg-1的劑量補充LA可逆轉大鼠肝細胞和心肌細胞的氧化應激[36]，以1、10、100、1 000 μmol·L-1LA處理人類淋巴細胞[37]以及應用LA對糖尿病大鼠進行腹腔內注射(10 mg·kg-1)[38]，均有顯著的抗氧化特性。此外，在其他涉及氧化應激的慢性疾病中，已經證實了給予LA可以減少ROS并能抑制氧化應激[39]。

LA不僅能減弱氧化應激，而且在抗炎方面也發揮著重要作用。LA應用于阿爾茨海默病[40]、心血管疾病[41]和2型糖尿病[42]等慢性疾病，均展現出較好的抗炎作用。有研究顯示，用H2O2處理大鼠胚胎成纖維細胞(rat embryonic fibroblasts，REF)時，細胞中TNF-α、IL-1β、IL-6等炎性因子的水平顯著增高，用H2O2和LA同時處理REF細胞后，細胞中炎性因子水平顯著降低[43]。轉錄因子NF-κB是機體發生有害刺激時重要的信號分子，當機體發生慢性炎性反應時NF-κB表達上調[44]。同樣的研究顯示，當REF細胞暴露于H2O2環境中時，細胞內NF-κB水平顯著升高；加用LA處理后REF細胞顯示出較低的NF-κB濃度[43]。這些結果表明，當機體發生氧化應激時，也伴隨著炎癥反應，抗氧化劑LA不僅可以減弱氧化應激，還能減輕炎癥反應，并能有效地中和過量的ROS。

LA在體內發揮作用與LIAS的表達密切相關[45]。有實驗表明，LIAS缺乏的糖尿病大鼠易出現微量白蛋白尿、腎小球基底膜增厚、系膜基質增多和血壓升高等，其與人DN有相似的癥狀[46]。WANG等[47]研究表明，LA可使糖尿病大鼠的血清和腎皮質中MDA水平降低而SOD活性升高，線粒體腫脹明顯減少,而線粒體膜電位顯著增加。臨床治療也顯示,給予糖尿病患者LA治療后，可顯著降低體內與氧化應激相關的指標，減輕DN，改善腎損傷[48]。臨床試驗顯示，LA是一種對糖尿病周圍神經炎有顯著療效的抗氧化劑[49]。

5 展望

DN是由于長期慢性高血糖刺激使得體內氧化應激反應增強，從而引起腎臟中ROS水平升高、線粒體功能障礙和抗氧化防御減弱，同時由ROS增多與線粒體損傷及炎癥之間互相影響、互相促進而導致的結果。應用抗氧化劑的同時抑制炎癥小體和減輕炎癥反應能夠對腎臟和血管起到保護作用。因此，除一般抗氧化治療措施外，還需進一步研究確定最佳的聯合治療方法，以預防和治療DN。