氧化应激与糖尿病

一、氧化应激的定义相关及其作用氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时，自由基的产生和抗氧化防御之间严重失衡，从而导致组织损伤。氧化应激与糖尿病及其并发症的发生、发展密切相关，应用抗氧化治疗可逆转氧化应激对组织的损伤，从而阻止或延缓糖尿病及其并发症的发生、发展。氧化应激的标志物主要为自由基，其种类很多，与氧化应激密切相关的主要为反应性氧族(ReactiveOxygenSpecies，ROS)又称活性氧族，包括超氧阴离子(O2－)、羟自由基(OH.)、过氧化氢(H2O2)、一氧化氮(NO.)等。机体内存在两类自由基防御系统：一类是酶促防御系统，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH－Px)等；另一类是非酶促防御系统，包括维生素C、维生素E、谷胱甘肽(GSH)、α－硫辛酸(LA)、褪黑素(melatonin，MLT)等。它们对清除自由基、保护细胞及机体起重要作用。正常情况下，自由基反应对于机体防御机制是必要的，自由基产生和清除保持平衡。但在某些病理情况下，体内自由基大大增加，同时，机体抗氧化防御能力下降，氧化能力大大超过抗氧化能力而发生氧化应激，从而直接引起生物膜脂质过氧化、细胞内蛋白及酶变性、DNA损害，最后导致细胞死亡或凋亡，组织损伤，疾病发生。ROS还可作为重要的细胞内信使，活化许多信号传导通路，间接导致组织和细胞的损伤。二、糖尿病氧化应激的产生及其作用在糖尿病的发生、发展过程中，高血糖状态下氧化应激的产生的确切机制尚不清楚，许多学者认为氧化应激产生的主要机制可能与以下有关。1葡萄糖自氧化葡萄糖自身氧化作用增加，生成烯二醇和二羟基化合物，同时产生大量的ROS。2蛋白质的非酶促糖基化在非酶促条件下，长期高血糖使各种蛋白质发生糖基化，许多长寿蛋白质如胶原蛋白随着糖化时间延长而形成糖基化终产物(AGEs)，而AGEs形成过程中可以不断产生自由基。即葡萄糖和蛋白质相互作用形成Amadori产物，然后再形成糖基化终产(AGEs)，AGEs通过与其受体(RAGEs)结合，促进ROS形成。另外，AGEs与脂质过氧化密切相关。3多元醇通路的活性增高高血糖状态下醛糖还原酶活性增强，葡萄糖的多元醇代谢途径活化，可降低NADPH/NADP+，增加NADH/NAD+比例，消耗还原型GSH，从而诱导ROS合成。4蛋白激酶C(PKC)的活化高血糖使二酯酰甘油生成增加,激活PKC，进而活化细胞NAD(P)H氧化酶，诱导ROS的合成以及随后的脂质过氧化；反过来，ROS也活化PKC，从而使ROS的产生进一步增加。5抗氧化系统清除能力减弱高血糖可导致抗氧化酶的糖基化，SOD、CAT、GSH-Px等抗氧化酶活性降低，糖代谢紊乱使维生素C、维生素E、GSH等抗氧化剂水平下降，体内抗氧化系统遭到破坏，明显削弱了机体清除自由基的能力。由此可见,糖尿病的发生、发展过程中自由基产生增多和抗氧化能力减弱二者并存，从而发生氧化应激。三、糖尿病存在氧化应激的证据糖尿病是以胰岛素分泌相对或绝对不足和(或)胰岛素抵抗导致的一组以慢性高血糖为特征的代谢性疾病。氧化应激可通过损伤胰岛β细胞和降低外周组织对胰岛素的敏感性，导致糖尿病的发生发展。ROS还可作为重要的细胞内信使，活化许多信号传导通路，间接导致组织和细胞的损伤，导致糖尿病慢性并发症。1氧化应激对胰岛β细胞的损害胰岛β细胞抗氧化酶SOD、CAT、GSH-Px的含量及活性相对较低，因而对ROS介导的损害非常敏感。ROS可直接损伤胰岛β细胞，还可通过影响胰岛素合成和分泌的信号转导通路间接损伤胰岛β细胞。四氧嘧啶和链脲佐菌素(STZ)现已广泛用于糖尿病动物模型的建立，它们主要通过增加ROS的产生和抑制自由基防御系统，使ROS直接损伤胰岛β细胞，诱导糖尿病的发生。胰腺十二指肠同源异型盒(PDX-1)是胰岛素基因表达和胰岛素释放最重要的转录激活因子之一。氧化应激可减少PDX-1mRNA的表达，降低PDX-1和鼠胰岛素启动子元件3b结合蛋白(RIPE3bBP)的DNA结合活性，抑制胰岛素基因启动子的活性，使胰岛素mRNA的生成减少，从而导致胰岛素的合成和释放降低。氧化应激可激活胰岛β细胞c-Jun氨基端激酶(JNK)，降低PDX-1的DNA结合活性，抑制胰岛素基因的表达，而抗氧化治疗抑制JNK的过度表达可保护胰岛β细胞避免氧化应激的损伤，使PDX-1的DNA结合活性和胰岛素基因的表达恢复正常。2氧化应激降低外周组织对胰岛素的敏感性ROS类似于第二信使的信号分子，激活许多氧化还原敏感性信号通路,这些通路包括核因子Kappa-B(NF-κB)、p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)、JNK、己糖胺等。这些通路激活后,使氧化还原敏感性丝氨酸/苏氨酸激酶信号级联活化，从而导致胰岛素信号传导通路中的胰岛素受体(InsulinReceptor,InSR)和胰岛素受体底物(IRS)蛋白磷酸化。InSR或IRS蛋白的丝氨酸或苏氨酸位点不连续磷酸化的增加抑制了胰岛素刺激的酪氨酸磷酸化，导致胰岛素信号传导通路下游信号分子如磷脂酰肌醇－3激酶(PI3K)等的相关性和(或)活性降低，降低了胰岛素的生物效应，导致胰岛素抵抗。氧化应激可通过减弱3T3-L1脂肪细胞葡萄糖转运蛋白4(GluT-4)的表达和转运，而导致胰岛素抵抗。氧化应激通过减弱了核蛋白与GluT-4的启动子的胰岛素反应元件结合，减少了GluT-4的表达；氧化应激还可减弱3T3-L1脂肪细胞胰岛素刺激的IRS-1和P85相关的PI3K在低密度微粒体的活性，从而干扰了正常胰岛素刺激的IRS-1和PI3K在胞液和低密度微粒体的重分布，抑制胰岛素刺激蛋白激酶B(PKB)色氨酸473磷酸化和减弱了PKBα和PKBγ的活性，从而减弱了3T3-L1脂肪细胞胰岛素刺激的GluT-4从胞浆向细胞膜的转移，使胰岛素刺激下的葡萄糖摄取和利用减少。3氧化应激与糖尿病慢性并发症关系密切业已证实氧化应激与糖尿病慢性并发症的发生发展关系密切。ROS在糖尿病慢性并发症发病机制中的作用主要是其对组织和细胞的细胞毒性损伤，ROS还可作为重要的细胞内信使，活化许多信号传导通路，间接导致组织和细胞的损伤。（1）氧化应激与糖尿病神经病变在高血糖状态下，醛糖还原酶活性增加，葡萄糖的多元醇代谢途径活跃，抑制了细胞膜的肌醇转运系统，使细胞内肌醇储备耗竭，ROS产生增加及脂质过氧化,导致Na＋-K＋-ATP酶活性降低，可阻滞神经节去极化，因而减慢了神经传导速度；AGEs的生成增高以及PKC的激活可促进ROS的生成，ROS可通过降低NO的合成及其生物学活性或减少舒张血管作用的前列腺素(PGI2)的生成，而导致了内皮依赖性血管舒张功能下降。ROS可活化许多信号传导通路，引起内皮细胞产生许多细胞因子如TNF－α、TGF－β、VEGF等，引起血管基底膜的增厚，新生血管形成，使管腔狭窄和血管闭塞，导致神经内膜血流减少，引起神经内膜的缺血和缺氧，从而损伤神经元和雪旺氏细胞，最终使神经变性；氧化应激还可导致许多神经营养因子的减少，从而减弱了受损神经纤维的再生能力。（2）氧化应激与糖尿病血管病变AGEs与RAGEs相结合，引起血管细胞产生ROS，并使细胞抗氧化防御机能降低，ROS可作为重要的细胞内信使，使氧化还原敏感性转录因子活化,如NF-κB和活化体蛋白(AP)-1，NF-κB和AP-1的激活可促进如促凝血组织因子、粘附因子、内皮素和VEGF、TGF-β及单核细胞化学趋化蛋白(MCP)-1等基因的表达，最终导致血管细胞增殖和血管通透性的改变，增加了内皮的促凝能力，使血管内皮舒张功能明显弱于收缩功能，血流调节受损，这是导致糖尿病血管病变的主要机制。PKC的活化是参与产生ROS以及脂质过氧化的主要机制，反之，ROS也活化PKC。PKC通路参与血管一系列功能的调节，PKC的激活是糖尿病血管组织多细胞功能异常的一个普遍的下游机制，包括舒缩反应、通透性、基膜更新、内皮细胞生长与增殖、新生血管形成、血液流变学和血凝机制，以上各种功能异常正是糖尿病血管并发症的重要基础和生化机制。ROS可抑制NO合酶活性,导致NO降低，并使NO生物学活性下降，不仅产生血管紧张，而且影响内皮细胞抗血栓形成的性能。因为，NO可抑制粘附分子的表达和平滑肌细胞增殖，从而使机体抗动脉粥样硬化和抗血栓形成的防御机制缺陷；大量研究发现血管壁处的氧化应激能够引起低密度脂蛋白(LDL)的氧化修饰，产生氧化型低密度脂蛋白(Ox-LDL)，Ox-LDL与动脉粥样硬化的发生密切相关。四、抗氧化应激药物预防和治疗糖尿病并发症的前景氧化应激导致糖尿病机体的损害是自由基产生增加和抗氧化能力减弱的结果。抗氧化剂可减少自由基的产生或直接淬灭机体产生的自由基，并增强机体的抗氧化能力。目前，有许多抗氧化剂被研究并运用于临床。褪黑素（Melatonin,MLT）是哺乳动物松果腺合成与分泌的主要吲哚类激素之一，是一强有力的抗氧化剂。MLT分子的芳香环状共轭结构，决定了它具有出色的直接淬灭ROS的功能；MLT具有脂溶性和水溶性，很容易进入细胞和亚细胞器,能保护细胞核DNA、膜脂质、胞浆蛋白等生物大分子免受氧化损伤。MLT同时刺激内生的抗氧化系统，使SOD、GSH-Px等抗氧化酶的生成增加和活性增强,从而加强了MLT的抗氧化效应。MLT可抑制NF-κB的活性，减轻氧化应激损伤。MLT可以通过减轻氧化应激保护四氧嘧啶和STZ引起的胰岛β细胞损伤，而在胰岛β细胞不可逆改变出现之前应用MLT可以起到更好的保护作用。MLT不但可以阻止试验性糖尿病大鼠糖尿病的发生，在糖尿病及其并发症的防治中也有一定作用。维生素E、维生素C、GSH和α－硫辛酸(LA)组成了一个抗氧化网络，这些抗氧化剂可通过相互作用再生和再循环。这个抗氧化网络通常被维生素E激活，维生素E被ROS氧化生成α-生育酚自由基,依次与维生素C反应，非酶化再生维生素E，同时产生抗坏血酸自由基。GSH可清除抗坏血酸自由基，与此同时，GSH被氧化成氧化型谷胱甘肽(GSSG)。LA可通过减少GSH前体分子半胱氨酸成胱氨酸，而诱导GSH的合成。维生素C可促使GSSG还原为GSH。GSH也可使α-生育酚自由基还原成维生素E。GSH在调节细胞的氧化还原稳态起了重要作用，同时对氧化应激时ROS的细胞信号传导具有重要的调节作用。在动物实验和临床研究中已经明确显示，这些抗氧化剂对糖尿病和它的并发症存在有益影响。LA是一个二硫化合物，为硫辛酸乙酰转移酶的辅酶，LA具有强效的抗氧化作用。LA可以直接清除自由基，阻断脂质过氧化。LA诱导GSH的合成，恢复细胞的氧化还原稳态，减少细胞的氧化损伤。LA可使氧化还原敏感性转录因子NF-κB失活，从而改善内皮细胞功能。LA可通过减少ROS，抑制许多氧化还原敏感信号通路，激活3T3-L1脂肪细胞和L6肌细胞的IRS-1和PI3K，导致GluT4从胞浆向细胞膜转移，促进了胰岛素介导的葡萄糖摄取和利用,改善了胰岛素抵抗。临床研究显示，LA作为抗氧化剂可用来预防和治疗糖尿病及其并发症。氧化应激在糖尿病及其并发症的发生、发展过程中起了重要作用，抗氧化治疗可以减轻氧化应激，从而阻止或延缓糖尿病及其慢性并发症的发生、发展。因此，深入研究氧化应激与糖尿病之间的相互关系，不仅有助于了解糖尿病及其并发症的发病机制，而且将为糖尿病及其并发症的治疗提供了一个新的策略。氧化应激:糖尿病走不出的怪圈?（中国医学论坛报）大量研究已显示,人体在高血糖和高游离脂肪酸(FFA)的刺激下,自由基大量生成,进而启动氧化应激。氧化应激信号通路的激活会导致胰岛素抵抗(IR)、胰岛素分泌受损和糖尿病血管病变。由此可见,氧化应激不仅参与了2型糖尿病的发病过程,也构成糖尿病晚期并发症的发病机制。氧化应激与糖尿病相互促进,形成一个难以打破的怪圈。氧化应激诱发IR高血糖和高FFA共同导致活性氧簇(ROS)大量生成。ROS作为类似第二信使的信号分子激活氧化还原敏感性信号通路,进而阻碍胰岛素信号转导通路,导致IR。临床上表现为外周葡萄糖利用受抑制,胰岛素敏感指数下降,糖代谢紊乱,