糖尿病肾病发生的氧化应激机制及抗氧化治疗的研究进展

张尚维，李明星，赵 蕊，应苗法

（浙江大学医学院附属邵逸夫医院药学部，浙江 杭州 310016）

糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）是一种严重的糖尿病并发症，由糖尿病微血管病变引起的肾结构和功能的异常病变，最终导致终末期肾损伤，是糖尿病患者死亡的主要病因［1］。其早期临床表现为肾小球病变、肾小球高滤过率和近端肾小管细胞形态改变；晚期主要表现为肾小球低滤过率、蛋白尿及肾功能衰竭［2］。据目前的流行病学显示，中国西部地区DN患者的数量占2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）总数的41.3%，东部地区占比22.3%，东北地区占比20.7%，中部地区占比15.6%，且男性多于女性［3］。DN的发病机制复杂，涉及多种不同的信号通路，其中代谢功能紊乱、炎症反应及血流动力学的改变与DN的发生密切相关。研究发现，高血糖能诱导肾细胞产生各种炎症因子和生长因子，炎症因子的增多能刺激氧自由基的产生，增加氧化应激；相反，氧化应激也能促进炎症因子的释放，加重肾功能损伤［4］。目前，氧化应激被认为是高血糖介导的肾功能损伤的致病基础，参与调控肾小球和肾小管的生理功能。本文就DN发病的氧化应激机制以及抗氧化剂治疗DN的进展进行综述。

1 氧化应激概述

氧化应激是指机体受到各种有害刺激时，体内的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）和活性氮簇（reactive nitrogen species，RNS）自由基过度生成，超出机体对氧化物的清除能力，导致氧化系统和抗氧化系统的平衡失调，引起组织或细胞的功能紊乱［5］。ROS是氧化应激发生的主要无氧自由基，包括羟基（·OH）、超氧阴离子（·O2-）和过氧亚硝基（ONOO-）等，其主要来源于线粒体和内质网，线粒体产生的ROS也可促进内质网应激［6］。正常浓度的ROS能维持细胞功能的稳态，但由于其高化学反应活性，过量的ROS会破坏细胞内的大分子如DNA、脂质和蛋白质，引起细胞坏死和凋亡［7］。因此，清除细胞内的超氧化物歧化酶（superoxide dismutases，SOD）、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶和抗氧化蛋白等，能减少ROS的产生，减轻组织的氧化损伤。

线粒体是能量代谢过程中的关键细胞器，通过氧化磷酸化生成ATP、ROS和超氧阴离子，在生理状态下维持机体的氧化还原平衡；但线粒体DNA（mitochondrion DNA，mtDNA）与细胞核基因组不同，mtDNA不受组蛋白保护，ROS介导的氧化应激能诱导其异常突变，进而引起氧化过程中电子传输链损伤，增加氧化应激［8］。已有研究证实，糖尿病患者体内抗氧化酶水平发生改变，线粒体氧化应激与糖尿病的发生发展密切相关［9］。另外，线粒体和内质网并非独立的细胞器，两者通过线粒体相关膜紧密连接、相互作用，维持细胞的稳态。有研究发现，内质网的氧化应激也能引起糖尿病的发生；内质网在氧化还原素和谷胱甘肽的协作下，产生大量的ROS并耗尽谷胱甘肽，导致氧化还原失衡及蛋白质的积累，增加氧化应激［10］。

2 糖尿病肾病发生的氧化应激机制

氧化应激是DN发生的重要病因之一，高血糖诱导肾细胞生成大量的ROS，增加氧化应激；氧化应激过程中多条信号通路如葡萄糖氧化、晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGE）的生成、蛋白激酶的激活、氨基己糖及多元醇通路参与了葡萄糖和脂质的代谢调控［11］。肾的氧化应激通常由前氧化酶诱导ROS的大量生成，诱发肾的纤维化及炎症反应，并通过促进脂质过氧化、DNA损伤及线粒体功能紊乱导致组织损伤［12］。另外，诱导肾促氧化酶过量产生ROS能引起含二氢酪氨酸的蛋白质聚积，直接诱导足细胞损伤、以及肾小球硬化和肾小管纤维化的发生发展。因此，探讨氧化应激在DN发生中的作用机制具有重要意义。

2.1 氧化应激与肾炎

氧化应激诱导的肾炎是糖尿病肾损伤发生和发展的重要进程，高血糖诱导ROS的过度生成，刺激炎症细胞募集，释放大量的炎症因子、生长因子和转录因子，参与DN的进程［13］。在DN患者血浆中发现，炎症因子白介素1（interleukin-1，IL-1）、IL-6、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、单核趋化蛋白1（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）、巨噬细胞炎症蛋白1β和细胞间黏附分子1（intracellular adhesion molecule-1，ICAM-1）的水平显著升高，介导巨噬细胞和T细胞的过度浸润，引起肾的损伤［14］。MCP-1主要表达于肾单核细胞、内皮细胞和肾小球系膜，能活化并招募免疫细胞；氧化应激能诱导巨噬细胞募集及MCP-1水平的上调，调控炎症反应及尿白蛋白的生成。细胞核因子κB（nucleus factor κB，NF-κB）被认为是糖尿病炎症反应的主要转录因子，通过氧化还原信号激活转录因子NF-κB、激活蛋白1（activator protein 1）及特化蛋白1（special protein 1），加剧促炎症和促纤维化反应［15］。另外，NF-κB能调控下游ICAM-1及促炎症因子MCP-1，TNF-α和IL-6的表达，且TNF-α对ROS的产生具有负反馈的作用，参与DN的进展。研究发现，高血糖能增加大鼠氧化应激，活化Toll样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）/NF-κB信号通路，加重大鼠肾小管损伤和肾功能紊乱，诱导炎症及肾小管上皮细胞的凋亡［16］。因此推断，氧化应激与糖尿病肾炎的发生密切相关。

2.2 氧化应激与足细胞损伤

在正常生理条件下，ROS在调控细胞的增殖、分化、凋亡及免疫防御等方面发挥重要的作用；在糖尿病病理条件下，肾中过量产生的ROS能诱导肾结构和功能的紊乱，导致DN的发生［17］。足细胞又被称作肾小球上皮细胞，由胞体、主突和足突构成，是一种终末分化的细胞；其功能主要是构成肾小球的滤过屏障，生成肾小球基底膜的基质，维持肾小球正常的结构和滤过作用。足细胞对氧化应激因子ROS较敏感，过量的ROS能够引起足细胞结构改变、凋亡和足突消失，足细胞数量减少引起肾小球滤过功能损伤，且无法修复［18］。有研究发现，脂肪酸转运酶CD36能通过氧化应激调控脂肪酸诱导的组细胞凋亡，参与DN的进程［19］。

目前，氧化应激调控足细胞损伤的机制主要包括ROS诱导线粒体功能紊乱、NF-κB/丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路的活化及DNA的氧化损伤［20］。在高糖诱导的足细胞中，线粒体数量减少且膜电位降低，ROS和SOD含量增加，足细胞凋亡；抑制高糖诱导的线粒体缺陷及氧化应激，能减轻足细胞凋亡［21］。在链脲菌素（streptozotocin，STZ）诱导的糖尿病小鼠模型中，肾皮质和肾小球中ROS和H2O2含量增加，MAPK信号通路活化，诱导足细胞的凋亡；减少ROS的生成能抑制MAPK的活化，保护高糖诱导的足细胞损伤［22］。另外，在巨噬细胞和足细胞共培养时，高糖处理诱导巨噬细胞呈促炎症M1极化，激活TNF-α/ROS/P38MAPK信号通路，诱导足细胞凋亡；阻断高糖活化的巨噬细胞及TNF-α/ROS/P38MAPK信号通路，能抑制足细胞的凋亡，延缓DN的进展［23］。进一步研究发现，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-oxidase4，Nox4）/ROS/P38MAPK信号通路的活化也参与了高糖诱导足细胞的损伤，抑制P38MAPK的磷酸化，减少足细胞的凋亡及蛋白尿的生成［24］。因此，抑制氧化应激诱导的足细胞损伤，能改善糖尿病肾功能损伤。

2.3 氧化应激与肾小球硬化症

肾小球硬化是DN患者病情发展至终末期的主要病理表现，由于肾小球系膜肥大且细胞外基质蛋白过度沉积，最终导致肾小球硬化症的发生。氧化应激参与了肾小球硬化形成的过程，ROS能激活血管紧张素Ⅱ/转化生长因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）/smad、蛋白激酶 C（protein kinase C，PKC）和NF-κB等信号通路，诱导细胞外基质的沉积，但血管紧张素Ⅱ、TGF-β1和PKC等信号因子也能促进ROS的生成，导致DN氧化应激损伤的恶化。已有研究发现，增强核因子E2相关因子2（nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2）信号通路的活化，能够抑制ROS/NO的生成，减少氧化应激及蛋白尿，改善肾小球硬化［25］。随后，YANG等［26］研究发现，在肾小球上皮增生小鼠模型中，柠檬醛能够激活Nrf2信号通路，抑制氧化应激及肾小球周围单核细胞的炎症浸润，减轻肾小球硬化，发挥肾功能保护作用。Nox4已被证明是糖尿病肾细胞中ROS的主要来源，敲除Nox4能抑制PKC通路的激活，减少细胞外基质蛋白的沉积，改善肾小球硬化症［27］。

2.4 氧化应激与肾小管间质纤维化

肾小管间质纤维化是所有肾疾病进展至终末期肾功能衰竭的共同病理过程，其病理特征是肾间充质成纤维细胞异常增殖、细胞外基质过度沉积及炎症浸润。在肾纤维化形成的过程中，近端肾小管上皮细胞能释放纤维生长因子、炎症因子和细胞趋化因子，促进细胞外基质的生成及沉积，诱导纤维化的发生。在高糖条件下，肾细胞能释放TGF-β1、血小板源生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等，促进细胞外基质蛋白如胶原蛋白和纤连蛋白的表达，引起肾细胞肥大增生、肾小球和肾小管间质纤维化［28］。氧化应激参与肾小管纤维化形成的过程，ROS能刺激多种促纤维化生长因子如TGF-β1、VEGF和结缔组织生长因子的表达，诱导细胞外基质蛋白的沉积，导致肾功能损伤［29］。

在DN患者活体组织检查中发现，近端肾小管间质纤维化，肾小管细胞凋亡，这些损伤伴随着ROS的增加；在高糖处理的人近端肾小管细胞中，过表达叉头转录因子O1（forkhead transcription factor O1，FOXO1）能抑制下游高糖诱导的硫氧还蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）的增加和硫氧还蛋白（thioredoxin，TRX）的减少，抑制氧化应激和ROS的产生，通过作用于TXNIP/TRX信号通路减少肾小管细胞的凋亡，改善肾小管纤维化［30］。另有研究发现，在肾小管上皮细胞中，过氧化物酶1通过抑制H2O2/P38MAPK信号通路，抑制氧化应激诱导的细胞凋亡，对肾小管纤维化发挥潜在的靶向治疗作用［31］。CHUNG等［32］发现，抑制NF-κB/Nrf2信号通路的活化，能降低Nrf2依赖性抗氧化剂血红素氧合酶1、过氧化氢酶和SOD等的水平，抑制TGF-β、基质金属蛋白酶2（matrix metalloproteinase 2，MMP-2）、MMP-9和纤连蛋白的表达，减轻肾小管间质纤维化。

3 糖尿病肾病的抗氧化应激治疗

近年来，临床常用的治疗药物如血管紧张素转换酶抑制剂、血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂、他汀类、噻唑烷二酮类、醛固酮受体拮抗剂及钙离子拮抗剂等均具有抗氧化活性，能降低烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶介导的ROS生成水平，减轻足细胞的损伤以及肾结构和功能的缺陷，发挥肾功能保护作用［33］。可食用的抗氧化物质如维生素C、维生素E、姜黄素、硒、儿茶素、白藜芦醇、褪黑素和锌等均可抑制高血糖诱导的超氧化物及ROS的形成，延缓DN的进程［34］。另外，新的靶向线粒体的抗氧化药物如抗氧化剂与三苯基磷阳离子结合的米托醌（mitoquinone）辅酶Q10、维生素E和依布硒啉等，能保护线粒体免受氧化应激损伤，发挥抗氧化作用。

临床研究发现，糖尿病患者血浆中维生素C和维生素E水平降低，长期补充这2种维生素能减轻糖尿病患者肾炎［35］。维生素C作为一种抗氧化剂，其机制是减轻肾的氧化应激，活化Nrf2信号通路并下调胶原蛋白的表达，保护足细胞的损伤，减少尿蛋白及尿蛋白的排泄率，改善DN肾功能损伤［36-37］。维生素E能抑制NF-κB信号通路的活化，调控NO2-/NO3-的生成，增加谷胱甘肽的水平，降低蛋白尿并减轻近端肾小管的损伤［38］。随机对照研究结果表明，长期高剂量补充维生素E能显著降低TNF-α、MMP-2、MMP-9、丙二醛和终末端糖基化产物的水平，抑制氧化应激及炎症反应；另外，高剂量补充维生素E能降低血液中总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇的水平，增加总的抗氧化能力，改善DN患者肾功能损伤［39-40］。

α-硫辛酸可在线粒体中由硫辛酸合酶合成，具有清除自由基、螯合金属离子及再生其他抗氧化物质的生物学功能。有研究发现，降低硫辛酸合酶的表达能加速DN的发生；高表达硫辛酸合酶能抑制氧化应激，减轻DN的病理进展［41-42］。另外，靶向线粒体ROS产生的谷胱甘肽、辅酶Q10、抗氧化剂与带正电荷三苯磷酸阳离子结合生成的醌类似物如米托醌等聚积在线粒体基质中，抑制氧化应激，防止线粒体结构和功能损伤，且能够激活Nrf2信号，上调Nrf2活化子的表达，缓解糖尿病肾炎并预防肾功能不全［43］。

一项荟萃分析评价抗氧化物质包括维生素C、维生素E、维生素B6、绿茶多元酚、姜黄素、抗坏血酸及谷胱甘肽与DN之间的关系。结果发现，抗氧化物质能显著调控血尿素氮、TGF-β和肾小球滤过率的水平，对DN发挥较好的治疗作用［44］。进一步系统评价表明，维生素C、维生素E、锌、硫辛酸、生育酚、水飞蓟素、维生素B6及谷胱甘肽等抗氧化物质能显著降低蛋白尿含量，改善肾功能损伤及延缓DN进程［45］。体外研究发现，天然物质如草本植物、种子及植物提取物等具有抗氧化、抗炎活性，能够激活Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein-1）/Nrf2/抗氧化反应元件信号通路，抑制NF-κB信号通路的活化，增强抗氧化能力，减轻氧化应激诱导的肾功能损伤、炎症反应及肾纤维化［46］。

4 总结与展望

综上所述，氧化应激在DN的发生发展中具有重要的作用，参与DN进程中的多个阶段，如肾炎、肾小球硬化、肾小管纤维化及终末期肾衰竭，导致肾小管滤过率异常及蛋白尿的产生。高血糖诱导ROS的过量生成，激活TLR4/NF-κB，P38MAPK和TGF-β1/smads等信号通路，调控炎症反应、生长因子的生成和细胞外基质蛋白的表达，以及细胞的增殖、分化和凋亡，导致糖尿病患者肾结构和功能损伤；抑制高血糖诱导的氧化应激，能够改善糖尿病肾损伤，延缓DN的进程。目前，多种抗氧化治疗药物及天然的抗氧化剂已应用于对DN的治疗，并取得一定的效果，其作用机制主要是抑制氧化应激，增强机体的抗氧化能力，维持线粒体的稳态；但由于DN的发病机制复杂及氧化应激作用靶点较多，抗氧化剂的作用机制仍不明确。因此，探讨氧化应激在DN发病中的作用及筛选新的作用靶点，有助于为治疗DN新的抗氧化剂的开发提供思路。