高糖环境下血管内皮氧化应激损伤的发生机制

张娜　曾凯

[摘要] 伴随着糖尿病患者的逐年增加，糖尿病并发症所导致的死亡也越来越受到重视。在文中主要就高糖诱发氧化应激损伤引起的血管内皮功能紊乱的发生机制展开分析，以期可以为糖尿病的血管并发症治疗提供借鉴。

[关键词] 糖尿病；高糖环境；血管内皮；并发症；氧化应激

[中图分类号] R587.2 [文献标识码] A [文章编号] 1672-4062（2018）02（a）-0197-02

研究数据显示2013年全球便已存在3.82亿的糖尿病患者，2015年糖尿病患者的人数则增加达4.15亿，同时每两秒就有新的患者确诊为糖尿病，而由于其严重并发症，每6 s就有一人死于糖尿病。其中，心血管系统相关并发症作为2型糖尿病高致死率及致残率的主要原因，阐明心血管并发症的发病机制对降低糖尿病的致死率至关重要。

研究证据表明，高糖诱发氧化应激损伤引起的血管内皮功能紊乱是糖尿病血管并发症发生发展的基础。活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）作为体内氧化应激的始发因素，其动态平衡对于维持血管内皮的功能稳定具有重大影响，不仅能够参与调控血管内皮细胞的凋亡、坏死，还可以作为重要的信号转导分子，激活细胞内多条信号通路，介导炎症因子释放、血管形态结构改变及通透性增大等损伤反应的发生。

1 高糖环境下ROS的生成增加

线粒体作为体内ROS来源的主要细胞器，呼吸链中产生超氧化物如O2-和 H2O2构成生物体内ROS的90%以上。在糖尿病的高血糖环境下，机体的糖代谢转换为脂质代谢增加，使体内游离脂肪酸升高，可引起线粒体的分裂及融合，使线粒体内膜电位超极化，从而导致线粒体电子转移链解耦联引起超氧化物的生成增加。而持续暴露于高糖环境中促使线粒体ROS的过度生成，可进一步加重线粒体形态和功能的损伤，形成恶性循环。

除了线粒体损伤引起的ROS生成增加外，高糖诱导的内皮损伤能通过激动内皮一氧化氮合成酶（eNOS）催化精氨酸促使NO的合成增加，导致亚硝基-氧化还原反应失衡，使ROS和过氧硝酸盐生成增加。其中过氧硝酸盐可通过氧化小分子的抗氧化物质如谷胱甘肽、半胱氨酸和四青生物素，引起脂质过氧化及酪氨酸硝基化导致相关酶的失活和DNA的损伤而引起细胞毒性，促使血管内皮的损伤。

Nox作为NADPH氧化酶催化亚基的同源物，可通过接受来自NADPH的电子将其转移给分子氧而使过氧化自由基的生成增加，加速血管内皮氧化应激反应的发生，并且可促使ROS的聚集参与细胞增殖、分化、凋亡的调节。参与血管氧化应激反应的主要包含Nox家族的多个亚型Nox1，Nox2，Nox4。研究证实，糖尿病小鼠主动脉血管内皮细胞中Nox1的表达及活性增加参与血管内皮的损伤，而肾脏内Nox2的活性增加则参与ROS产生及细胞内黏附分子ICAM-1及血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表达。

2 高糖环境下促氧化应激反应信号通路的激活

2.1 多元醇通路的激活

高糖环境下，细胞内葡萄糖水平的增高可通过激活多元醇通路加速细胞损伤。过量的葡萄糖可在醛糖还原酶及山梨醇脱氢酶的催化作用下依次转换为山梨醇及果糖，在该反应发生的同时，NADPH被氧化致使其含量减少，而NADPH的过量消耗一方面可抑制体内抗氧化剂谷胱甘肽的合成使谷胱甘肽生成减少，另一方面可提高醛糖还原酶的活性，在一定程度上调控谷胱甘肽基因的表达引起谷胱甘肽的的下调，从而增加氧化应激，诱导内皮细胞的损伤。

2.2 蛋白激酶C（PKC）的激活

PKC属于丝氨酸/苏氨酸激酶家族，存在多种亚型。研究表明，在PKC的众多家族成员中，PKC-β，PKC-δ及PKC- 3个亚型参与糖尿病发生发展。高糖环境下，与血管再生相关的PKC-β先被激活，促使VEGF的表达增加，增加了微血管疾病发生的风险。在多元醇通路激活的过程中，醛糖還原酶活性的提高能激活PKC-δ，激活的PKC-δ可发生移位，由细胞质转入线粒体或细胞核，然后作用于下游的底物蛋白，促进凋亡相关因子的活化，最终引起细胞的凋亡。此外，PKC-δ还可参与p38αMAPK通路的调控，抑制血小板源生长因子的生长活性，导致肾脏周细胞的凋亡和无细胞毛细血管的形成。PKC- 则高表达于内皮细胞，参与VEGF调控的细胞增殖及TNF-α和凝血酶诱导的内皮细胞高渗透性的改变。

2.3 晚期糖基化终末产物（advanced glycation endproducts，AGEs）的形成

持续的高糖环境下，葡萄糖等还原糖的醛基能够在非酶催化的反应条件与蛋白质、核酸、脂质等大分子物质的氨基发生反应生成具有生物学活性的晚期糖基化终末产物，具有活性的AGEs不但能够通过与结构蛋白如弹性蛋白，层粘连蛋白，胶原蛋白Ⅳ发生交联促进活化羰基化合物的形成，引起AGEs的产生和积聚，使被修饰的蛋白结构及功能发生改变，而且还可以通过与细胞膜表面相应的AGEs受体结合介导细胞内的信号转导，调控ROS的产生和NF-B的激活，促进VEGF和单核细胞趋化蛋白-1及纤溶酶原活动物抑制剂1等细胞因子表达，参与细胞炎症反应的发生。此外还可通过对RhoA/ROCK信号通路的调控促使血管内皮细胞骨架蛋白 F-actin 的重排以及细胞通透性的改变。

2.4 新型的小GTP结合蛋白

GTP结合蛋白作为细胞内庞大的蛋白家族，主要参与胞内氧化应激反应激发信号串联的调控。在GTP蛋白超家族中，Ras和Rho蛋白已被证实在糖尿病血管病变中扮演重要角色。Ras家族包含3个高度同源的蛋白：H- Ras，K- Ras，N-Ras，其中H-Ras在糖尿病ROS生成及氧化应激反应的发生中起相互促进的作用。一方面，活化的H-Ras可能通过激活Nox系统产生更多的ROS，另一方面，ROS能影响H-Ras和效应蛋白Raf-1复合物Ras/Raf的形成，激发Ras/Raf/MEK/ERK连锁反应，从而诱导细胞内氧化应激导致细胞功能障碍和凋亡。此外，H-Ras还能上调基质金属蛋白酶MMP-9的表达，促进糖尿病肾病血管的通透性增加和毛细血管凋亡。Rho家族及其下游的靶蛋白构成的Rho-ROCK信号通路参与AGEs诱导的血管内皮细胞骨架重构，增殖，分化以及ROS的聚集。

2.5 活性因子释放的增加

除了上述信号通路的激活，细胞因子等活性因子在氧化应激的损伤反应过程中也扮演重要角色。高糖环境下，ROS的增加可以促使血管内皮合成和分泌的NO发生灭活，内皮素-1、VEGF的产生及纤维连接蛋白和胶原蛋白Ⅳ的表达增加，使血管内皮通透性增大、白细胞和血小板粘附力的增加、血管内纤溶物质的分泌减少致使血管内皮修复能力的降低，最终引起血管内皮的结构及功能紊乱。

3 高糖环境下抗氧化应激反应信号通路的激活

3.1 Nrf2-Keap1抗氧化防御系统

Nrf2作为抗炎症反应的调节因子，在调控抗氧化应激保护性通路中发挥重要作用。正常情况下，Nrf2与细胞质内Kelch 样ECH 相关蛋白1（Keap1）相结合，维持低转录状态。在高糖诱发的氧化应激反应中，Nrf2从keap1上解离并转移到细胞核，与抗氧化反应元件ARE相結合，从而启动下游的抗氧化、抗炎等相关靶基因如GSH的转录激活。研究证实，Nrf2可通过调控与GSH的生物合成相关的半胱氨酸连接酶的转录而参与抗氧化物质GSH的合成。Keap1作为Nrf2-Keap1信号转导过程中的重要因子，在高血糖的环境中能够发生keap1启动子的甲基化，激活自身的转录，从而增强Nrf2的功能，参与细胞抗氧化应激及有害物质的损伤。

3.2 SIRTs

沉默信息调节因子（silent information regulator factor，SIRT）作为高度保守的 NAD+依赖的蛋白去乙酰化酶类，可通过调节其自身的表达参与氧化还原反应的调整。研究证实，位于胞浆及胞核内的SIRT1表达上调可抑制NF-B通路而参与胰腺β细胞的保护，减轻细胞毒性反应，此外，SIRT1还可以通过抑制 NADPH 氧化酶的激活参与氧化应激反应的调整。而SIRT家族中的其他亚型，SIRT3主要存在于细胞的线粒体内，可通过引起FOXO3的去乙酰化而保护线粒体免受氧化应激反应的损伤，SIRT6则主要存在于胞核，参与内皮细胞DNA 损伤的保护。

除了上述途径之外，影响氧化应激的相关因素还有很多，如SIRTs去乙酰化修饰、DNA甲基化、组蛋白修饰等，可通过改变转录激活基因的表达，影响相关蛋白酶的活性，参与血管内皮炎症反应的调整及氧化应激损伤的保护。此外，随着研究的进一步深入，越来越多的关联因素被发现，如miRNAs，多巴胺D4受体，E3泛素酶连接酶Siah-1等均参与血管氧化应激的损伤与保护[1-2]。

4 问题与前景

血管内皮氧化应激损伤在糖尿病血管并发症的发生发展过程中扮演重要角色，了解其具体的发生机制对预防及治疗血管病变的发生具有重要意义。尽管目前对于其发生机制已有了详尽的研究，但是各个影响机制之间的关联作用尚未被证实，相关机制之间的横向研究很少。相信随着研究的进展，对于血管氧化应激发生机制有了更加综合的了解之后，寻找一个有效的靶点分子指日可待。

[参考文献]

[1] 仇冬峰，胡云辉，高照，等.多巴胺D4受体对糖尿病血管内皮损伤的保护作用[J].中华高血压杂志，2016，24（3）：226-230.

[2] 谷巍，张雪坤，赵正历，等.E3泛素连接酶Siah-1与糖尿病血管内皮损伤的关系研究[J].中国现代医学杂志，2016， 26（5）：22-25.

（收稿日期：2017-11-08）