糖尿病肾病与氧化应激机制的关系

李璐

(上海市杨浦区长海社区卫生服务中心，上海 200433)

1 糖尿病肾病简述

糖尿病(DM)是一种以空腹血糖(FPG)≥126mg/dL为特征的慢性代谢性疾病。长期有DM病史可引起严重的微血管和大血管并发症，糖尿病肾病(DN)是其微血管病变之一，其肾损伤包括肾小球、小管、血管和间质，最终导致终末期肾病(ESRD)。研究发现1型和2型糖尿病发展成为终末肾衰竭的比例相差无几[1]。

DN以肾脏血流动力学、病理结构和功能改变为特征。血流动力学改变为高灌注和高滤过。两者均可引起肾血浆流量增加和肾小球毛细血管压力增加[2,3]。形态改变以肾小球基底膜增厚、细胞外基质沉积、系膜细胞扩张、足细胞功能障碍为特征，导致肾小球硬化、肾小球肥大及纤维化。功能改变为肾小球过滤率降低，表现为白蛋白尿(AER≥30mg/d, or ACR≥30mg/g)，蛋白尿>500 mg/d和/或肾小球滤过率降低(GFR≤60mL/min/1.72m2)[4]。这一系列的改变导致肾小球硬化，最终成为终末期肾损伤。由于传统医学并无DN，但根据DN的临床表现可将其归于“虚劳”“水肿”等范畴。

糖尿病患者从正常白蛋白尿(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)是疾病发展的开始。随着肾小球滤过屏障(GBF)进一步受损，其通透性进一步增加并发展为大量蛋白尿(AER>300 mg/d or ACR>300 mg/g)，这是肾功能受损的标志，也表明GFR开始下降[5]。因此，临床上表现为蛋白尿持续升高，GFR持续降低。当前一般将DN分为5型，见表1。但值得注意的是，本表可能更适合诊断1型糖尿病，因为2型糖尿病的发病往往发生在一些相关疾病之后。2型糖尿病一经诊断，即提示患者出现大量蛋白尿，肾功能受损。

表1 糖尿病肾病的阶段

2 氧化应激

氧化应激的定义为自由基引起的潜在生物损伤。自由基的有益和有害作用之间的微妙平衡通过一种叫做氧化还原调节的机制来实现，这是生物体中一个非常重要的方面。在某些病理情况下，氧化剂与抗氧化剂之间的平衡被打破，如抗氧化反应不足，抗氧化剂活性降低，氧化剂过度表达，导致过度氧化应激(OS)。生理下，活性氧(ROS)不断产生，被细胞内外的抗氧化系统清除。病理情况下，ROS的产生与抗氧化防御之间的平衡失调，导致疾病的发生[6]。

ROS是一个分子家族，包括分子氧及其衍生物，其中主要有超氧阴离子(O2·-)、羟基自由基(·OH)、过氧化氢(H2O2)、过氧亚硝酸盐(ONOO—)、次氯酸(HClO)、一氧化氮(NO)和脂类自由基。D, Z.等发现[7]持续的高血糖导致OS，促进过量ROS的产生，以及各种生物分子(脂类、蛋白质、DNA等)的氧化。也就是说，当ROS的产生超过抗氧化剂的防御能力时，就会引起OS，进而产生相关疾病。DM时肾脏存在明显的氧化应激，肾脏氧化应激是DN重要的发病机制之一，因此抑制肾脏的氧化应激将有利于延缓DN的发生发展。高血糖引起DM并发症的四个主要分子机制为多元醇通路、晚期糖基化终末产物(AGEs)、蛋白激酶C(PKC)通路、己醣胺通路[8]。

2.1 四条经典通路

多元醇途径中，醛糖还原酶将葡萄糖还原为有毒的山梨醇，山梨醇随后被氧化为果糖。过度活跃的多元醇通路将葡萄糖还原为山梨醇，这期间醛糖还原酶消耗GSH的重要辅助因子NADPH[9]。因此，一方而导致细胞内山梨醇及果糖浓度增高，引起细胞水肿和损伤；另一方面降低NADPH/NADP+比值，进而导致GSSG/GSH比值下降，从而导致O2·-的产生[10]。

晚期糖基化终产物(AGEs)是由肽和蛋白质上的葡萄糖和游离氨基之间的非酶促反应形成的[11]。AGEs促进3-P-甘油转化为乙二醛、甲基乙二醛和3-脱氧葡萄糖，引起氧化损伤。此外，AGEs与存在于肾小球系膜细胞、内皮细胞等细胞表面的晚期糖基化终产物受体结合，使细胞内产生大量的ROS，这一反应主要发生在肾小球系膜细胞中[12]。

蛋白激酶C (PKC)活化:细胞内高血糖增加二酰基甘油的合成，进而活化PKC。随后，细胞NADPH氧化酶被激活，进一步诱导ROS合成和脂质过氧化。反过来，ROS激活PKC，进一步增加PKC的活性[13]。Bhatt, M.等的实验表明，PKC抑制剂在内皮细胞高糖反应中阻断细胞内ROS的生成[14]。

己糖胺通路中，糖酵解过程中转移的一些葡萄糖被转化为N-乙酰氨基葡萄糖，这些N-乙酰氨基葡萄糖被放在丝氨酸和苏氨酸残基上进行翻译后修饰。该通路导致基因表达发生病理改变。代谢组学数据显示，在高糖条件下，过度激活的己糖胺途径显著增强了不平衡的氧化还原稳态和肾小球和小管损伤[15]。

然而，对这四种机制的临床研究发现，它们各自的抑制剂对DN的治疗效果较差[3,16-21]。因此，有文献中提出线粒体电子传递链(mETC)损伤而后产生过量的超氧化物，可能是以上四种通路的单一上游诱导过程。M，B等[22]将正常内皮细胞的线粒体DNA去除，使其缺乏mETC的功能，导致高糖环境无法激活上述四种机制。G, A.-K.等[23]发现在高糖诱导的ROS条件下线粒体RNA编码等显著增加，这可能是线粒体损伤条件下的代偿性增加。因此，ETC损伤可能是ROS产生的重要机制。

3 DN中ETC是氧化应激产生ROS的主要来源

研究表明mETC产生的ROS占总量的45%。因此线粒体可能是ROS的主要来源[24]。mETC位于线粒体内膜，由四种复合物酶和两种可移动的电子载体组成。ETC复合物分别为：复合物Ⅰ(NADH:泛醌氧化还原酶)、复合物Ⅱ(琥珀酸:泛醌氧化还原酶)、复合物Ⅲ(泛醌：细胞色素c氧化还原酶)和复合物Ⅳ(细胞色素c氧化酶)。电子载体包括泛醌(也称为辅酶Q10)和细胞色素C[25]。

在DN中，mETC是ROS的主要来源，被认为是引起肾脏损伤的主要原因[26]。ETC中的ROS以超氧化物和过氧化氢的形式存在，主要来自ETC复合物Ⅰ和复合物Ⅲ[7]。首先，在ETC中，不稳定的质子梯度和线粒体膜电位的过早崩溃产生了ROS[27]。由于不稳定的质子梯度促使电子到辅酶Q和分子氧，因此超氧化物产量显著增加[15,28]。研究发现，细胞内高血糖会使线粒体膜上的电压升高产生ROS。当mETC被移除时，高血糖对ROS产生的影响完全消失并且也无法激活上述四条通路。由于缺乏编码mETC基因的表达，不稳定的质子梯度，进一步会增加ROS的水平[29]。然后由于上述原因造成的电子泄漏。电子在损伤的ETC中逐渐转移，在此过程中电子有机会离开常规路径，这个过程称为电子泄漏[30]。电子泄漏的两个主要位置是复合物Ⅰ和辅酶Q与复合物Ⅲ之间的界面[31]。漏出的电子会与附近的分子碰撞或与氧反应产生自由基，导致线粒体中ROS的产生[32]。其次，编码ETC蛋白的线粒体DNA周围没有组蛋白包绕，因此，缺乏损伤后的修复能力[33]。故而，氧化应激发生后ROS攻击线粒体DNA使mETC中断，最终使细胞内产生更多的ROS。

4 中药有效成分缓解mETC的氧化损伤延缓糖尿病肾病进展

我科在治疗糖尿病肾病的用药基本原则为补肾活血，祛风通络，绛浊化湿。查阅相关文献发现治疗DN常用之中药的现代药理学研究大多为阻断氧化应激单一上游机制mETC损伤以缓解蛋白尿。以下我们将以现代药理学为基础，研究探讨中药对mETC复合物的抑制而缓解DN的肾脏损伤。

mETC复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ的活性较低，在高葡萄糖条件下产生更多的ROS[34]。由于过量的线粒体ROS的产生，db/db小鼠表现出ETC功能障碍。鸡血藤根中含有的鱼藤酮(ETC复合物Ⅰ抑制剂)可缓解糖尿病肾病的发展并且缓解高糖环境下的足细胞损伤[35]。复合物Ⅱ作为DM条件下促成ROS形成的电子来源[13]，进而产生了更多的O2·-[36]。姜黄素缓解DN有显著疗效，其类似物二苯甲酰甲烷(复合物II抑制剂)可缓解系膜细胞氧化并预防糖尿病引起的肾损伤[37]。罗布麻可阻止高糖培养下的肾近端小管细胞的氧化损伤缓解因ROS形成引起的肾功能障碍和细胞凋亡[38]。研究表明罗布麻素可提高复合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的活性当肾细胞受到来自ROS攻击时[39]。川芎的有效成分四甲基吡嗪(TMP)作为一种抗氧化物，其作用反映在上调复合体Ⅲ的活性和改善线粒体膜电位，并使得内皮细胞免受高糖诱导的氧化应激损伤[40]。红花黄素B是红花的有效提取物，研究表明其对血管内皮细胞具有保护作用当细胞受到ROS攻击时，并提高复合物Ⅳ的活性[41]。茶叶提取物儿茶素可显著降低线粒体氧化应激、提高线粒体电子ETC活性，改善因顺铂引肾功能损害[42]。同时儿茶素在DN小鼠模型中也改善了其氧化应激并减弱炎症因子对肾脏的攻击[43]。也有人认为，线粒体分裂可能影响ETC和ATP合酶的结构和空间组织，从而改变电子传输和偶联，导致高糖条件下线粒体超极化和ROS增加[44]。此外，高糖状态引起的氧化应激产生的ROS首先攻击线粒体DNA，破坏线粒体ETC，最终导致肾细胞损伤[45]。

综上所述，高糖诱导的ETC损伤可能是ROS产生的重要机制。由于电子泄漏、不稳定的质子梯度和ETC中断等一系列反应，产生大量ROS导致DN肾功能下降。我们通过查阅文献，发现某些中药的有效成分可抑制氧化应激的单一上游机制ETC 从而阻断其下游的氧化应激通路，以延缓DN的进展。这可能将作为新的DN治疗靶点而受到关注，故我们作此综述。