氧化应激在糖尿病性心血管疾病中的研究进展

练淑平，张 耀，王振花

(1.广东医科大学研究生学院,广东 湛江 524023； 2.深圳市宝安区中心医院心血管内科,广东 深圳 518102；3.深圳市宝安区人民医院心血管内科,广东 深圳 518101)

糖尿病是以高血糖为特征的代谢性疾病，其发病率逐年上升[1]。糖尿病性心血管疾病是糖尿病患者的主要并发症之一，同时也是糖尿病患者生活质量下降和病死率升高的主要原因之一。糖尿病人群罹患心血管疾病的风险增加。一项对20 985例糖尿病患者(平均年龄为38.6岁)的观察性研究发现，糖化血红蛋白每增加1%，心力衰竭患病风险增加30%[2]。糖尿病性心血管疾病包括糖尿病性心肌病、冠心病、糖尿病性心血管自主神经病变等。其中，糖尿病性心肌病是在代谢紊乱及微血管病变的基础上引发心肌广泛灶性坏死，出现亚临床的心功能异常，最终进展为心力衰竭、心律失常及心源性休克，即使在没有心脏相关临床症状的情况下，其心肌重构和心脏功能下降也在持续进展[3]。糖尿病性心肌病的早期阶段为舒张功能障碍，随后发展为有临床症状的心力衰竭[4-5]。其病理生理变化包括心肌细胞凋亡和左心室肥厚，间质和血管周围组织纤维化，左心室顺应性下降及舒张功能障碍[6]。而糖尿病患者的心脏冠状动脉血管内皮功能障碍和动脉粥样硬化也可导致心脏供血不足、心肌重构[7]。持续的血糖升高是糖尿病性心血管疾病发病的始动因素，其主要机制为氧化应激，也包括晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products，AGEs)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)激活等。现就氧化应激在糖尿病性心血管疾病中的研究进展予以综述。

1 氧化应激

活性氧类(reactive oxygen species,ROS)是指机体内或自然环境中由氧组成的性质活泼物质的总称。体内正常代谢可以产生ROS，其是机体内主要的氧化剂之一[8]。机体内的ROS包括自由基(羟基、超氧化物)和非自由基(过氧化氢、单线态氧分子)，它们在机体生命活动的氧化还原反应过程中会不断生成。在生理条件下，适量的ROS作为一种信号分子，可以调节转录因子及凋亡基因表达等生理性氧化还原反应，在抗菌和消炎等方面有重要意义。然而在病理条件下，当体内的ROS生成超过抗氧化酶和抗氧化剂的缓冲能力时，ROS调节失衡，倾向于氧化状态，从而产生氧化应激。氧化应激可修饰或使生物大分子退化，如核酸退化、脂质氧化、膜蛋白退化，继而导致细胞功能障碍甚至死亡[9]。其中，ROS介导的氧化应激是干扰机体正常生命活动形成的一种严重的应激状态，可对人体造成一定损伤。

氧化应激的主要机制为ROS来源增多和抗氧化能力下降：①在糖尿病性心血管疾病中，ROS生成增多主要来源于线粒体电子传递链、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶和一氧化氮合酶解偶联路径[10-11]。Suzuki等[12]研究发现，糖尿病大鼠心肌细胞内的ROS水平升高。Koncsos等[13]研究发现，在糖尿病前期小鼠中，心肌肌膜下线粒体过氧化氢生成增多。②高血糖可降低心脏组织的抗氧化能力[14]。体内抗氧化酶防御体系包括酶性抗氧化剂(超氧化物歧化酶)、非酶系抗氧化剂(维生素C、辅酶Q10)及金属络合物(铜结合蛋白)。高血糖可通过使铜锌超氧化物歧化酶失活，导致ROS生成增多[14]。Ji等[15]研究表明，抗氧化剂依达拉奉可以提高超氧化物歧化酶水平，改善心功能。

2 氧化应激在糖尿病性心脏病变中的作用

2.1介导心脏炎症和纤维化 NADPH氧化酶在高血糖状态下被激活，催化NADPH和O2生成超氧化物阴离子，而超氧化物阴离子经过一系列反应转变成羟基，导致ROS合成过多。ROS介导的氧化应激可通过激活核因子κB、基质金属蛋白酶及上调基因的表达导致心肌间质纤维化[12]。且ROS通过激活核因子κB还能促进肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-6等炎症因子表达增加[12，16]。炎症在心血管疾病的发病机制和进展中扮演重要角色。其中，促炎细胞因子和趋化因子诱导的慢性炎症在糖尿病性心血管病变的发生及发展中起重要作用[17]。肿瘤坏死因子-α是一种可触发心脏炎症和细胞损伤的重要分子[5]。在心脏成纤维细胞中肿瘤坏死因子-α增加了胶原的合成[17]，并最终导致心脏纤维化[17-18]。此外，核因子κB也被认为是ROS导致糖尿病性心脏病变的关键介质[19]，且核因子κB是控制炎症因子基因表达的转录因子[5]，其可通过调节炎症因子促进心肌细胞慢性炎症、肥厚和纤维化。

以上研究结果表明，氧化应激在糖尿病性心脏中的心脏炎症和心脏纤维化过程中起主要作用。因此，减少慢性炎症和维持体内细胞的氧化还原平衡状态对糖尿病相关的心脏疾病的治疗和预防有重要意义。

2.2介导心肌肥大和细胞凋亡 氧化应激在促进心肌肥厚中起关键作用[20]。其中，ROS直接或间接激活了位于肥厚信号通路下游的各种路径，包括核因子κB、转化生长因子-β、p38促分裂原活化的蛋白激酶、PKC、蛋白激酶B、应激活化蛋白激酶等[20-21]。

在高糖状态下，ROS可以激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统、内皮素-1和交感神经系统等神经体液机制[22]，导致心肌肥厚[20]。肾素-血管紧张素-醛固酮系统长期活动过强可诱发心脏功能异常。研究显示，血管紧张素转换酶抑制剂赖诺普利作用于糖尿病大鼠可抑制心肌细胞中的8-羟基脱氧鸟苷和氢氧自由基，减轻高糖状态下的心脏炎症、纤维化、肥大、细胞凋亡，从而改善心脏重构[5]。

目前认为，氧化应激和PKC活动可导致核因子κB表达增加[16,12]。而核因子κB可导致诱导型一氧化氮合酶表达增加，促使一氧化氮生成增多，过多的一氧化氮和过氧自由基反应产生过氧硝酸盐，过氧硝酸盐可诱导线粒体通透性转换孔的形成，且可导致ROS生成增多、细胞色素C流失和细胞凋亡[16]。Frati等[21]研究发现，在心脏压力超负荷小鼠中，肿瘤坏死因子-α基因的破坏可减少心肌肥大、纤维化。

以上研究表明，ROS参与了心肌肥大和心肌细胞凋亡的过程，这是糖尿病患者发生心肌肥厚和心力衰竭的重要原因。

2.3导致心肌代谢异常和心力衰竭 ROS诱发的线粒体功能障碍对心力衰竭的发展起重要作用[23]。线粒体呼吸链酶复合物由线粒体DNA和核DNA编码的亚基组成，参与线粒体的氧化磷酸化，线粒体DNA的损伤导致线粒体中的蛋白质合成障碍，从而产生ROS[5]。而ROS增多可直接损伤DNA、RNA和细胞膜[24]。Liu等[25]研究发现，8-羟基脱氧鸟苷是一种反映ROS诱导DNA损伤程度的指标，在伴有大血管病变糖尿病患者的尿液中水平较高，同时反映ROS诱导RNA损伤的8-羟基鸟苷也明显增加。

除了线粒体的改变外，心肌细胞表面膜离子通道和肌节相关蛋白的异常也会导致心脏功能障碍。钙离子信号通路是心肌细胞收缩和舒张的必备条件。肌质网钙泵是钙离子信号通路的重要组成部分，通过隔离钙离子使心肌细胞舒张。而ROS可引发肌质网出现功能障碍，导致细胞内的钙离子堆积，继而引起心肌舒缩功能障碍并诱发心律失常[26]。

糖尿病患者体内存在葡萄糖代谢障碍，而非酯化脂肪酸代谢增强。过多的非酯化脂肪酸氧化会诱发线粒体呼吸链功能障碍、ROS介导的线粒体解偶联蛋白激活、质子泄漏增多及氧化磷酸化解偶联，导致腺苷三磷酸生成减少，从而增加心肌氧需求、降低心肌效能[27]。同时，心肌细胞内非酯化脂肪酸的增加导致心脏毒性脂质中间体(神经酰胺)积聚，从而使得线粒体钙离子吸收减少和线粒体通透性转换孔开放[27]。上述变化使丙酮酸脱氢酶、葡萄糖转运蛋白等活性降低，导致腺苷三磷酸合成受损、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶介导细胞凋亡[27]。另外，糖尿病患者线粒体的ROS增多可致心脏重构，如线粒体通透性转换孔开放和线粒体肿胀引起的心肌细胞凋亡可导致心脏重构[28]。

以上研究均表明，心脏的氧化应激可通过线粒体损伤、肌质网钙泵功能障碍、葡萄糖代谢障碍等机制引起心肌代谢异常及收缩、舒张功能障碍，最终导致心力衰竭。

3 氧化应激在糖尿病性血管病变的作用

大血管病变是糖尿病患者的主要并发症，其中冠状动脉是最常见的靶血管之一。在糖尿病患者冠状动脉中，氧化应激引起内皮细胞功能障碍、动脉粥样硬化，最终导致心脏冠状动脉血管狭窄或堵塞、心脏供血不足，从而诱发一系列心脏不良事件。

3.1介导血管内皮功能障碍 血管内皮细胞是衬于心、血管内壁的一层单层扁平上皮细胞。内皮细胞之间的紧密相连，在生理情况下可有效地阻止血液中的血细胞及生物大分子穿过血管壁，从而起到屏障作用，可隔绝Ⅻ因子及Ⅶ因子等血浆凝血因子与基质和平滑肌细胞中的组织因子接触，防止凝血过程被激活。同时，血管内皮细胞还可通过分泌各种生物活性物质发挥促凝和抗凝作用，如分泌前列腺素即内皮细胞源性舒张因子抑制血小板活化并舒张血管；分泌一氧化氮、前列腺素等血管活性物质调节血管张力。然而，在糖尿病患者中，长期且持续的血糖升高可造成血管内皮细胞受损。高血糖会引起具有血管保护性的一氧化氮生物利用度下降和活性氧积聚，从而导致内皮细胞发生功能障碍[29]。同时，超氧化物和一氧化氮快速反应可形成具有高度活性的中间产物——过氧化亚硝酸盐。过氧化亚硝酸盐是一种很强的细胞毒性氧化剂，可造成蛋白质、脂质和DNA等生物分子的亚硝基化、硝基化及氧化损伤[30]。由于过氧化亚硝酸盐可导致内皮型一氧化氮合酶解偶联生成超氧化物[31],而超氧化物又可继续和一氧化氮反应生成过氧化亚硝酸盐，形成一种恶性循环，加速了一氧化氮损耗，最终造成内皮依赖的血管舒张功能障碍。另外，在实验性糖尿病动物模型中，血管内皮生长因子抑制剂会诱发慢性心力衰竭[32]。这说明，炎症介导的血管内皮功能障碍可加剧糖尿病慢性心力衰竭的进展。

3.2导致动脉粥样硬化 血管内皮细胞功能的改变在冠状动脉粥样硬化过程中起至关重要的作用。高血糖可通过线粒体电子传递链增加超氧化物阴离子、过氧化物等ROS的生成，随后形成正反馈效应。如超氧化物阴离子激活PKC，反过来激活的PKC又可促使NADPH氧化酶依赖的ROS生成[16,33]。线粒体中的超氧化物阴离子可增加细胞内AGEs的生成[16,33]。AGEs本身可以增加氧自由基的产生，而AGEs受体的激活又可引起细胞内氧化应激的产生，进而在内皮细胞中引起炎症反应[16,33]。因此，AGEs通过修饰细胞外基质和循环中的脂蛋白，以及激活AGEs受体，最终导致动脉粥样硬化[33]。另外，Zhu等[34]研究表明，AGEs可通过低氧诱导因子-α/丙酮酸脱氢酶激酶4路径加速血管的钙化。

作为一种慢性炎症反应，动脉粥样硬化重要环节之一为循环中(血管内膜)的低密度脂蛋白被超氧化物氧化，形成一种更为有害的氧化型低密度脂蛋白[32]；氧化型低密度脂蛋白加重巨噬细胞对内膜的浸润(通过上调单核细胞趋化蛋白-1、巨噬细胞炎症蛋白-1α等趋化因子，或增加血管细胞黏附分子-1和细胞间黏附分子-1等黏附分子的表达)，进一步加剧血管炎症，最终导致泡沫细胞的形成[35]。

血管平滑肌细胞的增殖和转移是动脉粥样硬化机制的另一重要环节。而糖尿病患者体内的高水平ROS促进了血管平滑肌细胞的增殖和转移，增加动脉粥样硬化病变的发生风险[35]。体外高血糖状态下的研究表明，NADPH氧化酶介导的ROS的生成加剧了血管平滑肌细胞的增殖效应[35]。此外，核因子κB炎症因子也参与了高糖诱导的血管平滑肌细胞的增殖。以上研究表明，ROS在加速糖尿病患者冠状动脉粥样硬化中起关键作用。

4 糖尿病性心血管疾病的抗氧化治疗

氧化应激在糖尿病性心血管疾病的发生、发展中起重要作用。因此，近年来针对阻断ROS信号路径的抗氧化治疗的相关药物及基因疗法成为研究热点。有研究发现，离体心肌细胞经四甲基哌啶氧化物预处理后，可减少高糖诱导的心肌细胞死亡[36]。成熟的慢性心力衰竭药物(血管紧张素转换酶抑制剂、血管紧张素受体阻滞剂、盐皮质激素受体拮抗剂)具有抗氧化特性，其可能通过抑制NADPH氧化酶信号发挥作用[36]。微RNA是一类内源性非编码RNA，在转录后水平调控基因表达。Diniz等[37]研究表明，微RNA-1过表达可以抑制甲状腺激素引起的心肌细胞肥大。Zhang等[38]实验表明，微RNA-1可抑制心力衰竭模型的心脏重构，改善心功能。

5 小 结

氧化应激在糖尿病性心血管疾病的发展中起关键作用。糖尿病的高血糖症和代谢异常会导致血管细胞和心肌细胞产生过多的ROS。而氧化应激对心血管系统有不利影响，可通过多种路径引起炎症、内皮细胞功能障碍、动脉粥样硬化、心肌细胞肥大、凋亡和心肌纤维化，导致严重的心脏功能障碍。因此，未来期待有更多关于阻断ROS路径的靶点药物或基因研究，这可能对预防和治疗糖尿病性心血管疾病有益，也有助于更确切地认识糖尿病性心血管疾病的发病机制及确定更具体的靶向治疗方案。