糖尿病肾病与氧化应激

杨楠楠 刚晓坤 刘 青 (吉林大学第一医院内分泌科，吉林 长春 3002)

糖尿病肾病(DN)是糖尿病(DM)患者主要微血管并发症之一，随着DM发病率逐年上升，DN已成为在全世界范围内终末期肾病的主要原因之一，同时也是DM患者生活质量下降和病死率增高的主要原因之一〔1〕。DN的基本病理改变是肾小球基底膜增厚、系膜基质增生和细胞外基质(ECM)重构，功能上主要表现为高滤过、高灌注以及肾小球滤过屏障改变，与代谢紊乱，氧化应激，细胞因子，环境和遗传易感性等多方面因素以及由此引起的肾小球血流动力学异常相关。持续血糖升高是DN发生的始动因素，但高血糖导致DN的发病机制尚不完全清楚，近年来的研究提示氧化应激在DN的发生、发展过程中发挥着关键作用〔2〕。

1 氧化应激概述

氧在机体组织的正常代谢反应中，可以形成一些自由基，包括超氧阴离子(O－2)，过氧化氢(H2O2)，羟自由基(·OH)等，统称为活性氧簇(ROS)。氧化应激就是指机体受到多种病理因素刺激后，体内ROS产生过多，抗氧化能力下降，打破了机体正常氧化/还原动态平衡，造成生物大分子如蛋白质、脂质、核酸等的氧化损伤，干扰正常生命活动而形成的一种严重的应激状态。在DM患者体内不但ROS产生增加，而且机体的抗氧化能力也减弱，尤其是某些特定的靶细胞，如肾小球系膜细胞以及视网膜毛细血管内皮细胞和神经元细胞等，更容易受到ROS介导的氧化应激的攻击。

2 DM患者氧化应激水平增加

ROS来源增多和抗氧化能力降低是导致氧化应激水平增高的主要机制:①DM患者ROS来源增加主要是通过线粒体氧化呼吸链、还原型辅酶Ⅱ(NADPH)氧化酶、蛋白质的非酶糖基化途径、葡萄糖多元醇代谢通路、蛋白激酶C(PKC)、葡萄糖自身氧化、一氧化氮合酶(NOS)等途径来实现的，ROS的增多反过来能够进一步激活部分氧化通路，形成了环路，互为因果，使氧化损伤不断扩大〔3〕。②抗氧化能力下降:高血糖使肾组织内超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CTA)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPH-Px)等抗氧化酶基因表达下调，同时使其活性基团发生糖基化致失活或活性减弱，ROS清除减少〔4〕。同时非酶性抗氧化物质VitC、VitE等在DM肾脏组织中也存在不同程度的减少或利用不足〔5〕。

3 ROS参与DN的发病

肾脏是对氧化损伤比较敏感的器官之一，ROS通过多种途径参与DN的发病，在DN的发生发展中起重要作用。ROS不仅是组织和细胞的直接损伤刺激物，还可以作为第二信使诱导许多影响免疫、炎症等过程的传递介质释放增加。

3.1 ROS对血管通透性及肾小球血流动力学的影响 肾小球内血流动力学的变化促进了DN的发生发展，DN早期肾小球内即出现高压、高灌注和高滤过等血流动力学异常。ROS可通过多种途径对肾小球血管通透性及血流动力学产生影响:①ROS攻击脂质、蛋白、透明质酸等:肾小球毛细血管基底膜磷脂在ROS作用下发生脂质过氧化，从而使肾小球通透性增加，血浆蛋白易于通过内皮细胞而沉积于基底膜，导致基底膜增厚。ROS还可以使结缔组织中透明质酸降低，失去黏性，破坏细胞间填充黏合质，使微血管通透性增加;以及选择性降低硫酸肝素蛋白的合成，损害肾小球滤过膜电荷和结构屏障。②ROS可通过血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)参与肾小球内高压的发生。高血糖引起的糖基化终末产物(AGEs)与系膜细胞上的AGEs受体(RAGE)结合，可通过诱导ROS的产生，介导AngⅡ产生增多，AngⅡ对肾小球入球动脉的收缩作用小于出球动脉，进而导致球内高压，并可以促进硫酸肝素糖蛋白转运，降低基底膜滤过屏障负电荷使尿蛋白排出增加〔6〕。③ROS可通过NO参与肾小球高灌注和高滤过。NO是重要的血管舒张分子之一，随着DN的进展，内皮型eNOS不再生成NO，而是产生O－2，与NO反应生成过氧亚硝基阴离子(ONOO－)，同时，ROS可引起四氢生物嘌呤氧化并可使生物活性降低，导致NOS解耦联而生成更多O－2，并使NO的生成减少，引起O－2/NO间的平衡进一步失衡，形成恶性循环，血管舒张调节功能受损〔7〕。④另外ROS还可以介导缩血管因子血栓素A2、内皮素产生增加，及舒血管因子前列腺素I2的合成减少，而参与肾小球内高压、高滤过、高灌注，导致肾脏损伤。

3.2 ROS对肾脏细胞的损伤 ①足细胞:足细胞的损伤在DN蛋白尿的形成中起着重要作用。ROS可直接攻击足细胞，诱导足细胞的凋亡，并激活足细胞NADPH氧化酶产生过多的ROS，从而形成恶性循环。同时，ROS还可降低α3β1整合素〔连接足细胞足突和肾小球基底膜(GBM)的分子〕的表达，促使脂质过氧化反应，并影响足细胞的信号级联反应而损伤足细胞。ROS还能直接使足细胞内硫酸肝素成分合成减少，导致肾小球基底膜上负电荷的丧失。在DN的早期就已经出现了足细胞结构和功能的异常〔8〕。②肾小管细胞:ROS通过激活转化生长因子-β(TGF-β)/smad、JUK、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路导致肾小管上皮细胞表型转化，即小管上皮向肌成纤维细胞转化。并可通过增强肾小管上皮细胞基质的分解，加速肾小管基底膜的降解，从而有助于肾小管上皮细胞转化为肌纤维细胞并迁移至肾间质，参与肾间质纤维化的发生。同时ROS还能诱导肾小管细胞的凋亡〔9〕。③肾小球系膜细胞:肾小球系膜细胞富含NADPH氧化酶，也是ROS的靶细胞。介于系膜区和血流之间的内皮细胞也持续表达NADPH氧化酶，将系膜细胞或内皮细胞在高糖或高脂酸环境中培养会激活NADPH氧化酶并促使 ROS产生〔10〕。ROS也能诱导肾小球系膜细胞的凋亡〔11〕，从而促进肾小球瘢痕形成，在肾小球纤维化中起到一定作用。

3.3 ROS参与肾ECM的重构 肾ECM主要为透明质酸(HA)、层黏连蛋白(LN)和Ⅳ型胶原(Ⅳ-C)，ECM的合成增多和(或)降解减少可导致肾小球基底膜增厚、系膜区增宽和间质纤维化，ROS能破坏ECM合成和降解的平衡，引起肾内ECM的重构。①ECM合成增多:在高糖状态下，产生增多的ROS可以激活多条细胞内信号转导系统，活化转录因子，表达相应的活性产物，使 ECM蛋白合成增加，从而促进 DN的发生发展〔12〕。如PKC除了能被所熟知的多种信号因子激活，也能被ROS直接激活，激活的 PKC-β(PKC的同工酶之一)可增加TGFβ1的表达，而TGFβ1被认为是DM肾脏ECM蛋白积聚的关键因子，在 DN系膜细胞中，可以看到 ROS介导的 TGF-β1mRNA 的表达和蛋白的合成明显增加〔13〕，TGF-β1不仅能够促进ECM的合成增加，还促进胶原和LN、硫酸软骨素等基质成分合成增加。ROS不仅能够激活PKC，还能激活MAPK，PKC与MAPK使核因子κB(NF-κB)和激活蛋白-1(AP-1)磷酸化激活，活化的NF-κB和AP-1由胞浆进入细胞核内，分别与特异的DNA序列结合，调节相应基因的转录。如与AP-1结合的DNA序列包含纤维连接蛋白及层黏蛋白的启动子，导致ECM合成增加〔14〕。②ECM降解减少:人体内存在两个主要的ECM的降解系统，包括纤溶酶原激活剂(PA)/纤维蛋白溶酶/PA抑制剂系统(PM)和基质金属蛋白酶(MMP)/MMP的组织抑制剂(TIMP)系统。有研究表明高糖可能以ROS为第二信使，上调了系膜细胞内纤溶酶激活物抑制剂-1(PAI-1)的表达，而PA的表达却得以下调从而使得系膜细胞降解ECM的能力降低〔15〕。高糖培养基中培养的系膜细胞MMPs表达减弱，TIMPs表达增强，提示DN时，高血糖引起的ECM降解减少可能是通过影响系膜细胞的表达来实现的。然而，也有研究证实在肾小管上皮细胞中ROS可导致MMP-9表达上调，而TIMP-1(MMP-9的组织抑制剂)和PAI-1的表达却下调，使肾小管上皮细胞ECM降解能力增强〔16〕。

3.4 ROS介导的肾脏炎症反应 ROS介导的炎症反应也是DN的发病机制之一。ROS可以通过PKC、MAPK途径激活NF-κB和AP-1，介导肾脏细胞多种炎性细胞因子、趋化因子及黏附因子的释放，如单核细胞趋化因子(MCP-1)、白细胞介素-1(IL-1)、白细胞介素-6(IL-6)细胞黏附因子-1(ICAM-1)、TGF-β1、血小板源性生长因子(PDGF)、肿瘤坏死因子-а(TNF-а)等，这些因子构成复杂的网络，以自分泌和旁分泌的方式作用于肾脏细胞，使DM肾脏发生典型的病理改变〔17〕。其中，如MCP-1介导的单核细胞/巨噬细胞(MO/Mφ)在肾脏的聚集和活化所引起的炎症反应是目前研究热点，MCP-1过度表达会介导大量单核巨噬细胞趋化、激活，促进多种活性物质释放，以及蛋白水解酶导致肾小球结构损伤〔18〕。还有ICAM-1的过表达在DN发生中同样起着重要作用，氧化应激通过PKC-NF-κB途径上调ICAM-1蛋白和及其mRNA的表达，ICAM-1的增加促进肾小球处白细胞的黏附加速，以此加速肾小球的损伤〔19〕。

4 DN的抗氧化治疗

鉴于氧化应激在DN的发生、发展的重要作用，对于DN的抗氧化治疗一直是动物和临床研究的热点。在给予链脲佐菌素(STZ)诱导的DM鼠Vit C和Vit E干预后，其脂质过氧化物生成减少，抗氧化酶活性增加，尿白蛋白排泄率减少，并有效的抑制了肾小球基底膜增厚〔20〕。Bhatti等〔21〕发现在STZ诱导的DM鼠中应用α-人亚油酸(α-LA)干预后，其可通过降低机体氧化应激，从而减少蛋白尿，减轻肾小球硬化及肾小管间质纤维化，对肾脏具有一定的保护作用。另外，目前应用于临床的噻唑烷二酮类(TZDs)、他汀类、血管紧张素转换酶抑制剂(ACEI)及血管紧张素受体拮抗剂(ARB)均具有不同程度的抗氧化能力〔3〕。近年研究还发现，多种中药成分可通过减少ECM沉积、改善足细胞结构与功能、抑制结缔组织生长因子(CTGF)的过度表达、干预细胞信号转导、抗炎、抗氧化应激等多靶点作用保护肾脏〔22〕。

综上所述，DM患者体内氧化应激水平的增高是多方面因素参与的，肾脏作为氧化应激的靶器官之一，容易受到氧化应激的损伤，通过多种途径引起肾小球内高压、高灌注、高滤过，肾脏细胞凋亡、破损，ECM代谢紊乱，无菌性炎症反应等，加快了DN的发生发展。抗氧化治疗，对DM肾脏具有一定的保护作用，具有广阔的应用前景，有待进一步开发、研究。

1 Hakim FA，Pflueger A.Role of oxidative stress in diabetic kidney disease〔J〕.Med Sci Monit，2010;16(2):A37-48.

2 Kiyomoto H，Rafiq K，Mostofa M，et al.Possible underlying mechanisms responsible for aldosterone and mineralocorticoid receptor-dependent renal injury〔J〕.J Pharmacol Sci，2008;108(4):399-405.

3 Singh DK，Winocour P，Farrington K.Oxidative stress in early diabetic nephropathy:fueling the fire〔J〕.Nat Rev Endocrinol，2011;7(3):176-84.

4 Bhor VM，Raghuram N，Sivakami S.Oxidative damage and altered antioxidant enzyme activities in the small intestine of streptozotocin-induced diabetic rats〔J〕.Int J Biochem Cell Biol，2004;36(1):89-97.

5 韩宝玲.氧化应激在2型糖尿病及其并发症发病机制中的作用〔J〕.实用临床医药杂志，2011;15(3):122-4.

6 Fukami K，Ueda S，Yamagishi S，et al.AGEs activate mesangial TGF-beta-Smad signaling via an angiotensin II type I receptor interaction〔J〕.Kidney Int，2004;66(6):2137-47.

7 Prabhakar S，Starnes J，Shi S，et al.Diabetic nephropathy is associated with oxidative stress and decreased renal nitric oxide production〔J〕.J Am Soc Nephrol，2007;18(11):2945-52.

8 Wolf G，Chen S，Ziyadeh FN.From the periphery of the glomerular capillary wall toward the center of disease:podocyte injury comes of age in diabetic nephropathy〔J〕.Diabetes，2005;54(6):1626-34.

9 Brezniceanu ML，Liu F，Wei CC，et al.Attenuation of interstitial fibrosis and tubular apoptosis in db/db transgenic mice overexpressing catalase in renal proximal tubular cells〔J〕.Diabetes，2008;57(2):451-9.

10 朱 斌，沈汉超.糖尿病氧化应激的研究进展及其与糖尿病肾病的关系〔J〕.国外医学(泌尿系统分册)，2004;(06):818-22.

11 Kang BP，Frencher S，Reddy V，et al.High glucose promotes mesangial cell apoptosis by oxidant-dependent mechanism〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol，2003;284(3):455-66.

12 Wu J，Mei C，Vlassara H，et al.Oxidative stress-induced JNK activation contributes to proinflammatory phenotype of aging diabetic mesangial cells〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol，2009;297(6):1622-31.

13 Jiang Z，Seo JY，Ha H，et al.Reactive oxygen species mediate TGF-beta1-induced plasminogen activator inhibitor-1 upregulation in mesangial cells〔J〕.Biochem Biophys Res Commun，2003;309(4):961-6.

14 郑美玲，樊均明.氧化应激对糖尿病肾病时细胞、细胞外基质及血管通透性的影响机制〔J〕.中国组织工程研究与临床康复，2007;11(25):4988-91.

15 Lee EA，Seo JY，Jiang Z，et al.Reactive oxygen species mediate high glucose-induced plasminogen activator inhibitor-1 up-regulation in mesangial cells and in diabetic kidney〔J〕.Kidney Int，2005;67(5):1762-71.

16 Ha H，Lee HB.Reactive oxygen species and matrix remodeling in diabetic kidney〔J〕.J Am Soc Nephrol，2003;14(8-3):S246-9.

17 Ha H，Lee HB.Oxidative stress in diabetic nephropathy:basic and clinical information〔J〕.Curr Diab Rep，2001;1(3):282-7.

18 Kiyici S，Erturk E，Budak F，et al.Serum monocyte chemoattractant protein-1 and monocyte adhesion molecules in type 1 diabetic patients with nephropathy〔J〕.Arch Med Res，2006;37(8):998-1003.

19 Hodgkinson AD，Millward BA，Demaine AG.Polymorphisms of the glucose transporter(GLUT1)gene are associated with diabetic nephropathy〔J〕.Kidney Int，2001;59(3):985-9.

20 Kedziora-Kornatowska K，Szram S，Kornatowski T，et al.Effect of vitamin E and vitamin C supplementation on antioxidative state and renal glomerular basement membrane thickness in diabetic kidney 〔J〕.Nephron Exp Nephrol，2003;95(4):134-43.

21 Bhatti F，Mankhey RW，Asico L，et al.Mechanisms of antioxidant and pro-oxidant effects of alpha-lipoic acid in the diabetic and nondiabetic kidney〔J〕.Kidney Int，2005;67(4):1371-80.

22 王海燕，刘亚明，牛 欣.中药防治糖尿病肾病作用机制的研究进展〔J〕.中国中西医结合肾病杂志，2010;11(7):654-6.