基于氧化應激探討中藥單體治療糖尿病足潰瘍研究進展*

王向陽,崔炎,張榜,宋明坤

1.河南中醫藥大學,河南 鄭州 450046; 2.河南中醫藥大學第一附屬醫院,河南 鄭州 450000

目前,糖尿病已成為全球范圍內流行的慢性代謝性疾病。國際糖尿病聯合會數據顯示,2021年全球有5.37億成年人(20～79歲)患有糖尿病,占比10.5%,預計到2030年這一數字將上升到6.43億,占比11.3%,2045年將上升到7.83億,占比12.2%[1]。糖尿病足潰瘍為糖尿病常見并發癥,由血管和神經病理損傷引起,是導致糖尿病患者截肢和死亡的主要原因[2],約15%的糖尿病患者患有糖尿病足潰瘍,而其中14%～24%的患者需進行下肢截肢,糖尿病足潰瘍已成為非創傷性下肢截肢的主要原因[3]。糖尿病足潰瘍的病因及發病機制復雜[4],治療指南推薦清創、感染管理、血運重建和減壓以促進愈合,但療效參差不齊,其截肢率和病死率仍然很高,截肢后5年病死率為50%～59%[5],因此,迫切需要尋找新型的、更有效的藥物或治療靶點改善糖尿病足潰瘍病程,加速創面愈合。氧化應激作為一個生理過程,在合理的氧化水平下可促進傷口愈合[6],但在糖尿病足潰瘍中,活性氧水平和抗氧化酶之間不平衡時[7],病理性氧化應激不僅會損害傷口愈合的炎癥、增殖和重塑期,使每個階段都無法有序進行,還會導致血管、神經病變或局部感染,最終使病情惡化[8]。

隨著中醫藥研究的進展,中藥分子藥理學進一步受到關注,中藥單體可促進氧化還原反應的平衡,在防治糖尿病足潰瘍中具有顯著優勢,已成為當下研究的熱點。本文以糖尿病足潰瘍病理機制中導致活性氧水平升高的微觀途徑為治療靶點,以現代中藥藥理學為基礎,基于氧化應激途徑探討中藥單體治療糖尿病足潰瘍的研究進展。

1 氧化應激

氧化應激是指機體在內外環境有害刺激的條件下,體內產生活性氧自由基和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)自由基所引起的細胞和組織的生理、病理反應。所有生物體都會通過細胞代謝產生活性氧[9]。盡管生物體中存在抗氧化防御系統,如酶、蛋白質和維生素C等,但在應激狀態下,體內氧自由基的產生速率超過了體內抗氧化系統的清除速率,導致活性氧(包括超氧陰離子、羥基自由基、一氧化碳自由基、過氧化氫等)大量積累,產生氧化應激[10]。活性氧主要來源于細胞內,如線粒體和NADPH氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,NOX),且能相互作用,促進氧化應激的進展[11],其他來源包括黃嘌呤氧化酶、未耦合的一氧化氮合酶、細胞色素P450、過氧化物酶和環氧合酶等[12-13]。活性氧具有雙重作用,首先,作為機體穩態代償反應的激活劑,當活性氧的生成與身體解毒或修復能力之間的不平衡導致其依賴性損傷水平增加時,細胞和生物體會加劇氧化應激,破壞蛋白質、脂質和核酸等大分子[14-15],影響著機體炎癥、細胞增殖和死亡等生物過程[16]。在傷口愈合過程中,活性氧水平升高,在激活生存途徑及防御入侵微生物方面發揮著關鍵作用。活性氧的過量產生和抗氧化防御的降低是糖尿病足潰瘍慢性不愈合的主要原因之一[17]。因此,從分子途徑抑制糖尿病足潰瘍病理機制中的活性氧水平是一個有重要意義的治療靶點。

2 氧化應激與糖尿病足潰瘍的相關性

在正常情況下,傷口愈合主要有炎癥、增殖和重塑3個階段[18],這些階段在糖尿病足潰瘍患者中被不同程度地延長,使得傷口愈合過程減慢甚至停滯。在生理濃度下,活性氧作為重要的第二信使,轉導參與各種生物過程的細胞內信號,當活性氧的異常產生超過抗氧化防御系統的緩沖能力或當抗氧化酶有缺陷時,就會產生過量的氧化應激[19-20]。研究表明,氧化應激是糖尿病足潰瘍發生機制的重要因素之一[21]。

2.1 氧化應激與糖尿病足潰瘍炎癥期在高血糖條件下,傷口愈合階段緩慢甚至停滯,特別是在炎癥期,慢性糖尿病足潰瘍的發生率更高[22]。過度的氧化應激觸發促炎介質的釋放并引發炎癥級聯反應,其特征性表現是促炎細胞因子表達增加和炎癥細胞浸潤[23-24]。糖尿病足潰瘍的一系列病理變化與活性氧具有重要相關性。活性氧是細胞代謝的生物產物,在糖尿病中,由于葡萄糖氧化水平高,線粒體高度產生活性氧[25]。活性氧抑制甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH),導致甘油醛-3-磷酸的積累,甘油醛-3-磷酸參與晚期糖基化終末產物(advanced glycation end-products,AGEs)的活化和形成[26],AGEs在內皮細胞中被晚期糖基化終產物(the receptor of advanced glycation endproducts,RAGE)識別后,加速細胞中的氧化應激,并通過調節下游細胞內核轉錄因子-κB (nuclear factor-κB,NF-κB),誘導活性氧、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素-1α(interleukin-1α,IL-1α)等大量表達,參與炎癥反應[27]。巨噬細胞具有多樣性和可塑性,但在高度的氧化應激下,巨噬細胞停留在與促炎活性相關的M1表型中,并且在向傷口抗炎和促進愈合活性相關的M2表型極化時受到阻礙[28]。

2.2 氧化應激與糖尿病足潰瘍增殖期在增殖期,氧化應激反應會損害內皮細胞、角質形成細胞和成纖維細胞,減少其增殖、遷移和分化,減緩組織血管的再生,造成潰瘍難以愈合[29]。內皮功能障礙是造成糖尿病足潰瘍傷口難以愈合的關鍵因素之一[30],主要依賴于內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)功能和活性,在生理條件下,血管一氧化氮主要由eNOS產生,在調節血管張力、維持血液流動性、調節炎癥和免疫反應以及新生血管形成等方面發揮著重要作用[31]。持續的氧化應激誘導eNOS 解偶聯,并轉移分子氧產生超氧化物而不是一氧化氮,造成一氧化氮生物利用度降低,且與超氧化物陰離子自由基反應,導致細胞毒性氧化劑過氧亞硝酸鹽(peroxynitrite,ONOO-)的形成,標志著內皮功能障礙發生[32]。反過來,ONOO-可促進蛋白質硝化,并導致內皮細胞功能障礙和死亡[33]。同時,持續的高血糖致使AGE、RAGE、多元醇途徑、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC) 活化途徑和己糖胺途徑表達增加,從而誘導活性氧產生并致內皮功能障礙[34]。在糖尿病足潰瘍中,過度的氧化應激也阻礙了成纖維細胞的增殖和分化[35]。

2.3 氧化應激與糖尿病足潰瘍重塑期在血管重塑期,由于過度的氧化應激和持續的炎癥反應,膠原生成顯著減少[36],細胞外基質降解增加并產生高水平的基質金屬蛋白酶(matrixmetalloproteinases,MMPs)和低水平的生長因子,如轉化生長因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1),糖尿病患者創面MMP-9活性較高,細胞外基質(extracellularmatrix,ECM)降解和皮膚再上皮化受損,可抑制傷口重塑過程并延遲潰瘍愈合[37-38]。

綜上,正常生理狀態下,組織損傷會啟動傷口愈合機制,愈合一般包括3個階段,各階段無確切邊界,在時間、空間上重疊,免疫細胞、信號分子、生長因子和血管系統之間相互作用,但是當潛在的病理機制如高血糖引起的氧化應激阻礙了傷口愈合的進程,則變成慢性難愈合性潰瘍。

3 基于氧化應激探討中藥單體對糖尿病足潰瘍的治療

現代研究表明,許多中藥及其生物活性化合物都含有豐富的抗氧化劑,如黃酮類、酚類、萜烯類、多糖類、皂苷類、生物堿等,具有多效性,可誘導膠原蛋白合成、遷移和上皮再上皮化及抗菌、抗炎和免疫調節。

本文總結了中藥單體抗氧化應激活性用于治療糖尿病足潰瘍的研究進展,以期為中藥生物活性化合物的作用研究提供有力的證據支持。

3.1 多酚類許多中藥都含有多酚,其抗氧化機制主要與酚羥基的供氫體有關,氫供體能夠與自由基結合,終止自由基的鏈式反應[39-40]。多酚有酚酸、類黃酮、二苯乙烯和木脂素4個主要亞類,通過自由基清除、抗氧化、抗炎和抗細胞凋亡等發揮治療作用[41-42]。多酚類中藥單體基于氧化應激途徑干預細胞因子、炎癥因子或信號通路等對糖尿病足潰瘍愈合進程具有重要的意義。

茶多酚是茶葉中酚類及其衍生物的總稱,不僅可以通過激活Kelch樣ECH相關蛋白1/核因子E2相關因子2(Kelch-like ECH-associated protein-1/nuclear factor E2-related factor 2,Keap1/Nrf2)信號通路對自由基發揮有效的清除作用[43],還能抑制體內的氧化酶系統,如NADPH氧化酶,減少血管內皮中活性氧的產生,減少應激反應[40]。中藥丹參因高含量多酚而被廣泛應用,主要包括酚酸和類黃酮[44]。丹參酸是酚酸的另一種活性,丹酚酸A通過激活Nrf2/HO-1和Akt/mTORC1信號通路,可改善缺血再灌注誘導損傷的氧化[45]。丹參酸B通過抑制內皮通透性以及MAPK和NF-κB信號通路來保護內皮細胞免受氧化應激損傷從而促進傷口的愈合[46]。Szwedowicz等[47]通過體外細胞實驗研究,發現丹參酸B能夠增加細胞活力,顯著刺激細胞遷移,且能增加III型膠原蛋白的表達,減少炎癥反應,促進傷口的愈合。Guzel等[48]研究發現,丹參中主要提取物酚類可促進鏈脲佐菌素(Streptozocin,STZ)誘導的糖尿病大鼠的切口再上皮化(P<0.01),血管生成和炎癥減少(P<0.01),表明丹參多酚類物質能誘導生長因子的生成,縮短糖尿病大鼠傷口愈合時間。木犀草素作為類黃酮組的成員,具有抗炎、抗氧化、抗癌、抗過敏、血管保護和神經保護作用,通過抑制活性氧的產生增強免疫防御[49]。Chen等[50]研究發現,木犀草素能激活Nrf2信號通路,誘導超氧化物歧化酶1(superoxidedismutase1,SOD1)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)等抗氧化酶的增加,且能降低MMP-9、TNF-α、IL-6、IL-1β 的蛋白質表達,降低STZ誘導的糖尿病大鼠的血糖濃度,抑制糖尿病大鼠傷口氧化應激反應,加速傷口的再上皮化,促進傷口愈合。槲皮素屬于黃酮類化合物,在糖尿病大鼠傷口愈合實驗中,槲皮素能夠降低TNF-α、IL-1β和MMP-9的表達,對糖尿病創面愈合、炎癥、血管生成、成纖維細胞增殖、膠原合成、上皮化、軸突再生等的修復和再生具有重要影響[51]。姜黃素是一種天然的抗氧化和抗炎類多酚化合物,Kant等[52]研究發現,姜黃素能增加抗炎細胞因子IL-10和抗氧化酶SOD、CAT、GSH-Px的水平,降低炎癥細胞因子或酶的表達,即TNF-α、IL-1β和MMP-9水平,通過抑制糖尿病大鼠傷口氧化應激和炎癥反應,促進肉芽組織生長,縮短傷口愈合時間。葛根素是一種天然異黃酮類衍生物,通過降低血糖水平、改善胰島素抵抗、保護胰島、抑制炎癥、減少氧化應激和RAGE的形成從而緩解糖尿病血管病變[53]。沒食子酸是一種多酚類有機化合物,廣泛存在于大黃、山茱萸等植物中,具有抗炎、抗氧化和鎮痛作用[54],體外研究表明,沒食子酸能上調抗氧化基因的表達,刺激成纖維細胞的遷移[55],促進血管形成及糖尿病動物傷口愈合過程中膠原蛋白的沉積[56]。

3.2 皂苷類人參皂苷又被稱為三萜皂苷,是人參的主要有效成分,人參皂苷單體可通過多種信號通路發揮抗氧化作用。研究發現,人參皂苷可通過下調NADPH氧化酶的表達、抑制NF-κB/p38信號通路從而抑制糖尿病誘導的氧化應激[57]。Gao等[58]研究證明,人參皂苷Rg1可以通過激活Nrf2/Keap1通路,保護STZ誘導的糖尿病小鼠免受炎癥和氧化應激,減少糖尿病引發的并發癥,促進傷口愈合。芍藥苷亦稱芍藥花素,提取自芍藥,具有抗炎及抗氧化作用,芍藥苷可通過Nrf2途徑減輕氧化應激,增加細胞增殖和遷移,減少細胞凋亡,增加VEGF、TGF-β1的表達,加速糖尿病足潰瘍的愈合[59],同時通過降低CXC趨化因子受體2(CXC chemokine receptor 2,CXCR2)有效抑制糖尿病足潰瘍中NLRP3、NF-κB介導的炎癥反應[60]。紅景天苷是紅景天的主要活性化合物之一,能夠改善AGE誘導的內皮功能障礙[61],促進SOD活性,提高CAT、GSH-Px水平,顯著降低促炎細胞因子TNF-α、IL-1β 和IL-6水平,通過激活AMPK磷酸化、抑制NF-κB p65和NLRP3炎癥小體的活化從而緩解內皮炎癥和氧化應激[62]。景亮等[63]研究發現,紅景天苷可通過激活Nrf2/Keap1信號通路,啟動HO-1、SOD、GSH-Px等抗氧化酶的表達,抑制應激反應,提高糖尿病足潰瘍大鼠的抗氧化能力,加速傷口愈合。

3.3 多糖類多糖是由糖苷鍵結合的10多個糖基組成的化合物,其抗氧化機制包括直接清除活性氧,增強抗氧化酶活性,以及多糖分子與活性氧所需的金屬離子結合以抑制自由基的產生[64-65]。白及多糖是一種天然的多糖類化合物,具有抗腫瘤、降血糖、抗氧化等作用。Zhao等[66]研究發現,白及多糖在體外能夠抑制高血糖誘導的活性氧生成,抑制NLRP3炎癥小體活化和巨噬細胞中的IL-1β分泌,改善血管內皮細胞的活力,并能增加胰島素的敏感性,加速糖尿病傷口的愈合。黃芪多糖是黃芪的主要活性成分之一,其干預糖尿病的作用機制主要包括胰島素分泌、胰島素敏感性、抗氧化和抗炎活性等[67],大劑量黃芪多糖可降低ET-1、ICAM-1、IL-6 及TNF-α水平,抑制炎癥介質釋放,提高NO、NOS的水平,降低血糖水平,抑制活性氧的產生,通過上調PTEN、抑制mTOR促進糖尿病傷口的愈合[68]。蘆薈多糖主要存在于蘆薈葉的凝膠部位,具有免疫調節、抗氧化和抗炎特性,Gharaboghaz等[69]觀察蘆薈多糖對糖尿病小鼠傷口愈合的影響,發現蘆薈多糖能夠通過提高抗氧化酶活性,減輕炎癥反應,增加細胞增殖和膠原蛋白沉積,促進糖尿病小鼠傷口愈合。

4 結語

糖尿病足潰瘍可歸屬于中醫“脫疽”范疇,發生于四肢末端,嚴重時趾(指)節壞死脫落,是一種周圍血管疾病[70]。《靈樞·癰疽》中記載其:“發于足趾,名脫癰,其狀赤黑,死之治;不赤黑,不死;治之不衰,急斬之,不則死矣。”本病多因先天不足,正氣衰弱,寒濕之邪侵襲,致瘀阻脈絡、血行不暢或痹阻不通而致下肢發涼、麻木、間歇性跛行等,后期則易發生創口經久不愈、趾節壞死、黑腐潰爛,甚至需要截肢。中醫藥治療脫疽經驗豐富,歷代醫家多采用益氣活血、溫陽散寒、通絡止痛、清熱利濕解毒等治法,主張分期、分型辨證論治,內治與外治相結合,既重視專藥專方,又兼顧整體與局部的辨證聯系,在臨床施治中取得了顯著的成效。中醫外科名家艾儒棣教授認為,脫疽多由寒濕凝滯、濕熱陰傷、氣血虧虛致病,強調祛其實、補其虛,運用“通法”分型治療脫疽,并重視中藥藥對的作用[71]。全國名中醫崔公讓教授認為,脫疽的核心病機為血瘀,遵循《黃帝內經》“病在血者,調之絡”,提出活血化瘀、溫陽散寒、補氣養血、滋陰清熱、燥濕行氣等治法,多運用甘溫藥品,以當歸、丹參、雞血藤、甘草為基本組方,隨癥加減,辨證論治[72]。復合黃柏液由連翹、黃柏、金銀花、蒲公英、蜈蚣組成,是外用中藥之一,以其治療糖尿病足潰瘍 4周后,發現治療組的潰瘍面積減少、生長因子濃度和總有效率均高于標準護理組[73]。現代實驗研究發現,復合黃柏液中的主要成分連翹、黃柏均含槲皮素,可有效上調TGF-β1水平,降低MMP-9水平,促進膠原蛋白生長,同時激活Nrf2及其下游抗氧化基因,減少細胞凋亡和氧化損傷,從而加速糖尿病傷口的愈合[74]。中藥復方制劑的療效在臨床中越來越得到認可,但中藥單體內在聯系及各單體的協調機制尚未明確。近年來,隨著網絡藥理學在中藥制劑研究中的應用,發現了中藥的活性成分及其獨特的作用靶點,為其臨床應用提供了理論基礎,中藥單體因其多靶點、多通道作用機制等獨特優勢,在糖尿病足潰瘍的治療中越來越受到認可。

糖尿病足潰瘍的形成機制復雜,包括過度的氧化應激、炎癥反應、免疫細胞功能障礙、傷口部位的血管生成減少或再上皮化延遲等,而氧化應激機制是當下的研究熱點,在創面愈合過程中,與炎癥因子、生長因子、趨化因子等有著密切聯系。本文闡述了糖尿病足潰瘍的主要病理學變化——過度氧化應激,并基于氧化應激途徑探究中藥單體對糖尿病足潰瘍的治療,發現中藥單體能夠通過抑制過度的氧化應激反應或激活相關信號通路減輕炎癥反應、增加生長因子的表達、增強細胞增殖和遷移,同時降低MMPs水平,在糖尿病足潰瘍的炎癥期、增殖期和重塑期加速傷口愈合的進程。

目前,許多中藥單體有抗氧化作用或相關靶點,有良好的研究價值,但基于氧化應激途徑對糖尿病足潰瘍的干預研究較少,樣本量不足,多局限于動物實驗和體外細胞實驗,不良反應尚未可知,對人體的安全性也未得到充分研究,現有研究僅證實了中藥單一有效成分對糖尿病足潰瘍的作用,今后需進一步探索中藥有效成分之間能否聯合使用,以期為中醫藥臨床治療糖尿病足潰瘍提供思路與方法。