氧化應(yīng)激及炎癥對(duì)糖尿病腎病的影響

閻婷婷，趙英政，易憲文，徐光翠

(1.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院毒理學(xué)教研室，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.南陽(yáng)市第二人民醫(yī)院，河南 南陽(yáng) 473200)

糖尿病是一種常見的具有遺傳傾向的葡萄糖代謝和內(nèi)分泌障礙性疾病，可導(dǎo)致糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)、糖尿病視網(wǎng)膜病變及糖尿病周圍神經(jīng)病變等微血管并發(fā)癥和周邊動(dòng)脈疾病等大血管并發(fā)癥，其中DN是糖尿病患者晚期最嚴(yán)重的并發(fā)癥，由于長(zhǎng)期不可逆的腎臟損傷而最終導(dǎo)致終末期腎衰竭，是糖尿病患者死亡的主要原因之一[1]。氧化應(yīng)激是機(jī)體氧化和抗氧化系統(tǒng)自穩(wěn)態(tài)失衡，導(dǎo)致活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生過(guò)量，超過(guò)機(jī)體正常的清除能力，從而引起組織器官氧化損傷，特別是線粒體損傷[2]。DN患者腎臟組織中許多炎癥相關(guān)因子如細(xì)胞黏附因子、趨化因子和促炎因子表達(dá)增高[3]。研究顯示，氧化應(yīng)激和炎癥參與了DN的發(fā)生及發(fā)展，氧化應(yīng)激和炎癥是DN發(fā)病機(jī)制中的重要環(huán)節(jié)甚至是中心環(huán)節(jié)[4]。臨床研究顯示，抗炎抗氧化藥物能顯著降低DN患者尿白蛋白的排泄，并降低體內(nèi)炎性相關(guān)因子腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和丙二醛(malondialdehyde，MDA)水平[5]，說(shuō)明抗氧化劑對(duì)預(yù)防和治療DN有重要作用。因此，本綜述從DN的發(fā)病機(jī)制出發(fā)，探討氧化應(yīng)激及炎癥對(duì)DN的影響，并進(jìn)一步闡述抗氧化劑硫辛酸(alpha-lipoic acid，LA)在DN治療中的作用。

1 氧化應(yīng)激與DN

高血糖是引起糖尿病及其并發(fā)癥的最主要因素，其中氧化應(yīng)激是高血糖導(dǎo)致機(jī)體損傷的重要機(jī)制。機(jī)體在高血糖狀態(tài)下可通過(guò)2種途徑誘導(dǎo)氧化應(yīng)激：(1)高血糖誘導(dǎo)自身氧化，這是體內(nèi)ROS增多的主要原因；(2)誘導(dǎo)體內(nèi)抗氧化酶糖基化[6]，這一過(guò)程導(dǎo)致體內(nèi)抗氧化酶活性降低或消失。這2種途徑均與糖尿病患者的高血糖狀態(tài)緊密相關(guān)。高血糖刺激體內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)加強(qiáng)，氧化應(yīng)激狀態(tài)下常伴隨ROS水平升高，ROS比較復(fù)雜，包括氧自由基、非自由基的氧衍生物。研究表明，氧化應(yīng)激可以損傷胰島β細(xì)胞，胰島β細(xì)胞是氧化應(yīng)激的重要靶點(diǎn)[7]，該細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶如過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)等水平較低，因此，抗氧化能力差，對(duì)ROS較為敏感。ROS不僅可以直接損傷細(xì)胞中的DNA和蛋白質(zhì)而促進(jìn)胰島β細(xì)胞凋亡，還可作為信號(hào)分子參與調(diào)節(jié)胰島素分泌，從而間接抑制β細(xì)胞功能[8]。β細(xì)胞受損使胰島素分泌水平降低，分泌高峰延遲，影響對(duì)糖的處理能力，從而導(dǎo)致血糖波動(dòng)加劇，因而出現(xiàn)難以控制的餐后高血糖(圖1)。高血糖與氧化應(yīng)激之間形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致組織細(xì)胞發(fā)生氧化損傷[9]。

圖1 氧化應(yīng)激對(duì)糖尿病的影響

NAMAZI等[10]研究表明，DN的發(fā)生機(jī)制主要是由于強(qiáng)氧化應(yīng)激狀態(tài)下大量ROS的參與。正常情況下，線粒體是產(chǎn)生和消除ROS的主要細(xì)胞器，機(jī)體90%以上的ROS由線粒體氧化呼吸鏈的“電子漏”產(chǎn)生，并能在線粒體中通過(guò)呼吸鏈底物端與呼吸鏈氧端的電子漏動(dòng)態(tài)平衡來(lái)消除ROS；另外，體內(nèi)炎性因子和細(xì)胞溶質(zhì)酶的釋放也是引起ROS增多的重要因素[11]。糖尿病狀態(tài)下腎臟長(zhǎng)期受慢性炎癥刺激，導(dǎo)致機(jī)體炎性因子水平增高，促進(jìn)ROS生成，隨著氧自由基的過(guò)量產(chǎn)生，體內(nèi)ROS與抗氧化酶的平衡被打破，從而引起線粒體損傷，包括線粒體呼吸鏈損傷及膜滲透性破壞，導(dǎo)致一系列的氧化應(yīng)激反應(yīng)。

細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證明了氧化應(yīng)激是引起DN患者腎損傷的重要因素。SON等[12]在利用高濃度葡萄糖處理的腎細(xì)胞DN模型研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)腎細(xì)胞暴露于高血糖環(huán)境時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的脂質(zhì)過(guò)氧化及ROS增多，加入抗氧化劑干預(yù)后細(xì)胞的氧化應(yīng)激狀態(tài)明顯減輕。高血糖情況下有利于活性氧的產(chǎn)生，過(guò)量的ROS在DN發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要的作用。ROS的產(chǎn)生與糖尿病并發(fā)癥的關(guān)系十分復(fù)雜，但目前一致認(rèn)為其與糖尿病血管并發(fā)癥的病理機(jī)制有關(guān)，如晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)增多、蛋白激酶C及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)激活均與ROS有密切的關(guān)系[13]。此外，動(dòng)物模型研究也表明，在糖尿病及DN的發(fā)展中存在高水平的氧化應(yīng)激[14]。因此，尋找合適的抗氧化劑對(duì)治療DN具有十分重要的意義。

2 線粒體損傷與DN

線粒體是真核細(xì)胞的重要細(xì)胞器，是機(jī)體能量代謝的中心。機(jī)體約80%～90%的三磷腺苷是通過(guò)線粒體內(nèi)膜上電子傳遞鏈的氧化偶聯(lián)而產(chǎn)生，為生命活動(dòng)提供最根本的能源支持。LOSCHEN[15]于1971年首次證明線粒體呼吸鏈可產(chǎn)生氧自由基，同時(shí)，線粒體是產(chǎn)生ROS的重要器官。糖尿病高血糖狀態(tài)可導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜電位差增大，形成內(nèi)膜超極化，電子通過(guò)輔酶Q的傳遞使氧分子還原，產(chǎn)生大量的ROS。此外，線粒體內(nèi)膜中富含高不飽和脂肪酸，易受ROS的攻擊，所以線粒體既是體內(nèi)ROS產(chǎn)生的主要部位，又對(duì)ROS氧化損傷異常敏感[16]。機(jī)體高血糖狀態(tài)造成氧化應(yīng)激與線粒體損傷的惡性循環(huán)。LA在線粒體中合成，可保護(hù)機(jī)體免受氧化應(yīng)激的刺激。糖尿病時(shí)，高血糖刺激體內(nèi)線粒體合成過(guò)多的ROS，機(jī)體氧化應(yīng)激加重，抗氧化劑LA生成障礙，使得LA保護(hù)機(jī)體的作用減弱，導(dǎo)致腎臟損傷。有證據(jù)表明，細(xì)胞和線粒體ROS增多均與DN的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，最終可導(dǎo)致腎小球肥大、足細(xì)胞凋亡、系膜基質(zhì)擴(kuò)張、炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)和線粒體功能障礙[17]。尤其當(dāng)線粒體DNA生成減少，線粒體膜電位去極化和三磷腺苷產(chǎn)生減少等線粒體存活和自噬之間發(fā)生不平衡時(shí)易發(fā)生線粒體功能障礙[18]。

SHIMADA等[19]指出，線粒體受損可導(dǎo)致線粒體DNA發(fā)生氧化損傷，氧化的DNA釋放出線粒體后與細(xì)胞質(zhì)中的核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide binding and oligomerization domain-like receptor family pyrin domain-containing 3，NLRP3)炎性體結(jié)合，激活NLRP3炎性體。NLRP3炎性體激活機(jī)制包括2種途徑：(1)通過(guò)激活經(jīng)典的核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)炎癥信號(hào)通路，隨后介導(dǎo)NLRP3及其下游的炎性因子白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-18等表達(dá)增強(qiáng)；(2)由于活性氧損傷線粒體，導(dǎo)致線粒體發(fā)生DNA氧化損傷，激活NLRP3炎性小體[20]。有實(shí)驗(yàn)表明，糖尿病患者的腎臟足細(xì)胞受到高濃度葡萄糖或AGEs刺激時(shí)，線粒體ROS產(chǎn)生增多，繼而激活NLRP3炎性體，而NLRP3炎性體與DN發(fā)生明顯相關(guān)。NLRP3炎性體激活腎小管上皮細(xì)胞的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化，這是DN中與腎小管萎縮和間質(zhì)纖維化相關(guān)的過(guò)程[21]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證明,當(dāng)抑制糖尿病小鼠線粒體中ROS后，腎小球炎性體的活化減弱[22]。目前,關(guān)于ROS介導(dǎo)的線粒體功能障礙與糖尿病腎損傷的炎癥和纖維化過(guò)程尚需要進(jìn)一步研究。

3 炎癥反應(yīng)與DN

氧化應(yīng)激和炎癥緊密相連，二者相互促進(jìn)，是導(dǎo)致DN病情進(jìn)展的重要原因。炎癥是細(xì)胞遭受外界刺激時(shí)的一種保護(hù)性反應(yīng)，通過(guò)一系列炎癥反應(yīng)過(guò)程，最終去除致病因子。但炎癥反應(yīng)過(guò)于強(qiáng)烈或持久，將會(huì)對(duì)機(jī)體造成損傷。DN作為一種慢性炎癥已經(jīng)被大家所熟知，長(zhǎng)期的慢性炎癥刺激必然會(huì)引起腎損傷。

DN的發(fā)生與全身和局部炎癥相關(guān)。有研究表明，DN患者腎臟中ROS水平升高介導(dǎo)巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)和炎癥細(xì)胞的募集，促使炎性因子IL-1β、IL-6、TNF-α、單核細(xì)胞趨化因子-1(monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)-1及TGF-β和NF-κB的產(chǎn)生，這些炎性因子在啟動(dòng)糖尿病腎損傷中起關(guān)鍵作用[23]。有研究顯示，糖尿病大鼠模型的腎小球細(xì)胞和腎小管間質(zhì)中MCP-1上調(diào)，同時(shí)在糖尿病患者的尿液以及腎組織活檢中發(fā)現(xiàn)MCP-1水平升高[24]。此外，DN的進(jìn)展也與血漿中IL-6和TNF-α的水平相關(guān)。據(jù)報(bào)道，IL-6和TNF-α均能促進(jìn)系膜細(xì)胞增殖，細(xì)胞外基質(zhì)擴(kuò)增，并通過(guò)ROS產(chǎn)生的正反饋回路增加內(nèi)皮細(xì)胞通透性[25]。NF-κB是糖尿病炎癥反應(yīng)起始的主要轉(zhuǎn)錄因子，DN患者腎臟中NF-κB表達(dá)增加，并出現(xiàn)腎小球系膜細(xì)胞增殖，系膜基質(zhì)擴(kuò)張和腎小球硬化。此外，NF-κB是一種重要的上游轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)節(jié)刺激黏附分子和促炎因子(包括MCP-1、TNF-α和IL-6)的表達(dá)[26]，此過(guò)程相互促進(jìn)，加快DN的發(fā)生、發(fā)展。巨噬細(xì)胞抗原復(fù)合體-1(macrophage antigen complex-1,Mac-1)是最近鑒定的表面受體，與高血糖介導(dǎo)的細(xì)胞炎癥相呼應(yīng)。YOON等[27]報(bào)道，終末期腎病患者粒細(xì)胞和單核細(xì)胞中Mac-1(CD11b/CD18)表達(dá)增加與血漿中MDA的升高及超氧化物和過(guò)氧化氫的產(chǎn)生有關(guān)，這表明氧化應(yīng)激和炎癥之間存在密切聯(lián)系。

4 LA抗氧化抗炎作用對(duì)DN的保護(hù)機(jī)制

LA是在線粒體內(nèi)由硫辛酸合成酶(lipoic acid synthase，LIAS)產(chǎn)生并參與多種代謝功能的天然抗氧化劑，LA通過(guò)清除體內(nèi)多種自由基和還原其他抗氧化劑，在機(jī)體抗氧化系統(tǒng)扮演重要角色[28]。LA可抑制高血糖導(dǎo)致的氧化應(yīng)激和線粒體功能失調(diào)造成的施萬(wàn)細(xì)胞凋亡，并潛在地保護(hù)線粒體[29-30]。LA的獨(dú)特之處在于它具有良好的親水性和親脂性，在生物體內(nèi)能很好地發(fā)揮作用。LA與其他抗氧化劑不同，其氧化及還原形式均能改善DN的癥狀，在醫(yī)學(xué)界有萬(wàn)能抗氧化劑之稱[31]。

此外，LA作為體內(nèi)必不可少的一些酶復(fù)合物的成分，在蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪酸的代謝中起主要作用。LA還通過(guò)增強(qiáng)其細(xì)胞運(yùn)輸功能來(lái)調(diào)節(jié)血糖水平。除上述功能外，LA作為強(qiáng)抗氧化劑，還可清除細(xì)胞呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的自由基[32]，硫醇為存在于LA中的基團(tuán)，可與自由基反應(yīng)，從而提高其抗氧化能力。GONZALEZPEREZ等[33]報(bào)道，LA可增加SOD和GSH的抗氧化能力，并能再生維生素E。因此，LA是一種抵抗ROS和自由基的天然抗氧化劑，在改善體內(nèi)糖脂代謝以及減弱機(jī)體氧化應(yīng)激方面起著至關(guān)重要的作用[34]。體外和體內(nèi)研究表明，LA可以提高體內(nèi)多種天然硫醇抗氧化劑水平[35]。據(jù)報(bào)道，以0.12 g·kg-1的劑量補(bǔ)充LA可逆轉(zhuǎn)大鼠肝細(xì)胞和心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激[36]，以1、10、100、1 000 μmol·L-1LA處理人類淋巴細(xì)胞[37]以及應(yīng)用LA對(duì)糖尿病大鼠進(jìn)行腹腔內(nèi)注射(10 mg·kg-1)[38]，均有顯著的抗氧化特性。此外，在其他涉及氧化應(yīng)激的慢性疾病中，已經(jīng)證實(shí)了給予LA可以減少ROS并能抑制氧化應(yīng)激[39]。

LA不僅能減弱氧化應(yīng)激，而且在抗炎方面也發(fā)揮著重要作用。LA應(yīng)用于阿爾茨海默病[40]、心血管疾病[41]和2型糖尿病[42]等慢性疾病，均展現(xiàn)出較好的抗炎作用。有研究顯示，用H2O2處理大鼠胚胎成纖維細(xì)胞(rat embryonic fibroblasts，REF)時(shí)，細(xì)胞中TNF-α、IL-1β、IL-6等炎性因子的水平顯著增高，用H2O2和LA同時(shí)處理REF細(xì)胞后，細(xì)胞中炎性因子水平顯著降低[43]。轉(zhuǎn)錄因子NF-κB是機(jī)體發(fā)生有害刺激時(shí)重要的信號(hào)分子，當(dāng)機(jī)體發(fā)生慢性炎性反應(yīng)時(shí)NF-κB表達(dá)上調(diào)[44]。同樣的研究顯示，當(dāng)REF細(xì)胞暴露于H2O2環(huán)境中時(shí)，細(xì)胞內(nèi)NF-κB水平顯著升高；加用LA處理后REF細(xì)胞顯示出較低的NF-κB濃度[43]。這些結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激時(shí)，也伴隨著炎癥反應(yīng)，抗氧化劑LA不僅可以減弱氧化應(yīng)激，還能減輕炎癥反應(yīng)，并能有效地中和過(guò)量的ROS。

LA在體內(nèi)發(fā)揮作用與LIAS的表達(dá)密切相關(guān)[45]。有實(shí)驗(yàn)表明，LIAS缺乏的糖尿病大鼠易出現(xiàn)微量白蛋白尿、腎小球基底膜增厚、系膜基質(zhì)增多和血壓升高等，其與人DN有相似的癥狀[46]。WANG等[47]研究表明，LA可使糖尿病大鼠的血清和腎皮質(zhì)中MDA水平降低而SOD活性升高，線粒體腫脹明顯減少,而線粒體膜電位顯著增加。臨床治療也顯示,給予糖尿病患者LA治療后，可顯著降低體內(nèi)與氧化應(yīng)激相關(guān)的指標(biāo)，減輕DN，改善腎損傷[48]。臨床試驗(yàn)顯示，LA是一種對(duì)糖尿病周圍神經(jīng)炎有顯著療效的抗氧化劑[49]。

5 展望

DN是由于長(zhǎng)期慢性高血糖刺激使得體內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)，從而引起腎臟中ROS水平升高、線粒體功能障礙和抗氧化防御減弱，同時(shí)由ROS增多與線粒體損傷及炎癥之間互相影響、互相促進(jìn)而導(dǎo)致的結(jié)果。應(yīng)用抗氧化劑的同時(shí)抑制炎癥小體和減輕炎癥反應(yīng)能夠?qū)δI臟和血管起到保護(hù)作用。因此，除一般抗氧化治療措施外，還需進(jìn)一步研究確定最佳的聯(lián)合治療方法，以預(yù)防和治療DN。