氧化应激状态对慢性肾脏病的影响研究进展

石承乾 张冰冰 鲁科达 夏虹

慢性肾脏病（chronic kidney diease，CKD）具有患病率高、知晓率低、预后差及医疗费用高等特点，已成为世界各国所面临的重要公共卫生问题，我国CKD患病率达10.8%[1]。CKD患者往往合并有糖尿病、高血压、血脂异常等，可引发心血管疾病甚至死亡，而氧化应激则在其中扮演重要的角色[2-3]。当多种原因引起线粒体负荷过重，导致活性氧（reactive oxygen species，ROS）增多，细胞抗氧化能力下降，生理性防御机制破坏，这是是氧化应激发生的关键。体内的ROS积聚过多，损害机体内多种正常的蛋白质、脂质、核酸等物质，加剧炎症反应并加速肾损伤进展。因此，临床可通过检测CKD患者相关生物标志物来评估机体氧化应激状态。本文就氧化应激状态对CKD的影响研究进展作一综述。

1 肾脏ROS来源

紫外光、电离辐射、药物等是体内非酶方式诱导ROS形成的主要原因，在细胞内，大量ROS由线粒体电子传递链生成，而细胞色素P450家族、黄嘌呤氧化还原酶（xanthine oxidoreductase，XOR）、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶（NOX）等催化酶会极大影响 ROS 生成[4]。NOX 家族中 NOX1、NOX2、NOX4被证实在肾皮质中表达，其中NOX4为最常见的亚型，当处于CKD等病理情况，或受到血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）、葡萄糖、生长因子及炎症介质等刺激时，NOX4在肾脏高表达且为肾脏ROS主要来源，是肾脏氧化应激和肾损伤的关键[5-6]。

2 CKD患者氧化应激状态

氧化应激是体内ROS增加而抗氧化物下降引起的结果。机体中存在生理性防御机制，氧化代谢失衡可多方面影响肾脏，包括血管反应性、肾血流动力学、肾小球滤过率以及所有肾单位的肾小管重吸收与分泌功能，引起肾损伤[7]。通过检测蛋白质、脂质、核酸氧化产物等相关生物标志物可评估CKD患者机体内氧化应激状态及抗氧化能力。

2.1 CKD患者氧化系统变化 评估CKD患者氧化应激状态是探索新的治疗方法至关重要的一步，而氧化应激损伤蛋白质、脂质、核酸等引起的产物具有较长半衰期，因而可作为评估氧化应激状态的生物标志物。晚期氧化应激蛋白产物（advanced oxidation protein products，AOPP）和晚期糖基化终末产物是蛋白质氧化应激的生物标志物。研究提示AOPP可引起细胞内炎症，引起肾脏机构及功能异常，引起肾小球肥大及蛋白尿等，并指出AOPP与肌酐清除率存在负相关[3]，可反映CKD患者肾功能状态。

脂类分子的结构使其易受氧化，丙二醛（malondialdehyde，MDA）、丙烯醛、4-羟基壬烯酸（4-hydroxynonenal，HNE）及硫代巴比妥酸反应物质（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）等在脂质氧化过程中产生。研究发现在局灶节段性肾小球硬化患者的血浆MDA明显高于肾脏微小病变患者及正常对照患者，提示氧化应激在肾小球硬化的病理性进展中扮演重要的角色，并在没有肾活检情况下对鉴别局灶节段性肾小球硬化与肾脏微小病变有一定价值[8]；但因MDA的水溶性，可在血液透析过程被清除，因此在评估血液透析患者氧化应激时有一定的局限性。研究证实，CKD患者血清MDA水平明显高于健康对照患者，并且终末期肾脏病患者MDA水平高于血液透析或腹膜透析患者[3，9]。F2-isoprostane是花生四烯酸非酶氧化形成的一种在细胞膜磷脂上的不饱和脂肪酸，可在血清及尿液中检测出[10]，随着疾病进展，CKD 3～5期患者血清游离F2-isoprostane水平明显高于健康对照患者[11]。

8-羟基脱氧鸟苷为白细胞DNA损伤的标志物，在氧化化合物和核酸的相互影响下增加，在肾衰竭进展中逐渐上升，并是透析患者全因死亡率的独立预测因子[12-13]。CKD 患者 AOPP、MDA、F2-isoprostane、8-羟基脱氧鸟苷等氧化指标明显升高，提示CKD患者机体内同时存在蛋白质、脂质、核酸等多种氧化应激损伤，一方面可作为氧化应激的生物标志物，评估氧化应激状态；另一方面随着肾功能下降，AOPP、晚期糖基化终末产物等氧化产物在体内蓄积成为了尿毒症毒素，损伤细胞、组织、器官，引发炎症和免疫功能紊乱等全身性反应，加速了CKD进展。

2.2 CKD患者抗氧化系统变化 内源性酶与非酶抗氧化机制与氧化应激产物引起的破坏性效果相关，其中脂溶性抗氧化剂包括维生素E、β-胡萝卜素及辅酶Q；水溶性抗氧化剂包括维生素C、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）等；而铁蛋白、转铁蛋白和白蛋白通过螯合金属离子跃迁发挥非酶抗氧化作用。

SOD是重要的内源性抗氧化酶，其3种亚型（SOD1、SOD2、SOD3）存在于肾组织线粒体、细胞质及细胞外空间[3]。SOD活性受抑制则增强肾脏ROS活性，从而降低肾脏血流、肾小球滤过，成为大鼠高血压的潜在因素[14]。有临床研究证实CKD患者血清SOD明显下降[9]，但在未进行透析治疗的CKD5期患者中SOD2反而升高，并且对患者生存没有获益[15]。

CAT存在于所有的需氧细胞中，并在肾组织表达升高，在减少ROS及抑制脂质过氧化过程中起到重要作用。研究指出，脂多糖（LPS）诱导的CAT失活会明显加重内毒素血症大鼠肾脏损伤[16]。但在临床研究发现，CAT活性在众多CKD临床研究结果中表现不一致，作为CKD患者的氧化应激指标值得商榷，但对糖尿病患者是一个可信赖的氧化应激指标[17]。

谷胱甘肽（glutathione，GSH）是机体 H2O2、羟自由基（OH-）及含氯氧化剂的清除剂；GSH-Px则以GSH作为供氢体，将H2O2及其他有机过氧化物转化H2O及O2，达到抗氧化作用[3]。而GSH-Px可分为细胞内GSH-Px以及存在于血浆的细胞外GSH-Px（eGSH-Px）。CKD患者 eGSH-Px 活性及 GSH 含量较健康者明显降低[9，13，18]，肾脏替代治疗对eGSH-Px活性具有消极影响，血液透析患者透析后eGSH-Px活性明显低于CKD3～5期非血液透析患者[18]。

对氧磷酶-1（paraoxonase-1，PON1）是人 PON1 基因产物，具有催化水解磷酸酯键作用，并具有过氧化物酶活性[19]。研究发现，CKD患者PON1活性低于控制对照组，其活性与血清MDA等水平相关，并且CKD患者PON1血清水平与受损的主动脉功能显著相关[20-21]。

此外，非酶类抗氧化物系统在机体内也起到重要的抗氧化作用，其重要组成之一维生素C广泛分布于细胞内液及细胞外液中，在清除ROS以减少氧化应激带来的损害过程中扮演着重要的水溶性抗氧化剂作用。而维生素E可保护细胞膜不受脂质过氧化影响，并且可形成低反应性的维生素阻断自由基级联反应[3]。

CKD患者SOD、GSH-Px及PON1等抗氧化指标明显降低，提示CKD患者抗氧化能力下降，氧化/还原失衡，更易受到氧化应激损伤，促进CKD进展。

2.3 氧化应激状态与CKD的关系 研究发现，CKD患者ROS活性明显高于健康对照患者[22-23]。而ROS过多积聚于体内产生多种氧化应激产物。CKD患者机体游离 F2-isoprostane、AOPP、MDA[3，8-9，11-12，17]等氧化激指标明显高于健康对照患者，并且这些指标与肾小球滤过率存在负相关[17，24]。与此同时，CKD 患者 SOD、GSH-Px、PON1等抗氧化酶活性较健康对照患者下降，维生素C、维生素 E 等非酶类抗氧化物水平降低[3，9，13，18，20-21，25]。并有研究报道AOPP水平与血清MDA水平呈正相关，而GSH-Px与其呈负相关[21]。CKD患者普遍存在氧化应激状态，氧化应激的增加和抗氧化能力的下降与肾功能减退相关，氧化/还原平衡遭到破坏是氧化应激发生的关键。

3 氧化应激与CKD危险因素的关系

3.1 氧化应激与高血压 高血压在CKD患者早期即可出现，并会增加CKD患者心血管疾病发生率和病死率，控制血压是CKD管理预防核心要素[2]。高血压患者肾脏是氧化应激的重要部位，肾脏氧化应激在高血压引起肾脏血管收缩、肾组织损害中具有重要作用，是肾脏内皮功能、一氧化氮（NO）生物利用度及肾小管离子通道表达的关键调节因素，可引起肾血管病理性改变，最终导致慢性高血压的发生[26-27]。使用抗氧化剂、超氧化物歧化酶模拟物及肾素-血管紧张素系统（RAS）阻滞剂等可减少ROS释放，减弱或延缓高血压发病，保护肾脏结构和功能[28]。

3.2 氧化应激与糖尿病 糖尿病是老年CKD患者非常普遍的危险因素，高血糖促进钠-葡萄糖协同转运蛋白 2（sodium-glucose cotransporter 2，SGLT-2）驱动肾小管钠的重吸收，随后抑制球管平衡并激活致密斑中RAS，引起入球动脉扩张并收缩出球动脉[2，29]，在早期可表现为一侧或双侧肾脏肾小球滤过率升高；但持续高血糖状态刺激线粒体过度释放ROS，通过转录因子NF-κB、蛋白激酶 C（protein kinase C，PKC）等途径，增强肾脏炎症、破坏血管内皮功能，促进动脉粥样硬化及细胞外基质（extracellular matrix,ECM）沉积，引起肾纤维化逐步加重，最终导致肾小球滤过率逐渐下降而进入终末期肾脏病[30]。

3.3 氧化应激与脂质代谢异常 CKD患者常伴有脂质代谢异常及尿毒症毒素相关的脂质颗粒修饰，致动脉粥样硬化因子低密度脂蛋白（LDL）被过度释放的ROS氧化形成氧化低密度脂蛋白（oxidized LDL，OX-LDL），促进内皮细胞分泌单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemotactic protein 1，MCP-1），诱导单核细胞与巨噬细胞在血管中浸润，浸润的巨噬细胞通过清道夫受体吞噬OXLDL后形成泡沫细胞并停留在血管壁，促进炎症反应并引起内皮功能障碍，导致动脉粥样硬化[2]。而OX-LDL可通过植物血凝素样氧化低密度脂蛋白受体（lectin-like oxidized low-density lipoprotein receptor，LOX-1） 刺激ROS生成，形成ROS-LDL-OX-LDL-ROS恶性循环，最终导致肾脏缺血、炎症及纤维化[31]。

3.4 氧化应激与炎症反应 持续存在的低度炎症已成为CKD重要组成部分，在CKD病理进展中具有独特作用，造成蛋白质-能量消耗（protein-energy wasting，PEW）状态，并增加CVD及全因死亡率风险[32]。当过度产生的自由基介导肾损伤发生后，通过多种促炎症反应信号通路引起中性粒细胞等炎症细胞浸润于损伤的肾组织，而炎症反应则可通过NOX系统促进超氧化物产生，持续性造成肾脏损伤或充当信使分子，进一步加重局部炎症反应，长期氧化应激及慢性炎症引起的肾损害最终导致肾单位缺失，加速CKD的进展[33]。氧化应激与炎症反应则形成了一个自我循环，修复自由基损伤的炎症过程成为额外自由基的来源，因此控制氧化应激及炎症反应是CKD长期管理重要的举措。

3.5 其他 社会人口老龄化必将增加CKD绝对数量，而糖尿病、肥胖的流行最终可能成为CKD主要病因[2]。老龄化引起的相关功能损伤归咎于氧化应激对脂质、蛋白质、DNA等大分子氧化产物积累[34]，而肥胖患者相关并发症由炎症/氧化信号通路，激活RAS、NF-κB等系统，导致内皮功能紊乱，引起CKD的发生、发展[35]。

4 氧化应激与肾纤维化

肾纤维化是CKD进展到终末期肾脏病的共同途径，而ROS则可通过多种通路引起肾损伤，在肾纤维化进展中起到重要作用。TGF-β/Smads通路被认为是纤维化疾病中的关键机制，其中关键因子TGF-β1通过NF-κB、p38MAPK、JNK、ERK1/2 等通路促进肾纤维化进展[14]。ROS产生增多及氧化应激的增强与TGF-β1生成与激活密切相关[36]。研究发现，TGF-β1可增强NOX活性及NOX2、NOX4表达，诱导ROS产生，而干扰NOX4表达可减少TGF-β介导的超氧化物形成[37-38]。Das等[39]进一步研究发现干扰Smad2或Smad3的表达可减少由于TGF-β1激活所引起的NOX4表达增加、ROS代谢及线粒体膜电位丧失等，而其机制可能与Smad-ERK1/2-mTORC1轴相关[40]，提示TGF-β/Smad2/3通路激活上调NOX4，诱导ROS生成，在肾纤维化进展过程中起重要作用。

氧化应激敏感性转录因子核因子NF-E2相关因子2（nuclear factor E2 related factor 2，Nrf2）对体内酶-非酶抗氧化系统具有调节作用，可改善氧化应激状态，在肾纤维化进展中起关键作用。促纤维化因子TGF-β1通过激活多种信号级联导致活化成纤维细胞形成，促进ECM合成，激活转录因子Nrf2，诱导抗氧化/细胞保护基因表达。Tan等[41]发现在缺血再灌注损伤模型及单侧输尿管梗阻（UUO）小鼠模型中，Nrf2靶基因表达明显上升。Chung等[42]T型钙离子通道阻滞剂可通过激活Nrf2，促进CAT、SOD1等抗氧化酶表达，延缓UUO模型小鼠肾间质纤维化进展。ROS过量释放会加速肾纤维化进展，激活Nrf2则可起到与TGF-β1相反的作用，减弱氧化应激状态而延缓肾纤维化进展[43]。

5 小结

CKD患者普遍存在氧化应激状态。过多ROS积聚损害肾脏结构，加重肾损害，并且与心血管疾病、贫血等并发症发生率及病死率的增加有关。及早评估CKD患者氧化应激状态并进行积极的干预具有十分重要的意义。