氧化应激在糖尿病肾病中的作用及抗氧化治疗研究进展

河北北方学院药学系，河北省神经药理学重点实验室，张家口，075000，中国

糖尿病难以根治的根本原因在于其有诸多的并发症。糖尿病肾病（diabetic kidney disease，DKD）是糖尿病病人最常见也是最主要的并发症之一，主要特征表现为组织水肿、白蛋白尿、高血压和肾功能不全等肾脏病变，是病情加重为终末期肾脏病（即肾衰竭）的第二原因［1］。大量临床研究表明，其在糖尿病患者中的出现几率约为20%～40%［2］，在全球范围内都有着极高的发病率和致死率。根据其病程和病理生理过程糖尿病肾病一般可分为五期：①第Ⅰ期：肾小球功能亢进、超滤过，肾体积扩增；②第Ⅱ期：肾小球毛细血管基底膜（glomerular basement membrane，GBM）增厚，肾小球滤过率（glomerular filtration rate，GFR）有所提升，不定时少量白蛋白尿；③第Ⅲ期：初始DKD，每天持续性产生蛋白尿，同时白蛋白尿也呈逐渐增加的趋势，GFR提升；④第Ⅳ期：Overt DKD，持续性蛋白尿（＞0.5 g·24 h-1），高血压造成GFR降低；⑤第Ⅴ期：终末期肾衰竭［3］。其中第Ⅰ期和第Ⅱ期一般是可逆的，第Ⅳ和第Ⅴ期不可逆。糖尿病会破坏机体的肾微血管系统，从微小的肾小球逐渐破环，再到肾间质直至整个肾脏。糖尿病肾病在肾小球上发生的标志性病理变化包括内皮细胞的增生、GBM增厚、足细胞数目的变化、足突的广泛融合乃至足细胞的凋亡。糖尿病肾病发病进展除了与肾小球改变有关，还与肾小管间质改变有巨大的关联。糖尿病肾病的发病原因和致病机制还未完全研究透彻，目前众多学者认为［4］有多种因素共同参与，在一定的自身和环境因素共同作用下致病，包括但不仅限于遗传因素、炎症机制、糖代谢紊乱、血流动力学改变、细胞因子和氧化应激等多种因素［5］。实验研究发现许多抗氧化应激物质对DKD的发展起到了预防、延缓甚至是治疗的作用，针对抗氧化应激治疗的研究越来越多，抗氧剂越来越受到研究学者们的重视。

1 氧化应激

氧化应激（oxidation stress，OS）这一概念初次是由美国学者R S.Sohalzai在1990年提出来的。后来明确规定为机体在内外环境不利因素的刺激下所产生的一种应激反应，结果造成机体自身产生细胞和组织层面损伤的病理生理反应。该损伤产生的原因在于体内产生了过多的、超出自身清除程度的、严重影响自身氧化平衡的氧化应激高分子活性产物。该产物一般包括活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）和活性氮自由基（reactive ntrogen species，RNS）。由于它们可以直接或间接造成细胞膜的损伤，诱导蛋白质变性，甚至损伤胞内的DNA等大分子造成基因突变，因而被公认为是机体衰老和一些严重疾病如癌症、动脉粥样硬化、消化系统疾病、老年痴呆症和糖尿病等最重要的影响因素之一。

机体内重要的抗氧化系统包括酶类抗氧化系统、非酶类抗氧化系统和抗氧化修复系统，三大系统都包含多种抗氧化活性成分。这些系统存在的意义是能够及时、迅捷地清除机体细胞组织中多余的ROS和RNS。机体正常状态下，体内的氧化和抗氧化系统会保持一种动态平衡。氧化和抗氧化系统的平衡稳定一方面使氧化应激反应适度进行，满足机体的正常需要；另一方面是为了防止反应生成的多余的氧化产物对机体产生损伤。当机体受到刺激，内环境稳态紊乱，抗氧化活性成分不足以应对时，就会造成平衡失调，氧化产物过度产出，进而引起细胞和组织的损伤，影响整个机体的生理健康。ROS主要由线粒体产出，由线粒体内膜的呼吸链底物端电子传递复合物时传导产生。机体长时间处于高糖状态就一种会导致线粒体损伤的不良刺激，这种情况下机体就容易产生过量的ROS，造成体内高活性分子大量蓄积。高活性分子可以通过多种途径直接或间接导致细胞内蛋白质变性、脱氧核糖核酸和脂质的氧化损伤，最终导致机体细胞和组织的损伤［6］。大量实验研究表明，在糖尿病肾病的发病过程中，氧化应激处于非常重要的地位。

2 氧化应激在糖尿病肾病中的作用

2.1 糖尿病诱导氧化应激产生

糖尿病的主要表现形式为长时间的血糖升高，当机体细胞堆积了大量的葡萄糖时，细胞就会进行无氧糖酵解反应，胞内葡萄糖与DNA等分子发生一系列特殊反应，造成晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGEs）大量生成。AGEs可以与其受体结合，诱导细胞内信号传递，导致氧化应激的增强［7］。作为山梨醇通路底物的葡萄糖也可激活多元醇通路，使得山梨醇等产物过量增多，造成细胞渗透压的升高，使细胞吸水胀裂造成损伤；山梨醇增多还会氧化还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH），使机体氧化还原反应不稳，使得ROS产生过剩，导致氧化应激增强。多元醇通路的激活还会导致与氧化应激有关的NADPH 氧化酶和一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）等酶活性升高，破坏氧化平衡，使ROS过量产生。ROS生成的来源还包括线粒体呼吸链，主要来源于其中的单胺氧化酶、呼吸链复合体Ⅲ到Ⅳ的转变。葡萄糖有氧氧化过程中，呼吸链经电子形式传递还原氧，在线粒体复合物转化过程中，呼吸链底物端会发生电子泄露现象，漏出的电子与细胞中游离氧分子反应结合生成超氧阴离子，进而导致ROS过量生产［8］。糖尿病的高血糖环境中，以糖代谢紊乱为主，炎症反应等多因素为辅的综合作用下，使得组织细胞中活泼的ROS产生过剩，破坏了肾组织的动态平衡，不稳定的ROS还会与胞质内DNA等多种分子产生化学反应，使得细胞信号通路被进一步刺激而激活，造成肾组织学的发生改变和功能的异常，使氧自由基的增加速度大于人体的抗氧化能力，造成氧化应激状态。

糖代谢紊乱机制一般包括蛋白激酶C（protein kinase C，PKC） 通路，多元醇通路和糖基化终末产物AGEs［9］。高血糖环境下，二酰甘油升高，从而使PKC通路激活，从而诱发ROS等高活性分子大量生成，通过诱导合成酶发生解偶联，引起内皮细胞的凋亡，从而影响GFR；还可增加血管通透性，加速肾小球损伤。多元醇通路和AGEs的路径也可以产生ROS，并与本身作用进一步加深氧化应激［10］。

2.2 氧化应激直接导致糖尿病肾损伤

2.2.1 氧化应激与肾间质损伤

ROS可以直接或间接引起肾间质损伤及其纤维化［11］。一方面，过多的ROS可以导致肾组织中致纤维化因子大量产出，使肺间质纤维化；另一方面，过高血糖使得血管运氧能力大幅下降，造成肾小管、间质的损伤［12］。此外，体内适度的活性氧可以保持缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）的稳定。但是，过量的ROS会破环HIF的稳定性，导致其对缺氧的反应程度变弱，进而导致肾小管间质的低氧损伤。

2.2.2 氧化应激与肾小球损伤

葡萄糖代谢紊乱引起的ROS过量产生可诱导内皮细胞凋亡，影响GFR，增加肾小球血管的通透性，形成肾小球损伤。

2.2.3 氧化应激与糖尿病肾病足细胞损伤

足细胞即肾小囊脏层上皮细胞，它附着于GBM的外侧，连同血管内皮细胞和肾小球基膜一起构成了肾小球血液滤过屏障，属于终末分化的细胞［13］。糖尿病肾病患者早期过剩的活性氧、氧化应激状态都可以使得足细胞受到损伤，使其形态和功能发生改变。其病理生理学特征包括大量蛋白尿的产生、足细胞增生、足突广泛融合以及退行性病变。在高糖刺激后，机体产生的ROS会直接导致足细胞的损伤［14］。当患者体内ROS水平明显升高时，其与脂质代谢紊乱一起造成糖尿病患者肾功能的损害。另外当脂质过氧化出现脂质自由基，导致高水平ROS诱导肌动蛋白重新排列，足细胞的足突融合，肾小球滤过功能出现明显障碍。还有动物模型实验发现［15］，过剩的ROS可以诱使足细胞发生凋亡，发生凋亡的足细胞从基膜脱落，使得肾小球数目发生改变，影响了肾小球血液滤过屏障的完整性，使得大量血浆蛋白滤液泄露，进而导致了大量蛋白尿的形成。此外，ROS参与到了破坏足细胞繁殖、再生的修复过程，这同样也影响了肾小球滤过膜的完整性。Wang等［16］用实验证明抑制线粒体氧化损伤，可消除ROS，从而阻止足细胞损伤和凋亡信号的传导。

2.3 炎症和氧化应激与糖尿病肾病的关系

炎症机制也是DKD的重要发病机制之一，它不仅可以造成直接损伤，还可与氧化应激产生协同作用共同作用于机体自身。二者同时存在，相互作用，共同致病。炎性分子可诱导ROS的过量产生，ROS也可以介导肾脏炎症的发生并加速糖尿病肾病的发展，通过诱导炎性细胞因子的产生而导致炎症反应增加。并非所有炎性分子都与氧化应激相关，有关的分子一般包括C-反应蛋白（C-reactive protein，CRP）、核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）、白介素-18（interleukin-18，IL-18）等［17］。

CRP是一类参与全身大部分炎症反应的急性蛋白，一般处于血浆中。它由处于不利状态下机体的肝细胞产生，是反映组织损伤后发生炎性反应及修复的一类因子［18］。CRP可激活补体破坏血管内皮细胞功能，介导参与氧化应激，降低一氧化氮合酶的活性，致使ROS生产过量；还会诱导细胞产生并表达各种造成组织、细胞损伤的炎性分子，如TNF，从而导致DKD的形成。有临床研究，通过特定的蛋白分析仪器，对不同时间段，不同状态下的患者和正常对照患者的CRP进行检测，发现CRP与糖尿病肾病有显著的相关性［19］。另有研究采用免疫荧光双抗体夹心法对早期DKD、临床DKD及健康人的CRP和蛋白尿水平进行检测，结果得出CRP、蛋白尿测定与早期DKD并发症的发生、发展有巨大的联系，可以作为DKD的预防和治疗观察指标［20］。

NF-κB是一类可介导核转录的重要炎性因子，对于机体的炎症反应有重大的作用。此外，对于氧化应激反应，它也起到了不可忽视的作用。NF-κB具有高度的氧化还原敏感性，在ROS和炎症之间具有重要作用［21］。NF-κB能使氧化应激发生的主要原因是其介导的NF-κB信号转导通路刺激细胞，导致ROS的产出超出清除能力，导致机体氧化损伤。氧化应激的细胞内主要作用靶点是NF-κB信号途径的激活。ROS作为高分子、活性分子可对某些细胞基因进行诱导表达。氧化应激发生时，ROS可调控激活NF-κB，诱导基因引发细胞凋亡，诱使炎性分子增多；炎性分子又可进一步激活NF-κB，二者相互刺激、诱导，使得炎症信号一直维持在一个高水平状态，且延长了作用时间，更加重了氧化应激反应 的发生［22］。

IL-18是一种能在炎症和免疫应答中起重要作用的前炎性细胞因子。其主要通过促进炎症，协同氧化应激反应参与DKD等糖尿病并发症的发生和发展［23］。研究发现，IL-18可通过NF-κB胞内信号转导途径对近端肾小管上皮细胞进行诱导，使之发生分化，进而导致尿蛋白排泄率增加，使肾间质纤维化。此外，它在肺纤维化方面的机制也与之类似［24］。IL-18是一种多功能细胞因子，能够诱导T细胞进行大量增殖，其也能在NK细胞和中性粒细胞中发挥作用，诱导产生中性粒细胞趋化因子IL-28、TNF-α以及和氧化应激有关的一氧化氮等细胞因子产生，增强Fas介导的细胞凋亡。NO细胞因子的诱导产生，导致了氧化应激的加重；氧化应激的加重又使得IL-18的数目进一步上升。有临床实验对照研究表明了IL-18在DKD中的相关性［25］。

2.4 高糖引起肾血流动力学改变导致氧化应激损伤肾功能

高血糖或脂代谢紊乱状态下，系膜毛细血管渗漏，系膜细胞基质增多，蛋白蓄积，使得肾脏入球小动脉及出球小动脉血管壁增厚，塑性降低，使得肾脏产生高滤过、高灌注、血管高压的状态，从而引起肾小球血流动力学的改变［26］。Peng等［27］研究发现，高血糖条件下大鼠模型中的血管紧张素Ⅱ增加，从而激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统，并通过产生大量的ROS和血浆内皮素，使得基膜的脂质发生过氧化及发生蛋白质沉积。关键机理是肾内血管阻力下降，且出球小动脉阻力下降的幅度低于入球小动脉的下降幅度，以致于单个肾单位血流量增多［28］。芝敏［29］通过对动物实验模型注射螺内酯验证了肾血流动力学改变对氧化衰老损伤的干预。

3 抗氧化在治疗糖尿病肾病中的应用

虽然DKD发病机制众多，但氧化应激在其中却有着不可替代的作用。近年来，抗氧化剂如维生素C（vitamin C，Vc）、维生素E（vitamin E，Ve）、血管紧张素转化酶抑制剂（angiotensin-converting enzyme inhibitor，ACEI）、醛固酮受体拮抗剂、硫辛酸等的研究与应用对缓解治疗糖尿病肾病发展皆有一定的帮助，对以后更好治疗DKD提供了帮助。

3.1 Vc与Ve

Vc又称抗坏血酸，它和Ve是人们目前所应用最广泛且最重要的两大抗氧化剂。Abiko T等将Vc和Ve对处于糖尿病肾病的大鼠动物实验模型进行治疗时，发现可导致一些重要诊断指标，如NF-κB下降，甚至恢复正常［30］。此外，还有报道指出二者的独自或联合用药还可改善糖尿病并发症的早期改变，如血浆、尿及循环细胞中的氧化应激标志物［31］。

3.2 ACEI和醛固酮受体拮抗剂

由于高糖环境的作用，引起机体肾血流动力学的改变，使得肾素-血管紧张素-醛固酮系统得以激活，血管紧张素和醛固酮大量产生，造成机体进入氧化应激状态。ACEI和醛固酮受体拮抗剂可以通过有效抑制系统激活酶的活性从而降低氧化应激的发生。大量研究表明，二者在预防DKD的发生方面有奇效［32］。此外，刘小娟等［33］实验指出醛固酮受体拮抗剂也可通过抑制ROS的产生来减少足细胞的损伤，从而达到治疗糖尿病肾病的目的。

3.3 硫辛酸

硫辛酸是产自于线粒体内的天然强效抗氧化剂，其能通过参与多种代谢途径来清除体内过多的ROS，且能还原其他抗氧化剂来保护机体免受氧化应激的伤害［34］。硫辛酸还有万能抗氧剂之称，其原因在于它的氧化形式以及还原形式均能改善DKD的症状［35］。硫辛酸还可通过增强细胞运输功能来减少胞质内葡萄糖的堆积，进而避免造成氧化应激状态。张继刚等［36］通过临床药物研究证实了硫辛酸对2型糖尿病早期肾病具有良好的治疗效果。除了直接抗氧化外，硫辛酸还可通过降低炎症分子水平，间接地对抗氧化应激的失调［37］。

3.4 其他抗氧剂

其他抗氧剂，如钙离子拮抗剂、PKC抑制剂、噻唑烷二酮类药物，均可降低氧化应激对机体的损害［38］。近年来，中药制剂迅速发展，人们发现许多中药提取物也有很好的抗氧化效果，如银杏叶提取物、蘑菇提取物、黄芪等。通过对银杏叶的提取，并与Vc进行抗氧化活性对照，发现其有良好的抗氧化活性［39］。此外，通过对大鼠进行实验研究发现，中药复方制剂糖肾方对DKD有很好的治疗效果［40］。

氧化应激在糖尿病患者体内的产生是多样的，它通过多种途径直接或间接作用于肾脏，因此抗氧化治疗不失为一种治疗DKD的重要手段。随着对DKD的不断研究，多种抗氧化药物已在动物实验或临床研究方向取得重大成果。虽然目前有多种治疗糖尿病肾病的方法，但仍有很大的复发风险。传统的治疗只是在表观层次进行治疗，经过广大研究者的努力，治疗研究有了很大的进展，出现了一批以靶向药物为代表的新型的治疗糖尿病肾病的方法。目前靶向治疗糖尿病肾病的主要研究方向为靶向减少氧化应激的产生途径和靶向对抗肾损伤，包括干预氧化应激通路靶向治疗糖尿病肾病、靶向干预治疗足细胞等等。期待未来会有更多、更安全、更有效的新型的治疗糖尿病肾病的药物和治疗方法出现。