Nrf2通路在糖尿病神经病理性痛中的研究进展

焦洋　谢克亮　于泳浩

【摘要】 糖尿病神经病变作为糖尿病最常见且后果最严重的并发症， 其疼痛症状及伴随的精神损害严重影响患者生活质量， 其病理机制多与炎症和氧化应激机制有关。核红素2相关因子（Nrf2）是一种在氧化应激和炎症中发挥多种调节作用的转录因子。本文总结了Nrf2信号通路作为一种核心机制参与了糖尿病神经病变及神经痛的发生和发展， 阐明了Nrf2可作为潜在的治疗靶点用于糖尿病神经病理性痛的治疗。

【关键词】 核红素2相关因子；糖尿病；神经痛；氧化应激；炎症

DOI：10.14163/j.cnki.11-5547/r.2017.34.108

糖尿病周围神经病变（diabetic peripheral neuropathy）是糖尿病常见而棘手的并发症之一， 主要表现为自发性疼痛和痛觉过敏， 尽管其危害巨大， 但由于其病理、生理机制尚不十分明确， 因此， 亟待发现同时针对其多种致病因素的新型治疗药物[1， 2]。慢性高血糖可以引起多种损害， 包括氧化亚硝化应激、神经炎症、多元醇旁路激活、聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（PARP）超表达等， 但研究指出氧化应激在多种机制中发挥中心作用[3]。近年研究发现， 活性氧（ROS）除直接损伤生物大分子以外， 还可以通过调控炎症相关基因转录和蛋白表达诱发以及加重炎症反应[4]。Nrf2被公认可以调节很多抗氧化解毒基因的表达， 越来越多的研究指出， Nrf2在胰岛素抵抗和糖尿病的炎症损害中发挥了重要作用[5]。本文将对Nrf2信号通路在糖尿病神经痛中的研究进展进行综述。

1 Nrf2通路介绍

Nrf2是cap‘ncollar转录因子家族的一员， 广泛存在于大量代谢和解毒器官， 是一种对氧化还原状态异常敏感的转录因子， 该家族由一群含有独特的CNC结构域和高度保守的亮氨酸拉链结构的蛋白组成。非应激条件下， 胞浆蛋白分子伴侣Kelch-like ECH相关蛋白1（Keap1）作为Nrf2的负性调节剂与Nrf2在胞质内结合使其处于抑制状态， 调控着Nrf2的正常泛素化和降解；而当细胞遭遇氧化性伤害时， Keap1在ROS作用下发生结构性改变， 与Nrf2 发生解耦连， 后者转位入核与特异性的脱氧核糖核酸（DNA）识别序列抗氧化反应元件（ARE）结合， 从而开始上调多种抗氧化酶（如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶）和二相解毒酶（如血红素加氧酶1、谷胱甘肽S转移酶、 醌氧还原酶1）的表达。这些物质作为机体自身天然的抗氧化防御体系， 可帮助机体对抗过度的自由基损害， 起到自我防御和修复的作用[6]。这一巧妙的抗氧化防御体系可以有效纠正细胞的氧化还原失衡， 尽快恢复正常功能[7]。

在所有Nrf2调控表达的酶中， 血红素加氧酶1（HO-1）作为血红素降解的限速酶， 既有抗氧化活性又有抗炎、免疫调节和抗凋亡作用。一旦Nrf2与HO-1启动子上的ARE结合， 便可诱发许多细胞中HO-1的表达， 发挥自身防御作用。HO-1的重要作用已在多种基因敲除小鼠疾病模型上得到验证[7]。

2 Nrf2通路在多種疾病中的保护作用

Nrf2通路的多种保护作用已在大量疾病模型中得以确认， 包括炎症性疾病、肿瘤、糖尿病、动脉粥样硬化以及神经退行性变等[8]。在动脉粥样硬化模型中， Nrf2的上调表达可显著减少血管内皮细胞中血管细胞粘附分子-1（VCAM-1）等炎症介质的基因表达， 进而改善动脉硬化。在哮喘动物模型中， 与正常组相比， Nrf2基因缺陷小鼠的肺组织中可检测到更多的炎症因子， 证明Nrf2下调与哮喘的致病机制有关。Nrf2还被证实可保护脑组织免受氧化应激和炎症损害。星形胶质细胞通过表达Nrf2可帮助神经元抵御氧化应激[9]。而采用Nrf2激活剂可在脑损伤模型中显著减轻炎症反应程度[10]。

近年来， Nrf2作为糖尿病及相关并发症的重要分子靶点已被明确提出。在糖尿病神经病变模型中， 坐骨神经中的Nrf2和HO-1表达均显著升高[8]。Nrf2介导的HO-1表达还可减轻福尔马林诱发的炎性痛模型的疼痛症状[11]。这些均可说明Nrf2通路下调与神经病理性痛的发生有关。此外， Nrf2还参与了其他糖尿病并发症的发病， 包括通过上调硫氧还原酶对视神经节细胞发挥神经保护作用；在糖尿病肾病模型中Nrf2基因敲除小鼠表现出更加严重的氧化损害和肾组织损害；而高糖培养的心肌细胞中敲除Nrf2基因可导致氧化应激加重和细胞凋亡[12， 13]。另有一些研究发现， 许多抗氧化剂在糖尿病模型中发挥保护作用的机制与激活Nrf2介导的抗氧化酶系统有关。均提示Nrf2通路是机体抵御内源性和外源性伤害、进行自我修复和疾病预防不可或缺的重要机制。

3 Nrf2发挥保护作用的机制探讨

考虑到机体的多种疾病均与氧化应激机制有关， 而Nrf2作为机体自身重要的抗氧化体系， 在预防和治疗疾病方面具有重要的潜力。由于Nrf2对氧化还原环境高度敏感， 其保护作用可能既与其调节下游多种抗氧化酶的表达来中和ROS并发挥解毒作用有关， 又与其间接减少ROS下游的炎症反应有关。Nrf2通路作为抗氧化反应的重要上游介质， 发挥抗氧化保护作用的机制可能包含以下三点：①激活上游激酶如蛋白激酶B（Akt）和细胞外信号调节激酶（Erk）， 后者通过磷酸化特异性的位点导致Nrf2脱离Keap1的抑制作用。②通过修饰Keap1的丝氨酸残基导致其结构改变而释放Nrf2。③抑制Nrf2的泛素化和降解导致其数量增多。这三方面的共同结果是导致大量Nrf2转位入核激活下游蛋白表达， 发挥抗氧化活性[14]。另外， Nrf2还具有抗炎作用， 其机制可能包含两点：一方面是直接发挥转录作用， 调节下游炎症相关蛋白的表达， 如促炎细胞因子、趋化因子等；另一方面是通过调控抗氧化物表达修复氧化还原失衡， 通过抑制和中和ROS及其下游损害间接减少炎症级联反应的发生[15]。Nrf2的抗炎和抗氧化机制在大量研究中均已证实， 如脂多糖（LP）S刺激下， Nrf2基因敲除小鼠肺成纤维细胞内的NF-κB p65水平显著升高， 胚胎成纤维细胞内的IkB激酶（IKK）活性增强， 说明Nrf2能有效减轻LPS引起的炎症反应[16]。反之， 对LPS处理后的Raw264.7细胞给予LPS激动剂莱菔硫烷后， NF-κB的核转位和蛋白表达水平均明显下降[17]。另外， 还有研究证实缺失Nrf2基因的小鼠， 其机体内促炎细胞因子肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白介素（IL）及炎症相关蛋白表达环氧化酶-2（COX-2）、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）均显著增多[18]， 推测Nrf2基因缺陷可加重炎症反应。另一项研究发现外源性给予HO-1能够抑制内皮细胞中的NF-κB激活， 进一步证实Nrf2下游的HO-1也可抑制炎症反应。这些证据提示， Nrf2可以通过直接和间接作用发挥抗氧化和抗炎效应， 可作为治疗疾病关键的上游靶点。endprint

4 氧化应激在糖尿病神经痛中发挥的作用

周围神经损伤是导致慢性疼痛发生的最主要原因， 因此阻止和治疗神经痛的关键在于明确高血糖环境下神经损伤的病理生理机制。既往研究认为， 高血糖是导致神经损伤和神经痛发生的最主要原因， 但近年来研究发现， 严格的血糖控制并不能阻止神经病变的发生， 甚至许多小神经纤维痛性改变在糖尿病前期即可出现， 这说明高血糖环境引起的代谢紊乱和继发性细胞损害才是引起神经损害的重要机制， 而非高血糖本身[1]。目前发现的高血糖引起神经损害的可能机制包括氧化亚硝化应激、多元醇通路的激活、终末糖基化产物的聚集、神经炎症以及PARP超表达引起的凋亡等， 其中氧化应激和炎症被认为是多种通路的中心机制[4]。然而临床上采用抗氧化剂和抗炎药物治疗痛性神经病变的效果并不乐观， 甚至非选择性的抗炎和抗氧化还可能造成神经损害加重和肾毒性等副作用， 这可能与ROS和促炎细胞因子本身就是机体不可缺少的信号分子有关。另外， 氧化应激状态下， 一些对氧化环境敏感的转录因子如NF-κB、Nrf2等可发生激活或抑制， 通过调控下游分子的表达进一步导致正反馈式的炎症反应发生， 从而导致糖尿病神经病变的进行性加重， 神经功能和神经血供受损， 炎性致痛原释放， 导致疼痛症状的产生[19]。因此， 单纯抗氧化或抗炎均不可取， 未来的研究方向应着眼于明确机体内氧化应激和炎症造成神经损害的分子机制和途径， 并对该途径进行药物干预， 抑制损伤机制和上调保护机制， 在不干扰正常氧化还原稳态和正常免疫防御功能的前提下， 对高血糖环境下的痛性神经损害加以治疗。

5 Nrf2通路对糖尿病神经病变的影响

高血糖可以导致Nrf2信号通路紊乱， 通过引起氧化失衡和炎症反应引起糖尿病神经、视网膜和肾病等血管并发症的发生。既往研究采用姜黄素、褪黑素、白藜芦醇等增强Nrf2通路的药物治疗糖尿病神经痛动物模型时都发现其对改善神经功能、运动感觉症状和生物化学损害方面有效。这些药物能上调Nrf2和HO-1的表达水平， 后者通过纠正氧化还原失衡从根源上抑制炎症级联反应的进一步发展[20]。最佳的治疗方案应以不干预机体的基础内环境为原则， 而非不加选择的清除所有自由基来实现目的， 通过调控Nrf2通路的表达可以在上游调控各种蛋白表达的时机和程度来达到治疗作用， 通过影响氧化还原平衡的关键分子表达实现机体的氧化还原稳态， 预防和控制疾病的发生发展。

Nrf2已被证实在糖尿病及其并发症中发挥着重要调节作用， 有研究证实， 与正常大鼠相比， Nrf2和HO-1在糖尿病大鼠的坐骨神经中表达下调[12]。类似的结果也在其他糖尿病动物模型， 如福尔马林引起的急性炎性痛模型、糖尿病视網膜病变模型及糖尿病神经损伤模型中得到印证， 而在Nrf2基因敲除小鼠中却发现了更高的ROS水平和加重的氧化损伤及神经损害。这些研究均说明， Nrf2介导的HO-1表达及下游的过氧化氢（H2O2）等保护性自由基在机体内发挥着内源性的“抗氧化卫士”作用， 一旦该机制被抑制可导致多种疾病的发生， 而通过激活Nrf2和增强下游表达可以减轻外源性损伤对神经元的影响， 抑制和减慢高血糖导致的神经损害进程， 起到预防和治疗神经病变的作用。

6 小结

近年来， Nrf2通路在神经保护、炎症性疾病及肿瘤的干预和治疗方面发挥的重要作用已经得到了广泛关注， 氧化应激作为糖尿病神经病理性痛的核心枢纽机制， 通过与多种炎症和凋亡通路的相互作用导致了神经病变的进一步发展， 而Nrf2在平衡氧化还原稳态和机体自身对抗氧化性损害方面发挥的重要作用使之成为糖尿病神经痛的潜在治疗靶点。因此， 针对Nrf2通路的进一步研究可为痛性糖尿病神经病变的治疗提供新的方向和思路。

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[收稿日期：2017-10-12]endprint