糖尿病腎病與氧化應激機制的關系

李璐

(上海市楊浦區長海社區衛生服務中心，上海 200433)

1 糖尿病腎病簡述

糖尿病(DM)是一種以空腹血糖(FPG)≥126mg/dL為特征的慢性代謝性疾病。長期有DM病史可引起嚴重的微血管和大血管并發癥，糖尿病腎病(DN)是其微血管病變之一，其腎損傷包括腎小球、小管、血管和間質，最終導致終末期腎病(ESRD)。研究發現1型和2型糖尿病發展成為終末腎衰竭的比例相差無幾[1]。

DN以腎臟血流動力學、病理結構和功能改變為特征。血流動力學改變為高灌注和高濾過。兩者均可引起腎血漿流量增加和腎小球毛細血管壓力增加[2,3]。形態改變以腎小球基底膜增厚、細胞外基質沉積、系膜細胞擴張、足細胞功能障礙為特征，導致腎小球硬化、腎小球肥大及纖維化。功能改變為腎小球過濾率降低，表現為白蛋白尿(AER≥30mg/d, or ACR≥30mg/g)，蛋白尿>500 mg/d和/或腎小球濾過率降低(GFR≤60mL/min/1.72m2)[4]。這一系列的改變導致腎小球硬化，最終成為終末期腎損傷。由于傳統醫學并無DN，但根據DN的臨床表現可將其歸于“虛勞”“水腫”等范疇。

糖尿病患者從正常白蛋白尿(AER<30 mg/d or ACR<30 mg/g) 到微量白蛋白尿(AER: 30~300 mg/d or ACR: 30~300 mg/g)是疾病發展的開始。隨著腎小球濾過屏障(GBF)進一步受損，其通透性進一步增加并發展為大量蛋白尿(AER>300 mg/d or ACR>300 mg/g)，這是腎功能受損的標志，也表明GFR開始下降[5]。因此，臨床上表現為蛋白尿持續升高，GFR持續降低。當前一般將DN分為5型，見表1。但值得注意的是，本表可能更適合診斷1型糖尿病，因為2型糖尿病的發病往往發生在一些相關疾病之后。2型糖尿病一經診斷，即提示患者出現大量蛋白尿，腎功能受損。

表1 糖尿病腎病的階段

2 氧化應激

氧化應激的定義為自由基引起的潛在生物損傷。自由基的有益和有害作用之間的微妙平衡通過一種叫做氧化還原調節的機制來實現，這是生物體中一個非常重要的方面。在某些病理情況下，氧化劑與抗氧化劑之間的平衡被打破，如抗氧化反應不足，抗氧化劑活性降低，氧化劑過度表達，導致過度氧化應激(OS)。生理下，活性氧(ROS)不斷產生，被細胞內外的抗氧化系統清除。病理情況下，ROS的產生與抗氧化防御之間的平衡失調，導致疾病的發生[6]。

ROS是一個分子家族，包括分子氧及其衍生物，其中主要有超氧陰離子(O2·-)、羥基自由基(·OH)、過氧化氫(H2O2)、過氧亞硝酸鹽(ONOO—)、次氯酸(HClO)、一氧化氮(NO)和脂類自由基。D, Z.等發現[7]持續的高血糖導致OS，促進過量ROS的產生，以及各種生物分子(脂類、蛋白質、DNA等)的氧化。也就是說，當ROS的產生超過抗氧化劑的防御能力時，就會引起OS，進而產生相關疾病。DM時腎臟存在明顯的氧化應激，腎臟氧化應激是DN重要的發病機制之一，因此抑制腎臟的氧化應激將有利于延緩DN的發生發展。高血糖引起DM并發癥的四個主要分子機制為多元醇通路、晚期糖基化終末產物(AGEs)、蛋白激酶C(PKC)通路、己醣胺通路[8]。

2.1 四條經典通路

多元醇途徑中，醛糖還原酶將葡萄糖還原為有毒的山梨醇，山梨醇隨后被氧化為果糖。過度活躍的多元醇通路將葡萄糖還原為山梨醇，這期間醛糖還原酶消耗GSH的重要輔助因子NADPH[9]。因此，一方而導致細胞內山梨醇及果糖濃度增高，引起細胞水腫和損傷；另一方面降低NADPH/NADP+比值，進而導致GSSG/GSH比值下降，從而導致O2·-的產生[10]。

晚期糖基化終產物(AGEs)是由肽和蛋白質上的葡萄糖和游離氨基之間的非酶促反應形成的[11]。AGEs促進3-P-甘油轉化為乙二醛、甲基乙二醛和3-脫氧葡萄糖，引起氧化損傷。此外，AGEs與存在于腎小球系膜細胞、內皮細胞等細胞表面的晚期糖基化終產物受體結合，使細胞內產生大量的ROS，這一反應主要發生在腎小球系膜細胞中[12]。

蛋白激酶C (PKC)活化:細胞內高血糖增加二酰基甘油的合成，進而活化PKC。隨后，細胞NADPH氧化酶被激活，進一步誘導ROS合成和脂質過氧化。反過來，ROS激活PKC，進一步增加PKC的活性[13]。Bhatt, M.等的實驗表明，PKC抑制劑在內皮細胞高糖反應中阻斷細胞內ROS的生成[14]。

己糖胺通路中，糖酵解過程中轉移的一些葡萄糖被轉化為N-乙酰氨基葡萄糖，這些N-乙酰氨基葡萄糖被放在絲氨酸和蘇氨酸殘基上進行翻譯后修飾。該通路導致基因表達發生病理改變。代謝組學數據顯示，在高糖條件下，過度激活的己糖胺途徑顯著增強了不平衡的氧化還原穩態和腎小球和小管損傷[15]。

然而，對這四種機制的臨床研究發現，它們各自的抑制劑對DN的治療效果較差[3,16-21]。因此，有文獻中提出線粒體電子傳遞鏈(mETC)損傷而后產生過量的超氧化物，可能是以上四種通路的單一上游誘導過程。M，B等[22]將正常內皮細胞的線粒體DNA去除，使其缺乏mETC的功能，導致高糖環境無法激活上述四種機制。G, A.-K.等[23]發現在高糖誘導的ROS條件下線粒體RNA編碼等顯著增加，這可能是線粒體損傷條件下的代償性增加。因此，ETC損傷可能是ROS產生的重要機制。

3 DN中ETC是氧化應激產生ROS的主要來源

研究表明mETC產生的ROS占總量的45%。因此線粒體可能是ROS的主要來源[24]。mETC位于線粒體內膜，由四種復合物酶和兩種可移動的電子載體組成。ETC復合物分別為：復合物Ⅰ(NADH:泛醌氧化還原酶)、復合物Ⅱ(琥珀酸:泛醌氧化還原酶)、復合物Ⅲ(泛醌：細胞色素c氧化還原酶)和復合物Ⅳ(細胞色素c氧化酶)。電子載體包括泛醌(也稱為輔酶Q10)和細胞色素C[25]。

在DN中，mETC是ROS的主要來源，被認為是引起腎臟損傷的主要原因[26]。ETC中的ROS以超氧化物和過氧化氫的形式存在，主要來自ETC復合物Ⅰ和復合物Ⅲ[7]。首先，在ETC中，不穩定的質子梯度和線粒體膜電位的過早崩潰產生了ROS[27]。由于不穩定的質子梯度促使電子到輔酶Q和分子氧，因此超氧化物產量顯著增加[15,28]。研究發現，細胞內高血糖會使線粒體膜上的電壓升高產生ROS。當mETC被移除時，高血糖對ROS產生的影響完全消失并且也無法激活上述四條通路。由于缺乏編碼mETC基因的表達，不穩定的質子梯度，進一步會增加ROS的水平[29]。然后由于上述原因造成的電子泄漏。電子在損傷的ETC中逐漸轉移，在此過程中電子有機會離開常規路徑，這個過程稱為電子泄漏[30]。電子泄漏的兩個主要位置是復合物Ⅰ和輔酶Q與復合物Ⅲ之間的界面[31]。漏出的電子會與附近的分子碰撞或與氧反應產生自由基，導致線粒體中ROS的產生[32]。其次，編碼ETC蛋白的線粒體DNA周圍沒有組蛋白包繞，因此，缺乏損傷后的修復能力[33]。故而，氧化應激發生后ROS攻擊線粒體DNA使mETC中斷，最終使細胞內產生更多的ROS。

4 中藥有效成分緩解mETC的氧化損傷延緩糖尿病腎病進展

我科在治療糖尿病腎病的用藥基本原則為補腎活血，祛風通絡，絳濁化濕。查閱相關文獻發現治療DN常用之中藥的現代藥理學研究大多為阻斷氧化應激單一上游機制mETC損傷以緩解蛋白尿。以下我們將以現代藥理學為基礎，研究探討中藥對mETC復合物的抑制而緩解DN的腎臟損傷。

mETC復合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ的活性較低，在高葡萄糖條件下產生更多的ROS[34]。由于過量的線粒體ROS的產生，db/db小鼠表現出ETC功能障礙。雞血藤根中含有的魚藤酮(ETC復合物Ⅰ抑制劑)可緩解糖尿病腎病的發展并且緩解高糖環境下的足細胞損傷[35]。復合物Ⅱ作為DM條件下促成ROS形成的電子來源[13]，進而產生了更多的O2·-[36]。姜黃素緩解DN有顯著療效，其類似物二苯甲酰甲烷(復合物II抑制劑)可緩解系膜細胞氧化并預防糖尿病引起的腎損傷[37]。羅布麻可阻止高糖培養下的腎近端小管細胞的氧化損傷緩解因ROS形成引起的腎功能障礙和細胞凋亡[38]。研究表明羅布麻素可提高復合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的活性當腎細胞受到來自ROS攻擊時[39]。川芎的有效成分四甲基吡嗪(TMP)作為一種抗氧化物，其作用反映在上調復合體Ⅲ的活性和改善線粒體膜電位，并使得內皮細胞免受高糖誘導的氧化應激損傷[40]。紅花黃素B是紅花的有效提取物，研究表明其對血管內皮細胞具有保護作用當細胞受到ROS攻擊時，并提高復合物Ⅳ的活性[41]。茶葉提取物兒茶素可顯著降低線粒體氧化應激、提高線粒體電子ETC活性，改善因順鉑引腎功能損害[42]。同時兒茶素在DN小鼠模型中也改善了其氧化應激并減弱炎癥因子對腎臟的攻擊[43]。也有人認為，線粒體分裂可能影響ETC和ATP合酶的結構和空間組織，從而改變電子傳輸和偶聯，導致高糖條件下線粒體超極化和ROS增加[44]。此外，高糖狀態引起的氧化應激產生的ROS首先攻擊線粒體DNA，破壞線粒體ETC，最終導致腎細胞損傷[45]。

綜上所述，高糖誘導的ETC損傷可能是ROS產生的重要機制。由于電子泄漏、不穩定的質子梯度和ETC中斷等一系列反應，產生大量ROS導致DN腎功能下降。我們通過查閱文獻，發現某些中藥的有效成分可抑制氧化應激的單一上游機制ETC 從而阻斷其下游的氧化應激通路，以延緩DN的進展。這可能將作為新的DN治療靶點而受到關注，故我們作此綜述。