張新杰 朱鐵年 史麗萍

(華北煤炭醫(yī)學院臨床醫(yī)學系 河北唐山 063000;①白求恩國際和平醫(yī)院;②河北省開灤有限責任公司醫(yī)院)

糖尿病是當今社會的常見病、多發(fā)病,嚴重危害著人們的健康。糖尿病的并發(fā)癥包括腎病、神經(jīng)病變、視網(wǎng)膜病變、大血管和微血管疾病、骨和礦物質(zhì)代謝改變[1]。越來越多的證據(jù)表明,高血糖、氧化應(yīng)激與糖尿病及其血管并發(fā)癥之間關(guān)系密切。現(xiàn)對目前糖尿病及其并發(fā)癥與氧化應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)系做一綜述,旨在探討調(diào)節(jié)機體氧化應(yīng)激與防治糖尿病發(fā)生發(fā)展的意義。

1 氧化應(yīng)激概念的概述

氧化應(yīng)激定義總的來說是指活性分子例如活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)以及活性氮簇(Reactive nitrogen species,RNS)等的過度生成和/或清除減少,從而造成體內(nèi)活性氧類生成與抗氧化防御功能之間平衡的紊亂[2,3]。ROS包括自由基,如超氧陰離子(O2-)、羥自由基(OH·)以及非自由基基團如過氧化氫(H2O2)和氫氯酸(HOCl)。RNS包括自由基如一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2-),還有非自由基如過氧亞硝酸基陰離子(ONOO-)、烷基過氧化氮(RONOO)[2,4]。與此同時,機體也存在兩類抗氧化系統(tǒng):①酶抗氧化系統(tǒng),包括過氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物還原酶(SOR)、谷胱甘肽還原酶(GR)、硫氧還原蛋白還原酶(TRX/TRXR)等;②非酶抗氧化系統(tǒng),包括維生素 C、維生素 E、輔酶 Q、谷胱甘肽、褪黑素、硫辛酸、類胡蘿卜素、微量元素(銅、鋅、硒)等。在正常氧化磷酸化過程中,0.4%～4%氧分子轉(zhuǎn)化為超氧陰離子(O2-),O2-可以轉(zhuǎn)化為活性氧簇(ROS)和活性氮簇(RNS)[5]。ROS和RNS在維持機體生理功能方面具有雙重作用,輕、中度的ROS和 RNS在維持細胞的生理功能如抗感染、參與細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和促進有絲分裂反應(yīng)等方面具有重要意義;過度的 ROS和RNS產(chǎn)生導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生,繼而導(dǎo)致脂質(zhì)、細胞膜、蛋白質(zhì)和 DNA等細胞結(jié)構(gòu)的損傷[6]。

2 糖尿病與氧化應(yīng)激

2.1 糖尿病氧化應(yīng)激反應(yīng)增強的機制 在高血糖刺激下自由基會通過多種途徑產(chǎn)生。主要包括線粒體氧化磷酸化途徑、糖的自身氧化、NADPH氧化酶、脂質(zhì)過氧化物酶和一氧化氮合酶(NOS)等。

2.1.1 線粒體氧化磷酸化途徑。在正常氧化磷酸化過程中,0.4%～4%氧分子轉(zhuǎn)化為超氧陰離子[5],呼吸鏈超氧陰離子形成的關(guān)鍵在于呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ和輔酶Q10相互作用,為超氧陰離子的形成提供電子[7]。然而,糖尿病改變了超氧陰離子形成的關(guān)鍵部位,呼吸鏈復(fù)合體Ⅱ成為電子的主要提供者。

2.1.2 NADPH氧化酶。NADPH氧化酶由5個亞基組成:2個膜亞基 gp 91phox和P22phox,兩者構(gòu)成一個膜復(fù)合體細胞色素b558;3個胞質(zhì)亞基 P47phox、P40pox、P67phox。另外,還有 2個低分子量的 GTP結(jié)合蛋白 Rac1和 Rac2[8]。當 NADPH氧化酶被活化時,可將一個電子從 NADPH依次傳遞到 FAD、血紅素,并最終傳遞給 1分子氧而形成 ROS。有文獻報道認為,NADPH酶的表達在糖尿病狀態(tài)下相應(yīng)上調(diào),應(yīng)用血管緊張素Ⅱ的Ⅰ型受體拮抗物可以阻斷高糖誘導(dǎo)的RO和p47phox生成,進一步證實吞噬細胞和非吞噬細胞兩個產(chǎn)生NADPH酶的途徑之間存在某種關(guān)聯(lián)[9]。

2.1.3 葡萄糖的自身氧化。在缺乏線粒體和NADPH酶的細胞(如紅細胞)存在著另一種高血糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激機制:糖自身的氧化。糖自身及其代謝產(chǎn)物在重金屬(如鐵離子和銅離子)存在的情況下,可以與過氧化氫反應(yīng)形成羥基,羥基可以輕易地穿透細胞膜進入細胞核導(dǎo)致DNA突變[10]。葡萄糖的自身氧化途徑增強還可以促進甘油二酯的合成或卵磷脂水解,進而激活PKC,并活化 PKC依賴的 NADPH氧化酶途徑而產(chǎn)生ROS[10,11]。

2.1.4 內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)。生理狀態(tài)下,eNOS在四氫喋呤協(xié)同下,利用精氨酸生成 NO。但在糖尿病狀態(tài)下,eNOS活性中心的鋅 -硫醇二聚體容易被氧自由基氧化而不穩(wěn)定,其代謝底物四氫喋呤也可被 ROS氧化,使 eNOS由 NO轉(zhuǎn)化為超氧陰離子,eNOS由生理狀態(tài)下的保護功能轉(zhuǎn)化為致病因素。

2.1.5 黃嘌呤氧化酶。黃嘌呤氧化酶也是糖尿病 ROS的重要來源之一。

2.1.6 脂質(zhì)過氧化酶。脂質(zhì)過氧化酶可催化花生四烯酸,使其轉(zhuǎn)化為一系列信號分子,如白三烯、脂氧素和羥基二十碳四烯酸。此外,酶性和非酶性抗氧化劑對ROS和RNS清除能力的降低,導(dǎo)致二者的積聚進一步加重細胞損傷[12]。

2.2 氧化應(yīng)激與胰島β細胞損傷

2.2.1 活性氧(ROS)導(dǎo)致胰島 β細胞損傷。ROS通過抑制胰島素基因啟動子的活性、損傷胰島β細胞核和線粒體、降低胰腺十二指腸同源異型盒 PDX-1(胰腺十二指腸同源盒)基因的表達以及與 DNA(脫氧核糖核酸)的結(jié)合活性,使 β細胞內(nèi)胰島素 mRNA(信使核糖核酸)的生成減少[13],從而導(dǎo)致胰島素的生物合成降低。ROS可進一步代謝產(chǎn)生 8-羥基脫氧鳥苷(80HdG)和 4HN(4-hyd roxy-nonenal),前者是一種 DNA誘變劑,而后者通過氧化不飽和脂肪酸 -花生四烯酸破壞β細胞膜的脂質(zhì)成分,從而導(dǎo)致β細胞功能丟失[14]。ROS可對 β細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)進行修飾,比如促進蛋白質(zhì)的交叉耦聯(lián)和聚合、肽鏈的斷裂、氨基酸側(cè)鏈的氧化,其還可與細胞膜脂質(zhì)、糖類、透明質(zhì)酸等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),均可對細胞產(chǎn)生直接損害。

2.2.2 氧化應(yīng)激損傷胰島 β細胞的其它途徑。作為細胞應(yīng)激產(chǎn)物的 e-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kin-ase,JNK)/應(yīng)激激活蛋白激酶(stress-activated p rotein kinase,SAPK)信號傳導(dǎo)系統(tǒng),是絲裂素活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases,MAPK)家族的一員,當細胞受到氧化應(yīng)激等刺激時,JNK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可被不同受體激活,在細胞的增殖、分化、發(fā)育、凋亡中起重要作用。JNK激活可抑制胰島素基因表達,在長期高血糖和氧化應(yīng)激的條件下,JNK的過度激活可降低胰腺十二指腸同源異型盒(PDX-1)的活性,改變其磷酸化狀態(tài),引起PDX-1與DNA的結(jié)合能力下降,造成β細胞損傷和胰島素基因轉(zhuǎn)錄障礙,胰島素合成和分泌減少等[15]。

2.2.3 氧化應(yīng)激與胰島素抵抗。ROS可作為類似于第 2信使的信號分子激活許多氧化還原敏感性信號通路,這些通路包括NF-κB、P38絲裂原活化蛋白激酶、JNK、己糖胺等,進而引起胰島素信號傳導(dǎo)通路中的胰島素受體和胰島素受體底物蛋白磷酸化,造成胰島素信號傳導(dǎo)通路下游信號分子的相關(guān)性和/或活性降低,減少了胰島素的效應(yīng),導(dǎo)致胰島素抵抗[16]。

3 氧化應(yīng)激與糖尿病并發(fā)癥

3.1 心血管疾病 心血管疾病是糖尿病的主要并發(fā)癥之一。動脈粥樣硬化是心血管疾病的基本病理變化。氧化應(yīng)激在動脈粥樣硬化起著關(guān)鍵作用,可以造成低密度脂蛋白(LDL)的氧化。低密度脂蛋白(LDL)的氧化不易被其受體識別,使LDL受體通道的代謝受阻,造成脂質(zhì)在細胞內(nèi)堆積,形成泡沫細胞,形成動脈硬化的早期病變[17];同時,氧化型 LDL(ox-LDL)是NADPH氧化酶激活物,能增強其活性,促進 ROS產(chǎn)生,也更有利于 LDL氧化為ox-LDL?；钚匝?ROS)也影響平滑肌的增殖、遷移和收縮,誘導(dǎo)平滑肌細胞從收縮表型轉(zhuǎn)化增殖表型。活性氧誘導(dǎo)的平滑肌細胞金屬蛋白酶的產(chǎn)生導(dǎo)致動脈粥樣硬化斑塊不穩(wěn)定和破裂[18,19]。

3.2 氧化應(yīng)激與糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN) 糖尿病腎病是糖尿病的重要微血管并發(fā)癥之一。研究證實,還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinam ide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶及其產(chǎn)物活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)所致的氧化應(yīng)激與 DN的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。高血糖直接增加腎小球系膜細胞生產(chǎn)過氧化氫和脂質(zhì)過氧化作用。在糖尿病時,通過蛋白非酶糖基化、PKC激活、多元醇通路活性增高、糖酵解、Rho/Rho-激酶、多種血管活性物質(zhì)、細胞因子等途徑,細胞內(nèi)的 NADPH氧化酶活性上調(diào),生成 ROS產(chǎn)物,造成細胞損傷,導(dǎo)致氧化應(yīng)激。另一方面,氧化應(yīng)激又會反過來影響 DN的血流動力、腎內(nèi)基質(zhì)重構(gòu)、DN的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[20]。

3.3 氧化應(yīng)激與視網(wǎng)膜病(diabetic retinopathy,DR) 視網(wǎng)膜毛細血管內(nèi)皮細胞負責維持血 -視網(wǎng)膜屏障,與其同等數(shù)量的周細胞則提供營養(yǎng)給血管組織。在DR發(fā)病過程中,在組織病理學改變之前周細胞和內(nèi)皮細胞已經(jīng)選擇性丟失,內(nèi)皮細胞和周細胞的比例降至 4∶1[21]。在高糖誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞凋亡中,NF-ΚB被認為是一個關(guān)鍵的信號通路途徑。研究表明,NF-ΚB在視網(wǎng)膜周細胞的活化加速了糖尿病視網(wǎng)膜病變周細胞喪失[22]。

3.4 糖尿病氧化應(yīng)激與勃起功能障礙 RhoA/Rho激酶存在于各種形式的平滑肌中,它在調(diào)節(jié)平滑肌的收縮中起重要的作用,在人的內(nèi)皮細胞和海綿體平滑肌細胞的培養(yǎng)中,發(fā)現(xiàn)有RhoA和 Rho激酶的表達[23]。ROS可通過對 RhoA/Rho激酶信號傳導(dǎo)通路的作用使陰莖收縮,抑制勃起。另外,糖尿病過程中的氧化應(yīng)激引起的糖尿病性神經(jīng)變性也導(dǎo)致了勃起功能障礙。

4 目前糖尿病中的抗氧化應(yīng)激治療

抗氧化劑從以下幾個機制對抗自由基的產(chǎn)生:①降解自由基的酶類。②可以與刺激產(chǎn)生自由基的金屬結(jié)合的蛋白如轉(zhuǎn)鐵蛋白。③清除自由基的抗氧化劑如維生素 C和維生素 E[24]。常見的抗氧化劑大致分為以下幾類。

4.1 抗氧化維生素和微量元素 許多研究已經(jīng)表明,抗氧化維生素的使用和補充可以幫助降低動物和糖尿病患者的氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化的指示性標志物。使用抗氧化維生素(A、C和 E)可以減少氧化應(yīng)激、炎癥,改善內(nèi)皮依賴性血管舒張功能和糖尿病微血管病變[25,26]?？寡趸⒘吭匾部勺鳛樘悄虿』颊咧委煹妮o助藥物。一些微量元素如釩、鉻、鎂、鋅、硒、銅可以通過改善血糖控制和/或增強抗氧化劑活性來間接參與降低糖尿病患者氧化應(yīng)激的反應(yīng)。

4.2 抗氧化植物及其活性成分 科學報告和實驗室研究的數(shù)據(jù)表明,植物含有多種具有抗氧化活性的物質(zhì)。植物中具有抗氧化作用的活性成分,包括一些肉桂酸、香豆素、二萜類、黃酮類、木脂素、單萜、苯丙、單寧和三萜[27]。

4.3 其他抗氧化作用的藥品和化合物 現(xiàn)有的常用藥物如噻唑烷二酮類、他汀類、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、AngⅡ受體拮抗劑、別嘌呤醇、褪黑激素、磷酸二酯酶抑制劑等通過不同作用途徑表現(xiàn)出較強的抗氧化作用。噻唑烷二酮類可以抑制細胞內(nèi)自由基生成過多,抑制高糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激;他汀類增加 NO的生物學效應(yīng)并且減少超氧化物的產(chǎn)生;血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、AngⅡ受體拮抗劑則主要表現(xiàn)為調(diào)節(jié)血管緊張素的作用及生成[28];褪黑激素通過清除自由基多用于糖尿病腎病、糖尿病神經(jīng)病變;磷酸二酯酶抑制劑[29]。此外,SOD類似物、L-肉毒堿以及一些氧化應(yīng)激產(chǎn)生或糖尿病并發(fā)癥發(fā)生過程關(guān)鍵步驟的抑制劑如 LY 333531、PJ 34和 FP15則被認為是非常有應(yīng)用前景的抗氧化治療。

氧化應(yīng)激在糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生、發(fā)展過程中起著重要作用?？寡趸委熆梢詼p輕氧化應(yīng)激,從而可以阻止或延緩糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生、發(fā)展。因此,對氧化應(yīng)激增強引起組織損傷機制的更深入研究,可以推動開發(fā)更有效的抗氧化藥物和指導(dǎo)臨床正確使用現(xiàn)有藥物,從而更好地防治糖尿病及其并發(fā)癥。

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