NADPH 氧化酶在糖尿病心血管并發癥中的研究進展

成扶雨 余琪琪 袁偉

江蘇大學附屬醫院國家級重點專科心血管內科（江蘇鎮江212000）

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一種全身慢性代謝性疾病，常常會并發腎病、心血管病、神經系統等各種慢性病變。在過去的30年中，全球DM 患者數量增加了1 倍［1-2］，預計到2030年，全球的DM 患者將超過5.52 億。而DM 心血管并發癥是DM 患者最重要的并發癥和致死原因之一，DM性心血管疾病的致死率遠遠大于非糖尿病心血管疾病。還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶是機體產生活性氧的主要酶類，其活性的變化在DM 心血管并發癥的發生發展起著重要作用。

1 NADPH 氧化酶概述

NADPH 氧化酶（NADPH-oxidase，NOX）是由7個亞基NOX1，NOX2，NOX3，NOX4，NOX5，以及Duox1 和Duox2 組成［3］。NOX1 在結腸上皮中表達最高［4］，同時在血管平滑肌細胞、內皮細胞、子宮、胎盤等一些細胞組織中有表達。NOX2 作為分布最為廣泛的NOX 家族，最初出現在中性粒細胞和巨噬細胞中，其主要分布于胸腺、小腸、結腸、脾臟、胰腺、卵巢、胎盤、前列腺和睪丸等組織中［5］。NOX3 的結構與NOX1、NOX2 極為相似，廣泛存在于內耳，包括耳蝸、前庭感覺上皮與呼吸神經節中［6］。NOX4 主要功能是紅細胞生成素合成的調節和氧感受器，主要在腎臟、破骨細胞、內皮細胞、平滑肌細胞和造血干細胞中存在。NOX5 主要表達于睪丸、脾臟、淋巴結等組織中，其產生活性氧（reactive oxygen species，ROS）的途徑與鈣離子相關。Duox1 和Duox2 主要功能是合成甲狀腺激素。

2 NADPH 氧化酶對糖尿病心血管并發癥的影響

2.1 糖尿病心肌病糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）是指糖尿病患者發生的特異性心肌結構與功能的異常，且不并存冠狀動脈疾病或高血壓等心血管疾病，其特點是心肌擴張、肥厚，左心室舒張和收縮功能降低，最終發展為心力衰竭［7］。DCM 的主要特征是亞臨床期的細胞結構異常，最初導致舒張功能障礙，隨后影響心臟收縮功能，最終導致心力衰竭。ROS 與心力衰竭發展的全階段均有關，從心肌肥厚到纖維化、收縮功能障礙到心力衰竭。其具體機制為高血糖易導致線粒體電子傳遞鏈過氧化物產生過量，引起氧化應激，使線粒體功能紊亂，繼而影響心肌細胞的代謝，誘導心肌細胞功能障礙，最終凋亡甚至產生心肌肥厚與纖維化。因此，DCM 的發生發展與ROS的作用密不可分。

2.2 糖尿病血管病DM 的血管并發癥通常分為大血管并發癥和微血管并發癥。視網膜病變、神經病變和腎病等產生的微血管并發癥是糖尿病患者的一大發病和病死原因，但NADPH 氧化酶產生的ROS 主要介導的是一些如動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）的大血管病變。AS 是冠心病、腦梗死、外周血管病等一系列缺血性疾病的主要病因。DM 患者體內血管內皮功能紊亂是一大代謝紊亂現象，從而易導致血管內皮缺血缺氧，內皮依賴性血管舒張功能降低，進而引發進一步的ROS生成事件和正反饋機制的連鎖反應。此時ROS 與NO 平衡失調，NADPH 源性ROS 產生增多。ROS此時可作為第二信使，通過JNK/C-jun 途徑、上調Fas 表達、誘導MMP-2、MMP-9 生成等，影響動脈粥樣硬化形成［8］。同時，ROS 可能有助于促進血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）增殖，這是導致血管成形術后動脈粥樣硬化和再狹窄的一大特征。DM 患者VSMCs 在動脈粥樣硬化病變中的增殖和遷移增加，這主要是NOX 介導的ROS 生成可通過NF-κB 促進高血糖的促增殖作用［9］。綜上，有充分的證據顯示ROS 作為DM 動脈粥樣硬化加速介質，起到關鍵作用。

3 NADPH 氧化酶誘發糖尿病心血管并發癥的機制

DM 患者體內糖、脂代謝異常，抗ROS 的能力也減弱，導致機體葡萄糖自身氧化，增加了體內氧自由基水平，使血管內皮產生氧化應激，導致內皮功能紊亂，誘導糖尿病心血管并發癥的產生。

3.1 激活糖基化終產物通路糖基化終產物（advanced glucation endproducts，AGEs）是長期高血糖與多種蛋白質發生非酶性糖基化反應，形成的具有毒性的化合物，AGEs 的產生被認為是DM 最主要的致病物質之一，可引發多種細胞因子的產生，引起血管功能紊亂，血管舒縮功能損傷。而NADPH 氧化酶可通過AGEs 誘導ROS 的產生。其機制可能為［10-11］機體的長期高糖環境使蛋白質通過一系列反應生成AGEs，AGEs 可改變細胞外基質及循環中的脂蛋白，同時與其受體RAGE 結合。活化后的AGEs-RAGE 復合物能通過PKC-依賴途徑激活NADPH 氧化酶，使細胞內ROS 增加，繼而引發DM 患者冠狀動脈粥樣硬化的進展。

同時有研究表明［12］，NADPH 氧化酶誘導過度產生的ROS 可反向增加AGEs 的受體RAGE 的表達，活化蛋白-1（包括S100、S100A8、S100A12 等因子）的表達，促進RAGE 與其配體AGEs 的產生，從而形成一個正反饋作用。可見NADPH 氧化酶作為AGEs 通路的關鍵因子，能雙向介導ROS 的產生，由此反饋性放大對組織的損傷作用。

3.2 參與多元醇途徑DM 患者體內由于處于長期高血糖狀態，激活葡萄糖的旁路代謝——多元醇途徑，這一過程依賴大量的NADPH 實現。在多元醇途徑中，關鍵限速酶為醛糖還原酶（aldose reductase，AR），當細胞內葡萄糖濃度過高時，AR 被活化，NADPH 作為輔助因子與過量的葡萄糖在AR 催化下生成山梨醇，后者再經山梨醇脫氫酶（sorbitol dehydrogenase，SDH）氧化后生成果糖，使細胞內失去穩態平衡。因此當這種旁路代謝狀態打開，NADPH 氧化酶在多元醇途徑中被大量消耗，導致細胞滲透壓過高，阻礙信號傳導，最終引起組織水腫、細胞壞死等一系列失衡現象。更為嚴重的是，機體的抗氧化途徑——氧化性谷胱甘肽（GSSG）還原為還原性谷胱甘肽（GSH），也需要NADPH 作為關鍵輔酶。有研究發現［13］，在參與了多元醇途徑后，NADPH 氧化酶對細胞內抗氧化劑GSH 的生成供應減少，直接引發谷胱甘肽的再合成減少，削弱了細胞的自由基清除功能，增加細胞內氧化應激的易感性。

3.3 經蛋白激酶C 活化損傷內皮大量實驗表明，細胞內高血糖可啟動蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）的激活調控，包括PK-β，-δ［14］，-α 的合成。當PKC 被胞內高血糖活化后，其會對多種細胞因子的表達產生影響，其中非常重要的就是對氧化應激的誘導。NADPH 氧化酶在激動劑PKC 的作用下產生增多，積累ROS，從而抑制內皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）的磷酸化，影響內皮素-1 的生成［15］。eNOS是生成一氧化氮（NO）的關鍵酶，當eNOS 生成減少，NO 相應減少，影響血管內皮細胞的舒張功能。這種對血管內皮細胞的損傷作用是機體長期高血糖狀態下導致的，據此使機體易產生冠狀動脈粥樣硬化、心肌梗死等缺血再灌注損傷。不僅如此，氧化應激狀態會消耗血管保護劑NO，使其產生亞硝基反應，生成通過PKC 途徑影響內皮通透性的ONOO-，造成胞外機制增生內皮功能紊亂的嚴重后果。

有研究證實［16］，糖尿病腎病狀態下，高濃度游離脂肪酸能夠通過PKC 依賴的NADPH 氧化酶的激活刺激ROS 的生成，且這一過程可能通過AMPK/ACC 途徑實現。

3.4 通過己糖胺途徑加重損害DM 患者機體內環境呈現高血糖狀態，增加了血管內皮細胞己糖胺途徑（HBP）的信號通量，NADPH 氧化酶借助己糖胺通道的開放被活化，加重對血管內皮的傷害。其過程主要為葡萄糖經過一系列的相關酶催化反應，最終轉化為二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖（UDP-GlcNAc）。UDP-GlcNAc 轉移到轉錄因子的絲氨酸與蘇氨酸殘基上時，上調相關細胞因子（如TNF-α、TNF-β1 等）的表達。NADPH 氧化酶因UDP-GlcNAc 的糖基化修飾被激活，激活NADPH氧化酶且累積氧自由基，產生大量ROS，引起一系列細胞毒性反應［17］。而其對血管內皮細胞的影響，有研究顯示［18-19］，在2 型DM 患者的頸動脈斑塊中，己糖胺途徑通過誘發NADPH 氧化酶的產生，對血管內皮細胞的蛋白翻譯后修飾是顯著增強的。

3.5 抑制一氧化氮生成NO 在DM 大血管病變和微血管病變下均起著非常重要的作用，它控制著動脈血管內皮的舒張，是一種內皮源性血管舒張因子。L-精氨酸的產物是NO，它通過一氧化氮合酶（eNOS）的催化生成L-瓜氨酸并釋放NO。高糖誘導血管保護型NO 生物利用度與ROS 積累失衡，是導致內皮功能障礙的早期機制。當機體收到外界因素傷害產生氧化應激損傷時，氧自由基增多，NADPH 氧化酶產生激增，ROS 隨之合成增加，eNOS 因此解耦聯，NO 合成被相應抑制，導致內皮細胞功能損傷。同時解耦聯的eNOS 可導致進一步的超氧化物生成，形成一個惡性循環，促進NO 的耗竭。有研究顯示［20］，當DM 患者機體產生胰島素抵抗時，這種現象在動脈粥樣硬化的內皮細胞上尤為常見，其可以降低胰島素敏感性，從而抑制eNOS 的活性，減少NO 釋放，反向增加NADPH 誘導的ROS 積聚。同時，即使是低脂肪小鼠，當其全身血管內皮存在特定的胰島素抵抗時，血管內皮細胞NADPH 氧化酶產生增多，出現強烈的氧化應激現象，相反地，NO 的釋放與生物利用度大大降低，因此血管內皮功能也發生紊亂［21］。

4 抗氧化治療

4.1 他汀類藥物他汀類藥物作為目前臨床常用的調脂藥，是治療DM 性高脂血癥的首選藥物之一。新進研究表明［22］，他汀類藥物除有降低血漿膽固醇作用外，還具有保護血管、防止血管并發癥、抗氧化等作用。在不影響血脂水平前提下［23］，辛伐他汀可有效降低血漿中的過氧化物水平，從而改善內皮功能。他汀類藥物發揮抗氧化作用與血管緊張素的活性相關，其可有效下調血管平滑肌細胞中Rac1 介導的NADPH 氧化酶活化，抑制血管緊張素Ⅱ介導的活性氧生成［24］。

4.2 噻唑烷二酮類降糖藥噻唑烷二酮類降糖藥是一類胰島素增敏劑，主要包括羅格列酮、曲格列酮、匹格列酮、羅西格列酮等。其通過增加肌肉、肝臟、脂肪等靶器官的胰島素敏感性從而增強胰島素功能，達到降低血糖作用。目前有人認為［25］，噻唑烷二酮類降糖藥可有效降低氧化應激減輕血管炎癥反應。它不可直接清除自由基，而是通過阻斷高糖狀態誘導的氧化應激實現抗氧化作用。研究發現［26］，匹格列酮可通過調節多種細胞因子表達，如降低多聚單核白細胞p47phox 水平、降低PKC、減少細胞粘附因子Ⅰ等降低NADPH 氧化酶的產生，通過抑制丙二醛活性升高GSH 水平，從而有效起到抗氧化作用。

4.3 血管緊張素轉化酶抑制劑血管緊張素轉化酶抑制劑（angiotensin converting enzyme inhibitors，ACEI）是目前常用的抗高血壓藥之一，可高效抑制血管緊張素Ⅱ（angiotensinⅡ，AngⅡ）對血管產生的收縮作用與腎上腺皮質類醛固酮釋放的激活作用。AngⅡ對氧化應激具有重要意義，NADPH 易被AngⅡ活化的NADPH 氧化酶氧化為NADP+，使得活性氧原料增多，促進ROS 生成。而ACEI 直接抑制AngⅡ的產生，源頭上阻斷ROS 生成。同時，SOD 作為機體內在生成的活性抗氧化酶，可有效清除體內過量超氧陰離子，防止細胞產生自由基反應，以達到對細胞膜過氧化的保護作用。ACEI本身可激活超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）的活性，不斷清除過量超氧陰離子，以糾正氧化應激導致的陰離子過量現象［27］。過往有研究顯示［28-30］，ACEI 代表藥依那普利可有效減少過氧化物產生，預防糖尿病性心腎并發癥。

5 前景與展望

NADPH 氧化酶可通過AGEs、多元醇通路、PKC 的活化、己糖胺途徑以及NO 的抑制等多種方式導致DM 心血管并發癥的發生發展，繼而影響糖尿病患者預后。越來越多的臨床和實驗研究支持抑制NADPH 氧化酶活性的藥物有助于糖尿病心血管并發癥的防治，這可能為它的治療提供新的希望。但目前公認的抗氧化劑如維生素C、維生素E 等僅可清除線粒體外過多的氧自由基，對于氧化應激的療效欠佳，有待進一步探索。而如果藥物可阻斷線粒體過量的O2-生成，減少細胞內NADPH 氧化酶的活化，就可以從根源上預防糖尿病心血管并發癥的發生，并有效控制其進展。

因此除了他汀類藥物等臨床常規用藥，如今小分子抗氧化劑備受關注，例如小分子量SOD 類似物［31］，α-硫辛酸以及肉毒堿等新型藥物，可在細胞內清除O2-，減少線粒體功能損傷程度，從而達到改善DM 患者血管內皮功能的療效。而目前對NADPH 氧化酶的研究多聚集在糖尿病腎病，對糖尿病心血管并發癥的研究較少。因此積極探索尋找適宜的抗氧化藥物調節NADPH 氧化酶的活性，有望成為DM 心血管并發癥治療的一個新的切入點，成為未來研究的熱點。