氧化应激在肥胖及胰岛素抵抗中的作用研究进展

刘颐轩，宋 桉，王 芸，段力园，宋光耀

随着经济发展，代谢性疾病发病率日益升高。研究提示，氧化应激可能是2型糖尿病(T2DM)、肥胖等代谢性疾病的根本原因。有研究证实肥胖和胰岛素抵抗与氧化应激水平存在明显相关性［1］，氧化应激可抑制胰岛素信号通路［2］。本文就氧化应激在肥胖及胰岛素抵抗中的作用做一综述。

1 概述

氧化应激是指氧自由基生成过多和(或)细胞内抗氧化防御系统受损，导致氧自由基及相关代谢产物过量聚集，从而造成细胞损伤的病理状态。目前认为线粒体是细胞内活性氧簇(ROS)的主要来源。此外，还原型辅酶Ⅱ(NADPH)氧化酶、一氧化氮合酶、环氧合酶、脂氧合酶、细胞色素P450单加氧酶和黄嘌呤氧化酶所催化的反应均伴有活性氧的生成。因此，生理情况下细胞内存在低水平的ROS，而其中的超氧阴离子(O－2)和过氧化氢(H2O2)对维持细胞功能，调节细胞信号是必需的［3］。正常情况下，机体抗氧化系统可清除过量的ROS，维持氧化和抗氧化系统的平衡。而在某些疾病状态下，如肥胖、T2DM患者体内，由于ROS生成过多或氧化－抗氧化系统失衡可导致细胞氧化应激水平增高，造成脂质、蛋白质及核酸等生物大分子的氧化损伤，引起细胞功能障碍甚至死亡［4］。

2 氧化应激与肥胖

人体试验和动物实验都证实肥胖与体内高氧化应激状态密切相关。生理情况下，抗氧化防御系统可将细胞活性氧维持在正常范围，此时ROS作为细胞内第二信使，在细胞信号传导中发挥重要作用。而在肥胖、胰岛素抵抗、T2DM或高血脂等情况下，ROS生成增加、抗氧化防御系统减弱，机体氧化应激水平升高。研究表明，肥胖患者血清中8-羟基-2’-脱氧鸟苷(8-OH-dG)和硫代巴比妥酸反应物(TBARS)水平升高［5］。另外，肥胖患者体内8-iso-PGF2α升高［6］，且皮下脂肪组织中蛋白质羰基化产物及脂质过氧化物增多［7］，提示脂肪蓄积与体内高水平的氧化应激状态密切相关。在高脂喂养的小鼠及遗传性肥胖小鼠血清及内脏脂肪组织中，脂质过氧化物和H2O2水平也升高［5］。

肥胖患者体内氧化应激水平升高与多种因素相关，其中线粒体功能改变起决定性作用。正常情况下，ROS是线粒体呼吸链副产品。葡萄糖或脂肪酸氧化磷酸化生成ATP过程中会生ROS。而在高碳水化合物或高脂饮食情况下，过多的葡萄糖及脂肪酸生成丙酮酸、乙酰辅酶A(CoA)等还原性代谢产物，上述底物进入线粒体氧化，使线粒体呼吸链活性增强，单电子转移增多，ROS产生增加［8］。研究证实，能量摄入过多和肥胖与线粒体ROS生成增加有关［9-11］。此外，细胞实验表明游离脂肪酸(FFA)孵育后细胞ROS生成增加。由此，我们推测由于肥胖患者体内FFA水平升高，造成脂肪酸氧化增加，线粒体ROS生成过多，氧化应激水平升高。

由于肥胖患者体内存在慢性低水平的炎性反应，炎症激活多种免疫细胞产生大量自由基，加重氧化应激。肥胖患者脂肪组织中T细胞亚群发生改变［12］，巨噬细胞募集增加，可促进免疫细胞、成熟脂肪细胞及前脂肪细胞释放多种促炎细胞因子［13］，导致氧化应激水平升高，反过来细胞内高氧化应激状态也可增加促炎细胞因子的生成。在体外培养脂肪细胞中，ROS可促进白细胞介素-6(IL-6)生成，增加单核细胞趋化因子(MCP-1)表达。上述细胞因子的释放可促进脂肪组织中巨噬细胞浸润，加重炎性反应［8］。此外，ROS 可激活核转录因子-κB(NF-κB)信号通路，促进肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和IL-6分泌。氧化应激进一步加重细胞氧化损伤，加速细胞衰老［14］，衰老的脂肪细胞又募集巨噬细胞，释放多种促炎细胞因子，促进肥胖发生。另外，肥胖或高脂饮食可致多种组织中NADPH氧化酶活性升高，许多抗氧化应激系统酶表达减少、活性降低，导致机体清除氧自由基能力降低。

3 氧化应激与胰岛素抵抗

尽管许多研究提示氧化应激与胰岛素抵抗密切相关，但目前尚不能证实氧化应激可直接导致胰岛素抵抗。正常生理情况下，氧自由基在血糖调节中起重要作用。如H2O2可调节葡萄糖刺激的β细胞胰岛素的释放，参与调控胰岛素信号通路［15］。胰岛素刺激也促进H2O2释放，增加胰岛素受体底物-1(IRS-1)的酪氨酸磷酸化，从而增强胰岛素信号通路。有研究报道，L-半胱氨酸可降低大鼠血糖、改善胰岛素敏感性［16］。当细胞内ROS水平略高于正常水平时，ROS可影响细胞信号通路，但不足以造成细胞氧化损伤。随着氧化应激水平的进一步升高，细胞内多种氧化应激通路被激活，导致胰岛β细胞功能障碍，甚至凋亡，使机体血糖调节受损。

T2DM、代谢综合征及胰岛素抵抗患者体内氧化应激水平升高。有研究发现糖尿病患者尿中8-OH-dG含量高于正常对照组，其实糖病前期尿8-OH-dG就已升高［17］，提示氧化应激所致DNA损伤在糖尿病诊断前就已存在。高血糖可造成红细胞脂质过氧化物水平升高，而将血糖控制在正常范围后可纠正上述紊乱，提示高血糖和氧化应激直接相关。在肥胖或超重患者中，胰岛素抵抗与血清TBARS的浓度存在相关性［18］，说明氧化应激与代谢紊乱存在相关性。此外T2DM、胰岛素抵抗和代谢综合征患者的细胞内还原型谷胱甘肽(GSH)、维生素E、维生素C含量下降，超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)及谷胱甘肽还原酶等抗氧化酶的活性也下降，机体抗氧化应激能力降低。

研究表明，用H2O2干预3T3L1脂肪细胞可抑制胰岛素信号通路，降低胰岛素敏感性［19］。用H2O2干预体外培养大鼠肌细胞可致胰岛素信号通路受损，表现为蛋白激酶β(AKT)磷酸化水平下调，最终导致基础及胰岛素刺激的葡萄糖转运能力降低，产生胰岛素抵抗［20］。而加入抗氧化剂 N-乙酰半胱氨酸(NAC)或过表达SOD1、SOD2及CAT基因可保护细胞免受胰岛素抵抗。此外，TNF-α或糖皮质激素干预可诱导细胞发生胰岛素抵抗，其中伴随ROS升高。

4 氧化应激引起胰岛素抵抗的机制

氧化应激导致胰岛素抵抗的具体机制尚无定论。目前的研究表明外周组织胰岛素抵抗发生与多种应激敏感通路被激活有关。

4.1 JNK/SAPK 通路 JNK/SAPK、p38MAPK、ERKs均为MAPK超家族成员，研究表明JNK/SAPK和p38MAPK是主要的应激信号传导蛋白，可被多种应激信号激活。ROS可直接激活JNK［21］，也可通过灭活JNK抑制性的MAPK磷酸酶及谷胱甘肽S-转移酶激活JNK，或经ASK介导引起JNK活化［22］。JNK有3个亚型，其中JNK1与T2DM关系最密切。JNK1激活后直接引起IRS-1抑制位点的磷酸化，从而阻断胰岛素信号通路。而敲除JNK1基因可保护小鼠免受高脂饮食诱导的胰岛素抵抗，说明阻断JNK通路可恢复胰岛素敏感性［23］。

4.2 p38MAPK通路 一些应激因素如高血糖、氧化应激除激活 JNK/SAPK通路外，也可激活p38MAPK通路。研究表明，高血糖可刺激大鼠主动脉平滑肌细胞p38MAPK水平升高。此外，链尿佐菌素所致糖尿病大鼠模型中，肾小球组织p38MAPK水平也较对照组升高［24］，上述作用均通过ROS生成的增加介导。在临床试验中，我们也发现T1DM和T2DM患者神经组织中JNK/SAPK及p38MAPK水平也升高［25］，但具体机制仍待进一步研究。

4.3 NF-κB通路 高血糖、ROS及氧化应激可刺激细胞内多种细胞转录因子，目前研究最多的是NF-κB通路。研究表明，高糖培养血管内皮细胞可直接引起ROS生成增加，从而激活NF-κB信号通路，进一步活化PKC并引起高级糖基化终末产物(AGEs)及山梨醇水平升高，最终导致血管内皮功能受损［26］。通过多种方式干扰线粒体功能，生成 ROS可阻断 NF-κB信号通路，使蛋白激酶 C(PKC)、AGEs及山梨醇水平下降。此外，在其他多种组织中也出现相似的结果。这些结果都支持细胞内ROS的增加是始动因素，可激活多种细胞信号通路，最终造成细胞组织的损伤。

4.4 己糖胺通路 研究表明ROS增加可激活己糖胺通路，而抑制电子链传递可阻断这一通路。氧化应激除激活应激信号通路引发胰岛素抵抗外，也可通过促进炎性因子的释放间接导致胰岛素抵抗。炎性反应时中性粒细胞被激活，其所摄入氧的70%～90%在NADPH氧化酶和NADH氧化酶的催化下接受电子形成氧自由基，造成细胞损伤。而ROS可增强MCP-1的表达，激活 NF-κB，促进 TNF-α 和 IL-6的分泌，加重巨噬细胞浸润，促进脂肪细胞衰老［27］。

综上所述，肥胖或高脂饮食可造成体内氧化应激水平升高，其中脂肪组织蓄积及线粒体功能改变起着关键作用，而氧化应激又通过激活应激信号通路促进炎性因子的释放、导致胰岛素抵抗的发生发展。因此，氧化应激可能是肥胖及胰岛素抵抗的始动因素，通过分子机制的探讨可发现新的药物治疗靶点以预防、治疗或延缓胰岛素抵抗的病理进程。

［1］ Goodarzi M T，Navidi A A，Rezaei M，et al．Oxidative damage to DNA and lipids:correlation with protein glycation in patients with type 1 diabetes［J］．J Clin Lab Anal，2010，24(2):72-76．

［2］ Dokken B B，Saengsirisuwan V，Kim J S，et al．Oxidative stress-induced insulin resistance in rat skeletal muscle:role of glycogen synthase kinase-3［J］．Am J Physiol Endocrinol Metab，2008，294(3):E615-621．

［3］ Perez Matute P，Zulet M A，Martinez J A．Reactive species and diabetes:counteracting oxidative stress to improve health［J］．Curr Opin Pharmacol，2009，9(6):771-779．

［4］ Bokov A，Chaudhuri A，Richardson A．The role of oxidative damage and stress in aging［J］．Mech Ageing Dev，2004，125(10-11):811-826．

［5］ Furukawa S，Fujita T，Shimabukuro M，et al．Increased oxidative stress in obesity and its impact on metabolic syndrome［J］．J Clin Invest，2004，114(12):1752-1761．

［6］ Keaney J F，Larson M G，Vasan R S，et al．Obesity and systemic oxidative stress:clinical correlates of oxidative stress in the Framingham Study［J］．Arterioscler Thromb Vasc Biol，2003，23(3):434-439．

［7］ Frohnert B I，Sinaiko A R，Serrot F J，et al．Increased adipose protein carbonylation in human obesity［J］．Obesity(Silver Spring)，2011，19(9):1735-1741．

［8］ Murphy M P．How mitochondria produce reactive oxygen species［J］．Biochem J，2009，417(1):1-13．

［9］ Ruggiero C，Ehrenshaft M，Cleland E，et al．High-fat diet induces an initial adaptation of mitochondrial bioenergetics in the kidney despite evident oxidative stress and mitochondrial ROS production［J］．Am J Physiol Endocrinol Metab，2011，300(6):E1047-1058．

［10］ Raffaella C，Francesca B，Italia F，et al．Alterations in hepaticmitochondrial compartment in a model of obesity and insulin resistance［J］．Obesity(Silver Spring)，2008，16(5):958-964．

［11］ Curtis J M，Grimsrud P A，Wright W S，et al．Downregulation of adipose glutathione S-transferase A4 leads to increased protein carbonylation，oxidative stress，and mitochondrial dysfunction［J］．Diabetes，2010，59(5):1132-1142．

［12］ Nishimura S，Manabe I，Nagasaki M，et al．CD8+effector T cells contribute to macrophage recruitment and adipose tissue inflammation in obesity［J］．Nat Med，2009，15(8):914-920．

［13］ Olefsky J M，Glass C K．Macrophages，inflammation，and insulin resistance［J］．Annu Rev Physiol，2010，72:219-246．

［14］ MacKellar J，Cushman S W，Periwal V．Waves of adipose tissue growth in the genetically obese Zucker fatty rat［J］．PLoS One，2010，5(1):e8197．

［15］ Pi J，Bai Y，Zhang Q，et al．Reactive oxygen species as a signal in glucose-stimulated insulin secretion［J］．Diabetes，2007，56(7):1783-1791．

［16］ Jain S K，Velusamy T，Croad J L，et al．L-cysteine supplementation lowers blood glucose，glycated hemoglobin，CRP，MCP-1，and oxidative stress and inhibits NF-kappaB activation in the livers of Zucker diabetic rats［J］．Free Radic Biol Med，2009，46(12):1633-1638．

［17］ Al Aubaidy H A，Jelinek H F．Oxidative DNA damage and obesity in type 2 diabetes mellitus［J］．Eur J Endocrinol，2011，164(6):899-904．

［18］ Tinahones F J，Murri Pierri M，Garrido Sanchez L，et al．Oxidative stress in severely obese persons is greater in those with insulin resistance［J］．Obesity(Silver Spring)，2009，17(2):240-246．

［19］ Singh I，Carey A L，Watson N，et al．Oxidative stress-induced insulin resistance in skeletal muscle cells is ameliorated by gamma-tocopherol treatment［J］．Eur J Nutr，2008，47(7):387-392．

［20］ Archuleta T L，Lemieux A M，Saengsirisuwan V，et al．Oxidant stress-induced loss of IRS-1 and IRS-2 proteins in rat skeletal muscle:role of p38 MAPK［J］．Free Radic Biol Med，2009，47(10):1486-1493．

［21］ Gao D，Nong S，Huang X，et al．The effects of palmitate on hepatic insulin resistance are mediated by NADPH Oxidase 3-derived reactive oxygen species through JNK and p38MAPK pathways［J］．J Biol Chem，2010，285(39):29965-29973．

［22］ Kamata H，Honda S，Maeda S，et al．Reactive oxygen species promote TNFalpha-induced death and sustained JNK activation by inhibiting MAP kinase phosphatases［J］．Cell，2005，120(5):649-661．

［23］ Hirosumi J，Tuncman G，Chang L，et al．A central role for JNK in obesity and insulin resistance［J］．Nature，2002，420(6913):333-336．

［24］ Dunlop M E，Muggli E E．Small heat shock protein alteration provides a mechanism to reduce mesangial cell contractility in diabetes and oxidative stress［J］．Kidney Int，2000，57(2):464-475．

［25］ Purves T，Middlemas A，Agthong S，et al．A role for mitogen-activated protein kinases in the etiology of diabetic neuropathy［J］．FASEB J，2001，15(13):2508-2514．

［26］ Wellen K E，Hotamisligil G S．Inflammation，stress，and diabetes［J］．J Clin Invest，2005，115(5):1111-1119．

［27］ Minamino T，Orimo M，Shimizu I，et al．A crucial role for adipose tissue p53 in the regulation of insulin resistance［J］．Nat Med，2009，15(9):1082-1087．