氧化應激與糖尿病及其血管并發癥研究進展

史亦男　張　楠　崔　圓　金鳳表　侯瑞田

(承德醫學院附屬醫院內分泌科,河北　承德　067000)

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氧化應激與糖尿病及其血管并發癥研究進展

史亦男張楠1崔圓1金鳳表侯瑞田1

(承德醫學院附屬醫院內分泌科,河北承德067000)

氧化應激；糖尿病；血管并發癥

糖尿病(DM)是一組由于胰島素分泌缺陷及(或)其生物學作用障礙引起的以高血糖為特征的代謝性疾病。國際DM聯盟預測到2025年全球范圍內的DM患者可達3.24億，其中80%死于心血管并發癥，所以DM血管并發癥是引起DM死亡率升高的主要原因。越來越多的研究表明，氧化應激與DM及其血管并發癥的發病機制密切相關〔1〕。本文對DM及其血管并發癥與氧化應激的關系作一綜述。

1　氧化應激的概念

氧化應激是指機體內高活性分子如活性氧(ROS)和活性氮(RNS)產生過多或消除減少，從而導致機體組織損傷。ROS包括超氧陰離子(O2-)、過氧化氫(H2O2)、羥自由基(OH-)等，RNS包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、過氧亞硝酸基陰離子(ONOO-)等。在正常狀態下機體可產生少量ROS參與正常代謝，同時機體內存在清除和抑制自由基反應的體系，使得更多的自由基被清除或減少，自由基的產生和清除保持平衡；但在某些病理狀態下，ROS水平增加而抗氧化物質不足，體內自由基顯著增多，過多的自由基直接作用于機體，致機體損傷，同時機體抗氧化防御能力下降，氧化能力顯著超過抗氧化能力而發生氧化應激。因此，機體內氧化應激的產生就是源于自由基產生增多和抗氧化防御功能損害。許多物種能依賴于這些病理和生理過程啟動和調節許多酶和基因。氧化應激會導致蛋白質、核酸和脂質等大分子物質的氧化損傷。自由基可攻擊核酸導致DNA突變、損傷甚至癌變。ROS和RNS的不足會導致動態平衡受損及其相關的病理改變。因此，普遍認為很多致病機制與不平衡的氧化還原最后共同通路有關〔2〕。

2　DM與氧化應激

2.1胰島β細胞與氧化應激氧化應激是糖毒性和脂毒性對胰島β細胞損害的主要機制之一〔3〕。因此高血糖和高血脂可能在DM致病過程中對胰島β細胞產生特殊的毒性作用。人體內外實驗均表明高血糖和高血脂確實對胰島β細胞有害。游離脂肪酸(FFA)水平增加對線粒體的功能有害，可導致ROS的產生，超氧分子的形成及氧化磷酸化等，造成內源性抗氧化功能障礙。一些研究表明只有在血糖升高時，脂毒性才對β細胞有影響〔4,5〕。因此高血糖是引起血脂對胰島細胞發生影響的先決條件。隨著胰島β細胞在高糖濃度下暴露時間的增加，胰島的分泌功能逐漸遭到破壞。胰島分泌功能的破壞通常用β細胞損害程度作為評估標準。通常把胰島素mRNA、胰島素含量和釋放水平作為糖毒性對胰島β細胞損害的證據。大部分糖毒性對胰島β細胞的影響主要與氧化應激和炎癥反應有關。在動物及人體實驗中已經證實，細胞間和細胞內血糖濃度的提高將導致氧化應激〔6〕。胰島β細胞暴露在高血糖環境下可能會產生ROS，從而抑制葡萄糖誘導的胰島素分泌(GIIS)。Sakai等〔7〕也發現線粒體中的ROS抑制GIIS第一階段甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GADPH)的活性。Leloup等〔8〕發現，線粒體ROS的產生需要葡萄糖誘導的GIIS。然而氧化應激的加劇減少GIIS，氧化應激加劇3 d可使GIIS量減少40%，而且GIIS系統進一步加速ROS的產生〔9,10〕。因此氧化物質對GIIS及線粒體的損傷較為明顯不足為奇〔11〕。胰島與其他組織如肝、腎、骨骼肌、脂肪組織相比更易受氧化應激損害。而且胰島內重要抗氧化酶(如谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶等)活性較低。高濃度葡萄糖誘發胰島氧化應激，但不能誘導抗氧化酶活性的增加。

2.2胰島素信號轉導與氧化應激正常生理狀態下，胰島素信號通過胰島素或胰島素受體底物(IRS)-1、胰島素受體(IR)、磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3-K)、蛋白激酶(ERK)等信號轉導起作用。ROS產生過多干擾胰島素信號轉導通路，導致胰島素抵抗或分泌減少。高濃度的H2O2激活胰島素信號及其經典代謝通路向下傳導,因此，H2O2增加了脂肪細胞及肌肉細胞對葡萄糖的吸收，刺激易化葡萄糖轉運蛋白(GLUT)4的轉移及脂肪細胞中脂質的合成〔12〕。氧化應激促使酪氨酸磷酸酶類(PTPases)失活,這些酶在調節信號轉導包括應激信號通路中發揮重要作用。IR與IRS-1結合激活酪氨酸激酶，是胰島素信號傳導的一個關鍵步驟。正常生理狀態下，胰島素信號分子分布在細胞質和內膜池內，IR和IRS殘基被IR激酶磷酸化激活導致PI3-K聚集。從而激活小分子GTP結合蛋白(GTPase Rac)導致細胞骨架的重組最終導致葡萄糖攝取增加。IR與IRS中絲氨酸/蘇氨酸位點磷酸化水平增高，從而削弱胰島素的作用。線粒體是腫瘤壞死因子(TNF)-α誘導的細胞中ROS產生的根源之一，而且有助于TNF-α誘導的胰島素抵抗的發生。線粒體受到TNF-α刺激后ROS激活c-Jun氨基末端激酶(JNK)，從而增加絲氨酸磷酸化，降低酪氨酸磷酸化〔13〕。TNF-α可能通過影響血管內皮衍生的血管擴張劑和收縮劑之間的平衡，下調內皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表達和上調內皮素(ET)-1的產生發揮作用。TNF-α可直接刺激還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶，增加ROS在內皮細胞和血管平滑肌細胞的產生。研究發現TNF-α對血管的損傷機制與氧化應激有關〔14〕。TNF-α也被證明有降低DM小鼠尿蛋白的排泄，使24 h尿白蛋白/肌酐減少，是一個潛在治療DM腎病的靶點。

2.3氧化應激與胰島素抵抗GIIS減少和胰島素抵抗是2型DM(T2DM)的主要病理生理特征。胰島素抵抗是指正常劑量的胰島素產生低于其正常生物學效應的一種狀態，也就是指機體對胰島素反應減退，主要表現為對肌肉脂肪等敏感組織葡萄糖攝取減少及抑制肝糖原輸出作用減弱。大量實驗證明，氧化應激在胰島素抵抗中起著關鍵作用〔15～18〕，且氧化應激會加重胰島素抵抗的程度。胰島素抵抗通常在DM發病前就已經存在，其中ROS產生過多是胰島素抵抗和T2DM發生發展的重要觸點〔19〕。超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶的mRNA的減少都加速DM的發生及發展。胰島素抵抗與肝臟集聚的甘油三酯密切相關，肝臟脂質過氧化酶的含量已用作觀察DM的指標。

2.4抗氧化劑不足氧化劑產生過多和高氧化應激都可能導致機體抗氧化能力減弱。即使Savu等〔20〕研究發現沒有并發癥的T2DM患者中抗氧化劑水平增高，但是DM早期已經存在抗氧化能力的減低。最近為1型DM(T1DM)患者研究出一低水平的基礎抗氧化物(TRAP)，依據它的水平可測定第一次確診時并發癥的發展情況〔21〕。另一個公認的抗氧化劑是尿酸，它發揮了兩種不同的作用：促進超氧化物歧化酶活性和抗壞血酸作用的增強。在對T1DM合并妊娠患者的研究中發現其尿酸水平低與氧化應激有關〔22〕。動物實驗中發現氧化應激抑制谷胱甘肽的生物合成，且研究證明谷胱甘肽減少主要與氧化應激有關〔23〕。抗氧化治療可以減輕氧化應激，從而阻止或延緩DM及其并發癥的發生、發展。因此，對氧化應激增強引起組織損傷機制的更深入研究，可以推動開發更有效的抗氧化藥物和指導臨床正確使用現有藥物，從而更好地防治DM及并發癥。

3　氧化應激與DM血管并發癥

Brownlee〔24〕指出,無論DM大血管(如心血管、腦血管及下肢血管)還是微血管(如腎、神經和視網膜)并發癥,都有一個共同的發病機制——氧化應激。同年Ceriello等〔25〕提出共同土壤學說,即氧化應激是胰島素抵抗、DM和心血管疾病的共同發病基礎。能量攝入過多造成的代謝底物增加是引起DM發生的主要決定因素。Brownlee〔26〕提出了DM并發癥的共同機制學說，該學說被認為是DM并發癥研究領域內的一個突破性進展，它提出線粒體電子傳遞酶過氧化物產生過量是高血糖損傷血管的共同機制。氧化應激與DM大血管并發癥密切相關。代謝綜合征和胰島素抵抗是DM血管病變的決定因素。研究發現胰島素抵抗使脂細胞轉運到動脈內皮細胞內，使游離脂肪酸增加，后者線粒體呼吸鏈細胞氧化提供過剩的供氫體〔還原型黃素二核苷酸(FADH)和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)〕，從而使ROS O2-增加。ROS過多可造成DNA損傷，DNA損傷激活特異性DNA修復多聚酶〔二磷酸腺苷(ADP)核酸〕聚合酶(PARP)。PARP使糖酵解速度減慢、三磷酸胺苷(ATP)缺乏、NADH+耗盡；GADPH的ADP核糖多聚化，激活DM血管并發癥發生及發展的信號通路，包括多元醇通路、磷脂肌醇信號途徑(PKC)通路、晚期糖激化終末產物(AGEs)形成、已糖胺通路等。這些通路都可加速DM動脈粥樣硬化的發生和發展。ROS通過上述主要路徑激活氧化應激途徑。低密度脂蛋白(LDL)是動脈粥樣硬化的始動因素，在ROS作用下LDL成為氧化LDL(OX-LDL)刺激內皮細胞分泌炎性因子，誘導單核細胞進入動脈內膜，轉化為巨噬細胞。同時OX-LDL促進ROS的產生，促進氧化應激的發生和發展。DM患者中氧化應激和血管并發癥有兩個不同的潛在相連機制：①胰島素既能刺激促血管舒張物質的產生又能刺激血管收縮物的產生〔27〕，在健康狀態下保持一種平衡狀態，當氧化應激水平升高時平衡就被打破；②血管擴張物質對胰島素的反應降低，從而引起基底物質向外周組織轉移。研究〔28〕表明高胰島素血癥患者對舒張血管物質的敏感性下降。另一研究發現在高胰島素血癥患者中注入抗氧化劑維生素C可以改善機體對舒張血管物質的敏感性〔29〕，由此得出氧化應激在DM并發癥發病機制中發揮重要作用。另一研究證實Rho激酶通過不正常信號傳達通路致使其自身抑制物質增多，從而抑制高胰島素血癥的抗氧化應激能力〔30〕。胰升糖素樣多肽(GLP)-1刺激GIIS，改善外周組織對胰島素的敏感性，可增加血管舒張能力，但是在應用維生素C之前應用GLP-1沒有明顯的擴血管作用，實驗表明舒張作用主要與氧化應激有關〔31〕。

綜上，氧化應激在DM及其血管并發癥中起著關鍵作用。胰島β細胞功能障礙和胰島素抵抗都與氧化還原不平衡密切相關。同時氧化應激也造成血管內皮和平滑肌功能障礙。造成其功能障礙的主要機制是促氧化活性物質(NADPH氧化酶、黃嘌呤氧化酶、線粒體呼吸鏈等)和抗氧化酶(如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、血紅素加氧酶、過氧化氫酶)的不平衡，導致ROS的產生超過抗氧化防御系統的防御能力。

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〔2015-06-09修回〕

(編輯苑云杰/王一涵)

金鳳表(1965-)，女，主任醫師，主要從事糖尿病臨床相關研究。

史亦男(1988-)，女，碩士，醫師，主要從事內分泌相關疾病研究。

R587.1

A

1005-9202(2016)18-4664-03；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.18.128

1承德醫學院附屬醫院心內科