糖尿病肾病与氧化应激

吴鑫宇，周雪明，曲苗*通讯作者

黑龙江中医药大学

黑龙江省哈尔滨市150000

[摘要] 糖尿病肾病（DN）是一种由糖尿病引起的发生于肾微血管的病变，这种严重影响糖尿病患者生存质量的疾病，发病率逐年攀升。在实验研究及临床诊疗中发现氧化应激与DN的病理生理学密切相关。活性氧是氧气代谢的产物之一，在细胞信号、衰老和退化性疾病等过程中至关重要。无论是活性氧生成量增加还是抗氧化剂活性降低，都可能导致过多的氧化应激和随后的组织损伤。肾脏细胞对所供给的氧含量十分敏感，在高糖状态下，活性氧物质介导的损伤可以影响肾小球毛细血管及肾小管管状结构。随着葡萄糖过滤的增加，导致管状细胞与葡萄糖形成一种负载状态，导致能量传递障碍并加速氧化应激反应。本文通过探讨氧化应激在DN发病机制中的作用，并分析糖尿病中氧化应激的来源，猜测抗氧化剂对DN会起到一定的保护作用。以期通过抗氧化的治疗手段获得更好的DN治疗方案，并为糖尿病的治疗提供一定思路。

[关键词] 糖尿病肾病；氧化应激；抗氧化

糖尿病（DM）是一种全身性的代谢性疾病，由于胰岛素分泌绝对或相对不足会引起高血糖，长期高血糖会导致肾、眼、心脏、神经的损害。糖尿病微血管并发症主要为糖尿病肾病，视网膜以及神经病变。糖尿病大血管并发症包括冠心病，缺血性中风和外周血管疾病[1]。

　　糖尿病肾病（DN）是一种严重且可怕的糖尿病微血管并发症，其特征在于持续蛋白尿并伴随肾小球滤过率（GFR）下降。随着病情进一步加重，患者会出现肾小球毛细血管以及肾小管间质损伤的表现，这是终末期肾病的主要原因。糖尿病肾病的发病率近年来正持续上升[2]，预计10-20年间糖尿病肾病的发病率会达到峰值，并影响45%的糖尿病患者，在T1DM和T2DM患者中发病率相似[3]。

1 氧化应激在DN发病机制中的作用

活性氧是氧气代谢的产物之一，在细胞信号、衰老和退化性疾病等过程中至关重要。健康条件下，活性氧之间存在着一种复杂的平衡，它被认为是正常细胞生理学和抗氧化活性的重要信号分子。无论是活性氧生成量增加还是抗氧化剂活性降低，都可能导致过多的氧化应激和随后的组织损伤[4]。肾脏接受约25％的心输出量并输送84mL / min / 100g氧气，肾脏耗氧量接近6.8mL / min / 100g [5]。肾脏在病理情况下，会发生动脉至静脉（AV）氧分流。此时，氧气代谢会受到抑制，进而活性氧产生量减少。肾脏细胞对所供给的氧含量十分敏感：高血糖诱导的超滤和肾血流量增加与氧气消耗增加一致，这引起动静脉氧浓度梯度升高，进而导致动静脉血氧分流及缺氧[6]。

高血糖介导的血管一氧化氮（NO）和转化生长因子-β1（TGF-β1）促使更多活性氧生成，这与肾小球传入和传出小动脉的血管舒张有关。高血糖还刺激肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）的局部组织，局部的（肾小球）RAAS调节异常导致血管紧张素Ⅱ过量生成。在糖尿病中，肾小球传出（或传入）小动脉对血管紧张素Ⅱ的血管收缩更敏感，这导致动脉血管张力不平衡，进而引起肾小球毛细血管压力增加[7]。在糖尿病中，传递到肾小球循环的全身应力导致肾小球细胞机械延伸，造成肾脏损伤。血流动力学障碍作为肾小球系膜细胞中促进的葡萄糖转运蛋白GLUT1上调的潜在机制，可导致葡萄糖通道过度开放，大量葡萄糖进入细胞引起继发性细胞损伤。由于代谢-血流动力学的交互作用，细胞内葡萄糖运输过量，协同促进活性氧的产生增加，可加重DN及其他糖尿病微血管病变[8]。

2 肾小球中的氧化应激

肾小球对活性氧十分敏感，活性氧物质介导的损伤可以影响肾小球毛细血管，表现为肾小球滤过屏障的所有层均受到一定程度的破坏。肾小球功能性变化开始于多糖-蛋白质复合物覆盖的肾小球内皮细胞和足细胞之间的相互作用，这导致细胞外基质的沉积，引起IV型胶原蛋白的表达/分泌增加[9]。IV型胶原蛋白增多会相应加速蛋白聚糖骨架的构建。由蛋白聚糖和富含硫酸乙酰肝素的葡萄糖氨基葡聚糖构成的内皮细胞多糖-蛋白质复合物，被认为是肾小球滤过屏障的关键组成部分，是活性氧的主要目标。过量的过氧化氢将打破肾小球滤过屏障的堡垒作用，即通过拆解内皮细胞多糖-蛋白质复合物，减少阴离子电荷，增加肾小球的开放性，使大分子物质得以畅行[10]。同时，活性氧以及由活性氧激活的基质金属蛋白酶均被认为是多糖-蛋白质复合物降解的潜在机制。羟基自由基和其他活性氧涉及多糖核心蛋白的解聚，并且催化蛋白质降解抑制IV型胶原交联[11]。

　　糖尿病的实验模型证实，升高的葡萄糖和游离脂肪酸都可以是还原型辅酶Ⅱ（NADPH）氧化酶的有效激活剂[12]。代谢介导的RAAS活化增加已被认为是NADPH氧化酶和活性氧物质的主要激活剂之一。NADPH氧化酶在血管和肾脏中活性氧的产生中起着重要作用，它介导的超氧阴离子和过氧化氢的产生与DN的发病机制有明显的相关性。据报道，在糖尿病患者肾脏中所检出的NADPH氧化酶亚基的含量显著高于非糖尿病患者

[13]。NADPH氧化酶跨膜亚基中的Nox-4亚型，已被确定为导致DN的肾脏氧化剂物质的关键来源，抑制Nox4活性会导致氧化应激和肾组织损伤减少[14]。

3 肾小管中的氧化应激

高血糖直接从管状细胞基部-侧面影响管状结构，增加其对大分子的通透性。随着葡萄糖过滤的增加，导致管状细胞与葡萄糖形成一种负载状态，这种负载状态持续存在，将有碍能量传递并加速氧化应激反应。肾单位葡萄糖重吸收的关键蛋白Na+偶联能量依赖性葡萄糖转运蛋白SGLT2上调会激活肾小管局部血管紧张素Ⅱ系统和生长因子，随着近曲小管葡萄糖重吸收的增加，出现氧化应激加剧，肾小管中管状肥大、细胞凋亡、细胞外基质沉积增加等病理反应[15]。

　　在生理学中，转录因子缺氧诱导因子（HIF-1α）通过刺激血管生成和抑制CTGF防止纤维化进程，介导细胞适应肾小管的缺氧状态[16]。高血糖本身促进HIF-1α蛋白酶的降解，糖尿病缺氧的特点是缺乏HIF-1α的代偿性激活，并通过参与HIF-1α去稳定作用产生活性氧。

4 糖尿病中氧化应激的来源

4.1 NADPH氧化酶

NADPH氧化酶是通过不同酶的相互作用形成的，这些酶将电子穿过细胞膜，减少氧还原成超氧化物。在这些酶中，主要的跨膜亚基是Nox1-5和两种双氧化酶Duox1及Duox2。NADPH氧化酶存在于肾小球（间充质细胞，内皮细胞和足细胞）和肾小管中。具体而言，系膜细胞主要表达Nox1和Nox4，足细胞主要表达Nox1、4、5以及Duox1、2，肾小球内皮细胞主要表达Nox1、2、4、5，Nox5近端肾小管细胞表达Nox5，整个肾小管间隙均存在Nox4和Nox1[17]。

4.2 线粒体氧化应激

    当机体胰岛素分泌绝对或相对不足时，参与体循环的葡萄糖含量会升高，此时若兼见肾小球毛细血管血液动力学紊乱，则会促使基础葡萄糖转运上调。这种细胞过度摄取葡萄糖的行为是肾细胞中氧化应激的主要决定因素之一。肾细胞中葡萄糖可进行糖酵解生成丙酮酸盐，丙酮酸盐参与到Krebs循环中，生成黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）和烟酰胺（NADH）。这些分子作为电子供体参与线粒体的氧化磷酸化过程并在反应中产生ATP。当高血糖和/或线粒体功能障碍时，线粒体转运电子的能力受到抑制，导致超氧化物产生增加[18]。

4.3 内皮型一氧化氮合酶去偶联

一氧化氮合酶以二聚体形式在大多数肾细胞中表达，其中三种主要亚型表现为：诱导型NOS（iNOS）、神经元型NOS（nNOS）和内皮型NOS（eNOS）。当代谢和血液动力学紊乱状态下eNOS产生NO的能力将减弱，从而影响超氧化物产生。糖尿病患者肾细胞中四氢生物蝶呤（BH4）含量偏低，BH4作为一种能参与eNOS调节的重要辅酶因子，当含量降低时，会导致eNOS与其主要底物L-精氨酸解偶联，从而抑制eNOS介导的NO形成，eNOS获得形成超氧化物的能力并引起活性氧不平衡。具体而言，eNOS的解偶联可作为链脲菌素诱导的糖尿病大鼠肾小球组织中超氧化物的另外来源，生理BH4浓度的恢复与活性氧生成减少与肾功能改善有关[19]。

4.4 环氧合酶途径

　　环氧合酶途径可参与肾脏中花生四烯酸代谢环节，花生四烯酸衍生自磷脂酶A2对膜磷脂的裂解，磷脂酶A2是在前列腺素（PG）G2和PGH2的合成中产生环氧酶（COX）的主要底物。COX可以被血栓素合成酶和前列腺素进一步代谢，生成前列腺素和血栓素A2，前列腺素和血栓素A2是肾脏血管张力及水钠平衡的重要介质。COX-2产物如血栓素和PGE2可通过PG EP1受体诱导NADPH氧化酶活性升高，而氧化剂可诱导COX-2表达，通过PG EP4受体起作用的PGE2也可抑制自由基产生[20]。

5 DN临床抗氧化治疗方案

活性氧参与DN多个重要环节，是DN进展的“催化剂”，因而抗氧化治疗成了DN和其他慢性糖尿病并发症发生发展的有效研究方法。许多科研人员正试图寻找副作用小并有效的靶向确定活性氧通路的抗氧化治疗方案。在对T1DM患者口服维生素E正常化超滤的研究中，维生素E和C的抗氧化联合疗法似乎对T2DM患者具有一定程度的肾保护作用。苯磷硫胺是一种具有抗氧化特性的硫胺素（维生素B1）合成S-酰基衍生物，可减少T2DM患者的蛋白尿[21]。Methyl-bardoxolone是抗氧化转录因子Nrf 2的激活剂，具有抗氧化和抗炎特性，可导致白蛋白尿增加，并伴有高度滤过性，增加晚期肾病患者的死亡风险[22]。

6 总结与展望

氧化应激参与了DN的病理生理过程。目前，通过氧化应激途径治疗DN仍处于探索阶段。在我们可以安全地测试新抗氧化剂治疗之前，我们需要更好地了解氧化应激在生理学和疾病中的作用。在未来的研究中要解决的关键问题是，特定活性氧在生理学和疾病条件下在每个细胞区室中的作用。活性氧作为促氧化剂和/或细胞信号传导途径中的激活剂/抑制剂，作用在不同的疾病状态（例如急性与慢性）中可能不同，并且随着疾病的进展和随着时间的推移也可能会改变。疾病中细胞和组织中活性氧的动态变化使得寻找新的抗氧化剂疗法具有挑战性。挑战往往催生新的发现，希望研究针对抗氧化剂的具体干预措施，可以改善和治疗DN。

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黑龙江省自然科学基金优秀青年项目

合同编号：YQ2020H027

项目名称：基于AMPK通路探讨花旗泽仁对2型糖尿病IR的作用机制