氧化应激与糖尿病及其血管并发症研究进展

史亦男　张　楠　崔　圆　金凤表　侯瑞田

(承德医学院附属医院内分泌科,河北　承德　067000)



氧化应激与糖尿病及其血管并发症研究进展

史亦男张楠1崔圆1金凤表侯瑞田1

(承德医学院附属医院内分泌科,河北承德067000)

氧化应激；糖尿病；血管并发症

糖尿病(DM)是一组由于胰岛素分泌缺陷及(或)其生物学作用障碍引起的以高血糖为特征的代谢性疾病。国际DM联盟预测到2025年全球范围内的DM患者可达3.24亿，其中80%死于心血管并发症，所以DM血管并发症是引起DM死亡率升高的主要原因。越来越多的研究表明，氧化应激与DM及其血管并发症的发病机制密切相关〔1〕。本文对DM及其血管并发症与氧化应激的关系作一综述。

1　氧化应激的概念

氧化应激是指机体内高活性分子如活性氧(ROS)和活性氮(RNS)产生过多或消除减少，从而导致机体组织损伤。ROS包括超氧阴离子(O2-)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(OH-)等，RNS包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、过氧亚硝酸基阴离子(ONOO-)等。在正常状态下机体可产生少量ROS参与正常代谢，同时机体内存在清除和抑制自由基反应的体系，使得更多的自由基被清除或减少，自由基的产生和清除保持平衡；但在某些病理状态下，ROS水平增加而抗氧化物质不足，体内自由基显著增多，过多的自由基直接作用于机体，致机体损伤，同时机体抗氧化防御能力下降，氧化能力显著超过抗氧化能力而发生氧化应激。因此，机体内氧化应激的产生就是源于自由基产生增多和抗氧化防御功能损害。许多物种能依赖于这些病理和生理过程启动和调节许多酶和基因。氧化应激会导致蛋白质、核酸和脂质等大分子物质的氧化损伤。自由基可攻击核酸导致DNA突变、损伤甚至癌变。ROS和RNS的不足会导致动态平衡受损及其相关的病理改变。因此，普遍认为很多致病机制与不平衡的氧化还原最后共同通路有关〔2〕。

2　DM与氧化应激

2.1胰岛β细胞与氧化应激氧化应激是糖毒性和脂毒性对胰岛β细胞损害的主要机制之一〔3〕。因此高血糖和高血脂可能在DM致病过程中对胰岛β细胞产生特殊的毒性作用。人体内外实验均表明高血糖和高血脂确实对胰岛β细胞有害。游离脂肪酸(FFA)水平增加对线粒体的功能有害，可导致ROS的产生，超氧分子的形成及氧化磷酸化等，造成内源性抗氧化功能障碍。一些研究表明只有在血糖升高时，脂毒性才对β细胞有影响〔4,5〕。因此高血糖是引起血脂对胰岛细胞发生影响的先决条件。随着胰岛β细胞在高糖浓度下暴露时间的增加，胰岛的分泌功能逐渐遭到破坏。胰岛分泌功能的破坏通常用β细胞损害程度作为评估标准。通常把胰岛素mRNA、胰岛素含量和释放水平作为糖毒性对胰岛β细胞损害的证据。大部分糖毒性对胰岛β细胞的影响主要与氧化应激和炎症反应有关。在动物及人体实验中已经证实，细胞间和细胞内血糖浓度的提高将导致氧化应激〔6〕。胰岛β细胞暴露在高血糖环境下可能会产生ROS，从而抑制葡萄糖诱导的胰岛素分泌(GIIS)。Sakai等〔7〕也发现线粒体中的ROS抑制GIIS第一阶段甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GADPH)的活性。Leloup等〔8〕发现，线粒体ROS的产生需要葡萄糖诱导的GIIS。然而氧化应激的加剧减少GIIS，氧化应激加剧3 d可使GIIS量减少40%，而且GIIS系统进一步加速ROS的产生〔9,10〕。因此氧化物质对GIIS及线粒体的损伤较为明显不足为奇〔11〕。胰岛与其他组织如肝、肾、骨骼肌、脂肪组织相比更易受氧化应激损害。而且胰岛内重要抗氧化酶(如谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶等)活性较低。高浓度葡萄糖诱发胰岛氧化应激，但不能诱导抗氧化酶活性的增加。

2.2胰岛素信号转导与氧化应激正常生理状态下，胰岛素信号通过胰岛素或胰岛素受体底物(IRS)-1、胰岛素受体(IR)、磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3-K)、蛋白激酶(ERK)等信号转导起作用。ROS产生过多干扰胰岛素信号转导通路，导致胰岛素抵抗或分泌减少。高浓度的H2O2激活胰岛素信号及其经典代谢通路向下传导,因此，H2O2增加了脂肪细胞及肌肉细胞对葡萄糖的吸收，刺激易化葡萄糖转运蛋白(GLUT)4的转移及脂肪细胞中脂质的合成〔12〕。氧化应激促使酪氨酸磷酸酶类(PTPases)失活,这些酶在调节信号转导包括应激信号通路中发挥重要作用。IR与IRS-1结合激活酪氨酸激酶，是胰岛素信号传导的一个关键步骤。正常生理状态下，胰岛素信号分子分布在细胞质和内膜池内，IR和IRS残基被IR激酶磷酸化激活导致PI3-K聚集。从而激活小分子GTP结合蛋白(GTPase Rac)导致细胞骨架的重组最终导致葡萄糖摄取增加。IR与IRS中丝氨酸/苏氨酸位点磷酸化水平增高，从而削弱胰岛素的作用。线粒体是肿瘤坏死因子(TNF)-α诱导的细胞中ROS产生的根源之一，而且有助于TNF-α诱导的胰岛素抵抗的发生。线粒体受到TNF-α刺激后ROS激活c-Jun氨基末端激酶(JNK)，从而增加丝氨酸磷酸化，降低酪氨酸磷酸化〔13〕。TNF-α可能通过影响血管内皮衍生的血管扩张剂和收缩剂之间的平衡，下调内皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表达和上调内皮素(ET)-1的产生发挥作用。TNF-α可直接刺激还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶，增加ROS在内皮细胞和血管平滑肌细胞的产生。研究发现TNF-α对血管的损伤机制与氧化应激有关〔14〕。TNF-α也被证明有降低DM小鼠尿蛋白的排泄，使24 h尿白蛋白/肌酐减少，是一个潜在治疗DM肾病的靶点。

2.3氧化应激与胰岛素抵抗GIIS减少和胰岛素抵抗是2型DM(T2DM)的主要病理生理特征。胰岛素抵抗是指正常剂量的胰岛素产生低于其正常生物学效应的一种状态，也就是指机体对胰岛素反应减退，主要表现为对肌肉脂肪等敏感组织葡萄糖摄取减少及抑制肝糖原输出作用减弱。大量实验证明，氧化应激在胰岛素抵抗中起着关键作用〔15～18〕，且氧化应激会加重胰岛素抵抗的程度。胰岛素抵抗通常在DM发病前就已经存在，其中ROS产生过多是胰岛素抵抗和T2DM发生发展的重要触点〔19〕。超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶的mRNA的减少都加速DM的发生及发展。胰岛素抵抗与肝脏集聚的甘油三酯密切相关，肝脏脂质过氧化酶的含量已用作观察DM的指标。

2.4抗氧化剂不足氧化剂产生过多和高氧化应激都可能导致机体抗氧化能力减弱。即使Savu等〔20〕研究发现没有并发症的T2DM患者中抗氧化剂水平增高，但是DM早期已经存在抗氧化能力的减低。最近为1型DM(T1DM)患者研究出一低水平的基础抗氧化物(TRAP)，依据它的水平可测定第一次确诊时并发症的发展情况〔21〕。另一个公认的抗氧化剂是尿酸，它发挥了两种不同的作用：促进超氧化物歧化酶活性和抗坏血酸作用的增强。在对T1DM合并妊娠患者的研究中发现其尿酸水平低与氧化应激有关〔22〕。动物实验中发现氧化应激抑制谷胱甘肽的生物合成，且研究证明谷胱甘肽减少主要与氧化应激有关〔23〕。抗氧化治疗可以减轻氧化应激，从而阻止或延缓DM及其并发症的发生、发展。因此，对氧化应激增强引起组织损伤机制的更深入研究，可以推动开发更有效的抗氧化药物和指导临床正确使用现有药物，从而更好地防治DM及并发症。

3　氧化应激与DM血管并发症

Brownlee〔24〕指出,无论DM大血管(如心血管、脑血管及下肢血管)还是微血管(如肾、神经和视网膜)并发症,都有一个共同的发病机制——氧化应激。同年Ceriello等〔25〕提出共同土壤学说,即氧化应激是胰岛素抵抗、DM和心血管疾病的共同发病基础。能量摄入过多造成的代谢底物增加是引起DM发生的主要决定因素。Brownlee〔26〕提出了DM并发症的共同机制学说，该学说被认为是DM并发症研究领域内的一个突破性进展，它提出线粒体电子传递酶过氧化物产生过量是高血糖损伤血管的共同机制。氧化应激与DM大血管并发症密切相关。代谢综合征和胰岛素抵抗是DM血管病变的决定因素。研究发现胰岛素抵抗使脂细胞转运到动脉内皮细胞内，使游离脂肪酸增加，后者线粒体呼吸链细胞氧化提供过剩的供氢体〔还原型黄素二核苷酸(FADH)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)〕，从而使ROS O2-增加。ROS过多可造成DNA损伤，DNA损伤激活特异性DNA修复多聚酶〔二磷酸腺苷(ADP)核酸〕聚合酶(PARP)。PARP使糖酵解速度减慢、三磷酸胺苷(ATP)缺乏、NADH+耗尽；GADPH的ADP核糖多聚化，激活DM血管并发症发生及发展的信号通路，包括多元醇通路、磷脂肌醇信号途径(PKC)通路、晚期糖激化终末产物(AGEs)形成、已糖胺通路等。这些通路都可加速DM动脉粥样硬化的发生和发展。ROS通过上述主要路径激活氧化应激途径。低密度脂蛋白(LDL)是动脉粥样硬化的始动因素，在ROS作用下LDL成为氧化LDL(OX-LDL)刺激内皮细胞分泌炎性因子，诱导单核细胞进入动脉内膜，转化为巨噬细胞。同时OX-LDL促进ROS的产生，促进氧化应激的发生和发展。DM患者中氧化应激和血管并发症有两个不同的潜在相连机制：①胰岛素既能刺激促血管舒张物质的产生又能刺激血管收缩物的产生〔27〕，在健康状态下保持一种平衡状态，当氧化应激水平升高时平衡就被打破；②血管扩张物质对胰岛素的反应降低，从而引起基底物质向外周组织转移。研究〔28〕表明高胰岛素血症患者对舒张血管物质的敏感性下降。另一研究发现在高胰岛素血症患者中注入抗氧化剂维生素C可以改善机体对舒张血管物质的敏感性〔29〕，由此得出氧化应激在DM并发症发病机制中发挥重要作用。另一研究证实Rho激酶通过不正常信号传达通路致使其自身抑制物质增多，从而抑制高胰岛素血症的抗氧化应激能力〔30〕。胰升糖素样多肽(GLP)-1刺激GIIS，改善外周组织对胰岛素的敏感性，可增加血管舒张能力，但是在应用维生素C之前应用GLP-1没有明显的扩血管作用，实验表明舒张作用主要与氧化应激有关〔31〕。

综上，氧化应激在DM及其血管并发症中起着关键作用。胰岛β细胞功能障碍和胰岛素抵抗都与氧化还原不平衡密切相关。同时氧化应激也造成血管内皮和平滑肌功能障碍。造成其功能障碍的主要机制是促氧化活性物质(NADPH氧化酶、黄嘌呤氧化酶、线粒体呼吸链等)和抗氧化酶(如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、血红素加氧酶、过氧化氢酶)的不平衡，导致ROS的产生超过抗氧化防御系统的防御能力。

1Ryu S,Omoy A,Samnni A,etal.Oxidative stress in cohen diabetic rat model by high sucrose,low-copper diet:including pancreatic damage and diabetes〔J〕.Metabolism,2008;57(9):1253-61.

2D'Autreaux B,Toledano MB.ROS as signalling molecules:mechanisms that generate specificity in ROS homeostasis〔J〕.Nat Rev Mol Cell Biol,2007;8(10):813-4.

3Poitout V,Robertson RP.Glucolipotoxicity:fuel excess and beta-cell dysfunction〔J〕.Endocr Rev,2008;29(3):351-66.

4El-Assadd W,Buteau J,Peyot ML,etal.Saturated fatty acids synergize with elevated glucose to cause pancreatic beta-cell death〔J〕.Endocrinology,2003;114(9):4145-63.

5Harmon JS,Gleason CE,Tanaka Y,etal.Antecedent hyperglycemia,not hyperllipidemia is associated with increased is let triacylglycerol conteng and decreased insulin in gene mRNA level in sucker diabetic fatty rats〔J〕.Diabetes,2001;50(11):2481-6.

6Sayed MR,Iman MM,Dawlat AS.Biochemical changes in expermental diabetes before and after treatmengt with mangifera indica and psidium guava extracts〔J〕.Pharm Biomed Sci,2011;2(2):29-41

7Sakai K,Matsumoto K,Nishikawa T,etal.Mitochondrial reactive oxygen species reduce insulin secretion by pancreatic beta-cell〔J〕.Biochem Biophys Res Commun,2003;300(1):216-22.

8Leloup C,Tourrel-Cuzin C,Magnan C,etal.Mitochondral reactive oxygen species are obligatory signals for gluose-induced insulin secretion〔J〕.Diabetes,2009;58(3):673-81.

9Li N,Brun T,Cnop M,etal.Transient oxidative stress damages mitochondrial machinery inducing pevsistent beta-cell dysfunction〔J〕.J Biol Chem,2009;284(35):23602-12.

10Fridlyand LE,Philipson LH.Does the glucose-dependent insulin secretion mechanism itself cause oxidative stress in pancreatic β-cell〔J〕?Diabetes,2004;53(8):1942-8.

11Gisela D,Peter KD,Martina D.Oxidative stress and beta-cell dysfunction〔J〕.Eur J Physiol,2010;460(4):703-18.

12Higaki Y,Mikami T,Fujii N,etal.Oxidative stress stimulates skeletal muscle glucose uptake through a phosphatidylinositol-3-kinase-dependent pathway〔J〕.Am J Physiol Endocriol Metab,2008;294(5):E889-97.

13Imoto K,Kukidome D,Nishikawa T,etal.Impact of mitochondrial reactive oxygen species and apoptosis signal-regulating kinase 1 on insulin signaling〔J〕.Diabetes,2006;55(5):1197-204.

14Tesauro M,Canale MP,Rodia G,etal.Metabolic syndrome,chronic kidney and cardiovascular disease:role of adipokines〔J〕.Cardio Res Pract,2011;2011:653182.

15Schaffer SW,Jong CJ,Mozaffari M.Role of oxidative stress in diabetes-mediated vascular dysfunction:unifying hypothesis of diabetes revisited〔J〕.Vascul Pharmacol,2012;57(5-6):139-49.

16Campia U,Tesauro M,Cardillo C.Human obesity and endothelium-dependent responsiveness〔J〕.Br J Pharmacol,2012;165(3):561-73.

17Tesauro M,Cardillo C.Obesity,blood vessels and metabolic syndrome〔J〕.Acta Physiology,2011;203(1):279-87.

18Stadler K.Oxidative stress in diabetes〔J〕.Biol,2012;771:272-87.

19Houstis N,Rosen ED,Lander ES.Reactive oxygen species have a causal role in multiple forms of insulin resistance〔J〕.Nature,2006;440(7086):994-8.

20Savu O,Ionescu-Tirgoviste C,Atanasiu V,etal.Increase in total antioxidant capacity of plasma despite high levels of oxidative stress in uncomplicated type 2 diabetes mellitus〔J〕.J Int Med Res,2012;40(2):709-16.

21Marra G,Cotroneo P,Pitocco D,etal.Early increase of oxidative stress and reduced antioxidant defenses in patients with uncomplicated type 1 diabetes:a case for gender difference〔J〕.Diabetes Care,2002;25(2):370-5.

22Pitocco D,Romitelli F,Tavazzi B,etal.Hypouricemia linked to an overproduction of nitric oxide is an early marker of oxidative stress in female subjects with type 1 diabetes〔J〕.Diabetes Metab,2008;24(4):318-23.

23Bashan N,Kovsan J,Kachko I,etal.Positive and negative regulation of insulin signaling by reactive oxygen and nitrogen species〔J〕.Physiology,2009;89(1):27-71.

24Brownlee M.The pathobiology of diabetic complications:a unifying mechanism〔J〕.Diabetes,2005;54(6):1615-25.

25Ceriello A,Moez E.Is oxidative stress the pathogenic mechanism underlying insulin resistance,diabetes,and cardiovascular disease?The common soil hypothesis revisited〔J〕.Arterioscler Thromb Vasc Biol,2004;24(5):816-23.

26Brownlee M.Bicnherolstry and molecular cell biology of diabetic complication〔J〕.Nature,2001;414(6865):813-20.

27Selvaraju V,Joshi M,Suresh S,etal.Diabetes,oxidative stress,molecular mechanism and cardiovascular disease-an overview〔J〕.Toxicol Mech Methods,2012;22(5):330-5.

28Taylor PD,Oon BB,Thomas CR,etal.Prevention by insulin treatment of endothelial dysfunction but not enhanced noradrenaline-induced contractility in mesenteric resistance arteries from streptozocin-induced diabetic rats〔J〕.Br J Pharmacol,1994;111(1):35-41.

29Schinzari F,Tesauro M,Rovella V,etal.Generalized impairment of vasodilator reactivity during hyperinsulinemia in patients with obesity-related metabolic syndrome〔J〕.Am J Physiol Endocrinol Metab,2010;299(6):E947-52.

30Schinzari F,Tesauro M,Rovella V,etal.Rho-kinase inhibition improves vasodilator responsiveness during hyperinsulinemia in the metabolic syndrome〔J〕.Am J Physiol Endocrinol Metab,2012;303(6):E806-11.

31Tesauro M,Schinzari F,Adamo A,etal.Effects of GLP-1 on forearm vasodilator function and glucose disposal during hyperinsulinemia in the metabolic syndrome〔J〕.Diabetes Care,2013;36(3):683-9.

〔2015-06-09修回〕

(编辑苑云杰/王一涵)

金凤表(1965-)，女，主任医师，主要从事糖尿病临床相关研究。

史亦男(1988-)，女，硕士，医师，主要从事内分泌相关疾病研究。

R587.1

A

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

1承德医学院附属医院心内科