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(Reactive Oxygen Species，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(p38 MAPK)、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( Insulin Receptor, 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