鋅在糖尿病及其慢性并發(fā)癥中的治療作用及機(jī)制研究進(jìn)展

郝津津 樓大鈞

目前我國是世界上擁有糖尿病患者人數(shù)最多的國家[1]，糖尿病已經(jīng)成為繼心血管疾病和腫瘤之后的第三大非傳染性疾病。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，人民生活水平提高，生活方式改變，肥胖率上升，導(dǎo)致我國糖尿病患病率持續(xù)升高[2]。多種研究表明，鋅可以改善糖尿病患者血糖控制、胰島素抵抗、血脂代謝和β細(xì)胞功能，并可以延緩糖尿病的進(jìn)展，且鋅和不同藥物合用對(duì)多種并發(fā)癥均具有療效[3-5]。現(xiàn)對(duì)近些年鋅在糖尿病及其慢性并發(fā)癥中的治療作用及機(jī)制研究進(jìn)展作一綜述，以期對(duì)糖尿病及其并發(fā)癥的治療提供新的研究視角。

1 鋅與糖尿病關(guān)系概述

鋅是所有生物體生長發(fā)育所必需的微量元素[6]，具有重要的催化、調(diào)節(jié)作用。鋅作為輔助因子和結(jié)構(gòu)成分存在于人體10%的蛋白質(zhì)中，具有抗氧化、抗炎和抗凋亡的作用[4]。人體總鋅含量約為2 g，是人類和許多其他生物中僅次于鐵的第二豐富過渡金屬和僅次于鈣的第二豐富二價(jià)陽離子，其中血漿中鋅含量?jī)H為0.1%，其余則分布在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器中[7]。細(xì)胞內(nèi)鋅分布不均勻，細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜中鋅含量分別為30%～40%、50%和10%[7]。鋅不儲(chǔ)存在體內(nèi)，因此需要每天攝入鋅以維持基本水平并支持其所有功能[8]。鋅是一種重要的信號(hào)分子，細(xì)胞內(nèi)的鋅穩(wěn)態(tài)由鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體（ZnT和Zip家族）和金屬硫蛋白（metalllothionein，MT）緊密控制，而ZnT和Zip則發(fā)揮相反的功能。MT是具有抗氧化特性的鋅結(jié)合蛋白，可以保護(hù)細(xì)胞和組織免受氧化應(yīng)激。不同器官中MT過度表達(dá)可降低高血糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激、緩解器官特異性糖尿病并發(fā)癥和抑制糖尿病小鼠DNA損傷[9]。鋅含量最高的部位是胰島，鋅在細(xì)胞顆粒中的積累是由ZnT8調(diào)控的，ZnT8是在胰腺組織中表達(dá)最高的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體，是SLC30A8基因的產(chǎn)物，負(fù)責(zé)將鋅從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到到胰島素分泌顆粒[4]。SLC30A8基因多態(tài)性與2型糖尿病的易感性有關(guān)[10]。有研究發(fā)現(xiàn)，ZnT8缺失小鼠的胰島β細(xì)胞功能受損，胰島素分泌減少，循環(huán)胰島素水平低下，糖耐量受損[11]。

鋅穩(wěn)態(tài)的異常與許多慢性疾病有關(guān)，如癌癥、糖尿病和肥胖[12-13]。糖尿病、胰島素和鋅有復(fù)雜的相關(guān)性。糖尿病會(huì)影響鋅的體內(nèi)平衡，已有研究證實(shí)，糖尿病患者全血中鋅含量明顯較低[14]。胰島素六聚體的穩(wěn)定和結(jié)晶依賴于兩個(gè)鋅離子的結(jié)合[10]，鋅參與了胰島素合成、結(jié)晶、儲(chǔ)存、分泌和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[15]。目前已證明，鋅可以通過調(diào)節(jié) PTP1B、PTEN、TRB3、GSK-3β 等關(guān)鍵信號(hào)分子的磷酸化來激活胰島素信號(hào)傳導(dǎo)通路[3，16]。鋅通過下調(diào)Akt通路的負(fù)調(diào)控因子，激活胰島素信號(hào)級(jí)聯(lián)，直接促進(jìn)Akt磷酸化、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（GLUT4）易位和糖原合成酶激酶（GSK-3β）磷酸化，最終提高胰島素敏感性，導(dǎo)致細(xì)胞葡萄糖攝取增強(qiáng)，促進(jìn)糖代謝，發(fā)揮抗糖尿病作用[5-6]。而缺鋅通過抑制Akt介導(dǎo)的葡萄糖代謝通路，激活應(yīng)激通路，加重胰島素抵抗，導(dǎo)致胰島素敏感性喪失[4]。鋅調(diào)節(jié)Akt信號(hào)通路的機(jī)制以及抗糖尿病作用被認(rèn)為是一個(gè)潛在的靶點(diǎn)，為糖尿病的治療開辟了新的思路[12]。已有研究證實(shí)，糖尿病患者體內(nèi)鋅的排泄顯著增加，而口服鋅補(bǔ)充劑有望在這種情況下為糖尿病患者提供充分的益處和保護(hù)作用，2型糖尿病患者補(bǔ)充鋅后在提高血清鋅水平、改善血糖控制和抗氧化能力方面產(chǎn)生了有益效果，降低了糖化血紅蛋白濃度，提高了超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）表達(dá)水平[17]。

2 鋅抗糖尿病并發(fā)癥的藥理作用

2.1 鋅與糖尿病周圍神經(jīng)病變（diabetic neuropathy,DPN） DPN是糖尿病最常見的慢性并發(fā)癥，影響大約30%～50%糖尿病患者,可累及包括感覺和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元在內(nèi)的所有周圍神經(jīng)和自主神經(jīng)系統(tǒng)[18]，主要臨床表現(xiàn)為雙側(cè)肢體麻木、疼痛、感覺異常等[19]。發(fā)病機(jī)制包括氧化應(yīng)激、多元醇途徑激活增加、晚期糖基化終末產(chǎn)物形成、神經(jīng)缺血缺氧、蛋白激酶C的激活和神經(jīng)生長因子的減少[20]，其中氧化應(yīng)激是DPN發(fā)生的關(guān)鍵因素[21]。增強(qiáng)的氧化應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，蛋白質(zhì)修飾和DNA氧化。有研究發(fā)現(xiàn)，DPN患者血清中鎂、鈣、鋅和鉻顯著降低，而尿液中鎂、鈣、鋅和鉻顯著升高[22]，由此可推斷這些微量元素對(duì)DPN發(fā)展有一定作用。聯(lián)合應(yīng)用微量營養(yǎng)素鎂、鋅、維生素E、維生素C等可能通過抑制氧化應(yīng)激改善DPN癥狀。

有研究評(píng)估120例DPN患者與健康對(duì)照者的血鋅水平，探討血清鋅水平與DPN嚴(yán)重程度的潛在關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，缺鋅與DPN的嚴(yán)重程度及血糖控制顯著相關(guān)[18]。而吳彥紅等[23]采用硫酸鋅治療DPN患者，發(fā)現(xiàn)其各項(xiàng)癥狀可有效改善，患者痛苦得到緩解,治療效果提高。鋅的補(bǔ)充增強(qiáng)了鏈脲佐菌素（STZ）誘導(dǎo)的糖尿病大鼠周圍神經(jīng)組織MT1 mRNA轉(zhuǎn)錄水平的升高，但減弱了PARP-1mRNA轉(zhuǎn)錄水平的升高，PARP-1是一種對(duì)神經(jīng)元在應(yīng)激條件下存活至關(guān)重要的核酶[24]。該研究證明鋅可能通過刺激MT合成和下調(diào)氧化應(yīng)激對(duì)糖尿病誘導(dǎo)的周圍神經(jīng)損傷產(chǎn)生保護(hù)作用[24]，進(jìn)而改善神經(jīng)病變的嚴(yán)重程度，提高神經(jīng)傳導(dǎo)速度。

2.2 鋅與糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy,DCM）DCM的發(fā)生是由于糖尿病相關(guān)的血糖和脂肪代謝失調(diào)，導(dǎo)致氧化應(yīng)激增加和多種炎癥通路的激活，介導(dǎo)細(xì)胞損傷，病理性心臟重塑，心肌纖維化，舒張和收縮功能障礙。橫斷面研究發(fā)現(xiàn)，血清鋅水平低與2型糖尿病性心血管病患病率高、糖尿病持續(xù)時(shí)間長、血糖控制不佳和β細(xì)胞功能惡化有關(guān)[25]。有研究對(duì)2型糖尿病db/db小鼠進(jìn)行了為期6個(gè)月的正常飲食評(píng)估，其中包含3種鋅水平(缺鋅、充足鋅和補(bǔ)充鋅)，以探索鋅在DCM發(fā)展和進(jìn)展中的作用，結(jié)果表明缺鋅導(dǎo)致糖尿病心肌病變，如心功能不全、心肌纖維化和心肌肥厚加重，其中可能的機(jī)制與缺鋅糖尿病小鼠核因子E2相關(guān)因子2（Nrf2）及其下游效應(yīng)因子（NQO-1）和過氧化氫酶（CAT）進(jìn)一步下調(diào)有關(guān)[26]。補(bǔ)鋅能降低糖尿病小鼠心肌細(xì)胞TGF-β、CTGF水平，亦降低心肌細(xì)胞p-p38、p38、TNF-α、IL-1β、CARD9 和 BCL10 等炎癥因子水平，以減弱高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡，起到抗心肌纖維化、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的作用，導(dǎo)致糖尿病小鼠隨機(jī)血糖水平、糖化血紅蛋白等血糖指標(biāo)下降，射血分?jǐn)?shù)等心臟指標(biāo)顯著改善，表明鋅在治療糖尿病心肌病方面有很大的潛力。

鋅還能通過激活內(nèi)皮細(xì)胞中的Nrf2，誘導(dǎo)糖尿病小鼠心臟中Nrf2的表達(dá)來調(diào)節(jié)谷胱甘肽的合成[26]，進(jìn)而抑制炎癥條件下的氧化應(yīng)激和內(nèi)皮細(xì)胞凋亡發(fā)揮抗動(dòng)脈粥樣硬化作用。此外，補(bǔ)鋅治療通過調(diào)控AMPK/Drp1通路，增加心肌AMPK蛋白Thr172位點(diǎn)磷酸化水平，減少了Drp1蛋白Ser616位點(diǎn)磷酸化水平，抑制糖尿病心肌損傷的氧化應(yīng)激及心肌細(xì)胞線粒體分裂而達(dá)到治療目的[27]。

在1型糖尿病小鼠中，蘿卜硫素（SFN）和鋅被證明可以預(yù)防糖尿病心肌病，且兩者聯(lián)合治療對(duì)糖尿病心肌病的改善效果優(yōu)于單一治療[28]。在納米氧化鋅與硫酸鋅對(duì)STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠心臟保護(hù)作用的比較研究發(fā)現(xiàn)，中劑量的納米氧化鋅可顯著降低血清TC、HDL、動(dòng)脈粥樣硬化指數(shù)、TNF-α、B型利鈉肽和caspase-3活性，具有心臟保護(hù)作用，而高劑量的氧化鋅被發(fā)現(xiàn)可能是有毒的[29]。

2.3 鋅與糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy,DN） DN是糖尿病患者死亡的主要原因之一[30]，我國的發(fā)病率呈上升趨勢(shì)，目前已成為終末期腎病的第二大原因。腎小管萎縮和功能障礙其是進(jìn)展的主要原因[31]。腎小管間質(zhì)纖維化是慢性腎臟疾病進(jìn)展的關(guān)鍵病理基礎(chǔ)，導(dǎo)致正常腎功能喪失，最終導(dǎo)致腎功能衰竭。在部分患者中，腎小管間質(zhì)纖維化在DN早期出現(xiàn)，但在疾病后期更為突出，并與腎功能下降密切相關(guān)[32]。腎小管上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化（epithelial cell transdifferentiation,EMT）與小管間質(zhì)纖維化進(jìn)展高度相關(guān)，會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)蛋白在腎臟的蓄積。因此，EMT可能在DN小管間質(zhì)纖維化中起重要作用。

有證據(jù)表明，缺氧在DN的發(fā)生、發(fā)展中可能具有重要的致病機(jī)制。在缺氧條件下，鋅通過下調(diào)經(jīng)STZ處理的糖尿病小鼠腎臟的低氧誘導(dǎo)因子α（HIF-1α），阻斷了腎小管EMT，并減輕了腎小管間質(zhì)纖維化。鋅可能通過激活胰島素受體及其下游通路來改善糖尿病腎病,通過激活PI3K/Akt/GSK-3β信號(hào)通路改善高糖缺氧誘導(dǎo)的EMT，降低了HIF-1α的表達(dá)，從而發(fā)揮了腎保護(hù)作用[33]。補(bǔ)充鋅治療可以抑制脂質(zhì)過氧化，改善DN患者腎小球功能、尿白蛋白排泄和炎癥[34]。

Nrf2是抗氧化損傷的重要調(diào)節(jié)因子。正常情況下，Nrf2主要與其抑制劑kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1（Keap1）結(jié)合，并定位于細(xì)胞質(zhì)中。當(dāng)氧化應(yīng)激增加時(shí)，Nrf2從Keap1解離進(jìn)入細(xì)胞核，增加下游抗氧化基因的表達(dá)，從而產(chǎn)生抗氧化損傷[33]。在另一項(xiàng)研究中，Nrf2的表達(dá)在正常低鋅飲食組、糖尿病組和糖尿病低鋅飲食組均顯著降低，提示低鋅飲食和糖尿病均降低了抗氧化損傷能力。補(bǔ)充鋅顯著上調(diào)了2型糖尿病合并缺鋅患者腎小管上皮細(xì)胞Nrf2表達(dá)，下調(diào)了caspase-3和β-catenin蛋白表達(dá)。但在沉默Nrf2表達(dá)后，上述結(jié)果并沒有出現(xiàn)，這進(jìn)一步說明Nrf2通過βcatenin信號(hào)通路參與了2型糖尿病合并缺鋅患者腎小管上皮細(xì)胞Zn抗凋亡的調(diào)控，Nrf2可能是該調(diào)控通路的關(guān)鍵因素。因此，Nrf2在Zn抗2型糖尿病腎細(xì)胞凋亡中起重要作用。β-catenin作為Nrf2的下游基因，負(fù)調(diào)控Zn對(duì)2型糖尿病腎細(xì)胞凋亡的保護(hù)作用。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為今后臨床應(yīng)用Zn或Nrf2誘導(dǎo)劑預(yù)防和治療DN提供了新的理論依據(jù)。

2.4 鋅與糖尿病視網(wǎng)膜病變（diabetic retinopathy,DR）DR是糖尿病的眼部表現(xiàn)，是糖尿病最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，其特點(diǎn)是視網(wǎng)膜神經(jīng)變性、血管損傷和新生血管生成[35]。傳統(tǒng)上認(rèn)為其發(fā)病機(jī)制涉及多元醇途徑、糖基化、蛋白激酶Cβ1/2、血流動(dòng)力學(xué)改變、生長因子、氧化應(yīng)激和腎素-血管緊張素系統(tǒng)[36]，在高血糖狀態(tài)下，多元醇途徑和氧化應(yīng)激顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致晶狀體內(nèi)山梨糖醇和果糖的積累，引起細(xì)胞內(nèi)氧化和滲透應(yīng)激的額外增加，最終導(dǎo)致視網(wǎng)膜病變的發(fā)展。有研究發(fā)現(xiàn)DR患者體內(nèi)鋅水平降低，且血清鋅水平越低，DR的風(fēng)險(xiǎn)及其嚴(yán)重性增加，補(bǔ)鋅或?qū)ζ溆幸鎇37]。補(bǔ)充鋅可以提高糖尿病大鼠晶狀體總蛋白和可溶性蛋白含量，下調(diào)晶狀體氧化應(yīng)激指標(biāo)，降低晶狀體醛糖還原酶和山梨醇脫氫酶活性，減少山梨醇的積累，抑制糖尿病大鼠晶狀體中果糖的副產(chǎn)物積累，并且抑制AGEs受體（RAGE）和多元醇途徑酶（AR和SDH）基因的過表達(dá)和熱休克蛋白表達(dá)，即鋅可以通過抗糖基化作用和下調(diào)多元醇途徑酶來延緩糖尿病大鼠白內(nèi)障的發(fā)生[38]。此外，補(bǔ)充鋅可以抑制糖尿病大鼠視網(wǎng)膜組織血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）表達(dá)升高，誘導(dǎo)糖尿病大鼠視網(wǎng)膜組織MT表達(dá)上調(diào)，改善糖尿病大鼠視網(wǎng)膜毛細(xì)血管超微結(jié)構(gòu)的損害[39]。以上研究均為延緩或治療DR提供了新思路。

2.5 鋅與糖尿病病足（diabetic foot,DF） DF的特征是糖尿病患者的足部出現(xiàn)不同程度的潰瘍、感染、深部組織破壞，并伴有神經(jīng)功能障礙和不同程度的下肢周圍血管問題，給患者、家屬和社會(huì)帶來了相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)和心理負(fù)擔(dān)[40]。據(jù)估計(jì)，全球每20 s就有1例糖尿病患者因DF而截肢，DF截肢患者死亡率高達(dá)22%，潰瘍患者死亡率高達(dá)11%[41]。我國50歲以上的糖尿病患者中，DF的發(fā)病率高達(dá)8.1%。高血糖、胰島素抵抗、血脂異常、炎癥和氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物的增加在DF的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮了重要作用[42]。與沒有DF的2型糖尿病患者相比，患有DF的患者血清鋅水平顯著降低[43]。此外，多種微量元素如銅、鎂、硒等水平在DF患者體內(nèi)也有不同程度的下降，而氧化應(yīng)激標(biāo)志物如過氧化脂質(zhì)（LPO）、8-羥基-2′-脫氧鳥苷（8-OHdG）、總抗氧化狀態(tài)（TAS）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）等在DF患者中升高[45]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，鋅、銅、鎂與所有血糖指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，但鋅的相關(guān)性最強(qiáng)[44]。

另有研究發(fā)現(xiàn)DF患者與對(duì)照組之間的鋅和銅水平均有所增加，而Bolajokol等[45]發(fā)現(xiàn)DF患者與對(duì)照組之間的鋅和銅水平差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這可能與參與者的特征、研究樣本數(shù)量、研究方法、地區(qū)差異等有關(guān)。鋅作為細(xì)胞代謝過程中重要的微量元素，也是賴氨酸氧化酶的重要輔助因子，賴氨酸氧化酶參與膠原蛋白的交聯(lián)，有助于傷口愈合。鋅金屬蛋白酶參與DNA和RNA合成、蛋白質(zhì)和膠原合成、免疫功能、細(xì)胞增殖和傷口治療[46]，缺鋅會(huì)延遲傷口愈合。為了探究補(bǔ)充鋅對(duì)DF患者傷口愈合和代謝狀態(tài)的影響，一項(xiàng)隨機(jī)、雙盲、安慰劑對(duì)照試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與安慰劑相比，補(bǔ)充鋅12周能顯著減少潰瘍長度[47]，該研究證實(shí)了鋅補(bǔ)充對(duì)DF潰瘍患者的有益作用。Momen-Heravi等[47]發(fā)現(xiàn)補(bǔ)鋅組的血糖指數(shù)和氧化應(yīng)激標(biāo)志物的顯著降低，進(jìn)一步提示鋅對(duì)DF患者的保護(hù)作用主要是通過抑制氧化應(yīng)激實(shí)現(xiàn)的。補(bǔ)鋅能促進(jìn)傷口愈合，減輕DF患者的痛苦。DF的危害性高，復(fù)發(fā)率高，因此迫切需要有效的治療方法抑制這一疾病的發(fā)展，這就需要進(jìn)一步高質(zhì)量的隨機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)和前瞻性隊(duì)列研究來闡明鋅在DF進(jìn)展和治療中的作用。

3 小結(jié)與展望

鋅是一種對(duì)人體健康非常重要的微量元素，在多方面發(fā)揮著重要作用，如人體生理平衡、免疫功能、氧化應(yīng)激和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路等。除了糖尿病，鋅對(duì)多種人類慢性疾病均有治療潛力，如動(dòng)脈粥樣硬化、多種惡性腫瘤、自身免疫性疾病、神經(jīng)退行性疾病阿爾茲海默病、抑郁癥、衰老等。因此鋅可作為多種藥物靶點(diǎn)改善機(jī)體營養(yǎng)狀況并且緩解疾病進(jìn)展。基于已有研究，鋅具有抗氧化及改善胰島素分泌功能的作用，缺鋅會(huì)增加患糖尿病及其并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，補(bǔ)充鋅可能對(duì)糖尿病及其多種慢性并發(fā)癥產(chǎn)生有益作用，包括DPN、DF、DR、DN等。為此，糖尿病患者及時(shí)補(bǔ)鋅對(duì)其預(yù)防治療等具有積極意義。鋅可以通過多種食物來源進(jìn)行補(bǔ)充，如肉類、谷物、奶制品、蔬菜和堅(jiān)果等[48]，也可以通過藥物補(bǔ)充，如硫酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、葡萄糖酸鋅、醋酸鋅、乳酸鋅等。但是現(xiàn)有關(guān)于鋅的藥效研究大多數(shù)是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)或細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，為了充分了解補(bǔ)鋅對(duì)抗糖尿病的確切機(jī)制，需要進(jìn)一步的人體臨床研究來證實(shí)鋅在DPN、DF、DR、DN和其他糖尿病并發(fā)癥中的應(yīng)用效果。相信在時(shí)代和醫(yī)學(xué)的共同進(jìn)步下，在不久的就來，利用鋅治療糖尿病及其并發(fā)癥會(huì)有新的進(jìn)展及成果。