糖尿病与氧化应激

张新杰 朱铁年 史丽萍

(华北煤炭医学院临床医学系 河北唐山 063000;①白求恩国际和平医院;②河北省开滦有限责任公司医院)

糖尿病是当今社会的常见病、多发病,严重危害着人们的健康。糖尿病的并发症包括肾病、神经病变、视网膜病变、大血管和微血管疾病、骨和矿物质代谢改变[1]。越来越多的证据表明,高血糖、氧化应激与糖尿病及其血管并发症之间关系密切。现对目前糖尿病及其并发症与氧化应激反应的关系做一综述,旨在探讨调节机体氧化应激与防治糖尿病发生发展的意义。

1 氧化应激概念的概述

氧化应激定义总的来说是指活性分子例如活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)以及活性氮簇(Reactive nitrogen species,RNS)等的过度生成和/或清除减少,从而造成体内活性氧类生成与抗氧化防御功能之间平衡的紊乱[2,3]。ROS包括自由基,如超氧阴离子(O2-)、羟自由基(OH·)以及非自由基基团如过氧化氢(H2O2)和氢氯酸(HOCl)。RNS包括自由基如一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2-),还有非自由基如过氧亚硝酸基阴离子(ONOO-)、烷基过氧化氮(RONOO)[2,4]。与此同时,机体也存在两类抗氧化系统:①酶抗氧化系统,包括过氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物还原酶(SOR)、谷胱甘肽还原酶(GR)、硫氧还原蛋白还原酶(TRX/TRXR)等;②非酶抗氧化系统,包括维生素 C、维生素 E、辅酶 Q、谷胱甘肽、褪黑素、硫辛酸、类胡萝卜素、微量元素(铜、锌、硒)等。在正常氧化磷酸化过程中,0.4%～4%氧分子转化为超氧阴离子(O2-),O2-可以转化为活性氧簇(ROS)和活性氮簇(RNS)[5]。ROS和RNS在维持机体生理功能方面具有双重作用,轻、中度的ROS和 RNS在维持细胞的生理功能如抗感染、参与细胞信号转导和促进有丝分裂反应等方面具有重要意义;过度的 ROS和RNS产生导致氧化应激反应发生,继而导致脂质、细胞膜、蛋白质和 DNA等细胞结构的损伤[6]。

2 糖尿病与氧化应激

2.1 糖尿病氧化应激反应增强的机制 在高血糖刺激下自由基会通过多种途径产生。主要包括线粒体氧化磷酸化途径、糖的自身氧化、NADPH氧化酶、脂质过氧化物酶和一氧化氮合酶(NOS)等。

2.1.1 线粒体氧化磷酸化途径。在正常氧化磷酸化过程中,0.4%～4%氧分子转化为超氧阴离子[5],呼吸链超氧阴离子形成的关键在于呼吸链复合体Ⅰ和辅酶Q10相互作用,为超氧阴离子的形成提供电子[7]。然而,糖尿病改变了超氧阴离子形成的关键部位,呼吸链复合体Ⅱ成为电子的主要提供者。

2.1.2 NADPH氧化酶。NADPH氧化酶由5个亚基组成:2个膜亚基 gp 91phox和P22phox,两者构成一个膜复合体细胞色素b558;3个胞质亚基 P47phox、P40pox、P67phox。另外,还有 2个低分子量的 GTP结合蛋白 Rac1和 Rac2[8]。当 NADPH氧化酶被活化时,可将一个电子从 NADPH依次传递到 FAD、血红素,并最终传递给 1分子氧而形成 ROS。有文献报道认为,NADPH酶的表达在糖尿病状态下相应上调,应用血管紧张素Ⅱ的Ⅰ型受体拮抗物可以阻断高糖诱导的RO和p47phox生成,进一步证实吞噬细胞和非吞噬细胞两个产生NADPH酶的途径之间存在某种关联[9]。

2.1.3 葡萄糖的自身氧化。在缺乏线粒体和NADPH酶的细胞(如红细胞)存在着另一种高血糖诱导的氧化应激机制:糖自身的氧化。糖自身及其代谢产物在重金属(如铁离子和铜离子)存在的情况下,可以与过氧化氢反应形成羟基,羟基可以轻易地穿透细胞膜进入细胞核导致DNA突变[10]。葡萄糖的自身氧化途径增强还可以促进甘油二酯的合成或卵磷脂水解,进而激活PKC,并活化 PKC依赖的 NADPH氧化酶途径而产生ROS[10,11]。

2.1.4 内皮型一氧化氮合酶(eNOS)。生理状态下,eNOS在四氢喋呤协同下,利用精氨酸生成 NO。但在糖尿病状态下,eNOS活性中心的锌 -硫醇二聚体容易被氧自由基氧化而不稳定,其代谢底物四氢喋呤也可被 ROS氧化,使 eNOS由 NO转化为超氧阴离子,eNOS由生理状态下的保护功能转化为致病因素。

2.1.5 黄嘌呤氧化酶。黄嘌呤氧化酶也是糖尿病 ROS的重要来源之一。

2.1.6 脂质过氧化酶。脂质过氧化酶可催化花生四烯酸,使其转化为一系列信号分子,如白三烯、脂氧素和羟基二十碳四烯酸。此外,酶性和非酶性抗氧化剂对ROS和RNS清除能力的降低,导致二者的积聚进一步加重细胞损伤[12]。

2.2 氧化应激与胰岛β细胞损伤

2.2.1 活性氧(ROS)导致胰岛 β细胞损伤。ROS通过抑制胰岛素基因启动子的活性、损伤胰岛β细胞核和线粒体、降低胰腺十二指肠同源异型盒 PDX-1(胰腺十二指肠同源盒)基因的表达以及与 DNA(脱氧核糖核酸)的结合活性,使 β细胞内胰岛素 mRNA(信使核糖核酸)的生成减少[13],从而导致胰岛素的生物合成降低。ROS可进一步代谢产生 8-羟基脱氧鸟苷(80HdG)和 4HN(4-hyd roxy-nonenal),前者是一种 DNA诱变剂,而后者通过氧化不饱和脂肪酸 -花生四烯酸破坏β细胞膜的脂质成分,从而导致β细胞功能丢失[14]。ROS可对 β细胞内的蛋白质进行修饰,比如促进蛋白质的交叉耦联和聚合、肽链的断裂、氨基酸侧链的氧化,其还可与细胞膜脂质、糖类、透明质酸等物质发生反应,均可对细胞产生直接损害。

2.2.2 氧化应激损伤胰岛 β细胞的其它途径。作为细胞应激产物的 e-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kin-ase,JNK)/应激激活蛋白激酶(stress-activated p rotein kinase,SAPK)信号传导系统,是丝裂素活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases,MAPK)家族的一员,当细胞受到氧化应激等刺激时,JNK信号转导通路可被不同受体激活,在细胞的增殖、分化、发育、凋亡中起重要作用。JNK激活可抑制胰岛素基因表达,在长期高血糖和氧化应激的条件下,JNK的过度激活可降低胰腺十二指肠同源异型盒(PDX-1)的活性,改变其磷酸化状态,引起PDX-1与DNA的结合能力下降,造成β细胞损伤和胰岛素基因转录障碍,胰岛素合成和分泌减少等[15]。

2.2.3 氧化应激与胰岛素抵抗。ROS可作为类似于第 2信使的信号分子激活许多氧化还原敏感性信号通路,这些通路包括NF-κB、P38丝裂原活化蛋白激酶、JNK、己糖胺等,进而引起胰岛素信号传导通路中的胰岛素受体和胰岛素受体底物蛋白磷酸化,造成胰岛素信号传导通路下游信号分子的相关性和/或活性降低,减少了胰岛素的效应,导致胰岛素抵抗[16]。

3 氧化应激与糖尿病并发症

3.1 心血管疾病 心血管疾病是糖尿病的主要并发症之一。动脉粥样硬化是心血管疾病的基本病理变化。氧化应激在动脉粥样硬化起着关键作用,可以造成低密度脂蛋白(LDL)的氧化。低密度脂蛋白(LDL)的氧化不易被其受体识别,使LDL受体通道的代谢受阻,造成脂质在细胞内堆积,形成泡沫细胞,形成动脉硬化的早期病变[17];同时,氧化型 LDL(ox-LDL)是NADPH氧化酶激活物,能增强其活性,促进 ROS产生,也更有利于 LDL氧化为ox-LDL。活性氧(ROS)也影响平滑肌的增殖、迁移和收缩,诱导平滑肌细胞从收缩表型转化增殖表型。活性氧诱导的平滑肌细胞金属蛋白酶的产生导致动脉粥样硬化斑块不稳定和破裂[18,19]。

3.2 氧化应激与糖尿病肾病(diabetic nephropathy,DN) 糖尿病肾病是糖尿病的重要微血管并发症之一。研究证实,还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinam ide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶及其产物活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)所致的氧化应激与 DN的发生发展密切相关。高血糖直接增加肾小球系膜细胞生产过氧化氢和脂质过氧化作用。在糖尿病时,通过蛋白非酶糖基化、PKC激活、多元醇通路活性增高、糖酵解、Rho/Rho-激酶、多种血管活性物质、细胞因子等途径,细胞内的 NADPH氧化酶活性上调,生成 ROS产物,造成细胞损伤,导致氧化应激。另一方面,氧化应激又会反过来影响 DN的血流动力、肾内基质重构、DN的信号转导[20]。

3.3 氧化应激与视网膜病(diabetic retinopathy,DR) 视网膜毛细血管内皮细胞负责维持血 -视网膜屏障,与其同等数量的周细胞则提供营养给血管组织。在DR发病过程中,在组织病理学改变之前周细胞和内皮细胞已经选择性丢失,内皮细胞和周细胞的比例降至 4∶1[21]。在高糖诱导内皮细胞凋亡中,NF-ΚB被认为是一个关键的信号通路途径。研究表明,NF-ΚB在视网膜周细胞的活化加速了糖尿病视网膜病变周细胞丧失[22]。

3.4 糖尿病氧化应激与勃起功能障碍 RhoA/Rho激酶存在于各种形式的平滑肌中,它在调节平滑肌的收缩中起重要的作用,在人的内皮细胞和海绵体平滑肌细胞的培养中,发现有RhoA和 Rho激酶的表达[23]。ROS可通过对 RhoA/Rho激酶信号传导通路的作用使阴茎收缩,抑制勃起。另外,糖尿病过程中的氧化应激引起的糖尿病性神经变性也导致了勃起功能障碍。

4 目前糖尿病中的抗氧化应激治疗

抗氧化剂从以下几个机制对抗自由基的产生:①降解自由基的酶类。②可以与刺激产生自由基的金属结合的蛋白如转铁蛋白。③清除自由基的抗氧化剂如维生素 C和维生素 E[24]。常见的抗氧化剂大致分为以下几类。

4.1 抗氧化维生素和微量元素 许多研究已经表明,抗氧化维生素的使用和补充可以帮助降低动物和糖尿病患者的氧化应激和脂质过氧化的指示性标志物。使用抗氧化维生素(A、C和 E)可以减少氧化应激、炎症,改善内皮依赖性血管舒张功能和糖尿病微血管病变[25,26]。抗氧化微量元素也可作为糖尿病患者治疗的辅助药物。一些微量元素如钒、铬、镁、锌、硒、铜可以通过改善血糖控制和/或增强抗氧化剂活性来间接参与降低糖尿病患者氧化应激的反应。

4.2 抗氧化植物及其活性成分 科学报告和实验室研究的数据表明,植物含有多种具有抗氧化活性的物质。植物中具有抗氧化作用的活性成分,包括一些肉桂酸、香豆素、二萜类、黄酮类、木脂素、单萜、苯丙、单宁和三萜[27]。

4.3 其他抗氧化作用的药品和化合物 现有的常用药物如噻唑烷二酮类、他汀类、血管紧张素转换酶抑制剂、AngⅡ受体拮抗剂、别嘌呤醇、褪黑激素、磷酸二酯酶抑制剂等通过不同作用途径表现出较强的抗氧化作用。噻唑烷二酮类可以抑制细胞内自由基生成过多,抑制高糖诱导的氧化应激;他汀类增加 NO的生物学效应并且减少超氧化物的产生;血管紧张素转换酶抑制剂、AngⅡ受体拮抗剂则主要表现为调节血管紧张素的作用及生成[28];褪黑激素通过清除自由基多用于糖尿病肾病、糖尿病神经病变;磷酸二酯酶抑制剂[29]。此外,SOD类似物、L-肉毒碱以及一些氧化应激产生或糖尿病并发症发生过程关键步骤的抑制剂如 LY 333531、PJ 34和 FP15则被认为是非常有应用前景的抗氧化治疗。

氧化应激在糖尿病及其并发症的发生、发展过程中起着重要作用。抗氧化治疗可以减轻氧化应激,从而可以阻止或延缓糖尿病及其并发症的发生、发展。因此,对氧化应激增强引起组织损伤机制的更深入研究,可以推动开发更有效的抗氧化药物和指导临床正确使用现有药物,从而更好地防治糖尿病及其并发症。

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