內質網應激與氧化應激在糖尿病周圍神經病變中研究進展

張天雅，張志紅，田佳鑫綜述，賁 瑩審校

0 引 言

糖尿病周圍神經病變(diabetic prepheral neuropathy，DPN)是糖尿病最常見的并發癥之一[1]。據2019年國際糖尿病聯合會給出的數據顯示，全球約4.5億人患糖尿病，我國患者約1.15億[2]。其中約50%的患者會發生DPN。DPN主要表現為從遠端向近端發展的神經損傷，早期足部或手部感覺纖維受損導致疼痛或麻木，后期可累及腳踝和小腿[3]，甚至出現足部潰瘍，導致患者截肢，生活質量下降，加重社會負擔。

DPN的致病機制復雜，是多種因素共同作用的結果，包括醛糖還原酶活性增加[4]，晚期糖基化[5]，蛋白激酶C活化[6]，神經營養因子缺乏[7]如維生素B12[8]、硝化-氧化應激[9]，內質網應激等。這些因素導致周圍神經系統的神經元、雪旺氏細胞凋亡[10]，使神經功能受損。其中氧化應激、內質網應激(endoplasmic reticulum stress, ERS)在DPN發生發展過程中起著重要作用。本文就氧化應激和ERS在DPN中的研究進展作一綜述。

1 ERS

內質網參與多種代謝過程如糖異生和脂質合成，在蛋白質合成、折疊、修飾和轉運、鈣離子的儲存、細胞信號的傳遞以及維持細胞鈣穩態起著重要的作用[11-13]。當蛋白質折疊錯誤超過閾值，內質網穩態失衡，誘發內質網應激反應[14]。許多研究證明ERS與神經退行性疾病和代謝綜合征有關[15]。高血糖、脂質異常、胰島素信號受損、氧化應激、鈣水平等因素均可誘導ERS，從而導致神經損傷[18]。其中未折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)是內質網動態平衡的關鍵之一，由三個信號傳感系統構成，分別為蛋白激酶R樣內質網調節激酶(PKR-like endoplasmic reticulum kinase，PERK)、肌醇需要激酶1(inositol-requiring enzyme-1，IRE-1)和活化轉錄因子-6(activating transcription factor 6，ATF-6)。

1.1 PERK途徑在ERS條件下，PERK與GRP78/Bip解聚，PERK激活elf2α使其磷酸化，從而抑制蛋白質翻譯，減輕內質網壓力，具有保護細胞的作用。PERK是UPR三個通路中首先被觸發的，其主要檢測內質網管腔內的未折疊蛋白，防止未折疊蛋白的進一步累積[16-17]。

研究表明，ORP150基因敲除誘導早期糖尿病大鼠發生DPN，也可使長期的糖尿病大鼠的DPN癥狀加重。而C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein，CHOP)敲除可改善長期糖尿病大鼠的DPN。CHOP/ORP150比值在糖尿病后期升高，加速細胞凋亡和DPN進程。所以，PERK下游的蛋白CHOP/ORP150比值與ERS中神經元凋亡的過程密切相關。CHOP損傷雪旺細胞和坐骨神經，ORP150則有保護神經的作用。證實了ERS參與DPN的進程[18]。有實驗證明，電針療法降低了糖尿病模型中大鼠的坐骨神經中的ERS標志物GRP78和凋亡標志物caspase-12，從而抑制了ERS，減輕病理損傷，減少細胞凋亡[19]。長期高血糖狀態誘發ERS是神經細胞凋亡的重要因素。在臨床實驗中，檢測2型糖尿病DPN患者周圍血血清發現，與對照組相比，低密度脂蛋白受體相關蛋白-1(low density lipoprotein receptor-related protein，LRP-1)顯著降低，CHOP的表達水平顯著升高，提示LRP1和CHOP可能與DPN有關，為疾病早期診斷提供了思路[20]。有研究發現，三甲胺-N-氧化物(trimethylamine N-oxide，TMAO)可通過促進正常蛋白質的折疊減輕STZ誘導的糖尿病大鼠坐骨神經中的內質網應激，減少坐骨神經中的CHOP、GRP78/Bip上調，證明糖尿病大鼠周圍神經中存在內質網應激，且雖然TMAO可減輕ERS和遠端神經的萎縮程度，但尚不能完全恢復受損神經的功能[15]。有學者在動物實驗和細胞實驗中發現，中藥糖絡寧可通過上調p-PERK和下調CHOP、Bax/Bcl-2和Caspase-3抑制糖尿病大鼠的細胞凋亡途徑，減輕內質網應激[21]。綜上所述，在長期高血糖水平的刺激下的內質網應激后期，CHOP的過表達會激活細胞的凋亡途徑，而針對CHOP的靶向治療可能對內質網應激引起的疾病如DPN有效。

1.2 IRE-1途徑在ERS嚴重的情況下， IRE-1激活JNK和caspase12誘導細胞凋亡[22]。這加重了DPN的神經損傷。Yao等[23]研究證明，鞘內注射IRE1siRNA可減輕ERS和高糖誘導的雪旺細胞凋亡率，抑制IREα改善大鼠坐骨神經脫髓鞘、神經損傷和傳導功能。雖然具體機制仍不確定，但為新的治療方法提供了思路。這也說明IRE-1在一定程度參與了DPN的發生和發展過程。

1.3 ATF-6途徑ATF-6途徑的相關研究目前較少，但有研究證明ATF6通路導致的ERS影響糖尿病其他病變如糖尿病腎病[24]、糖尿病心肌病[16]等。針對本通路和DPN的關系，還有較大的研究空間?？纱_定的是，ATF6確實參與了ERS，且ATF6α/β雙基因敲除可導致小鼠胚胎死亡，但原因尚不清楚[16]。

2 氧化應激

2.1 多元醇途徑中的氧化應激高糖條件下，多元醇途徑的葡萄糖通量增大，醛糖還原酶將其還原成山梨醇，山梨醇脫氫酶再將山梨醇氧化成果糖。此途徑可通過以下方式引起氧化應激：①在高糖條件下，大量葡萄糖在轉化成果糖的過程中消耗大量NADPH，導致GSH再生障礙使自由基清除能力下降。②山梨醇的增加使細胞內抗氧化物質和信號轉導物質流失[28]。經過醛糖還原酶抑制劑依帕司他的干預，DPN大鼠體內的一系列抗氧化酶的活性升高，有效抑制了醛糖還原酶的表達，減少活性氧的產生，起到保護周圍神經的作用[29]。另一實驗中，醛糖還原酶抑制劑CMTI可顯著影響多元醇途徑，減少模型大鼠坐骨神經內的山梨醇，和果糖轉化，從而減少氧化應激[30]。醛糖還原酶抑制劑由于阻斷了葡萄糖轉化為果糖的過程，也在一定程度上減少AGEs的產生和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)途徑的激活。在導致DPN的氧化應激機制中，目前多元醇途徑研究較多。但以多元醇途徑為靶點研究出的醛糖還原酶抑制劑在臨床三期實驗中并未取得理想效果[31]。這也提示我們尋找新的治療靶點的重要性。

2.2 氧化應激和晚期糖基化終末產物晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products，AGEs)生理情況下在細胞內外都存在，在高血糖條件下增多，多元醇和蛋白激酶C途徑也會增加AGEs，已經發現糖尿病患者的周圍神經和血管中存在AGEs的積聚。AGEs通過激活NF-κB通路導致炎癥因子、血管細胞黏附因子增加，并導致ROS增加，誘導氧化應激[32]。前期研究發現，AGEs可通過抑制Nrf2和sirt1的水平降低糖尿病患者體內的抗氧化能力。AGEs的受體RAGE在周圍神經的雪旺細胞和內皮細胞中表達，RAGE和AGEs的相互作用會產生ROS誘導氧化應激[33]。此外AGEs還能降低體內NO活性導致內皮和凝血活性的損害[34]。有學者認為氧化應激的源頭是晚期糖基化反應和抗氧化劑基因內的遺傳變異，AGEs引起的ROS增加導致周圍神經系統神經元和雪旺細胞凋亡，是糖尿病神經病變病理機制[35]。但目前尚無針對AGEs/RAGE的藥物在臨床應用。過去的研究顯示，維生素D可在糖尿病大鼠模型中通過AGEs途徑減少其沉積并改善全身ROS情況[36]。紫荊水醇提取物和山柰酚可同時減少糖尿病大鼠的氧化應激反應和AGEs的形成降糖，并逆轉部分周圍神經痛覺過敏，改善DPN病程[37]。

2.3 氧化應激和PKC途徑蛋白激酶 C(protein kinase C，PKC)家族包括多種亞型，作用各不相同，目前已知的至少達十種。PKC參與氧化應激、炎癥反應和細胞內的信號轉導，調節血管內皮素，導致血管內皮損傷，也可調節神經細胞的增殖，影響神經細胞的修復和凋亡，這使其與DPN密切相關。糖尿病患者體內長期高血糖可通過激活PKC，增加NADPH的激活，從而導致氧化應激和DPN[38]。PKCβ是蛋白激酶 C家族典型的成員之一，由高糖條件下產生的二酰甘油刺激其產生，最終可導致周圍神經病。

3 氧化應激和內質網應激的協同作用

研究發現，氧化應激和內質網應激均與DPN機制密切相關，且兩者一定程度上相互影響互為因果[14]。內質網的氧化蛋白折疊過程中二硫鍵的形成和高糖導致的內質網應激均使過氧化氫產生增多，誘發氧化應激。且內質網的氧化蛋白折疊和線粒體相關內質網膜聯系緊密，線粒體和內質網不僅在結構上存在接觸，二者間也存在著持續的能量運輸。二者之間的能量交換、氧化蛋白折疊和鈣離子通量都影響內質網分泌蛋白的產生。具體來說，許多內質網伴侶蛋白的生理功能的維持也依賴于線粒體產生的腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)供應，當蛋白折疊錯誤時會消耗更多葡萄糖，從而促使線粒體的氧化磷酸化，增加生成ATP并產生更多ROS達到應激水平。與此同時，鈣離子因未折疊或折疊錯誤的蛋白質的累積，從內質網轉移到胞漿中，這也刺激了線粒體產生ROS。大量證據表明，高糖誘發的內質網應激和氧化應激均在血管內皮細胞功能障礙中發揮作用，這說明兩者在DPN中存在[39-40]。一項重要研究稱，內質網與線粒體的接觸點決定著線粒體的復制、分裂和分布，這與線粒體DNA損傷、線粒體功能障礙有關，并對神經退行性疾病產生影響[41]。這間接證明了DPN中兩種應激可能相互聯系。研究顯示，中藥糖絡寧可減輕內質網應激的標志物PERK、CHOP水平和通過Nrf2/ARE通路改善氧化應激水平，同時降低二者導致DPN大鼠的神經細胞凋亡的程度，表明內質網應激和氧化應激在DPN中的共同病理作用[25]。NADPH氧化酶(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX)作為一種刺激細胞內活性氧物種產生的主要酶，廣泛表達于神經元、膠質細胞和血管內皮細胞。其過度表達在慢性高血糖條件下致使活性氧產生增多，最終導致DPN的發生。NOX存在許多種亞型，據報道其中NOX2和NOX4可激活內質網的三種跨膜蛋白，通過內質網應激誘導雪旺細胞凋亡和周圍神經病變[42]。ATF6誘導氧化應激基因編碼的蛋白質，毫無疑問其中過氧化氫酶減少活性氧的數量。有研究表明，在過氧化氫酶基因中發現了ERS反應元件，證明在心肌缺血/再灌注損傷(I/R)模型中心肌細胞中其可與ATF6結合，敲除I/R心肌細胞中的ATF6則增加ROS和細胞死亡[43]。這些研究均提示內質網應激與氧化應激在疾病損傷時具有協同作用。但目前，ATF6和ROS的關系在DPN領域中鮮有研究。

4 結 語

綜上所述，DPN是由多重機制共同作用導致的結果，各個機制間有所聯系，尤其內質網應激和氧化應激是其發展的過程中的核心環節。它們之間的作用途徑尚未完全明了，有待進一步深入探索，以期為DPN的治療提供新的研究靶點。