內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與氧化應(yīng)激在糖尿病周圍神經(jīng)病變中研究進展

張?zhí)煅牛瑥堉炯t，田佳鑫綜述，賁 瑩審校

0 引 言

糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic prepheral neuropathy，DPN)是糖尿病最常見的并發(fā)癥之一[1]。據(jù)2019年國際糖尿病聯(lián)合會給出的數(shù)據(jù)顯示，全球約4.5億人患糖尿病，我國患者約1.15億[2]。其中約50%的患者會發(fā)生DPN。DPN主要表現(xiàn)為從遠端向近端發(fā)展的神經(jīng)損傷，早期足部或手部感覺纖維受損導致疼痛或麻木，后期可累及腳踝和小腿[3]，甚至出現(xiàn)足部潰瘍，導致患者截肢，生活質(zhì)量下降，加重社會負擔。

DPN的致病機制復雜，是多種因素共同作用的結(jié)果，包括醛糖還原酶活性增加[4]，晚期糖基化[5]，蛋白激酶C活化[6]，神經(jīng)營養(yǎng)因子缺乏[7]如維生素B12[8]、硝化-氧化應(yīng)激[9]，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等。這些因素導致周圍神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元、雪旺氏細胞凋亡[10]，使神經(jīng)功能受損。其中氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress, ERS)在DPN發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用。本文就氧化應(yīng)激和ERS在DPN中的研究進展作一綜述。

1 ERS

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)參與多種代謝過程如糖異生和脂質(zhì)合成，在蛋白質(zhì)合成、折疊、修飾和轉(zhuǎn)運、鈣離子的儲存、細胞信號的傳遞以及維持細胞鈣穩(wěn)態(tài)起著重要的作用[11-13]。當?shù)鞍踪|(zhì)折疊錯誤超過閾值，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)失衡，誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)[14]。許多研究證明ERS與神經(jīng)退行性疾病和代謝綜合征有關(guān)[15]。高血糖、脂質(zhì)異常、胰島素信號受損、氧化應(yīng)激、鈣水平等因素均可誘導ERS，從而導致神經(jīng)損傷[18]。其中未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response，UPR)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)動態(tài)平衡的關(guān)鍵之一，由三個信號傳感系統(tǒng)構(gòu)成，分別為蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)調(diào)節(jié)激酶(PKR-like endoplasmic reticulum kinase，PERK)、肌醇需要激酶1(inositol-requiring enzyme-1，IRE-1)和活化轉(zhuǎn)錄因子-6(activating transcription factor 6，ATF-6)。

1.1 PERK途徑在ERS條件下，PERK與GRP78/Bip解聚，PERK激活elf2α使其磷酸化，從而抑制蛋白質(zhì)翻譯，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力，具有保護細胞的作用。PERK是UPR三個通路中首先被觸發(fā)的，其主要檢測內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔內(nèi)的未折疊蛋白，防止未折疊蛋白的進一步累積[16-17]。

研究表明，ORP150基因敲除誘導早期糖尿病大鼠發(fā)生DPN，也可使長期的糖尿病大鼠的DPN癥狀加重。而C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein，CHOP)敲除可改善長期糖尿病大鼠的DPN。CHOP/ORP150比值在糖尿病后期升高，加速細胞凋亡和DPN進程。所以，PERK下游的蛋白CHOP/ORP150比值與ERS中神經(jīng)元凋亡的過程密切相關(guān)。CHOP損傷雪旺細胞和坐骨神經(jīng)，ORP150則有保護神經(jīng)的作用。證實了ERS參與DPN的進程[18]。有實驗證明，電針療法降低了糖尿病模型中大鼠的坐骨神經(jīng)中的ERS標志物GRP78和凋亡標志物caspase-12，從而抑制了ERS，減輕病理損傷，減少細胞凋亡[19]。長期高血糖狀態(tài)誘發(fā)ERS是神經(jīng)細胞凋亡的重要因素。在臨床實驗中，檢測2型糖尿病DPN患者周圍血血清發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白-1(low density lipoprotein receptor-related protein，LRP-1)顯著降低，CHOP的表達水平顯著升高，提示LRP1和CHOP可能與DPN有關(guān)，為疾病早期診斷提供了思路[20]。有研究發(fā)現(xiàn)，三甲胺-N-氧化物(trimethylamine N-oxide，TMAO)可通過促進正常蛋白質(zhì)的折疊減輕STZ誘導的糖尿病大鼠坐骨神經(jīng)中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，減少坐骨神經(jīng)中的CHOP、GRP78/Bip上調(diào)，證明糖尿病大鼠周圍神經(jīng)中存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，且雖然TMAO可減輕ERS和遠端神經(jīng)的萎縮程度，但尚不能完全恢復受損神經(jīng)的功能[15]。有學者在動物實驗和細胞實驗中發(fā)現(xiàn)，中藥糖絡(luò)寧可通過上調(diào)p-PERK和下調(diào)CHOP、Bax/Bcl-2和Caspase-3抑制糖尿病大鼠的細胞凋亡途徑，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[21]。綜上所述，在長期高血糖水平的刺激下的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激后期，CHOP的過表達會激活細胞的凋亡途徑，而針對CHOP的靶向治療可能對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引起的疾病如DPN有效。

1.2 IRE-1途徑在ERS嚴重的情況下， IRE-1激活JNK和caspase12誘導細胞凋亡[22]。這加重了DPN的神經(jīng)損傷。Yao等[23]研究證明，鞘內(nèi)注射IRE1siRNA可減輕ERS和高糖誘導的雪旺細胞凋亡率，抑制IREα改善大鼠坐骨神經(jīng)脫髓鞘、神經(jīng)損傷和傳導功能。雖然具體機制仍不確定，但為新的治療方法提供了思路。這也說明IRE-1在一定程度參與了DPN的發(fā)生和發(fā)展過程。

1.3 ATF-6途徑ATF-6途徑的相關(guān)研究目前較少，但有研究證明ATF6通路導致的ERS影響糖尿病其他病變?nèi)缣悄虿∧I病[24]、糖尿病心肌病[16]等。針對本通路和DPN的關(guān)系，還有較大的研究空間?？纱_定的是，ATF6確實參與了ERS，且ATF6α/β雙基因敲除可導致小鼠胚胎死亡，但原因尚不清楚[16]。

2 氧化應(yīng)激

2.1 多元醇途徑中的氧化應(yīng)激高糖條件下，多元醇途徑的葡萄糖通量增大，醛糖還原酶將其還原成山梨醇，山梨醇脫氫酶再將山梨醇氧化成果糖。此途徑可通過以下方式引起氧化應(yīng)激：①在高糖條件下，大量葡萄糖在轉(zhuǎn)化成果糖的過程中消耗大量NADPH，導致GSH再生障礙使自由基清除能力下降。②山梨醇的增加使細胞內(nèi)抗氧化物質(zhì)和信號轉(zhuǎn)導物質(zhì)流失[28]。經(jīng)過醛糖還原酶抑制劑依帕司他的干預(yù)，DPN大鼠體內(nèi)的一系列抗氧化酶的活性升高，有效抑制了醛糖還原酶的表達，減少活性氧的產(chǎn)生，起到保護周圍神經(jīng)的作用[29]。另一實驗中，醛糖還原酶抑制劑CMTI可顯著影響多元醇途徑，減少模型大鼠坐骨神經(jīng)內(nèi)的山梨醇，和果糖轉(zhuǎn)化，從而減少氧化應(yīng)激[30]。醛糖還原酶抑制劑由于阻斷了葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖的過程，也在一定程度上減少AGEs的產(chǎn)生和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)途徑的激活。在導致DPN的氧化應(yīng)激機制中，目前多元醇途徑研究較多。但以多元醇途徑為靶點研究出的醛糖還原酶抑制劑在臨床三期實驗中并未取得理想效果[31]。這也提示我們尋找新的治療靶點的重要性。

2.2 氧化應(yīng)激和晚期糖基化終末產(chǎn)物晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)生理情況下在細胞內(nèi)外都存在，在高血糖條件下增多，多元醇和蛋白激酶C途徑也會增加AGEs，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)糖尿病患者的周圍神經(jīng)和血管中存在AGEs的積聚。AGEs通過激活NF-κB通路導致炎癥因子、血管細胞黏附因子增加，并導致ROS增加，誘導氧化應(yīng)激[32]。前期研究發(fā)現(xiàn)，AGEs可通過抑制Nrf2和sirt1的水平降低糖尿病患者體內(nèi)的抗氧化能力。AGEs的受體RAGE在周圍神經(jīng)的雪旺細胞和內(nèi)皮細胞中表達，RAGE和AGEs的相互作用會產(chǎn)生ROS誘導氧化應(yīng)激[33]。此外AGEs還能降低體內(nèi)NO活性導致內(nèi)皮和凝血活性的損害[34]。有學者認為氧化應(yīng)激的源頭是晚期糖基化反應(yīng)和抗氧化劑基因內(nèi)的遺傳變異，AGEs引起的ROS增加導致周圍神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元和雪旺細胞凋亡，是糖尿病神經(jīng)病變病理機制[35]。但目前尚無針對AGEs/RAGE的藥物在臨床應(yīng)用。過去的研究顯示，維生素D可在糖尿病大鼠模型中通過AGEs途徑減少其沉積并改善全身ROS情況[36]。紫荊水醇提取物和山柰酚可同時減少糖尿病大鼠的氧化應(yīng)激反應(yīng)和AGEs的形成降糖，并逆轉(zhuǎn)部分周圍神經(jīng)痛覺過敏，改善DPN病程[37]。

2.3 氧化應(yīng)激和PKC途徑蛋白激酶 C(protein kinase C，PKC)家族包括多種亞型，作用各不相同，目前已知的至少達十種。PKC參與氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)和細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導，調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮素，導致血管內(nèi)皮損傷，也可調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞的增殖，影響神經(jīng)細胞的修復和凋亡，這使其與DPN密切相關(guān)。糖尿病患者體內(nèi)長期高血糖可通過激活PKC，增加NADPH的激活，從而導致氧化應(yīng)激和DPN[38]。PKCβ是蛋白激酶 C家族典型的成員之一，由高糖條件下產(chǎn)生的二酰甘油刺激其產(chǎn)生，最終可導致周圍神經(jīng)病。

3 氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的協(xié)同作用

研究發(fā)現(xiàn)，氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激均與DPN機制密切相關(guān)，且兩者一定程度上相互影響互為因果[14]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的氧化蛋白折疊過程中二硫鍵的形成和高糖導致的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激均使過氧化氫產(chǎn)生增多，誘發(fā)氧化應(yīng)激。且內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的氧化蛋白折疊和線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜聯(lián)系緊密，線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)不僅在結(jié)構(gòu)上存在接觸，二者間也存在著持續(xù)的能量運輸。二者之間的能量交換、氧化蛋白折疊和鈣離子通量都影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分泌蛋白的產(chǎn)生。具體來說，許多內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白的生理功能的維持也依賴于線粒體產(chǎn)生的腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)供應(yīng)，當?shù)鞍渍郫B錯誤時會消耗更多葡萄糖，從而促使線粒體的氧化磷酸化，增加生成ATP并產(chǎn)生更多ROS達到應(yīng)激水平。與此同時，鈣離子因未折疊或折疊錯誤的蛋白質(zhì)的累積，從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移到胞漿中，這也刺激了線粒體產(chǎn)生ROS。大量證據(jù)表明，高糖誘發(fā)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和氧化應(yīng)激均在血管內(nèi)皮細胞功能障礙中發(fā)揮作用，這說明兩者在DPN中存在[39-40]。一項重要研究稱，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體的接觸點決定著線粒體的復制、分裂和分布，這與線粒體DNA損傷、線粒體功能障礙有關(guān)，并對神經(jīng)退行性疾病產(chǎn)生影響[41]。這間接證明了DPN中兩種應(yīng)激可能相互聯(lián)系。研究顯示，中藥糖絡(luò)寧可減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的標志物PERK、CHOP水平和通過Nrf2/ARE通路改善氧化應(yīng)激水平，同時降低二者導致DPN大鼠的神經(jīng)細胞凋亡的程度，表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和氧化應(yīng)激在DPN中的共同病理作用[25]。NADPH氧化酶(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX)作為一種刺激細胞內(nèi)活性氧物種產(chǎn)生的主要酶，廣泛表達于神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞和血管內(nèi)皮細胞。其過度表達在慢性高血糖條件下致使活性氧產(chǎn)生增多，最終導致DPN的發(fā)生。NOX存在許多種亞型，據(jù)報道其中NOX2和NOX4可激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的三種跨膜蛋白，通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導雪旺細胞凋亡和周圍神經(jīng)病變[42]。ATF6誘導氧化應(yīng)激基因編碼的蛋白質(zhì)，毫無疑問其中過氧化氫酶減少活性氧的數(shù)量。有研究表明，在過氧化氫酶基因中發(fā)現(xiàn)了ERS反應(yīng)元件，證明在心肌缺血/再灌注損傷(I/R)模型中心肌細胞中其可與ATF6結(jié)合，敲除I/R心肌細胞中的ATF6則增加ROS和細胞死亡[43]。這些研究均提示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與氧化應(yīng)激在疾病損傷時具有協(xié)同作用。但目前，ATF6和ROS的關(guān)系在DPN領(lǐng)域中鮮有研究。

4 結(jié) 語

綜上所述，DPN是由多重機制共同作用導致的結(jié)果，各個機制間有所聯(lián)系，尤其內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和氧化應(yīng)激是其發(fā)展的過程中的核心環(huán)節(jié)。它們之間的作用途徑尚未完全明了，有待進一步深入探索，以期為DPN的治療提供新的研究靶點。