鋅在糖尿病及其慢性并發癥中的治療作用及機制研究進展

郝津津 樓大鈞

目前我國是世界上擁有糖尿病患者人數最多的國家[1]，糖尿病已經成為繼心血管疾病和腫瘤之后的第三大非傳染性疾病。隨著我國經濟水平的發展，人民生活水平提高，生活方式改變，肥胖率上升，導致我國糖尿病患病率持續升高[2]。多種研究表明，鋅可以改善糖尿病患者血糖控制、胰島素抵抗、血脂代謝和β細胞功能，并可以延緩糖尿病的進展，且鋅和不同藥物合用對多種并發癥均具有療效[3-5]?，F對近些年鋅在糖尿病及其慢性并發癥中的治療作用及機制研究進展作一綜述，以期對糖尿病及其并發癥的治療提供新的研究視角。

1 鋅與糖尿病關系概述

鋅是所有生物體生長發育所必需的微量元素[6]，具有重要的催化、調節作用。鋅作為輔助因子和結構成分存在于人體10%的蛋白質中，具有抗氧化、抗炎和抗凋亡的作用[4]。人體總鋅含量約為2 g，是人類和許多其他生物中僅次于鐵的第二豐富過渡金屬和僅次于鈣的第二豐富二價陽離子，其中血漿中鋅含量僅為0.1%，其余則分布在細胞質和細胞器中[7]。細胞內鋅分布不均勻，細胞核、細胞質和細胞膜中鋅含量分別為30%～40%、50%和10%[7]。鋅不儲存在體內，因此需要每天攝入鋅以維持基本水平并支持其所有功能[8]。鋅是一種重要的信號分子，細胞內的鋅穩態由鋅轉運體（ZnT和Zip家族）和金屬硫蛋白（metalllothionein，MT）緊密控制，而ZnT和Zip則發揮相反的功能。MT是具有抗氧化特性的鋅結合蛋白，可以保護細胞和組織免受氧化應激。不同器官中MT過度表達可降低高血糖誘導的氧化應激、緩解器官特異性糖尿病并發癥和抑制糖尿病小鼠DNA損傷[9]。鋅含量最高的部位是胰島，鋅在細胞顆粒中的積累是由ZnT8調控的，ZnT8是在胰腺組織中表達最高的鋅轉運體，是SLC30A8基因的產物，負責將鋅從細胞質轉運到到胰島素分泌顆粒[4]。SLC30A8基因多態性與2型糖尿病的易感性有關[10]。有研究發現，ZnT8缺失小鼠的胰島β細胞功能受損，胰島素分泌減少，循環胰島素水平低下，糖耐量受損[11]。

鋅穩態的異常與許多慢性疾病有關，如癌癥、糖尿病和肥胖[12-13]。糖尿病、胰島素和鋅有復雜的相關性。糖尿病會影響鋅的體內平衡，已有研究證實，糖尿病患者全血中鋅含量明顯較低[14]。胰島素六聚體的穩定和結晶依賴于兩個鋅離子的結合[10]，鋅參與了胰島素合成、結晶、儲存、分泌和信號轉導[15]。目前已證明，鋅可以通過調節 PTP1B、PTEN、TRB3、GSK-3β 等關鍵信號分子的磷酸化來激活胰島素信號傳導通路[3，16]。鋅通過下調Akt通路的負調控因子，激活胰島素信號級聯，直接促進Akt磷酸化、葡萄糖轉運蛋白4（GLUT4）易位和糖原合成酶激酶（GSK-3β）磷酸化，最終提高胰島素敏感性，導致細胞葡萄糖攝取增強，促進糖代謝，發揮抗糖尿病作用[5-6]。而缺鋅通過抑制Akt介導的葡萄糖代謝通路，激活應激通路，加重胰島素抵抗，導致胰島素敏感性喪失[4]。鋅調節Akt信號通路的機制以及抗糖尿病作用被認為是一個潛在的靶點，為糖尿病的治療開辟了新的思路[12]。已有研究證實，糖尿病患者體內鋅的排泄顯著增加，而口服鋅補充劑有望在這種情況下為糖尿病患者提供充分的益處和保護作用，2型糖尿病患者補充鋅后在提高血清鋅水平、改善血糖控制和抗氧化能力方面產生了有益效果，降低了糖化血紅蛋白濃度，提高了超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）表達水平[17]。

2 鋅抗糖尿病并發癥的藥理作用

2.1 鋅與糖尿病周圍神經病變（diabetic neuropathy,DPN） DPN是糖尿病最常見的慢性并發癥，影響大約30%～50%糖尿病患者,可累及包括感覺和運動神經元在內的所有周圍神經和自主神經系統[18]，主要臨床表現為雙側肢體麻木、疼痛、感覺異常等[19]。發病機制包括氧化應激、多元醇途徑激活增加、晚期糖基化終末產物形成、神經缺血缺氧、蛋白激酶C的激活和神經生長因子的減少[20]，其中氧化應激是DPN發生的關鍵因素[21]。增強的氧化應激會導致脂質過氧化，蛋白質修飾和DNA氧化。有研究發現，DPN患者血清中鎂、鈣、鋅和鉻顯著降低，而尿液中鎂、鈣、鋅和鉻顯著升高[22]，由此可推斷這些微量元素對DPN發展有一定作用。聯合應用微量營養素鎂、鋅、維生素E、維生素C等可能通過抑制氧化應激改善DPN癥狀。

有研究評估120例DPN患者與健康對照者的血鋅水平，探討血清鋅水平與DPN嚴重程度的潛在關系，結果發現，缺鋅與DPN的嚴重程度及血糖控制顯著相關[18]。而吳彥紅等[23]采用硫酸鋅治療DPN患者，發現其各項癥狀可有效改善，患者痛苦得到緩解,治療效果提高。鋅的補充增強了鏈脲佐菌素（STZ）誘導的糖尿病大鼠周圍神經組織MT1 mRNA轉錄水平的升高，但減弱了PARP-1mRNA轉錄水平的升高，PARP-1是一種對神經元在應激條件下存活至關重要的核酶[24]。該研究證明鋅可能通過刺激MT合成和下調氧化應激對糖尿病誘導的周圍神經損傷產生保護作用[24]，進而改善神經病變的嚴重程度，提高神經傳導速度。

2.2 鋅與糖尿病心肌?。╠iabetic cardiomyopathy,DCM）DCM的發生是由于糖尿病相關的血糖和脂肪代謝失調，導致氧化應激增加和多種炎癥通路的激活，介導細胞損傷，病理性心臟重塑，心肌纖維化，舒張和收縮功能障礙。橫斷面研究發現，血清鋅水平低與2型糖尿病性心血管病患病率高、糖尿病持續時間長、血糖控制不佳和β細胞功能惡化有關[25]。有研究對2型糖尿病db/db小鼠進行了為期6個月的正常飲食評估，其中包含3種鋅水平(缺鋅、充足鋅和補充鋅)，以探索鋅在DCM發展和進展中的作用，結果表明缺鋅導致糖尿病心肌病變，如心功能不全、心肌纖維化和心肌肥厚加重，其中可能的機制與缺鋅糖尿病小鼠核因子E2相關因子2（Nrf2）及其下游效應因子（NQO-1）和過氧化氫酶（CAT）進一步下調有關[26]。補鋅能降低糖尿病小鼠心肌細胞TGF-β、CTGF水平，亦降低心肌細胞p-p38、p38、TNF-α、IL-1β、CARD9 和 BCL10 等炎癥因子水平，以減弱高糖誘導的心肌細胞凋亡，起到抗心肌纖維化、氧化應激和炎癥反應的作用，導致糖尿病小鼠隨機血糖水平、糖化血紅蛋白等血糖指標下降，射血分數等心臟指標顯著改善，表明鋅在治療糖尿病心肌病方面有很大的潛力。

鋅還能通過激活內皮細胞中的Nrf2，誘導糖尿病小鼠心臟中Nrf2的表達來調節谷胱甘肽的合成[26]，進而抑制炎癥條件下的氧化應激和內皮細胞凋亡發揮抗動脈粥樣硬化作用。此外，補鋅治療通過調控AMPK/Drp1通路，增加心肌AMPK蛋白Thr172位點磷酸化水平，減少了Drp1蛋白Ser616位點磷酸化水平，抑制糖尿病心肌損傷的氧化應激及心肌細胞線粒體分裂而達到治療目的[27]。

在1型糖尿病小鼠中，蘿卜硫素（SFN）和鋅被證明可以預防糖尿病心肌病，且兩者聯合治療對糖尿病心肌病的改善效果優于單一治療[28]。在納米氧化鋅與硫酸鋅對STZ誘導的糖尿病大鼠心臟保護作用的比較研究發現，中劑量的納米氧化鋅可顯著降低血清TC、HDL、動脈粥樣硬化指數、TNF-α、B型利鈉肽和caspase-3活性，具有心臟保護作用，而高劑量的氧化鋅被發現可能是有毒的[29]。

2.3 鋅與糖尿病腎病（diabetic nephropathy,DN） DN是糖尿病患者死亡的主要原因之一[30]，我國的發病率呈上升趨勢，目前已成為終末期腎病的第二大原因。腎小管萎縮和功能障礙其是進展的主要原因[31]。腎小管間質纖維化是慢性腎臟疾病進展的關鍵病理基礎，導致正常腎功能喪失，最終導致腎功能衰竭。在部分患者中，腎小管間質纖維化在DN早期出現，但在疾病后期更為突出，并與腎功能下降密切相關[32]。腎小管上皮細胞轉分化（epithelial cell transdifferentiation,EMT）與小管間質纖維化進展高度相關，會導致基質蛋白在腎臟的蓄積。因此，EMT可能在DN小管間質纖維化中起重要作用。

有證據表明，缺氧在DN的發生、發展中可能具有重要的致病機制。在缺氧條件下，鋅通過下調經STZ處理的糖尿病小鼠腎臟的低氧誘導因子α（HIF-1α），阻斷了腎小管EMT，并減輕了腎小管間質纖維化。鋅可能通過激活胰島素受體及其下游通路來改善糖尿病腎病,通過激活PI3K/Akt/GSK-3β信號通路改善高糖缺氧誘導的EMT，降低了HIF-1α的表達，從而發揮了腎保護作用[33]。補充鋅治療可以抑制脂質過氧化，改善DN患者腎小球功能、尿白蛋白排泄和炎癥[34]。

Nrf2是抗氧化損傷的重要調節因子。正常情況下，Nrf2主要與其抑制劑kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1（Keap1）結合，并定位于細胞質中。當氧化應激增加時，Nrf2從Keap1解離進入細胞核，增加下游抗氧化基因的表達，從而產生抗氧化損傷[33]。在另一項研究中，Nrf2的表達在正常低鋅飲食組、糖尿病組和糖尿病低鋅飲食組均顯著降低，提示低鋅飲食和糖尿病均降低了抗氧化損傷能力。補充鋅顯著上調了2型糖尿病合并缺鋅患者腎小管上皮細胞Nrf2表達，下調了caspase-3和β-catenin蛋白表達。但在沉默Nrf2表達后，上述結果并沒有出現，這進一步說明Nrf2通過βcatenin信號通路參與了2型糖尿病合并缺鋅患者腎小管上皮細胞Zn抗凋亡的調控，Nrf2可能是該調控通路的關鍵因素。因此，Nrf2在Zn抗2型糖尿病腎細胞凋亡中起重要作用。β-catenin作為Nrf2的下游基因，負調控Zn對2型糖尿病腎細胞凋亡的保護作用。這個發現為今后臨床應用Zn或Nrf2誘導劑預防和治療DN提供了新的理論依據。

2.4 鋅與糖尿病視網膜病變（diabetic retinopathy,DR）DR是糖尿病的眼部表現，是糖尿病最嚴重的并發癥之一，其特點是視網膜神經變性、血管損傷和新生血管生成[35]。傳統上認為其發病機制涉及多元醇途徑、糖基化、蛋白激酶Cβ1/2、血流動力學改變、生長因子、氧化應激和腎素-血管緊張素系統[36]，在高血糖狀態下，多元醇途徑和氧化應激顯著增強，導致晶狀體內山梨糖醇和果糖的積累，引起細胞內氧化和滲透應激的額外增加，最終導致視網膜病變的發展。有研究發現DR患者體內鋅水平降低，且血清鋅水平越低，DR的風險及其嚴重性增加，補鋅或對其有益[37]。補充鋅可以提高糖尿病大鼠晶狀體總蛋白和可溶性蛋白含量，下調晶狀體氧化應激指標，降低晶狀體醛糖還原酶和山梨醇脫氫酶活性，減少山梨醇的積累，抑制糖尿病大鼠晶狀體中果糖的副產物積累，并且抑制AGEs受體（RAGE）和多元醇途徑酶（AR和SDH）基因的過表達和熱休克蛋白表達，即鋅可以通過抗糖基化作用和下調多元醇途徑酶來延緩糖尿病大鼠白內障的發生[38]。此外，補充鋅可以抑制糖尿病大鼠視網膜組織血管內皮生長因子（VEGF）表達升高，誘導糖尿病大鼠視網膜組織MT表達上調，改善糖尿病大鼠視網膜毛細血管超微結構的損害[39]。以上研究均為延緩或治療DR提供了新思路。

2.5 鋅與糖尿病病足（diabetic foot,DF） DF的特征是糖尿病患者的足部出現不同程度的潰瘍、感染、深部組織破壞，并伴有神經功能障礙和不同程度的下肢周圍血管問題，給患者、家屬和社會帶來了相當大的經濟和心理負擔[40]。據估計，全球每20 s就有1例糖尿病患者因DF而截肢，DF截肢患者死亡率高達22%，潰瘍患者死亡率高達11%[41]。我國50歲以上的糖尿病患者中，DF的發病率高達8.1%。高血糖、胰島素抵抗、血脂異常、炎癥和氧化應激生物標志物的增加在DF的發病機制中發揮了重要作用[42]。與沒有DF的2型糖尿病患者相比，患有DF的患者血清鋅水平顯著降低[43]。此外，多種微量元素如銅、鎂、硒等水平在DF患者體內也有不同程度的下降，而氧化應激標志物如過氧化脂質（LPO）、8-羥基-2′-脫氧鳥苷（8-OHdG）、總抗氧化狀態（TAS）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）等在DF患者中升高[45]。有學者發現，鋅、銅、鎂與所有血糖指數呈負相關，但鋅的相關性最強[44]。

另有研究發現DF患者與對照組之間的鋅和銅水平均有所增加，而Bolajokol等[45]發現DF患者與對照組之間的鋅和銅水平差異無統計學意義，這可能與參與者的特征、研究樣本數量、研究方法、地區差異等有關。鋅作為細胞代謝過程中重要的微量元素，也是賴氨酸氧化酶的重要輔助因子，賴氨酸氧化酶參與膠原蛋白的交聯，有助于傷口愈合。鋅金屬蛋白酶參與DNA和RNA合成、蛋白質和膠原合成、免疫功能、細胞增殖和傷口治療[46]，缺鋅會延遲傷口愈合。為了探究補充鋅對DF患者傷口愈合和代謝狀態的影響，一項隨機、雙盲、安慰劑對照試驗發現，與安慰劑相比，補充鋅12周能顯著減少潰瘍長度[47]，該研究證實了鋅補充對DF潰瘍患者的有益作用。Momen-Heravi等[47]發現補鋅組的血糖指數和氧化應激標志物的顯著降低，進一步提示鋅對DF患者的保護作用主要是通過抑制氧化應激實現的。補鋅能促進傷口愈合，減輕DF患者的痛苦。DF的危害性高，復發率高，因此迫切需要有效的治療方法抑制這一疾病的發展，這就需要進一步高質量的隨機對照臨床試驗和前瞻性隊列研究來闡明鋅在DF進展和治療中的作用。

3 小結與展望

鋅是一種對人體健康非常重要的微量元素，在多方面發揮著重要作用，如人體生理平衡、免疫功能、氧化應激和細胞內信號通路等。除了糖尿病，鋅對多種人類慢性疾病均有治療潛力，如動脈粥樣硬化、多種惡性腫瘤、自身免疫性疾病、神經退行性疾病阿爾茲海默病、抑郁癥、衰老等。因此鋅可作為多種藥物靶點改善機體營養狀況并且緩解疾病進展?；谝延醒芯?，鋅具有抗氧化及改善胰島素分泌功能的作用，缺鋅會增加患糖尿病及其并發癥的風險，補充鋅可能對糖尿病及其多種慢性并發癥產生有益作用，包括DPN、DF、DR、DN等。為此，糖尿病患者及時補鋅對其預防治療等具有積極意義。鋅可以通過多種食物來源進行補充，如肉類、谷物、奶制品、蔬菜和堅果等[48]，也可以通過藥物補充，如硫酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、葡萄糖酸鋅、醋酸鋅、乳酸鋅等。但是現有關于鋅的藥效研究大多數是動物實驗或細胞實驗，為了充分了解補鋅對抗糖尿病的確切機制，需要進一步的人體臨床研究來證實鋅在DPN、DF、DR、DN和其他糖尿病并發癥中的應用效果。相信在時代和醫學的共同進步下，在不久的就來，利用鋅治療糖尿病及其并發癥會有新的進展及成果。