NADPH 氧化酶在糖尿病心血管并发症中的研究进展

成扶雨 余琪琪 袁伟

江苏大学附属医院国家级重点专科心血管内科（江苏镇江212000）

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一种全身慢性代谢性疾病，常常会并发肾病、心血管病、神经系统等各种慢性病变。在过去的30年中，全球DM 患者数量增加了1 倍［1-2］，预计到2030年，全球的DM 患者将超过5.52 亿。而DM 心血管并发症是DM 患者最重要的并发症和致死原因之一，DM性心血管疾病的致死率远远大于非糖尿病心血管疾病。还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶是机体产生活性氧的主要酶类，其活性的变化在DM 心血管并发症的发生发展起着重要作用。

1 NADPH 氧化酶概述

NADPH 氧化酶（NADPH-oxidase，NOX）是由7个亚基NOX1，NOX2，NOX3，NOX4，NOX5，以及Duox1 和Duox2 组成［3］。NOX1 在结肠上皮中表达最高［4］，同时在血管平滑肌细胞、内皮细胞、子宫、胎盘等一些细胞组织中有表达。NOX2 作为分布最为广泛的NOX 家族，最初出现在中性粒细胞和巨噬细胞中，其主要分布于胸腺、小肠、结肠、脾脏、胰腺、卵巢、胎盘、前列腺和睾丸等组织中［5］。NOX3 的结构与NOX1、NOX2 极为相似，广泛存在于内耳，包括耳蜗、前庭感觉上皮与呼吸神经节中［6］。NOX4 主要功能是红细胞生成素合成的调节和氧感受器，主要在肾脏、破骨细胞、内皮细胞、平滑肌细胞和造血干细胞中存在。NOX5 主要表达于睾丸、脾脏、淋巴结等组织中，其产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）的途径与钙离子相关。Duox1 和Duox2 主要功能是合成甲状腺激素。

2 NADPH 氧化酶对糖尿病心血管并发症的影响

2.1 糖尿病心肌病糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）是指糖尿病患者发生的特异性心肌结构与功能的异常，且不并存冠状动脉疾病或高血压等心血管疾病，其特点是心肌扩张、肥厚，左心室舒张和收缩功能降低，最终发展为心力衰竭［7］。DCM 的主要特征是亚临床期的细胞结构异常，最初导致舒张功能障碍，随后影响心脏收缩功能，最终导致心力衰竭。ROS 与心力衰竭发展的全阶段均有关，从心肌肥厚到纤维化、收缩功能障碍到心力衰竭。其具体机制为高血糖易导致线粒体电子传递链过氧化物产生过量，引起氧化应激，使线粒体功能紊乱，继而影响心肌细胞的代谢，诱导心肌细胞功能障碍，最终凋亡甚至产生心肌肥厚与纤维化。因此，DCM 的发生发展与ROS的作用密不可分。

2.2 糖尿病血管病DM 的血管并发症通常分为大血管并发症和微血管并发症。视网膜病变、神经病变和肾病等产生的微血管并发症是糖尿病患者的一大发病和病死原因，但NADPH 氧化酶产生的ROS 主要介导的是一些如动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）的大血管病变。AS 是冠心病、脑梗死、外周血管病等一系列缺血性疾病的主要病因。DM 患者体内血管内皮功能紊乱是一大代谢紊乱现象，从而易导致血管内皮缺血缺氧，内皮依赖性血管舒张功能降低，进而引发进一步的ROS生成事件和正反馈机制的连锁反应。此时ROS 与NO 平衡失调，NADPH 源性ROS 产生增多。ROS此时可作为第二信使，通过JNK/C-jun 途径、上调Fas 表达、诱导MMP-2、MMP-9 生成等，影响动脉粥样硬化形成［8］。同时，ROS 可能有助于促进血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）增殖，这是导致血管成形术后动脉粥样硬化和再狭窄的一大特征。DM 患者VSMCs 在动脉粥样硬化病变中的增殖和迁移增加，这主要是NOX 介导的ROS 生成可通过NF-κB 促进高血糖的促增殖作用［9］。综上，有充分的证据显示ROS 作为DM 动脉粥样硬化加速介质，起到关键作用。

3 NADPH 氧化酶诱发糖尿病心血管并发症的机制

DM 患者体内糖、脂代谢异常，抗ROS 的能力也减弱，导致机体葡萄糖自身氧化，增加了体内氧自由基水平，使血管内皮产生氧化应激，导致内皮功能紊乱，诱导糖尿病心血管并发症的产生。

3.1 激活糖基化终产物通路糖基化终产物（advanced glucation endproducts，AGEs）是长期高血糖与多种蛋白质发生非酶性糖基化反应，形成的具有毒性的化合物，AGEs 的产生被认为是DM 最主要的致病物质之一，可引发多种细胞因子的产生，引起血管功能紊乱，血管舒缩功能损伤。而NADPH 氧化酶可通过AGEs 诱导ROS 的产生。其机制可能为［10-11］机体的长期高糖环境使蛋白质通过一系列反应生成AGEs，AGEs 可改变细胞外基质及循环中的脂蛋白，同时与其受体RAGE 结合。活化后的AGEs-RAGE 复合物能通过PKC-依赖途径激活NADPH 氧化酶，使细胞内ROS 增加，继而引发DM 患者冠状动脉粥样硬化的进展。

同时有研究表明［12］，NADPH 氧化酶诱导过度产生的ROS 可反向增加AGEs 的受体RAGE 的表达，活化蛋白-1（包括S100、S100A8、S100A12 等因子）的表达，促进RAGE 与其配体AGEs 的产生，从而形成一个正反馈作用。可见NADPH 氧化酶作为AGEs 通路的关键因子，能双向介导ROS 的产生，由此反馈性放大对组织的损伤作用。

3.2 参与多元醇途径DM 患者体内由于处于长期高血糖状态，激活葡萄糖的旁路代谢——多元醇途径，这一过程依赖大量的NADPH 实现。在多元醇途径中，关键限速酶为醛糖还原酶（aldose reductase，AR），当细胞内葡萄糖浓度过高时，AR 被活化，NADPH 作为辅助因子与过量的葡萄糖在AR 催化下生成山梨醇，后者再经山梨醇脱氢酶（sorbitol dehydrogenase，SDH）氧化后生成果糖，使细胞内失去稳态平衡。因此当这种旁路代谢状态打开，NADPH 氧化酶在多元醇途径中被大量消耗，导致细胞渗透压过高，阻碍信号传导，最终引起组织水肿、细胞坏死等一系列失衡现象。更为严重的是，机体的抗氧化途径——氧化性谷胱甘肽（GSSG）还原为还原性谷胱甘肽（GSH），也需要NADPH 作为关键辅酶。有研究发现［13］，在参与了多元醇途径后，NADPH 氧化酶对细胞内抗氧化剂GSH 的生成供应减少，直接引发谷胱甘肽的再合成减少，削弱了细胞的自由基清除功能，增加细胞内氧化应激的易感性。

3.3 经蛋白激酶C 活化损伤内皮大量实验表明，细胞内高血糖可启动蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）的激活调控，包括PK-β，-δ［14］，-α 的合成。当PKC 被胞内高血糖活化后，其会对多种细胞因子的表达产生影响，其中非常重要的就是对氧化应激的诱导。NADPH 氧化酶在激动剂PKC 的作用下产生增多，积累ROS，从而抑制内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）的磷酸化，影响内皮素-1 的生成［15］。eNOS是生成一氧化氮（NO）的关键酶，当eNOS 生成减少，NO 相应减少，影响血管内皮细胞的舒张功能。这种对血管内皮细胞的损伤作用是机体长期高血糖状态下导致的，据此使机体易产生冠状动脉粥样硬化、心肌梗死等缺血再灌注损伤。不仅如此，氧化应激状态会消耗血管保护剂NO，使其产生亚硝基反应，生成通过PKC 途径影响内皮通透性的ONOO-，造成胞外机制增生内皮功能紊乱的严重后果。

有研究证实［16］，糖尿病肾病状态下，高浓度游离脂肪酸能够通过PKC 依赖的NADPH 氧化酶的激活刺激ROS 的生成，且这一过程可能通过AMPK/ACC 途径实现。

3.4 通过己糖胺途径加重损害DM 患者机体内环境呈现高血糖状态，增加了血管内皮细胞己糖胺途径（HBP）的信号通量，NADPH 氧化酶借助己糖胺通道的开放被活化，加重对血管内皮的伤害。其过程主要为葡萄糖经过一系列的相关酶催化反应，最终转化为二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖（UDP-GlcNAc）。UDP-GlcNAc 转移到转录因子的丝氨酸与苏氨酸残基上时，上调相关细胞因子（如TNF-α、TNF-β1 等）的表达。NADPH 氧化酶因UDP-GlcNAc 的糖基化修饰被激活，激活NADPH氧化酶且累积氧自由基，产生大量ROS，引起一系列细胞毒性反应［17］。而其对血管内皮细胞的影响，有研究显示［18-19］，在2 型DM 患者的颈动脉斑块中，己糖胺途径通过诱发NADPH 氧化酶的产生，对血管内皮细胞的蛋白翻译后修饰是显著增强的。

3.5 抑制一氧化氮生成NO 在DM 大血管病变和微血管病变下均起着非常重要的作用，它控制着动脉血管内皮的舒张，是一种内皮源性血管舒张因子。L-精氨酸的产物是NO，它通过一氧化氮合酶（eNOS）的催化生成L-瓜氨酸并释放NO。高糖诱导血管保护型NO 生物利用度与ROS 积累失衡，是导致内皮功能障碍的早期机制。当机体收到外界因素伤害产生氧化应激损伤时，氧自由基增多，NADPH 氧化酶产生激增，ROS 随之合成增加，eNOS 因此解耦联，NO 合成被相应抑制，导致内皮细胞功能损伤。同时解耦联的eNOS 可导致进一步的超氧化物生成，形成一个恶性循环，促进NO 的耗竭。有研究显示［20］，当DM 患者机体产生胰岛素抵抗时，这种现象在动脉粥样硬化的内皮细胞上尤为常见，其可以降低胰岛素敏感性，从而抑制eNOS 的活性，减少NO 释放，反向增加NADPH 诱导的ROS 积聚。同时，即使是低脂肪小鼠，当其全身血管内皮存在特定的胰岛素抵抗时，血管内皮细胞NADPH 氧化酶产生增多，出现强烈的氧化应激现象，相反地，NO 的释放与生物利用度大大降低，因此血管内皮功能也发生紊乱［21］。

4 抗氧化治疗

4.1 他汀类药物他汀类药物作为目前临床常用的调脂药，是治疗DM 性高脂血症的首选药物之一。新进研究表明［22］，他汀类药物除有降低血浆胆固醇作用外，还具有保护血管、防止血管并发症、抗氧化等作用。在不影响血脂水平前提下［23］，辛伐他汀可有效降低血浆中的过氧化物水平，从而改善内皮功能。他汀类药物发挥抗氧化作用与血管紧张素的活性相关，其可有效下调血管平滑肌细胞中Rac1 介导的NADPH 氧化酶活化，抑制血管紧张素Ⅱ介导的活性氧生成［24］。

4.2 噻唑烷二酮类降糖药噻唑烷二酮类降糖药是一类胰岛素增敏剂，主要包括罗格列酮、曲格列酮、匹格列酮、罗西格列酮等。其通过增加肌肉、肝脏、脂肪等靶器官的胰岛素敏感性从而增强胰岛素功能，达到降低血糖作用。目前有人认为［25］，噻唑烷二酮类降糖药可有效降低氧化应激减轻血管炎症反应。它不可直接清除自由基，而是通过阻断高糖状态诱导的氧化应激实现抗氧化作用。研究发现［26］，匹格列酮可通过调节多种细胞因子表达，如降低多聚单核白细胞p47phox 水平、降低PKC、减少细胞粘附因子Ⅰ等降低NADPH 氧化酶的产生，通过抑制丙二醛活性升高GSH 水平，从而有效起到抗氧化作用。

4.3 血管紧张素转化酶抑制剂血管紧张素转化酶抑制剂（angiotensin converting enzyme inhibitors，ACEI）是目前常用的抗高血压药之一，可高效抑制血管紧张素Ⅱ（angiotensinⅡ，AngⅡ）对血管产生的收缩作用与肾上腺皮质类醛固酮释放的激活作用。AngⅡ对氧化应激具有重要意义，NADPH 易被AngⅡ活化的NADPH 氧化酶氧化为NADP+，使得活性氧原料增多，促进ROS 生成。而ACEI 直接抑制AngⅡ的产生，源头上阻断ROS 生成。同时，SOD 作为机体内在生成的活性抗氧化酶，可有效清除体内过量超氧阴离子，防止细胞产生自由基反应，以达到对细胞膜过氧化的保护作用。ACEI本身可激活超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）的活性，不断清除过量超氧阴离子，以纠正氧化应激导致的阴离子过量现象［27］。过往有研究显示［28-30］，ACEI 代表药依那普利可有效减少过氧化物产生，预防糖尿病性心肾并发症。

5 前景与展望

NADPH 氧化酶可通过AGEs、多元醇通路、PKC 的活化、己糖胺途径以及NO 的抑制等多种方式导致DM 心血管并发症的发生发展，继而影响糖尿病患者预后。越来越多的临床和实验研究支持抑制NADPH 氧化酶活性的药物有助于糖尿病心血管并发症的防治，这可能为它的治疗提供新的希望。但目前公认的抗氧化剂如维生素C、维生素E 等仅可清除线粒体外过多的氧自由基，对于氧化应激的疗效欠佳，有待进一步探索。而如果药物可阻断线粒体过量的O2-生成，减少细胞内NADPH 氧化酶的活化，就可以从根源上预防糖尿病心血管并发症的发生，并有效控制其进展。

因此除了他汀类药物等临床常规用药，如今小分子抗氧化剂备受关注，例如小分子量SOD 类似物［31］，α-硫辛酸以及肉毒碱等新型药物，可在细胞内清除O2-，减少线粒体功能损伤程度，从而达到改善DM 患者血管内皮功能的疗效。而目前对NADPH 氧化酶的研究多聚集在糖尿病肾病，对糖尿病心血管并发症的研究较少。因此积极探索寻找适宜的抗氧化药物调节NADPH 氧化酶的活性，有望成为DM 心血管并发症治疗的一个新的切入点，成为未来研究的热点。