基于氧化应激探讨中药单体治疗糖尿病足溃疡研究进展*

王向阳,崔炎,张榜,宋明坤

1.河南中医药大学,河南 郑州 450046; 2.河南中医药大学第一附属医院,河南 郑州 450000

目前,糖尿病已成为全球范围内流行的慢性代谢性疾病。国际糖尿病联合会数据显示,2021年全球有5.37亿成年人(20～79岁)患有糖尿病,占比10.5%,预计到2030年这一数字将上升到6.43亿,占比11.3%,2045年将上升到7.83亿,占比12.2%[1]。糖尿病足溃疡为糖尿病常见并发症,由血管和神经病理损伤引起,是导致糖尿病患者截肢和死亡的主要原因[2],约15%的糖尿病患者患有糖尿病足溃疡,而其中14%～24%的患者需进行下肢截肢,糖尿病足溃疡已成为非创伤性下肢截肢的主要原因[3]。糖尿病足溃疡的病因及发病机制复杂[4],治疗指南推荐清创、感染管理、血运重建和减压以促进愈合,但疗效参差不齐,其截肢率和病死率仍然很高,截肢后5年病死率为50%～59%[5],因此,迫切需要寻找新型的、更有效的药物或治疗靶点改善糖尿病足溃疡病程,加速创面愈合。氧化应激作为一个生理过程,在合理的氧化水平下可促进伤口愈合[6],但在糖尿病足溃疡中,活性氧水平和抗氧化酶之间不平衡时[7],病理性氧化应激不仅会损害伤口愈合的炎症、增殖和重塑期,使每个阶段都无法有序进行,还会导致血管、神经病变或局部感染,最终使病情恶化[8]。

随着中医药研究的进展,中药分子药理学进一步受到关注,中药单体可促进氧化还原反应的平衡,在防治糖尿病足溃疡中具有显著优势,已成为当下研究的热点。本文以糖尿病足溃疡病理机制中导致活性氧水平升高的微观途径为治疗靶点,以现代中药药理学为基础,基于氧化应激途径探讨中药单体治疗糖尿病足溃疡的研究进展。

1 氧化应激

氧化应激是指机体在内外环境有害刺激的条件下,体内产生活性氧自由基和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)自由基所引起的细胞和组织的生理、病理反应。所有生物体都会通过细胞代谢产生活性氧[9]。尽管生物体中存在抗氧化防御系统,如酶、蛋白质和维生素C等,但在应激状态下,体内氧自由基的产生速率超过了体内抗氧化系统的清除速率,导致活性氧(包括超氧阴离子、羟基自由基、一氧化碳自由基、过氧化氢等)大量积累,产生氧化应激[10]。活性氧主要来源于细胞内,如线粒体和NADPH氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,NOX),且能相互作用,促进氧化应激的进展[11],其他来源包括黄嘌呤氧化酶、未耦合的一氧化氮合酶、细胞色素P450、过氧化物酶和环氧合酶等[12-13]。活性氧具有双重作用,首先,作为机体稳态代偿反应的激活剂,当活性氧的生成与身体解毒或修复能力之间的不平衡导致其依赖性损伤水平增加时,细胞和生物体会加剧氧化应激,破坏蛋白质、脂质和核酸等大分子[14-15],影响着机体炎症、细胞增殖和死亡等生物过程[16]。在伤口愈合过程中,活性氧水平升高,在激活生存途径及防御入侵微生物方面发挥着关键作用。活性氧的过量产生和抗氧化防御的降低是糖尿病足溃疡慢性不愈合的主要原因之一[17]。因此,从分子途径抑制糖尿病足溃疡病理机制中的活性氧水平是一个有重要意义的治疗靶点。

2 氧化应激与糖尿病足溃疡的相关性

在正常情况下,伤口愈合主要有炎症、增殖和重塑3个阶段[18],这些阶段在糖尿病足溃疡患者中被不同程度地延长,使得伤口愈合过程减慢甚至停滞。在生理浓度下,活性氧作为重要的第二信使,转导参与各种生物过程的细胞内信号,当活性氧的异常产生超过抗氧化防御系统的缓冲能力或当抗氧化酶有缺陷时,就会产生过量的氧化应激[19-20]。研究表明,氧化应激是糖尿病足溃疡发生机制的重要因素之一[21]。

2.1 氧化应激与糖尿病足溃疡炎症期在高血糖条件下,伤口愈合阶段缓慢甚至停滞,特别是在炎症期,慢性糖尿病足溃疡的发生率更高[22]。过度的氧化应激触发促炎介质的释放并引发炎症级联反应,其特征性表现是促炎细胞因子表达增加和炎症细胞浸润[23-24]。糖尿病足溃疡的一系列病理变化与活性氧具有重要相关性。活性氧是细胞代谢的生物产物,在糖尿病中,由于葡萄糖氧化水平高,线粒体高度产生活性氧[25]。活性氧抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH),导致甘油醛-3-磷酸的积累,甘油醛-3-磷酸参与晚期糖基化终末产物(advanced glycation end-products,AGEs)的活化和形成[26],AGEs在内皮细胞中被晚期糖基化终产物(the receptor of advanced glycation endproducts,RAGE)识别后,加速细胞中的氧化应激,并通过调节下游细胞内核转录因子-κB (nuclear factor-κB,NF-κB),诱导活性氧、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素-1α(interleukin-1α,IL-1α)等大量表达,参与炎症反应[27]。巨噬细胞具有多样性和可塑性,但在高度的氧化应激下,巨噬细胞停留在与促炎活性相关的M1表型中,并且在向伤口抗炎和促进愈合活性相关的M2表型极化时受到阻碍[28]。

2.2 氧化应激与糖尿病足溃疡增殖期在增殖期,氧化应激反应会损害内皮细胞、角质形成细胞和成纤维细胞,减少其增殖、迁移和分化,减缓组织血管的再生,造成溃疡难以愈合[29]。内皮功能障碍是造成糖尿病足溃疡伤口难以愈合的关键因素之一[30],主要依赖于内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)功能和活性,在生理条件下,血管一氧化氮主要由eNOS产生,在调节血管张力、维持血液流动性、调节炎症和免疫反应以及新生血管形成等方面发挥着重要作用[31]。持续的氧化应激诱导eNOS 解偶联,并转移分子氧产生超氧化物而不是一氧化氮,造成一氧化氮生物利用度降低,且与超氧化物阴离子自由基反应,导致细胞毒性氧化剂过氧亚硝酸盐(peroxynitrite,ONOO-)的形成,标志着内皮功能障碍发生[32]。反过来,ONOO-可促进蛋白质硝化,并导致内皮细胞功能障碍和死亡[33]。同时,持续的高血糖致使AGE、RAGE、多元醇途径、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC) 活化途径和己糖胺途径表达增加,从而诱导活性氧产生并致内皮功能障碍[34]。在糖尿病足溃疡中,过度的氧化应激也阻碍了成纤维细胞的增殖和分化[35]。

2.3 氧化应激与糖尿病足溃疡重塑期在血管重塑期,由于过度的氧化应激和持续的炎症反应,胶原生成显著减少[36],细胞外基质降解增加并产生高水平的基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinases,MMPs)和低水平的生长因子,如转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1),糖尿病患者创面MMP-9活性较高,细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)降解和皮肤再上皮化受损,可抑制伤口重塑过程并延迟溃疡愈合[37-38]。

综上,正常生理状态下,组织损伤会启动伤口愈合机制,愈合一般包括3个阶段,各阶段无确切边界,在时间、空间上重叠,免疫细胞、信号分子、生长因子和血管系统之间相互作用,但是当潜在的病理机制如高血糖引起的氧化应激阻碍了伤口愈合的进程,则变成慢性难愈合性溃疡。

3 基于氧化应激探讨中药单体对糖尿病足溃疡的治疗

现代研究表明,许多中药及其生物活性化合物都含有丰富的抗氧化剂,如黄酮类、酚类、萜烯类、多糖类、皂苷类、生物碱等,具有多效性,可诱导胶原蛋白合成、迁移和上皮再上皮化及抗菌、抗炎和免疫调节。

本文总结了中药单体抗氧化应激活性用于治疗糖尿病足溃疡的研究进展,以期为中药生物活性化合物的作用研究提供有力的证据支持。

3.1 多酚类许多中药都含有多酚,其抗氧化机制主要与酚羟基的供氢体有关,氢供体能够与自由基结合,终止自由基的链式反应[39-40]。多酚有酚酸、类黄酮、二苯乙烯和木脂素4个主要亚类,通过自由基清除、抗氧化、抗炎和抗细胞凋亡等发挥治疗作用[41-42]。多酚类中药单体基于氧化应激途径干预细胞因子、炎症因子或信号通路等对糖尿病足溃疡愈合进程具有重要的意义。

茶多酚是茶叶中酚类及其衍生物的总称,不仅可以通过激活Kelch样ECH相关蛋白1/核因子E2相关因子2(Kelch-like ECH-associated protein-1/nuclear factor E2-related factor 2,Keap1/Nrf2)信号通路对自由基发挥有效的清除作用[43],还能抑制体内的氧化酶系统,如NADPH氧化酶,减少血管内皮中活性氧的产生,减少应激反应[40]。中药丹参因高含量多酚而被广泛应用,主要包括酚酸和类黄酮[44]。丹参酸是酚酸的另一种活性,丹酚酸A通过激活Nrf2/HO-1和Akt/mTORC1信号通路,可改善缺血再灌注诱导损伤的氧化[45]。丹参酸B通过抑制内皮通透性以及MAPK和NF-κB信号通路来保护内皮细胞免受氧化应激损伤从而促进伤口的愈合[46]。Szwedowicz等[47]通过体外细胞实验研究,发现丹参酸B能够增加细胞活力,显著刺激细胞迁移,且能增加III型胶原蛋白的表达,减少炎症反应,促进伤口的愈合。Guzel等[48]研究发现,丹参中主要提取物酚类可促进链脲佐菌素(Streptozocin,STZ)诱导的糖尿病大鼠的切口再上皮化(P<0.01),血管生成和炎症减少(P<0.01),表明丹参多酚类物质能诱导生长因子的生成,缩短糖尿病大鼠伤口愈合时间。木犀草素作为类黄酮组的成员,具有抗炎、抗氧化、抗癌、抗过敏、血管保护和神经保护作用,通过抑制活性氧的产生增强免疫防御[49]。Chen等[50]研究发现,木犀草素能激活Nrf2信号通路,诱导超氧化物歧化酶1(superoxidedismutase1,SOD1)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)等抗氧化酶的增加,且能降低MMP-9、TNF-α、IL-6、IL-1β 的蛋白质表达,降低STZ诱导的糖尿病大鼠的血糖浓度,抑制糖尿病大鼠伤口氧化应激反应,加速伤口的再上皮化,促进伤口愈合。槲皮素属于黄酮类化合物,在糖尿病大鼠伤口愈合实验中,槲皮素能够降低TNF-α、IL-1β和MMP-9的表达,对糖尿病创面愈合、炎症、血管生成、成纤维细胞增殖、胶原合成、上皮化、轴突再生等的修复和再生具有重要影响[51]。姜黄素是一种天然的抗氧化和抗炎类多酚化合物,Kant等[52]研究发现,姜黄素能增加抗炎细胞因子IL-10和抗氧化酶SOD、CAT、GSH-Px的水平,降低炎症细胞因子或酶的表达,即TNF-α、IL-1β和MMP-9水平,通过抑制糖尿病大鼠伤口氧化应激和炎症反应,促进肉芽组织生长,缩短伤口愈合时间。葛根素是一种天然异黄酮类衍生物,通过降低血糖水平、改善胰岛素抵抗、保护胰岛、抑制炎症、减少氧化应激和RAGE的形成从而缓解糖尿病血管病变[53]。没食子酸是一种多酚类有机化合物,广泛存在于大黄、山茱萸等植物中,具有抗炎、抗氧化和镇痛作用[54],体外研究表明,没食子酸能上调抗氧化基因的表达,刺激成纤维细胞的迁移[55],促进血管形成及糖尿病动物伤口愈合过程中胶原蛋白的沉积[56]。

3.2 皂苷类人参皂苷又被称为三萜皂苷,是人参的主要有效成分,人参皂苷单体可通过多种信号通路发挥抗氧化作用。研究发现,人参皂苷可通过下调NADPH氧化酶的表达、抑制NF-κB/p38信号通路从而抑制糖尿病诱导的氧化应激[57]。Gao等[58]研究证明,人参皂苷Rg1可以通过激活Nrf2/Keap1通路,保护STZ诱导的糖尿病小鼠免受炎症和氧化应激,减少糖尿病引发的并发症,促进伤口愈合。芍药苷亦称芍药花素,提取自芍药,具有抗炎及抗氧化作用,芍药苷可通过Nrf2途径减轻氧化应激,增加细胞增殖和迁移,减少细胞凋亡,增加VEGF、TGF-β1的表达,加速糖尿病足溃疡的愈合[59],同时通过降低CXC趋化因子受体2(CXC chemokine receptor 2,CXCR2)有效抑制糖尿病足溃疡中NLRP3、NF-κB介导的炎症反应[60]。红景天苷是红景天的主要活性化合物之一,能够改善AGE诱导的内皮功能障碍[61],促进SOD活性,提高CAT、GSH-Px水平,显著降低促炎细胞因子TNF-α、IL-1β 和IL-6水平,通过激活AMPK磷酸化、抑制NF-κB p65和NLRP3炎症小体的活化从而缓解内皮炎症和氧化应激[62]。景亮等[63]研究发现,红景天苷可通过激活Nrf2/Keap1信号通路,启动HO-1、SOD、GSH-Px等抗氧化酶的表达,抑制应激反应,提高糖尿病足溃疡大鼠的抗氧化能力,加速伤口愈合。

3.3 多糖类多糖是由糖苷键结合的10多个糖基组成的化合物,其抗氧化机制包括直接清除活性氧,增强抗氧化酶活性,以及多糖分子与活性氧所需的金属离子结合以抑制自由基的产生[64-65]。白及多糖是一种天然的多糖类化合物,具有抗肿瘤、降血糖、抗氧化等作用。Zhao等[66]研究发现,白及多糖在体外能够抑制高血糖诱导的活性氧生成,抑制NLRP3炎症小体活化和巨噬细胞中的IL-1β分泌,改善血管内皮细胞的活力,并能增加胰岛素的敏感性,加速糖尿病伤口的愈合。黄芪多糖是黄芪的主要活性成分之一,其干预糖尿病的作用机制主要包括胰岛素分泌、胰岛素敏感性、抗氧化和抗炎活性等[67],大剂量黄芪多糖可降低ET-1、ICAM-1、IL-6 及TNF-α水平,抑制炎症介质释放,提高NO、NOS的水平,降低血糖水平,抑制活性氧的产生,通过上调PTEN、抑制mTOR促进糖尿病伤口的愈合[68]。芦荟多糖主要存在于芦荟叶的凝胶部位,具有免疫调节、抗氧化和抗炎特性,Gharaboghaz等[69]观察芦荟多糖对糖尿病小鼠伤口愈合的影响,发现芦荟多糖能够通过提高抗氧化酶活性,减轻炎症反应,增加细胞增殖和胶原蛋白沉积,促进糖尿病小鼠伤口愈合。

4 结语

糖尿病足溃疡可归属于中医“脱疽”范畴,发生于四肢末端,严重时趾(指)节坏死脱落,是一种周围血管疾病[70]。《灵枢·痈疽》中记载其:“发于足趾,名脱痈,其状赤黑,死之治;不赤黑,不死;治之不衰,急斩之,不则死矣。”本病多因先天不足,正气衰弱,寒湿之邪侵袭,致瘀阻脉络、血行不畅或痹阻不通而致下肢发凉、麻木、间歇性跛行等,后期则易发生创口经久不愈、趾节坏死、黑腐溃烂,甚至需要截肢。中医药治疗脱疽经验丰富,历代医家多采用益气活血、温阳散寒、通络止痛、清热利湿解毒等治法,主张分期、分型辨证论治,内治与外治相结合,既重视专药专方,又兼顾整体与局部的辨证联系,在临床施治中取得了显著的成效。中医外科名家艾儒棣教授认为,脱疽多由寒湿凝滞、湿热阴伤、气血亏虚致病,强调祛其实、补其虚,运用“通法”分型治疗脱疽,并重视中药药对的作用[71]。全国名中医崔公让教授认为,脱疽的核心病机为血瘀,遵循《黄帝内经》“病在血者,调之络”,提出活血化瘀、温阳散寒、补气养血、滋阴清热、燥湿行气等治法,多运用甘温药品,以当归、丹参、鸡血藤、甘草为基本组方,随症加减,辨证论治[72]。复合黄柏液由连翘、黄柏、金银花、蒲公英、蜈蚣组成,是外用中药之一,以其治疗糖尿病足溃疡 4周后,发现治疗组的溃疡面积减少、生长因子浓度和总有效率均高于标准护理组[73]。现代实验研究发现,复合黄柏液中的主要成分连翘、黄柏均含槲皮素,可有效上调TGF-β1水平,降低MMP-9水平,促进胶原蛋白生长,同时激活Nrf2及其下游抗氧化基因,减少细胞凋亡和氧化损伤,从而加速糖尿病伤口的愈合[74]。中药复方制剂的疗效在临床中越来越得到认可,但中药单体内在联系及各单体的协调机制尚未明确。近年来,随着网络药理学在中药制剂研究中的应用,发现了中药的活性成分及其独特的作用靶点,为其临床应用提供了理论基础,中药单体因其多靶点、多通道作用机制等独特优势,在糖尿病足溃疡的治疗中越来越受到认可。

糖尿病足溃疡的形成机制复杂,包括过度的氧化应激、炎症反应、免疫细胞功能障碍、伤口部位的血管生成减少或再上皮化延迟等,而氧化应激机制是当下的研究热点,在创面愈合过程中,与炎症因子、生长因子、趋化因子等有着密切联系。本文阐述了糖尿病足溃疡的主要病理学变化——过度氧化应激,并基于氧化应激途径探究中药单体对糖尿病足溃疡的治疗,发现中药单体能够通过抑制过度的氧化应激反应或激活相关信号通路减轻炎症反应、增加生长因子的表达、增强细胞增殖和迁移,同时降低MMPs水平,在糖尿病足溃疡的炎症期、增殖期和重塑期加速伤口愈合的进程。

目前,许多中药单体有抗氧化作用或相关靶点,有良好的研究价值,但基于氧化应激途径对糖尿病足溃疡的干预研究较少,样本量不足,多局限于动物实验和体外细胞实验,不良反应尚未可知,对人体的安全性也未得到充分研究,现有研究仅证实了中药单一有效成分对糖尿病足溃疡的作用,今后需进一步探索中药有效成分之间能否联合使用,以期为中医药临床治疗糖尿病足溃疡提供思路与方法。