糖尿病與氧化應(yīng)激

張新杰 朱鐵年 史麗萍

(華北煤炭醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)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(zé)任公司醫(yī)院)

糖尿病是當(dāng)今社會的常見病、多發(fā)病,嚴(yán)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?，F(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(jī)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(tuán)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(shí),機(jī)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(jī)體生理功能方面具有雙重作用,輕、中度的ROS和 RNS在維持細(xì)胞的生理功能如抗感染、參與細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和促進(jìn)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(xì)胞膜、蛋白質(zhì)和 DNA等細(xì)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(qiáng)的機(jī)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(gè)亞基組成:2個(gè)膜亞基 gp 91phox和P22phox,兩者構(gòu)成一個(gè)膜復(fù)合體細(xì)胞色素b558;3個(gè)胞質(zhì)亞基 P47phox、P40pox、P67phox。另外,還有 2個(gè)低分子量的 GTP結(jié)合蛋白 Rac1和 Rac2[8]。當(dāng) NADPH氧化酶被活化時(shí),可將一個(gè)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(xiàn)報(bào)道認(rèn)為,NADPH酶的表達(dá)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(jìn)一步證實(shí)吞噬細(xì)胞和非吞噬細(xì)胞兩個(gè)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(xì)胞(如紅細(xì)胞)存在著另一種高血糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激機(jī)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(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞核導(dǎo)致DNA突變[10]。葡萄糖的自身氧化途徑增強(qiáng)還可以促進(jìn)甘油二酯的合成或卵磷脂水解,進(jìn)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(hù)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(jìn)一步加重細(xì)胞損傷[12]。

2.2 氧化應(yīng)激與胰島β細(xì)胞損傷

2.2.1 活性氧(ROS)導(dǎo)致胰島 β細(xì)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(xì)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(dá)以及與 DNA(脫氧核糖核酸)的結(jié)合活性,使 β細(xì)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(jìn)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(xì)胞膜的脂質(zhì)成分,從而導(dǎo)致β細(xì)胞功能丟失[14]。ROS可對 β細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾,比如促進(jìn)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(xì)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(xì)胞產(chǎn)生直接損害。

2.2.2 氧化應(yīng)激損傷胰島 β細(xì)胞的其它途徑。作為細(xì)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(dāng)細(xì)胞受到氧化應(yīng)激等刺激時(shí),JNK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可被不同受體激活,在細(xì)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(dá),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(xì)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(jìn)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(xì)胞內(nèi)堆積,形成泡沫細(xì)胞,形成動脈硬化的早期病變[17];同時(shí),氧化型 LDL(ox-LDL)是NADPH氧化酶激活物,能增強(qiáng)其活性,促進(jìn) 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(xì)胞從收縮表型轉(zhuǎn)化增殖表型?；钚匝跽T導(dǎo)的平滑肌細(xì)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(shí),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(xì)胞生產(chǎn)過氧化氫和脂質(zhì)過氧化作用。在糖尿病時(shí),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(xì)胞因子等途徑,細(xì)胞內(nèi)的 NADPH氧化酶活性上調(diào),生成 ROS產(chǎn)物,造成細(xì)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(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞負(fù)責(zé)維持血 -視網(wǎng)膜屏障,與其同等數(shù)量的周細(xì)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(xué)改變之前周細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞已經(jīng)選擇性丟失,內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞的比例降至 4∶1[21]。在高糖誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡中,NF-ΚB被認(rèn)為是一個(gè)關(guān)鍵的信號通路途徑。研究表明,NF-ΚB在視網(wǎng)膜周細(xì)胞的活化加速了糖尿病視網(wǎng)膜病變周細(xì)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(xì)胞和海綿體平滑肌細(xì)胞的培養(yǎng)中,發(fā)現(xiàn)有RhoA和 Rho激酶的表達(dá)[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(gè)機(jī)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(bǔ)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(biāo)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(qiáng)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(xué)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的抗氧化作用。噻唑烷二酮類可以抑制細(xì)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(xué)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(rèn)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。抗氧化治療可以減輕氧化應(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(qiáng)引起組織損傷機(jī)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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