氧化應(yīng)激在肥胖及胰島素抵抗中的作用研究進(jìn)展

劉頤軒，宋 桉，王 蕓，段力園，宋光耀

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，代謝性疾病發(fā)病率日益升高。研究提示，氧化應(yīng)激可能是2型糖尿病(T2DM)、肥胖等代謝性疾病的根本原因。有研究證實(shí)肥胖和胰島素抵抗與氧化應(yīng)激水平存在明顯相關(guān)性［1］，氧化應(yīng)激可抑制胰島素信號(hào)通路［2］。本文就氧化應(yīng)激在肥胖及胰島素抵抗中的作用做一綜述。

1 概述

氧化應(yīng)激是指氧自由基生成過多和(或)細(xì)胞內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)受損，導(dǎo)致氧自由基及相關(guān)代謝產(chǎn)物過量聚集，從而造成細(xì)胞損傷的病理狀態(tài)。目前認(rèn)為線粒體是細(xì)胞內(nèi)活性氧簇(ROS)的主要來源。此外，還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶、一氧化氮合酶、環(huán)氧合酶、脂氧合酶、細(xì)胞色素P450單加氧酶和黃嘌呤氧化酶所催化的反應(yīng)均伴有活性氧的生成。因此，生理情況下細(xì)胞內(nèi)存在低水平的ROS，而其中的超氧陰離子(O－2)和過氧化氫(H2O2)對(duì)維持細(xì)胞功能，調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)是必需的［3］。正常情況下，機(jī)體抗氧化系統(tǒng)可清除過量的ROS，維持氧化和抗氧化系統(tǒng)的平衡。而在某些疾病狀態(tài)下，如肥胖、T2DM患者體內(nèi)，由于ROS生成過多或氧化－抗氧化系統(tǒng)失衡可導(dǎo)致細(xì)胞氧化應(yīng)激水平增高，造成脂質(zhì)、蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子的氧化損傷，引起細(xì)胞功能障礙甚至死亡［4］。

2 氧化應(yīng)激與肥胖

人體試驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)都證實(shí)肥胖與體內(nèi)高氧化應(yīng)激狀態(tài)密切相關(guān)。生理情況下，抗氧化防御系統(tǒng)可將細(xì)胞活性氧維持在正常范圍，此時(shí)ROS作為細(xì)胞內(nèi)第二信使，在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。而在肥胖、胰島素抵抗、T2DM或高血脂等情況下，ROS生成增加、抗氧化防御系統(tǒng)減弱，機(jī)體氧化應(yīng)激水平升高。研究表明，肥胖患者血清中8-羥基-2’-脫氧鳥苷(8-OH-dG)和硫代巴比妥酸反應(yīng)物(TBARS)水平升高［5］。另外，肥胖患者體內(nèi)8-iso-PGF2α升高［6］，且皮下脂肪組織中蛋白質(zhì)羰基化產(chǎn)物及脂質(zhì)過氧化物增多［7］，提示脂肪蓄積與體內(nèi)高水平的氧化應(yīng)激狀態(tài)密切相關(guān)。在高脂喂養(yǎng)的小鼠及遺傳性肥胖小鼠血清及內(nèi)臟脂肪組織中，脂質(zhì)過氧化物和H2O2水平也升高［5］。

肥胖患者體內(nèi)氧化應(yīng)激水平升高與多種因素相關(guān)，其中線粒體功能改變起決定性作用。正常情況下，ROS是線粒體呼吸鏈副產(chǎn)品。葡萄糖或脂肪酸氧化磷酸化生成ATP過程中會(huì)生ROS。而在高碳水化合物或高脂飲食情況下，過多的葡萄糖及脂肪酸生成丙酮酸、乙酰輔酶A(CoA)等還原性代謝產(chǎn)物，上述底物進(jìn)入線粒體氧化，使線粒體呼吸鏈活性增強(qiáng)，單電子轉(zhuǎn)移增多，ROS產(chǎn)生增加［8］。研究證實(shí)，能量攝入過多和肥胖與線粒體ROS生成增加有關(guān)［9-11］。此外，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明游離脂肪酸(FFA)孵育后細(xì)胞ROS生成增加。由此，我們推測(cè)由于肥胖患者體內(nèi)FFA水平升高，造成脂肪酸氧化增加，線粒體ROS生成過多，氧化應(yīng)激水平升高。

由于肥胖患者體內(nèi)存在慢性低水平的炎性反應(yīng)，炎癥激活多種免疫細(xì)胞產(chǎn)生大量自由基，加重氧化應(yīng)激。肥胖患者脂肪組織中T細(xì)胞亞群發(fā)生改變［12］，巨噬細(xì)胞募集增加，可促進(jìn)免疫細(xì)胞、成熟脂肪細(xì)胞及前脂肪細(xì)胞釋放多種促炎細(xì)胞因子［13］，導(dǎo)致氧化應(yīng)激水平升高，反過來細(xì)胞內(nèi)高氧化應(yīng)激狀態(tài)也可增加促炎細(xì)胞因子的生成。在體外培養(yǎng)脂肪細(xì)胞中，ROS可促進(jìn)白細(xì)胞介素-6(IL-6)生成，增加單核細(xì)胞趨化因子(MCP-1)表達(dá)。上述細(xì)胞因子的釋放可促進(jìn)脂肪組織中巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)，加重炎性反應(yīng)［8］。此外，ROS 可激活核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)信號(hào)通路，促進(jìn)腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和IL-6分泌。氧化應(yīng)激進(jìn)一步加重細(xì)胞氧化損傷，加速細(xì)胞衰老［14］，衰老的脂肪細(xì)胞又募集巨噬細(xì)胞，釋放多種促炎細(xì)胞因子，促進(jìn)肥胖發(fā)生。另外，肥胖或高脂飲食可致多種組織中NADPH氧化酶活性升高，許多抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)酶表達(dá)減少、活性降低，導(dǎo)致機(jī)體清除氧自由基能力降低。

3 氧化應(yīng)激與胰島素抵抗

盡管許多研究提示氧化應(yīng)激與胰島素抵抗密切相關(guān)，但目前尚不能證實(shí)氧化應(yīng)激可直接導(dǎo)致胰島素抵抗。正常生理情況下，氧自由基在血糖調(diào)節(jié)中起重要作用。如H2O2可調(diào)節(jié)葡萄糖刺激的β細(xì)胞胰島素的釋放，參與調(diào)控胰島素信號(hào)通路［15］。胰島素刺激也促進(jìn)H2O2釋放，增加胰島素受體底物-1(IRS-1)的酪氨酸磷酸化，從而增強(qiáng)胰島素信號(hào)通路。有研究報(bào)道，L-半胱氨酸可降低大鼠血糖、改善胰島素敏感性［16］。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ROS水平略高于正常水平時(shí)，ROS可影響細(xì)胞信號(hào)通路，但不足以造成細(xì)胞氧化損傷。隨著氧化應(yīng)激水平的進(jìn)一步升高，細(xì)胞內(nèi)多種氧化應(yīng)激通路被激活，導(dǎo)致胰島β細(xì)胞功能障礙，甚至凋亡，使機(jī)體血糖調(diào)節(jié)受損。

T2DM、代謝綜合征及胰島素抵抗患者體內(nèi)氧化應(yīng)激水平升高。有研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者尿中8-OH-dG含量高于正常對(duì)照組，其實(shí)糖病前期尿8-OH-dG就已升高［17］，提示氧化應(yīng)激所致DNA損傷在糖尿病診斷前就已存在。高血糖可造成紅細(xì)胞脂質(zhì)過氧化物水平升高，而將血糖控制在正常范圍后可糾正上述紊亂，提示高血糖和氧化應(yīng)激直接相關(guān)。在肥胖或超重患者中，胰島素抵抗與血清TBARS的濃度存在相關(guān)性［18］，說明氧化應(yīng)激與代謝紊亂存在相關(guān)性。此外T2DM、胰島素抵抗和代謝綜合征患者的細(xì)胞內(nèi)還原型谷胱甘肽(GSH)、維生素E、維生素C含量下降，超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)及谷胱甘肽還原酶等抗氧化酶的活性也下降，機(jī)體抗氧化應(yīng)激能力降低。

研究表明，用H2O2干預(yù)3T3L1脂肪細(xì)胞可抑制胰島素信號(hào)通路，降低胰島素敏感性［19］。用H2O2干預(yù)體外培養(yǎng)大鼠肌細(xì)胞可致胰島素信號(hào)通路受損，表現(xiàn)為蛋白激酶β(AKT)磷酸化水平下調(diào)，最終導(dǎo)致基礎(chǔ)及胰島素刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低，產(chǎn)生胰島素抵抗［20］。而加入抗氧化劑 N-乙酰半胱氨酸(NAC)或過表達(dá)SOD1、SOD2及CAT基因可保護(hù)細(xì)胞免受胰島素抵抗。此外，TNF-α或糖皮質(zhì)激素干預(yù)可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生胰島素抵抗，其中伴隨ROS升高。

4 氧化應(yīng)激引起胰島素抵抗的機(jī)制

氧化應(yīng)激導(dǎo)致胰島素抵抗的具體機(jī)制尚無定論。目前的研究表明外周組織胰島素抵抗發(fā)生與多種應(yīng)激敏感通路被激活有關(guān)。

4.1 JNK/SAPK 通路 JNK/SAPK、p38MAPK、ERKs均為MAPK超家族成員，研究表明JNK/SAPK和p38MAPK是主要的應(yīng)激信號(hào)傳導(dǎo)蛋白，可被多種應(yīng)激信號(hào)激活。ROS可直接激活JNK［21］，也可通過滅活JNK抑制性的MAPK磷酸酶及谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶激活JNK，或經(jīng)ASK介導(dǎo)引起JNK活化［22］。JNK有3個(gè)亞型，其中JNK1與T2DM關(guān)系最密切。JNK1激活后直接引起IRS-1抑制位點(diǎn)的磷酸化，從而阻斷胰島素信號(hào)通路。而敲除JNK1基因可保護(hù)小鼠免受高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗，說明阻斷JNK通路可恢復(fù)胰島素敏感性［23］。

4.2 p38MAPK通路 一些應(yīng)激因素如高血糖、氧化應(yīng)激除激活 JNK/SAPK通路外，也可激活p38MAPK通路。研究表明，高血糖可刺激大鼠主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞p38MAPK水平升高。此外，鏈尿佐菌素所致糖尿病大鼠模型中，腎小球組織p38MAPK水平也較對(duì)照組升高［24］，上述作用均通過ROS生成的增加介導(dǎo)。在臨床試驗(yàn)中，我們也發(fā)現(xiàn)T1DM和T2DM患者神經(jīng)組織中JNK/SAPK及p38MAPK水平也升高［25］，但具體機(jī)制仍待進(jìn)一步研究。

4.3 NF-κB通路 高血糖、ROS及氧化應(yīng)激可刺激細(xì)胞內(nèi)多種細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子，目前研究最多的是NF-κB通路。研究表明，高糖培養(yǎng)血管內(nèi)皮細(xì)胞可直接引起ROS生成增加，從而激活NF-κB信號(hào)通路，進(jìn)一步活化PKC并引起高級(jí)糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)及山梨醇水平升高，最終導(dǎo)致血管內(nèi)皮功能受損［26］。通過多種方式干擾線粒體功能，生成 ROS可阻斷 NF-κB信號(hào)通路，使蛋白激酶 C(PKC)、AGEs及山梨醇水平下降。此外，在其他多種組織中也出現(xiàn)相似的結(jié)果。這些結(jié)果都支持細(xì)胞內(nèi)ROS的增加是始動(dòng)因素，可激活多種細(xì)胞信號(hào)通路，最終造成細(xì)胞組織的損傷。

4.4 己糖胺通路 研究表明ROS增加可激活己糖胺通路，而抑制電子鏈傳遞可阻斷這一通路。氧化應(yīng)激除激活應(yīng)激信號(hào)通路引發(fā)胰島素抵抗外，也可通過促進(jìn)炎性因子的釋放間接導(dǎo)致胰島素抵抗。炎性反應(yīng)時(shí)中性粒細(xì)胞被激活，其所攝入氧的70%～90%在NADPH氧化酶和NADH氧化酶的催化下接受電子形成氧自由基，造成細(xì)胞損傷。而ROS可增強(qiáng)MCP-1的表達(dá)，激活 NF-κB，促進(jìn) TNF-α 和 IL-6的分泌，加重巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)，促進(jìn)脂肪細(xì)胞衰老［27］。

綜上所述，肥胖或高脂飲食可造成體內(nèi)氧化應(yīng)激水平升高，其中脂肪組織蓄積及線粒體功能改變起著關(guān)鍵作用，而氧化應(yīng)激又通過激活應(yīng)激信號(hào)通路促進(jìn)炎性因子的釋放、導(dǎo)致胰島素抵抗的發(fā)生發(fā)展。因此，氧化應(yīng)激可能是肥胖及胰島素抵抗的始動(dòng)因素，通過分子機(jī)制的探討可發(fā)現(xiàn)新的藥物治療靶點(diǎn)以預(yù)防、治療或延緩胰島素抵抗的病理進(jìn)程。

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