糖尿病腎病與氧化應(yīng)激機制的關(guān)系

李璐

(上海市楊浦區(qū)長海社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心，上海 200433)

1 糖尿病腎病簡述

糖尿病(DM)是一種以空腹血糖(FPG)≥126mg/dL為特征的慢性代謝性疾病。長期有DM病史可引起嚴重的微血管和大血管并發(fā)癥，糖尿病腎病(DN)是其微血管病變之一，其腎損傷包括腎小球、小管、血管和間質(zhì)，最終導(dǎo)致終末期腎病(ESRD)。研究發(fā)現(xiàn)1型和2型糖尿病發(fā)展成為終末腎衰竭的比例相差無幾[1]。

DN以腎臟血流動力學、病理結(jié)構(gòu)和功能改變?yōu)樘卣鳌Ｑ鲃恿W改變?yōu)楦吖嘧⒑透邽V過。兩者均可引起腎血漿流量增加和腎小球毛細血管壓力增加[2,3]。形態(tài)改變以腎小球基底膜增厚、細胞外基質(zhì)沉積、系膜細胞擴張、足細胞功能障礙為特征，導(dǎo)致腎小球硬化、腎小球肥大及纖維化。功能改變?yōu)槟I小球過濾率降低，表現(xiàn)為白蛋白尿(AER≥30mg/d, or ACR≥30mg/g)，蛋白尿>500 mg/d和/或腎小球濾過率降低(GFR≤60mL/min/1.72m2)[4]。這一系列的改變導(dǎo)致腎小球硬化，最終成為終末期腎損傷。由于傳統(tǒng)醫(yī)學并無DN，但根據(jù)DN的臨床表現(xiàn)可將其歸于“虛勞”“水腫”等范疇。

糖尿病患者從正常白蛋白尿(AER<30 mg/d or ACR<30 mg/g) 到微量白蛋白尿(AER: 30~300 mg/d or ACR: 30~300 mg/g)是疾病發(fā)展的開始。隨著腎小球濾過屏障(GBF)進一步受損，其通透性進一步增加并發(fā)展為大量蛋白尿(AER>300 mg/d or ACR>300 mg/g)，這是腎功能受損的標志，也表明GFR開始下降[5]。因此，臨床上表現(xiàn)為蛋白尿持續(xù)升高，GFR持續(xù)降低。當前一般將DN分為5型，見表1。但值得注意的是，本表可能更適合診斷1型糖尿病，因為2型糖尿病的發(fā)病往往發(fā)生在一些相關(guān)疾病之后。2型糖尿病一經(jīng)診斷，即提示患者出現(xiàn)大量蛋白尿，腎功能受損。

表1 糖尿病腎病的階段

2 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激的定義為自由基引起的潛在生物損傷。自由基的有益和有害作用之間的微妙平衡通過一種叫做氧化還原調(diào)節(jié)的機制來實現(xiàn)，這是生物體中一個非常重要的方面。在某些病理情況下，氧化劑與抗氧化劑之間的平衡被打破，如抗氧化反應(yīng)不足，抗氧化劑活性降低，氧化劑過度表達，導(dǎo)致過度氧化應(yīng)激(OS)。生理下，活性氧(ROS)不斷產(chǎn)生，被細胞內(nèi)外的抗氧化系統(tǒng)清除。病理情況下，ROS的產(chǎn)生與抗氧化防御之間的平衡失調(diào)，導(dǎo)致疾病的發(fā)生[6]。

ROS是一個分子家族，包括分子氧及其衍生物，其中主要有超氧陰離子(O2·-)、羥基自由基(·OH)、過氧化氫(H2O2)、過氧亞硝酸鹽(ONOO—)、次氯酸(HClO)、一氧化氮(NO)和脂類自由基。D, Z.等發(fā)現(xiàn)[7]持續(xù)的高血糖導(dǎo)致OS，促進過量ROS的產(chǎn)生，以及各種生物分子(脂類、蛋白質(zhì)、DNA等)的氧化。也就是說，當ROS的產(chǎn)生超過抗氧化劑的防御能力時，就會引起OS，進而產(chǎn)生相關(guān)疾病。DM時腎臟存在明顯的氧化應(yīng)激，腎臟氧化應(yīng)激是DN重要的發(fā)病機制之一，因此抑制腎臟的氧化應(yīng)激將有利于延緩DN的發(fā)生發(fā)展。高血糖引起DM并發(fā)癥的四個主要分子機制為多元醇通路、晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)、蛋白激酶C(PKC)通路、己醣胺通路[8]。

2.1 四條經(jīng)典通路

多元醇途徑中，醛糖還原酶將葡萄糖還原為有毒的山梨醇，山梨醇隨后被氧化為果糖。過度活躍的多元醇通路將葡萄糖還原為山梨醇，這期間醛糖還原酶消耗GSH的重要輔助因子NADPH[9]。因此，一方而導(dǎo)致細胞內(nèi)山梨醇及果糖濃度增高，引起細胞水腫和損傷；另一方面降低NADPH/NADP+比值，進而導(dǎo)致GSSG/GSH比值下降，從而導(dǎo)致O2·-的產(chǎn)生[10]。

晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)是由肽和蛋白質(zhì)上的葡萄糖和游離氨基之間的非酶促反應(yīng)形成的[11]。AGEs促進3-P-甘油轉(zhuǎn)化為乙二醛、甲基乙二醛和3-脫氧葡萄糖，引起氧化損傷。此外，AGEs與存在于腎小球系膜細胞、內(nèi)皮細胞等細胞表面的晚期糖基化終產(chǎn)物受體結(jié)合，使細胞內(nèi)產(chǎn)生大量的ROS，這一反應(yīng)主要發(fā)生在腎小球系膜細胞中[12]。

蛋白激酶C (PKC)活化:細胞內(nèi)高血糖增加二酰基甘油的合成，進而活化PKC。隨后，細胞NADPH氧化酶被激活，進一步誘導(dǎo)ROS合成和脂質(zhì)過氧化。反過來，ROS激活PKC，進一步增加PKC的活性[13]。Bhatt, M.等的實驗表明，PKC抑制劑在內(nèi)皮細胞高糖反應(yīng)中阻斷細胞內(nèi)ROS的生成[14]。

己糖胺通路中，糖酵解過程中轉(zhuǎn)移的一些葡萄糖被轉(zhuǎn)化為N-乙酰氨基葡萄糖，這些N-乙酰氨基葡萄糖被放在絲氨酸和蘇氨酸殘基上進行翻譯后修飾。該通路導(dǎo)致基因表達發(fā)生病理改變。代謝組學數(shù)據(jù)顯示，在高糖條件下，過度激活的己糖胺途徑顯著增強了不平衡的氧化還原穩(wěn)態(tài)和腎小球和小管損傷[15]。

然而，對這四種機制的臨床研究發(fā)現(xiàn)，它們各自的抑制劑對DN的治療效果較差[3,16-21]。因此，有文獻中提出線粒體電子傳遞鏈(mETC)損傷而后產(chǎn)生過量的超氧化物，可能是以上四種通路的單一上游誘導(dǎo)過程。M，B等[22]將正常內(nèi)皮細胞的線粒體DNA去除，使其缺乏mETC的功能，導(dǎo)致高糖環(huán)境無法激活上述四種機制。G, A.-K.等[23]發(fā)現(xiàn)在高糖誘導(dǎo)的ROS條件下線粒體RNA編碼等顯著增加，這可能是線粒體損傷條件下的代償性增加。因此，ETC損傷可能是ROS產(chǎn)生的重要機制。

3 DN中ETC是氧化應(yīng)激產(chǎn)生ROS的主要來源

研究表明mETC產(chǎn)生的ROS占總量的45%。因此線粒體可能是ROS的主要來源[24]。mETC位于線粒體內(nèi)膜，由四種復(fù)合物酶和兩種可移動的電子載體組成。ETC復(fù)合物分別為：復(fù)合物Ⅰ(NADH:泛醌氧化還原酶)、復(fù)合物Ⅱ(琥珀酸:泛醌氧化還原酶)、復(fù)合物Ⅲ(泛醌：細胞色素c氧化還原酶)和復(fù)合物Ⅳ(細胞色素c氧化酶)。電子載體包括泛醌(也稱為輔酶Q10)和細胞色素C[25]。

在DN中，mETC是ROS的主要來源，被認為是引起腎臟損傷的主要原因[26]。ETC中的ROS以超氧化物和過氧化氫的形式存在，主要來自ETC復(fù)合物Ⅰ和復(fù)合物Ⅲ[7]。首先，在ETC中，不穩(wěn)定的質(zhì)子梯度和線粒體膜電位的過早崩潰產(chǎn)生了ROS[27]。由于不穩(wěn)定的質(zhì)子梯度促使電子到輔酶Q和分子氧，因此超氧化物產(chǎn)量顯著增加[15,28]。研究發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)高血糖會使線粒體膜上的電壓升高產(chǎn)生ROS。當mETC被移除時，高血糖對ROS產(chǎn)生的影響完全消失并且也無法激活上述四條通路。由于缺乏編碼mETC基因的表達，不穩(wěn)定的質(zhì)子梯度，進一步會增加ROS的水平[29]。然后由于上述原因造成的電子泄漏。電子在損傷的ETC中逐漸轉(zhuǎn)移，在此過程中電子有機會離開常規(guī)路徑，這個過程稱為電子泄漏[30]。電子泄漏的兩個主要位置是復(fù)合物Ⅰ和輔酶Q與復(fù)合物Ⅲ之間的界面[31]。漏出的電子會與附近的分子碰撞或與氧反應(yīng)產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致線粒體中ROS的產(chǎn)生[32]。其次，編碼ETC蛋白的線粒體DNA周圍沒有組蛋白包繞，因此，缺乏損傷后的修復(fù)能力[33]。故而，氧化應(yīng)激發(fā)生后ROS攻擊線粒體DNA使mETC中斷，最終使細胞內(nèi)產(chǎn)生更多的ROS。

4 中藥有效成分緩解mETC的氧化損傷延緩糖尿病腎病進展

我科在治療糖尿病腎病的用藥基本原則為補腎活血，祛風通絡(luò)，絳濁化濕。查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)治療DN常用之中藥的現(xiàn)代藥理學研究大多為阻斷氧化應(yīng)激單一上游機制mETC損傷以緩解蛋白尿。以下我們將以現(xiàn)代藥理學為基礎(chǔ)，研究探討中藥對mETC復(fù)合物的抑制而緩解DN的腎臟損傷。

mETC復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ的活性較低，在高葡萄糖條件下產(chǎn)生更多的ROS[34]。由于過量的線粒體ROS的產(chǎn)生，db/db小鼠表現(xiàn)出ETC功能障礙。雞血藤根中含有的魚藤酮(ETC復(fù)合物Ⅰ抑制劑)可緩解糖尿病腎病的發(fā)展并且緩解高糖環(huán)境下的足細胞損傷[35]。復(fù)合物Ⅱ作為DM條件下促成ROS形成的電子來源[13]，進而產(chǎn)生了更多的O2·-[36]。姜黃素緩解DN有顯著療效，其類似物二苯甲酰甲烷(復(fù)合物II抑制劑)可緩解系膜細胞氧化并預(yù)防糖尿病引起的腎損傷[37]。羅布麻可阻止高糖培養(yǎng)下的腎近端小管細胞的氧化損傷緩解因ROS形成引起的腎功能障礙和細胞凋亡[38]。研究表明羅布麻素可提高復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的活性當腎細胞受到來自ROS攻擊時[39]。川芎的有效成分四甲基吡嗪(TMP)作為一種抗氧化物，其作用反映在上調(diào)復(fù)合體Ⅲ的活性和改善線粒體膜電位，并使得內(nèi)皮細胞免受高糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷[40]。紅花黃素B是紅花的有效提取物，研究表明其對血管內(nèi)皮細胞具有保護作用當細胞受到ROS攻擊時，并提高復(fù)合物Ⅳ的活性[41]。茶葉提取物兒茶素可顯著降低線粒體氧化應(yīng)激、提高線粒體電子ETC活性，改善因順鉑引腎功能損害[42]。同時兒茶素在DN小鼠模型中也改善了其氧化應(yīng)激并減弱炎癥因子對腎臟的攻擊[43]。也有人認為，線粒體分裂可能影響ETC和ATP合酶的結(jié)構(gòu)和空間組織，從而改變電子傳輸和偶聯(lián)，導(dǎo)致高糖條件下線粒體超極化和ROS增加[44]。此外，高糖狀態(tài)引起的氧化應(yīng)激產(chǎn)生的ROS首先攻擊線粒體DNA，破壞線粒體ETC，最終導(dǎo)致腎細胞損傷[45]。

綜上所述，高糖誘導(dǎo)的ETC損傷可能是ROS產(chǎn)生的重要機制。由于電子泄漏、不穩(wěn)定的質(zhì)子梯度和ETC中斷等一系列反應(yīng)，產(chǎn)生大量ROS導(dǎo)致DN腎功能下降。我們通過查閱文獻，發(fā)現(xiàn)某些中藥的有效成分可抑制氧化應(yīng)激的單一上游機制ETC 從而阻斷其下游的氧化應(yīng)激通路，以延緩DN的進展。這可能將作為新的DN治療靶點而受到關(guān)注，故我們作此綜述。