多元醇通路与氧化应激在糖尿病慢性并发症中的关系

陈振宇综述，汤礼军审校

糖尿病慢性并发症（diabetic chronic complication，DCC）如糖尿病眼病、糖尿病肾病、糖尿病神经病等严重影响着糖尿病患者的健康和生命，是糖尿病患者致死、致残的主要原因。DCC发病机制错综复杂，存在着多种学说，主要包括多元醇通路（polyol pathway,PP）、氧化应激（oxidative stress，OS）、蛋白激酶C、蛋白质非酶糖基化等学说。各种学说之间相互联系，相互促进，共同参与DCC的发生发展。近年来的研究热点又转移到了醛糖还原酶（aldose reductase，AR）活性增强所致PP 的激活与氧化应激的关系上。本文主要对在DCC 中PP 与氧化应激之间的关系做一综述。

1 氧化应激与多元醇通路

氧化应激是指机体活性氧基团（reactive oxygen species，ROS）产生增多和/或清除减少,同时机体抗氧化能力下降，打破了机体氧化和抗氧化之间的动态平衡，从而造成对机体的氧化损伤，导致正常生命活动紊乱而形成的一种应激状态［1］。ROS是指羟自由基、过氧化氢、超氧阴离子等活性含氧化合物的总称。正常状态下,机体自由基的产生和清除保持平衡，而糖尿病高糖环境时，通过线粒体中糖氧化及葡萄糖自身氧化的增加，己糖胺途径、多元醇通路的激活，蛋白激酶C 的活化等机制,导致机体产生大量自由基，同时机体抗氧化能力下降,谷胱甘肽过氧化酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等抗氧化酶活性降低,维生素C、谷胱甘肽（GSH）等抗氧化剂水平也有不同程度的下降［2］。故高糖状态时，机体通过以上变化，打破了机体氧化和抗氧化之间的动态平衡，造成对细胞和组织的氧化损伤,最终导致DCC 如糖尿病眼病、糖尿病肾病、糖尿病神经病等相关疾病的发生发展。

PP 是机体葡萄糖代谢途径之一，其中醛糖还原酶（aldose reductase，AR）、山梨醇脱氢酶（sorbitol dehydrogenase，SDH）共同参与了该通路的代谢过程，在此代谢过程中，葡萄糖不再被己糖激酶催化成6-磷酸葡萄糖，而是在AR和还原型辅酶Ⅱ（NADPH）的作用下，将其还原为山梨醇，然后在SDH 和氧化型辅酶I（NAD+）的作用下，山梨醇被氧化为果糖［3］。以上是PP 的一个完整代谢过程，而AR 是该过程的关键酶。机体血糖正常时，AR 活性较低，此时只有不到3%的葡萄糖进入该通路，而在高糖环境下，AR的活性则显著增强，此时PP被激活，大约有30%的葡萄糖进入了该通路，生成大量的山梨醇，而SDH活性并没有相应增强，就造成了山梨醇在细胞内大量堆积［4］。山梨醇是强极性化合物，具有很强的渗透性,其在细胞内积聚一方面可以使细胞发生渗透性肿胀及渗透性损伤,另一方面还会造成肌醇、K+丢失，Na+-K+-ATP酶活性降低，从而导致细胞结构的完整性和功能受到影响，最终引发机体一系列病变［5］。

2 在转基因糖尿病小鼠中多元醇通路与氧化应激之间的关系

正常情况下，小鼠晶状体中PP关键酶AR表达水平较低，并且小鼠自身具有抵抗发展为糖尿病白内障的能力。为了证明PP在糖尿病白内障发病机制中的作用及PP与氧化应激之间的关系，Lee等［6］研发了在晶状体中高表达ARCDNA的转基因小鼠。血糖正常时，没有发现转基因小鼠晶状体有形态学的异常，意味着高表达AR 对晶状体没有产生有害的作用。但是对转基因小鼠腹腔注射链脲佐菌素，使其发展为糖尿病鼠后，转基因小鼠白内障的发病率与其晶状体内AR 的表达成正相关，这就表明AR 是糖尿病白内障发病机制的关键酶。用这些转基因糖尿病小鼠和普通糖尿病小鼠进行对比，发现转基因糖尿病小鼠晶状体中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化酶等抗氧化酶活性均明显低于普通糖尿病小鼠，而脂质过氧化产物丙二醛却明显高于普通糖尿病小鼠。当把SDH缺陷突变基因引进转基因糖尿病小鼠时，其晶状体中谷胱甘肽过氧化酶和丙二醛水平在一定程度上得到了改善。此结果表明，PP 在糖尿病白内障的发病机制中起到了重要作用，同时PP 对晶状体氧化应激也起到了一定的作用。

Chung 等［7］利用AR 基因敲除鼠，通过检测神经传导速率和神经组织的病理改变，证明了PP 在糖尿病神经病发病机制中的作用及PP与氧化应激之间的关系。当这些AR基因敲除鼠被诱导成糖尿病鼠后，其神经传导速率并没有降低，神经组织也没有出现明显病理改变；而当普通小鼠被诱导成糖尿病鼠后，神经传导速率却显著降低，部分神经组织出现神经细胞水肿及纤维变性坏死，表明AR基因缺陷能够阻止这些糖尿病小鼠发展为糖尿病神经病。在普通糖尿病小鼠的神经组织中抗氧化剂谷胱甘肽（GSH）水平明显降低，而AR基因敲除糖尿病小鼠GSH水平没有发生变化。此结果表明，PP 在糖尿病神经病的发生发展中起到了重要作用，同时PP 对神经组织氧化应激也起到了一定的作用。

3 多元醇通路与氧化应激之间联系的可能机制

Lee、chung 等已经证明糖尿病时，在晶状体和神经组织中，PP 对氧化应激起到了重要的作用。这种作用可能通过以下三条途径来实现：（1）AR的激活需要消耗还原型辅酶Ⅱ（NADPH），而谷胱甘肽还原酶将氧化型谷胱甘肽（GSSG）催化生成谷胱甘肽（GSH）时也需要消耗NADPH，AR与谷胱甘肽还原酶竞争性的利用NADPH，然而在高糖环境下大约有30%的葡萄糖进入了PP，促使大量的NADPH被AR消耗，从而使GSH生成减少，导致了自由基清除减少［8］。（2）山梨醇通过SDH氧化成果糖时，也引起了机体氧化应激，因为此过程消耗NAD+，生成还原型辅酶I（NADH），而NADH 是生成活性氧（ROS）的重要底物［9］。（3）PP过程中产生的果糖可被磷酸化为3-磷酸果糖,3-磷酸果糖水解后形成3-脱氧葡萄糖醛酮（3-DG），再经过重组、脱氢、交联等一系列反应,最终形成不可逆的晚期糖基化终末产物（AGEs），而AGEs 可通过自氧化以及与其细胞膜上的受体结合，产生大量的羟基和超氧阴离子等活性自由基［10］。已证实体外应用醛糖还原酶干扰RNA以及醛糖还原酶抑制剂均可抑制氧化应激活性氧水平［11］。同时糖尿病高糖环境下，氧化应激也可以促进AR活性增强及ARmRNA 的表达增加［12］。国内已有学者运用抗氧化剂通过减轻高糖培养下系膜细胞的氧化应激而降低了AR 的活性［13］。因此我们认为，高糖导致AR 活性的异常升高和ARmRNA表达增加，从而引起PP的激活,PP的激活加剧氧化应激,反过来氧化应激又影响AR 的活性及ARmRNA表达，两者相互联系、相互促进，形成恶性循环，共同参与DCC的发生发展。

4 相关药物治疗

4.1 抗氧化剂 在大量的动物实验和临床研究中均已明确证实，抗氧化剂可通过直接清除机体已经产生的自由基或抑制机体自由基的产生，提高机体抗氧化能力，从而达到减轻糖尿病时机体氧化应激的目的［14］。有研究显示，临床常用药物如他汀类、噻唑烷二酮类、钙通道阻滞剂、AngⅡ受体拮抗剂、血管紧张素转换酶抑制剂等具有较强的抗氧化作用，他汀类可减少超氧化物的产生并增加NO的生物学效应；噻唑烷二酮类可清除机体过多的自由基；钙通道阻滞剂可减少AGEs受体基因的表达，从而减少ROS的产生；AngⅡ受体拮抗剂、血管紧张素转换酶抑制剂则可通过阻断NADPH 氧化酶通路来减轻机体氧化应激［15］。另外，维生素E、维生素C、α-硫辛酸、GSH 也是临床应用得比较多的抗氧化剂。虽然抗氧化剂已经被证实可以较好的防治DCC，但是其种类繁多，为了尽可能的为病人提供更准确、更高效的治疗，减轻病人不必要的经济负担，如何根据不同的糖尿病病人及发病的不同时期，选择最合适的药物，达到最理想的治疗效果，还有待进一步研究。

4.2 醛糖还原酶抑制剂 大量动物实验已证实，醛糖还原酶抑制剂（ARI）对于糖尿病许多并发症都有防治作用。它可以通过抑制PP 的异常激活，改善神经营养因子的缺乏,以恢复受损神经纤维的再生能力；改善微血管血流动力学异常，以减轻肾小球小动脉扩张，使肾小球滤过率恢复正常；改善视网膜中微血管的通透性，以防止视网膜中蛋白的异常渗透。

ARI 可分为海因类和羧酸类。属海因类的有索比尼尔和咪瑞司它等，属羧酸类的有依帕司它、托瑞司它和阿司它丁等。虽然ARI 在大量的动物实验中取得了很好的疗效，然而在临床试验中却并不理想［16］。目前通过临床试验的只有依帕司它，已在日本和欧洲上市。其他的几种ARI因疗效不确切、缺乏治疗的专一性或是副作用太大,而被停用或淘汰。近年来随着对AR的空间结构、催化机制以及活性部位的前沿性研究不断深入，计算机辅助设计和重组技术的日益成熟,研发出低毒、专一、高效的ARI 已逐渐成为可能，而且微生物及中草药来源的天然ARI 在临床治疗中也取得了不错的效果［17］。相信随着对ARI 研究的不断深入，更多更好的ARI 的会在不久的将来问世,在防治糖尿病慢性并发症方面发挥重要的作用。

5 结语

DCC 的发病机制十分复杂,迄今为止的研究已证实，PP、氧化应激是其中比较重要的机制，在DCC中所起的作用已被广泛认同，但其中许多机制仍不清楚。如高糖具体通过何种途径激活AR，SDH 的抑制也能在一定程度上缓解机体氧化应激，PP、氧化应激与DCC发病机制的其它途径如蛋白激酶C、晚期糖基化终末产物、己糖胺途径之间错综复杂的关系等诸多问题仍待深入研究。相信随着对DCC发病机制各种途径之间关系的深入研究,DCC 发病机制的理论基础将更加丰富，广大研究人员对DCC 发病机制的认识也将进一步加深,有助于启发研究人员新的研究思路，探寻药物作用的新靶点及新的治疗手段,对DCC的防治带来新的希望，为广大糖尿病患者带来福音。

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