糖尿病腎病發(fā)生的氧化應激機制及抗氧化治療的研究進展

張尚維，李明星，趙 蕊，應苗法

（浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院藥學部，浙江 杭州 310016）

糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）是一種嚴重的糖尿病并發(fā)癥，由糖尿病微血管病變引起的腎結(jié)構(gòu)和功能的異常病變，最終導致終末期腎損傷，是糖尿病患者死亡的主要病因［1］。其早期臨床表現(xiàn)為腎小球病變、腎小球高濾過率和近端腎小管細胞形態(tài)改變；晚期主要表現(xiàn)為腎小球低濾過率、蛋白尿及腎功能衰竭［2］。據(jù)目前的流行病學顯示，中國西部地區(qū)DN患者的數(shù)量占2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）總數(shù)的41.3%，東部地區(qū)占比22.3%，東北地區(qū)占比20.7%，中部地區(qū)占比15.6%，且男性多于女性［3］。DN的發(fā)病機制復雜，涉及多種不同的信號通路，其中代謝功能紊亂、炎癥反應及血流動力學的改變與DN的發(fā)生密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，高血糖能誘導腎細胞產(chǎn)生各種炎癥因子和生長因子，炎癥因子的增多能刺激氧自由基的產(chǎn)生，增加氧化應激；相反，氧化應激也能促進炎癥因子的釋放，加重腎功能損傷［4］。目前，氧化應激被認為是高血糖介導的腎功能損傷的致病基礎(chǔ)，參與調(diào)控腎小球和腎小管的生理功能。本文就DN發(fā)病的氧化應激機制以及抗氧化劑治療DN的進展進行綜述。

1 氧化應激概述

氧化應激是指機體受到各種有害刺激時，體內(nèi)的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）和活性氮簇（reactive nitrogen species，RNS）自由基過度生成，超出機體對氧化物的清除能力，導致氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)的平衡失調(diào)，引起組織或細胞的功能紊亂［5］。ROS是氧化應激發(fā)生的主要無氧自由基，包括羥基（·OH）、超氧陰離子（·O2-）和過氧亞硝基（ONOO-）等，其主要來源于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，線粒體產(chǎn)生的ROS也可促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激［6］。正常濃度的ROS能維持細胞功能的穩(wěn)態(tài)，但由于其高化學反應活性，過量的ROS會破壞細胞內(nèi)的大分子如DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，引起細胞壞死和凋亡［7］。因此，清除細胞內(nèi)的超氧化物歧化酶（superoxide dismutases，SOD）、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶和抗氧化蛋白等，能減少ROS的產(chǎn)生，減輕組織的氧化損傷。

線粒體是能量代謝過程中的關(guān)鍵細胞器，通過氧化磷酸化生成ATP、ROS和超氧陰離子，在生理狀態(tài)下維持機體的氧化還原平衡；但線粒體DNA（mitochondrion DNA，mtDNA）與細胞核基因組不同，mtDNA不受組蛋白保護，ROS介導的氧化應激能誘導其異常突變，進而引起氧化過程中電子傳輸鏈損傷，增加氧化應激［8］。已有研究證實，糖尿病患者體內(nèi)抗氧化酶水平發(fā)生改變，線粒體氧化應激與糖尿病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)［9］。另外，線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)并非獨立的細胞器，兩者通過線粒體相關(guān)膜緊密連接、相互作用，維持細胞的穩(wěn)態(tài)。有研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的氧化應激也能引起糖尿病的發(fā)生；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在氧化還原素和谷胱甘肽的協(xié)作下，產(chǎn)生大量的ROS并耗盡谷胱甘肽，導致氧化還原失衡及蛋白質(zhì)的積累，增加氧化應激［10］。

2 糖尿病腎病發(fā)生的氧化應激機制

氧化應激是DN發(fā)生的重要病因之一，高血糖誘導腎細胞生成大量的ROS，增加氧化應激；氧化應激過程中多條信號通路如葡萄糖氧化、晚期糖基化終末產(chǎn)物（advanced glycation end products，AGE）的生成、蛋白激酶的激活、氨基己糖及多元醇通路參與了葡萄糖和脂質(zhì)的代謝調(diào)控［11］。腎的氧化應激通常由前氧化酶誘導ROS的大量生成，誘發(fā)腎的纖維化及炎癥反應，并通過促進脂質(zhì)過氧化、DNA損傷及線粒體功能紊亂導致組織損傷［12］。另外，誘導腎促氧化酶過量產(chǎn)生ROS能引起含二氫酪氨酸的蛋白質(zhì)聚積，直接誘導足細胞損傷、以及腎小球硬化和腎小管纖維化的發(fā)生發(fā)展。因此，探討氧化應激在DN發(fā)生中的作用機制具有重要意義。

2.1 氧化應激與腎炎

氧化應激誘導的腎炎是糖尿病腎損傷發(fā)生和發(fā)展的重要進程，高血糖誘導ROS的過度生成，刺激炎癥細胞募集，釋放大量的炎癥因子、生長因子和轉(zhuǎn)錄因子，參與DN的進程［13］。在DN患者血漿中發(fā)現(xiàn)，炎癥因子白介素1（interleukin-1，IL-1）、IL-6、腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、單核趨化蛋白1（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）、巨噬細胞炎癥蛋白1β和細胞間黏附分子1（intracellular adhesion molecule-1，ICAM-1）的水平顯著升高，介導巨噬細胞和T細胞的過度浸潤，引起腎的損傷［14］。MCP-1主要表達于腎單核細胞、內(nèi)皮細胞和腎小球系膜，能活化并招募免疫細胞；氧化應激能誘導巨噬細胞募集及MCP-1水平的上調(diào)，調(diào)控炎癥反應及尿白蛋白的生成。細胞核因子κB（nucleus factor κB，NF-κB）被認為是糖尿病炎癥反應的主要轉(zhuǎn)錄因子，通過氧化還原信號激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB、激活蛋白1（activator protein 1）及特化蛋白1（special protein 1），加劇促炎癥和促纖維化反應［15］。另外，NF-κB能調(diào)控下游ICAM-1及促炎癥因子MCP-1，TNF-α和IL-6的表達，且TNF-α對ROS的產(chǎn)生具有負反饋的作用，參與DN的進展。研究發(fā)現(xiàn)，高血糖能增加大鼠氧化應激，活化Toll樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4）/NF-κB信號通路，加重大鼠腎小管損傷和腎功能紊亂，誘導炎癥及腎小管上皮細胞的凋亡［16］。因此推斷，氧化應激與糖尿病腎炎的發(fā)生密切相關(guān)。

2.2 氧化應激與足細胞損傷

在正常生理條件下，ROS在調(diào)控細胞的增殖、分化、凋亡及免疫防御等方面發(fā)揮重要的作用；在糖尿病病理條件下，腎中過量產(chǎn)生的ROS能誘導腎結(jié)構(gòu)和功能的紊亂，導致DN的發(fā)生［17］。足細胞又被稱作腎小球上皮細胞，由胞體、主突和足突構(gòu)成，是一種終末分化的細胞；其功能主要是構(gòu)成腎小球的濾過屏障，生成腎小球基底膜的基質(zhì)，維持腎小球正常的結(jié)構(gòu)和濾過作用。足細胞對氧化應激因子ROS較敏感，過量的ROS能夠引起足細胞結(jié)構(gòu)改變、凋亡和足突消失，足細胞數(shù)量減少引起腎小球濾過功能損傷，且無法修復［18］。有研究發(fā)現(xiàn)，脂肪酸轉(zhuǎn)運酶CD36能通過氧化應激調(diào)控脂肪酸誘導的組細胞凋亡，參與DN的進程［19］。

目前，氧化應激調(diào)控足細胞損傷的機制主要包括ROS誘導線粒體功能紊亂、NF-κB/絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路的活化及DNA的氧化損傷［20］。在高糖誘導的足細胞中，線粒體數(shù)量減少且膜電位降低，ROS和SOD含量增加，足細胞凋亡；抑制高糖誘導的線粒體缺陷及氧化應激，能減輕足細胞凋亡［21］。在鏈脲菌素（streptozotocin，STZ）誘導的糖尿病小鼠模型中，腎皮質(zhì)和腎小球中ROS和H2O2含量增加，MAPK信號通路活化，誘導足細胞的凋亡；減少ROS的生成能抑制MAPK的活化，保護高糖誘導的足細胞損傷［22］。另外，在巨噬細胞和足細胞共培養(yǎng)時，高糖處理誘導巨噬細胞呈促炎癥M1極化，激活TNF-α/ROS/P38MAPK信號通路，誘導足細胞凋亡；阻斷高糖活化的巨噬細胞及TNF-α/ROS/P38MAPK信號通路，能抑制足細胞的凋亡，延緩DN的進展［23］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-oxidase4，Nox4）/ROS/P38MAPK信號通路的活化也參與了高糖誘導足細胞的損傷，抑制P38MAPK的磷酸化，減少足細胞的凋亡及蛋白尿的生成［24］。因此，抑制氧化應激誘導的足細胞損傷，能改善糖尿病腎功能損傷。

2.3 氧化應激與腎小球硬化癥

腎小球硬化是DN患者病情發(fā)展至終末期的主要病理表現(xiàn)，由于腎小球系膜肥大且細胞外基質(zhì)蛋白過度沉積，最終導致腎小球硬化癥的發(fā)生。氧化應激參與了腎小球硬化形成的過程，ROS能激活血管緊張素Ⅱ/轉(zhuǎn)化生長因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）/smad、蛋白激酶 C（protein kinase C，PKC）和NF-κB等信號通路，誘導細胞外基質(zhì)的沉積，但血管緊張素Ⅱ、TGF-β1和PKC等信號因子也能促進ROS的生成，導致DN氧化應激損傷的惡化。已有研究發(fā)現(xiàn)，增強核因子E2相關(guān)因子2（nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2）信號通路的活化，能夠抑制ROS/NO的生成，減少氧化應激及蛋白尿，改善腎小球硬化［25］。隨后，YANG等［26］研究發(fā)現(xiàn)，在腎小球上皮增生小鼠模型中，檸檬醛能夠激活Nrf2信號通路，抑制氧化應激及腎小球周圍單核細胞的炎癥浸潤，減輕腎小球硬化，發(fā)揮腎功能保護作用。Nox4已被證明是糖尿病腎細胞中ROS的主要來源，敲除Nox4能抑制PKC通路的激活，減少細胞外基質(zhì)蛋白的沉積，改善腎小球硬化癥［27］。

2.4 氧化應激與腎小管間質(zhì)纖維化

腎小管間質(zhì)纖維化是所有腎疾病進展至終末期腎功能衰竭的共同病理過程，其病理特征是腎間充質(zhì)成纖維細胞異常增殖、細胞外基質(zhì)過度沉積及炎癥浸潤。在腎纖維化形成的過程中，近端腎小管上皮細胞能釋放纖維生長因子、炎癥因子和細胞趨化因子，促進細胞外基質(zhì)的生成及沉積，誘導纖維化的發(fā)生。在高糖條件下，腎細胞能釋放TGF-β1、血小板源生長因子（platelet-derived growth factor，PDGF）和血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等，促進細胞外基質(zhì)蛋白如膠原蛋白和纖連蛋白的表達，引起腎細胞肥大增生、腎小球和腎小管間質(zhì)纖維化［28］。氧化應激參與腎小管纖維化形成的過程，ROS能刺激多種促纖維化生長因子如TGF-β1、VEGF和結(jié)締組織生長因子的表達，誘導細胞外基質(zhì)蛋白的沉積，導致腎功能損傷［29］。

在DN患者活體組織檢查中發(fā)現(xiàn)，近端腎小管間質(zhì)纖維化，腎小管細胞凋亡，這些損傷伴隨著ROS的增加；在高糖處理的人近端腎小管細胞中，過表達叉頭轉(zhuǎn)錄因子O1（forkhead transcription factor O1，F(xiàn)OXO1）能抑制下游高糖誘導的硫氧還蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）的增加和硫氧還蛋白（thioredoxin，TRX）的減少，抑制氧化應激和ROS的產(chǎn)生，通過作用于TXNIP/TRX信號通路減少腎小管細胞的凋亡，改善腎小管纖維化［30］。另有研究發(fā)現(xiàn)，在腎小管上皮細胞中，過氧化物酶1通過抑制H2O2/P38MAPK信號通路，抑制氧化應激誘導的細胞凋亡，對腎小管纖維化發(fā)揮潛在的靶向治療作用［31］。CHUNG等［32］發(fā)現(xiàn)，抑制NF-κB/Nrf2信號通路的活化，能降低Nrf2依賴性抗氧化劑血紅素氧合酶1、過氧化氫酶和SOD等的水平，抑制TGF-β、基質(zhì)金屬蛋白酶2（matrix metalloproteinase 2，MMP-2）、MMP-9和纖連蛋白的表達，減輕腎小管間質(zhì)纖維化。

3 糖尿病腎病的抗氧化應激治療

近年來，臨床常用的治療藥物如血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、血管緊張素Ⅱ受體拮抗劑、他汀類、噻唑烷二酮類、醛固酮受體拮抗劑及鈣離子拮抗劑等均具有抗氧化活性，能降低煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶介導的ROS生成水平，減輕足細胞的損傷以及腎結(jié)構(gòu)和功能的缺陷，發(fā)揮腎功能保護作用［33］?？墒秤玫目寡趸镔|(zhì)如維生素C、維生素E、姜黃素、硒、兒茶素、白藜蘆醇、褪黑素和鋅等均可抑制高血糖誘導的超氧化物及ROS的形成，延緩DN的進程［34］。另外，新的靶向線粒體的抗氧化藥物如抗氧化劑與三苯基磷陽離子結(jié)合的米托醌（mitoquinone）輔酶Q10、維生素E和依布硒啉等，能保護線粒體免受氧化應激損傷，發(fā)揮抗氧化作用。

臨床研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者血漿中維生素C和維生素E水平降低，長期補充這2種維生素能減輕糖尿病患者腎炎［35］。維生素C作為一種抗氧化劑，其機制是減輕腎的氧化應激，活化Nrf2信號通路并下調(diào)膠原蛋白的表達，保護足細胞的損傷，減少尿蛋白及尿蛋白的排泄率，改善DN腎功能損傷［36-37］。維生素E能抑制NF-κB信號通路的活化，調(diào)控NO2-/NO3-的生成，增加谷胱甘肽的水平，降低蛋白尿并減輕近端腎小管的損傷［38］。隨機對照研究結(jié)果表明，長期高劑量補充維生素E能顯著降低TNF-α、MMP-2、MMP-9、丙二醛和終末端糖基化產(chǎn)物的水平，抑制氧化應激及炎癥反應；另外，高劑量補充維生素E能降低血液中總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇的水平，增加總的抗氧化能力，改善DN患者腎功能損傷［39-40］。

α-硫辛酸可在線粒體中由硫辛酸合酶合成，具有清除自由基、螯合金屬離子及再生其他抗氧化物質(zhì)的生物學功能。有研究發(fā)現(xiàn)，降低硫辛酸合酶的表達能加速DN的發(fā)生；高表達硫辛酸合酶能抑制氧化應激，減輕DN的病理進展［41-42］。另外，靶向線粒體ROS產(chǎn)生的谷胱甘肽、輔酶Q10、抗氧化劑與帶正電荷三苯磷酸陽離子結(jié)合生成的醌類似物如米托醌等聚積在線粒體基質(zhì)中，抑制氧化應激，防止線粒體結(jié)構(gòu)和功能損傷，且能夠激活Nrf2信號，上調(diào)Nrf2活化子的表達，緩解糖尿病腎炎并預防腎功能不全［43］。

一項薈萃分析評價抗氧化物質(zhì)包括維生素C、維生素E、維生素B6、綠茶多元酚、姜黃素、抗壞血酸及谷胱甘肽與DN之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抗氧化物質(zhì)能顯著調(diào)控血尿素氮、TGF-β和腎小球濾過率的水平，對DN發(fā)揮較好的治療作用［44］。進一步系統(tǒng)評價表明，維生素C、維生素E、鋅、硫辛酸、生育酚、水飛薊素、維生素B6及谷胱甘肽等抗氧化物質(zhì)能顯著降低蛋白尿含量，改善腎功能損傷及延緩DN進程［45］。體外研究發(fā)現(xiàn)，天然物質(zhì)如草本植物、種子及植物提取物等具有抗氧化、抗炎活性，能夠激活Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein-1）/Nrf2/抗氧化反應元件信號通路，抑制NF-κB信號通路的活化，增強抗氧化能力，減輕氧化應激誘導的腎功能損傷、炎癥反應及腎纖維化［46］。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，氧化應激在DN的發(fā)生發(fā)展中具有重要的作用，參與DN進程中的多個階段，如腎炎、腎小球硬化、腎小管纖維化及終末期腎衰竭，導致腎小管濾過率異常及蛋白尿的產(chǎn)生。高血糖誘導ROS的過量生成，激活TLR4/NF-κB，P38MAPK和TGF-β1/smads等信號通路，調(diào)控炎癥反應、生長因子的生成和細胞外基質(zhì)蛋白的表達，以及細胞的增殖、分化和凋亡，導致糖尿病患者腎結(jié)構(gòu)和功能損傷；抑制高血糖誘導的氧化應激，能夠改善糖尿病腎損傷，延緩DN的進程。目前，多種抗氧化治療藥物及天然的抗氧化劑已應用于對DN的治療，并取得一定的效果，其作用機制主要是抑制氧化應激，增強機體的抗氧化能力，維持線粒體的穩(wěn)態(tài)；但由于DN的發(fā)病機制復雜及氧化應激作用靶點較多，抗氧化劑的作用機制仍不明確。因此，探討氧化應激在DN發(fā)病中的作用及篩選新的作用靶點，有助于為治療DN新的抗氧化劑的開發(fā)提供思路。