糖尿病腎病與氧化應激

楊楠楠 剛曉坤 劉 青 (吉林大學第一醫(yī)院內分泌科，吉林 長春 3002)

糖尿病腎病(DN)是糖尿病(DM)患者主要微血管并發(fā)癥之一，隨著DM發(fā)病率逐年上升，DN已成為在全世界范圍內終末期腎病的主要原因之一，同時也是DM患者生活質量下降和病死率增高的主要原因之一〔1〕。DN的基本病理改變是腎小球基底膜增厚、系膜基質增生和細胞外基質(ECM)重構，功能上主要表現(xiàn)為高濾過、高灌注以及腎小球濾過屏障改變，與代謝紊亂，氧化應激，細胞因子，環(huán)境和遺傳易感性等多方面因素以及由此引起的腎小球血流動力學異常相關。持續(xù)血糖升高是DN發(fā)生的始動因素，但高血糖導致DN的發(fā)病機制尚不完全清楚，近年來的研究提示氧化應激在DN的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮著關鍵作用〔2〕。

1 氧化應激概述

氧在機體組織的正常代謝反應中，可以形成一些自由基，包括超氧陰離子(O－2)，過氧化氫(H2O2)，羥自由基(·OH)等，統(tǒng)稱為活性氧簇(ROS)。氧化應激就是指機體受到多種病理因素刺激后，體內ROS產生過多，抗氧化能力下降，打破了機體正常氧化/還原動態(tài)平衡，造成生物大分子如蛋白質、脂質、核酸等的氧化損傷，干擾正常生命活動而形成的一種嚴重的應激狀態(tài)。在DM患者體內不但ROS產生增加，而且機體的抗氧化能力也減弱，尤其是某些特定的靶細胞，如腎小球系膜細胞以及視網膜毛細血管內皮細胞和神經元細胞等，更容易受到ROS介導的氧化應激的攻擊。

2 DM患者氧化應激水平增加

ROS來源增多和抗氧化能力降低是導致氧化應激水平增高的主要機制:①DM患者ROS來源增加主要是通過線粒體氧化呼吸鏈、還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶、蛋白質的非酶糖基化途徑、葡萄糖多元醇代謝通路、蛋白激酶C(PKC)、葡萄糖自身氧化、一氧化氮合酶(NOS)等途徑來實現(xiàn)的，ROS的增多反過來能夠進一步激活部分氧化通路，形成了環(huán)路，互為因果，使氧化損傷不斷擴大〔3〕。②抗氧化能力下降:高血糖使腎組織內超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CTA)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPH-Px)等抗氧化酶基因表達下調，同時使其活性基團發(fā)生糖基化致失活或活性減弱，ROS清除減少〔4〕。同時非酶性抗氧化物質VitC、VitE等在DM腎臟組織中也存在不同程度的減少或利用不足〔5〕。

3 ROS參與DN的發(fā)病

腎臟是對氧化損傷比較敏感的器官之一，ROS通過多種途徑參與DN的發(fā)病，在DN的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。ROS不僅是組織和細胞的直接損傷刺激物，還可以作為第二信使誘導許多影響免疫、炎癥等過程的傳遞介質釋放增加。

3.1 ROS對血管通透性及腎小球血流動力學的影響 腎小球內血流動力學的變化促進了DN的發(fā)生發(fā)展，DN早期腎小球內即出現(xiàn)高壓、高灌注和高濾過等血流動力學異常。ROS可通過多種途徑對腎小球血管通透性及血流動力學產生影響:①ROS攻擊脂質、蛋白、透明質酸等:腎小球毛細血管基底膜磷脂在ROS作用下發(fā)生脂質過氧化，從而使腎小球通透性增加，血漿蛋白易于通過內皮細胞而沉積于基底膜，導致基底膜增厚。ROS還可以使結締組織中透明質酸降低，失去黏性，破壞細胞間填充黏合質，使微血管通透性增加;以及選擇性降低硫酸肝素蛋白的合成，損害腎小球濾過膜電荷和結構屏障。②ROS可通過血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)參與腎小球內高壓的發(fā)生。高血糖引起的糖基化終末產物(AGEs)與系膜細胞上的AGEs受體(RAGE)結合，可通過誘導ROS的產生，介導AngⅡ產生增多，AngⅡ對腎小球入球動脈的收縮作用小于出球動脈，進而導致球內高壓，并可以促進硫酸肝素糖蛋白轉運，降低基底膜濾過屏障負電荷使尿蛋白排出增加〔6〕。③ROS可通過NO參與腎小球高灌注和高濾過。NO是重要的血管舒張分子之一，隨著DN的進展，內皮型eNOS不再生成NO，而是產生O－2，與NO反應生成過氧亞硝基陰離子(ONOO－)，同時，ROS可引起四氫生物嘌呤氧化并可使生物活性降低，導致NOS解耦聯(lián)而生成更多O－2，并使NO的生成減少，引起O－2/NO間的平衡進一步失衡，形成惡性循環(huán)，血管舒張調節(jié)功能受損〔7〕。④另外ROS還可以介導縮血管因子血栓素A2、內皮素產生增加，及舒血管因子前列腺素I2的合成減少，而參與腎小球內高壓、高濾過、高灌注，導致腎臟損傷。

3.2 ROS對腎臟細胞的損傷 ①足細胞:足細胞的損傷在DN蛋白尿的形成中起著重要作用。ROS可直接攻擊足細胞，誘導足細胞的凋亡，并激活足細胞NADPH氧化酶產生過多的ROS，從而形成惡性循環(huán)。同時，ROS還可降低α3β1整合素〔連接足細胞足突和腎小球基底膜(GBM)的分子〕的表達，促使脂質過氧化反應，并影響足細胞的信號級聯(lián)反應而損傷足細胞。ROS還能直接使足細胞內硫酸肝素成分合成減少，導致腎小球基底膜上負電荷的喪失。在DN的早期就已經出現(xiàn)了足細胞結構和功能的異?！?〕。②腎小管細胞:ROS通過激活轉化生長因子-β(TGF-β)/smad、JUK、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路導致腎小管上皮細胞表型轉化，即小管上皮向肌成纖維細胞轉化。并可通過增強腎小管上皮細胞基質的分解，加速腎小管基底膜的降解，從而有助于腎小管上皮細胞轉化為肌纖維細胞并遷移至腎間質，參與腎間質纖維化的發(fā)生。同時ROS還能誘導腎小管細胞的凋亡〔9〕。③腎小球系膜細胞:腎小球系膜細胞富含NADPH氧化酶，也是ROS的靶細胞。介于系膜區(qū)和血流之間的內皮細胞也持續(xù)表達NADPH氧化酶，將系膜細胞或內皮細胞在高糖或高脂酸環(huán)境中培養(yǎng)會激活NADPH氧化酶并促使 ROS產生〔10〕。ROS也能誘導腎小球系膜細胞的凋亡〔11〕，從而促進腎小球瘢痕形成，在腎小球纖維化中起到一定作用。

3.3 ROS參與腎ECM的重構 腎ECM主要為透明質酸(HA)、層黏連蛋白(LN)和Ⅳ型膠原(Ⅳ-C)，ECM的合成增多和(或)降解減少可導致腎小球基底膜增厚、系膜區(qū)增寬和間質纖維化，ROS能破壞ECM合成和降解的平衡，引起腎內ECM的重構。①ECM合成增多:在高糖狀態(tài)下，產生增多的ROS可以激活多條細胞內信號轉導系統(tǒng)，活化轉錄因子，表達相應的活性產物，使 ECM蛋白合成增加，從而促進 DN的發(fā)生發(fā)展〔12〕。如PKC除了能被所熟知的多種信號因子激活，也能被ROS直接激活，激活的 PKC-β(PKC的同工酶之一)可增加TGFβ1的表達，而TGFβ1被認為是DM腎臟ECM蛋白積聚的關鍵因子，在 DN系膜細胞中，可以看到 ROS介導的 TGF-β1mRNA 的表達和蛋白的合成明顯增加〔13〕，TGF-β1不僅能夠促進ECM的合成增加，還促進膠原和LN、硫酸軟骨素等基質成分合成增加。ROS不僅能夠激活PKC，還能激活MAPK，PKC與MAPK使核因子κB(NF-κB)和激活蛋白-1(AP-1)磷酸化激活，活化的NF-κB和AP-1由胞漿進入細胞核內，分別與特異的DNA序列結合，調節(jié)相應基因的轉錄。如與AP-1結合的DNA序列包含纖維連接蛋白及層黏蛋白的啟動子，導致ECM合成增加〔14〕。②ECM降解減少:人體內存在兩個主要的ECM的降解系統(tǒng)，包括纖溶酶原激活劑(PA)/纖維蛋白溶酶/PA抑制劑系統(tǒng)(PM)和基質金屬蛋白酶(MMP)/MMP的組織抑制劑(TIMP)系統(tǒng)。有研究表明高糖可能以ROS為第二信使，上調了系膜細胞內纖溶酶激活物抑制劑-1(PAI-1)的表達，而PA的表達卻得以下調從而使得系膜細胞降解ECM的能力降低〔15〕。高糖培養(yǎng)基中培養(yǎng)的系膜細胞MMPs表達減弱，TIMPs表達增強，提示DN時，高血糖引起的ECM降解減少可能是通過影響系膜細胞的表達來實現(xiàn)的。然而，也有研究證實在腎小管上皮細胞中ROS可導致MMP-9表達上調，而TIMP-1(MMP-9的組織抑制劑)和PAI-1的表達卻下調，使腎小管上皮細胞ECM降解能力增強〔16〕。

3.4 ROS介導的腎臟炎癥反應 ROS介導的炎癥反應也是DN的發(fā)病機制之一。ROS可以通過PKC、MAPK途徑激活NF-κB和AP-1，介導腎臟細胞多種炎性細胞因子、趨化因子及黏附因子的釋放，如單核細胞趨化因子(MCP-1)、白細胞介素-1(IL-1)、白細胞介素-6(IL-6)細胞黏附因子-1(ICAM-1)、TGF-β1、血小板源性生長因子(PDGF)、腫瘤壞死因子-а(TNF-а)等，這些因子構成復雜的網絡，以自分泌和旁分泌的方式作用于腎臟細胞，使DM腎臟發(fā)生典型的病理改變〔17〕。其中，如MCP-1介導的單核細胞/巨噬細胞(MO/Mφ)在腎臟的聚集和活化所引起的炎癥反應是目前研究熱點，MCP-1過度表達會介導大量單核巨噬細胞趨化、激活，促進多種活性物質釋放，以及蛋白水解酶導致腎小球結構損傷〔18〕。還有ICAM-1的過表達在DN發(fā)生中同樣起著重要作用，氧化應激通過PKC-NF-κB途徑上調ICAM-1蛋白和及其mRNA的表達，ICAM-1的增加促進腎小球處白細胞的黏附加速，以此加速腎小球的損傷〔19〕。

4 DN的抗氧化治療

鑒于氧化應激在DN的發(fā)生、發(fā)展的重要作用，對于DN的抗氧化治療一直是動物和臨床研究的熱點。在給予鏈脲佐菌素(STZ)誘導的DM鼠Vit C和Vit E干預后，其脂質過氧化物生成減少，抗氧化酶活性增加，尿白蛋白排泄率減少，并有效的抑制了腎小球基底膜增厚〔20〕。Bhatti等〔21〕發(fā)現(xiàn)在STZ誘導的DM鼠中應用α-人亞油酸(α-LA)干預后，其可通過降低機體氧化應激，從而減少蛋白尿，減輕腎小球硬化及腎小管間質纖維化，對腎臟具有一定的保護作用。另外，目前應用于臨床的噻唑烷二酮類(TZDs)、他汀類、血管緊張素轉換酶抑制劑(ACEI)及血管緊張素受體拮抗劑(ARB)均具有不同程度的抗氧化能力〔3〕。近年研究還發(fā)現(xiàn)，多種中藥成分可通過減少ECM沉積、改善足細胞結構與功能、抑制結締組織生長因子(CTGF)的過度表達、干預細胞信號轉導、抗炎、抗氧化應激等多靶點作用保護腎臟〔22〕。

綜上所述，DM患者體內氧化應激水平的增高是多方面因素參與的，腎臟作為氧化應激的靶器官之一，容易受到氧化應激的損傷，通過多種途徑引起腎小球內高壓、高灌注、高濾過，腎臟細胞凋亡、破損，ECM代謝紊亂，無菌性炎癥反應等，加快了DN的發(fā)生發(fā)展?？寡趸委?，對DM腎臟具有一定的保護作用，具有廣闊的應用前景，有待進一步開發(fā)、研究。

1 Hakim FA，Pflueger A.Role of oxidative stress in diabetic kidney disease〔J〕.Med Sci Monit，2010;16(2):A37-48.

2 Kiyomoto H，Rafiq K，Mostofa M，et al.Possible underlying mechanisms responsible for aldosterone and mineralocorticoid receptor-dependent renal injury〔J〕.J Pharmacol Sci，2008;108(4):399-405.

3 Singh DK，Winocour P，F(xiàn)arrington K.Oxidative stress in early diabetic nephropathy:fueling the fire〔J〕.Nat Rev Endocrinol，2011;7(3):176-84.

4 Bhor VM，Raghuram N，Sivakami S.Oxidative damage and altered antioxidant enzyme activities in the small intestine of streptozotocin-induced diabetic rats〔J〕.Int J Biochem Cell Biol，2004;36(1):89-97.

5 韓寶玲.氧化應激在2型糖尿病及其并發(fā)癥發(fā)病機制中的作用〔J〕.實用臨床醫(yī)藥雜志，2011;15(3):122-4.

6 Fukami K，Ueda S，Yamagishi S，et al.AGEs activate mesangial TGF-beta-Smad signaling via an angiotensin II type I receptor interaction〔J〕.Kidney Int，2004;66(6):2137-47.

7 Prabhakar S，Starnes J，Shi S，et al.Diabetic nephropathy is associated with oxidative stress and decreased renal nitric oxide production〔J〕.J Am Soc Nephrol，2007;18(11):2945-52.

8 Wolf G，Chen S，Ziyadeh FN.From the periphery of the glomerular capillary wall toward the center of disease:podocyte injury comes of age in diabetic nephropathy〔J〕.Diabetes，2005;54(6):1626-34.

9 Brezniceanu ML，Liu F，Wei CC，et al.Attenuation of interstitial fibrosis and tubular apoptosis in db/db transgenic mice overexpressing catalase in renal proximal tubular cells〔J〕.Diabetes，2008;57(2):451-9.

10 朱 斌，沈漢超.糖尿病氧化應激的研究進展及其與糖尿病腎病的關系〔J〕.國外醫(yī)學(泌尿系統(tǒng)分冊)，2004;(06):818-22.

11 Kang BP，F(xiàn)rencher S，Reddy V，et al.High glucose promotes mesangial cell apoptosis by oxidant-dependent mechanism〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol，2003;284(3):455-66.

12 Wu J，Mei C，Vlassara H，et al.Oxidative stress-induced JNK activation contributes to proinflammatory phenotype of aging diabetic mesangial cells〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol，2009;297(6):1622-31.

13 Jiang Z，Seo JY，Ha H，et al.Reactive oxygen species mediate TGF-beta1-induced plasminogen activator inhibitor-1 upregulation in mesangial cells〔J〕.Biochem Biophys Res Commun，2003;309(4):961-6.

14 鄭美玲，樊均明.氧化應激對糖尿病腎病時細胞、細胞外基質及血管通透性的影響機制〔J〕.中國組織工程研究與臨床康復，2007;11(25):4988-91.

15 Lee EA，Seo JY，Jiang Z，et al.Reactive oxygen species mediate high glucose-induced plasminogen activator inhibitor-1 up-regulation in mesangial cells and in diabetic kidney〔J〕.Kidney Int，2005;67(5):1762-71.

16 Ha H，Lee HB.Reactive oxygen species and matrix remodeling in diabetic kidney〔J〕.J Am Soc Nephrol，2003;14(8-3):S246-9.

17 Ha H，Lee HB.Oxidative stress in diabetic nephropathy:basic and clinical information〔J〕.Curr Diab Rep，2001;1(3):282-7.

18 Kiyici S，Erturk E，Budak F，et al.Serum monocyte chemoattractant protein-1 and monocyte adhesion molecules in type 1 diabetic patients with nephropathy〔J〕.Arch Med Res，2006;37(8):998-1003.

19 Hodgkinson AD，Millward BA，Demaine AG.Polymorphisms of the glucose transporter(GLUT1)gene are associated with diabetic nephropathy〔J〕.Kidney Int，2001;59(3):985-9.

20 Kedziora-Kornatowska K，Szram S，Kornatowski T，et al.Effect of vitamin E and vitamin C supplementation on antioxidative state and renal glomerular basement membrane thickness in diabetic kidney 〔J〕.Nephron Exp Nephrol，2003;95(4):134-43.

21 Bhatti F，Mankhey RW，Asico L，et al.Mechanisms of antioxidant and pro-oxidant effects of alpha-lipoic acid in the diabetic and nondiabetic kidney〔J〕.Kidney Int，2005;67(4):1371-80.

22 王海燕，劉亞明，牛 欣.中藥防治糖尿病腎病作用機制的研究進展〔J〕.中國中西醫(yī)結合腎病雜志，2010;11(7):654-6.