氧化应激和糖尿病.docx

1、氧化应激和糖尿病 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)、

2、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSHPx)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)、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。

3、 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

4、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

5、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 氧化应激对胰岛细胞的损害 胰岛细胞抗氧化酶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可直接损伤胰岛细胞，还可通过影响胰

6、岛素合成和分泌的信号转导通路间接损伤胰岛细胞。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细胞c-Jun氨基端激酶(JNK)，降低PDX-1的DNA结合活性，抑制胰

7、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-B)、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

8、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

9、化和减弱了PKB和PKB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

10、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、TGF、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RAGE

11、s 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-B 和活化体蛋白(AP)-1，NF-B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-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

12、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

13、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

14、NF-B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引起的胰岛细胞损伤，而在胰岛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-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

15、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-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-B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

16、，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,

17、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,糖尿病持续进展与恶化。 氧化应激损伤胰岛细胞 细胞也是氧化应激的重要靶点。细胞内抗氧化酶水平较低,故对ROS较为敏

18、感。ROS 可直接损伤胰岛细胞,促进细胞凋亡,还可通过影响胰岛素信号转导通路间接抑制细胞功能。细胞受损,胰岛素分泌水平降低、分泌高峰延迟,血糖波动加剧,因而难以控制餐后血糖的迅速上升,对细胞造成更为显著的损害。 氧化应激是糖尿病血管损伤的共同途径 Brownlee提出的统一机制学说认为,发生糖尿病并发症的经典途径多元醇途径、糖基化终末产物(AGE)途径、蛋白激酶C(PKC)途径和氨基己糖途径,均是在高糖环境下,由线粒体呼吸链中氧自由基生成过多导致的结果。而这些途径也能促进自由基生成,形成恶性循环。 氧化应激导致广泛的氧化损伤,促进脂质过氧化、降低一氧化氮(NO)生物活性,还可影响多种信号的转导

19、,导致糖尿病血管组织多细胞功能异常,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、血液流变学和凝血机制等功能异常,以上各种功能的异常是糖尿病肾病、视网膜病变、神经病变等糖尿病血管并发症的重要基础和生化机制。 糖尿病加强氧化应激,氧化应激又促进糖尿病及其血管并发症的发生、发展,由此形成恶性循环。如何打破这一桎梏,走出怪圈,是广大医学工作者肩负的重任。研究应用安全可靠的抗氧化药物,已成为糖尿病治疗的新方向。 图1 共同土壤学说 2004年Ceriello教授提出共同土壤学说,即氧化应激是IR、糖尿病和心血管疾病的共同发病基础。 氧化应激与糖尿病视网膜病变作者:作者：凌静，栾洁作

20、者单位：中国江苏省南京市，东南大学附属中大医院眼科 来源：医学期刊 / 五官科学收藏本文章【摘要】 糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)是糖尿病最常见和最严重的微血管并发症之一，目前发病机制尚未明确。氧化应激与多种代谢异常、细胞因子活化以及细胞凋亡等关系密切并相互作用，在DR的发生、发展过程中可能发挥了关键性作用。抗氧化剂阻滞DR的作用在动物实验中得以证实，但临床试验结果却不确定。目前有大量关于氧化应激与DR的研究，并且也有众多学者致力于抗氧化剂在DR治疗作用方面的研究，本文就相关研究进展做一综述。 【关键词】 氧化应激；糖尿病视网膜病变；抗氧化剂Oxidativ

21、e stress and diabetic retinopathy Jing Ling, Jie Luan Department of Ophthalmology, the Affiliated Zhongda Hospital of South East University, Nanjing 210009, Jiangsu Province, China Abstract Diabetic retinopathy is one of the most frequent and severe microangium complications of diabetes mellitus, an

22、d the exact mechanism of its development remains elusive. Diabetes induced metabolic abnor malities, activation of severe cytokines and cell apoptosis, which are implicated in the development of diabetic retinopathy, appear to be influenced by elevated oxidative stress, which plays a key role in the

23、 pathogenesis of diabetic retinopathy. There is accumulating evidence from animal studies that antioxidants have beneficial effects on the development of diabetic retinopathy, but the results from clinical trials are ambiguous. We focused on the relationship between oxidative stress and diabetic re

24、tinopathy and the potential of antioxidants. KEYWORDS:oxidative stress;diabetic retinopathy;antioxidants Ling J, Luan J. Oxidative stress and diabetic retinopathy. Int J Ophthalmol(Guoji Yanke Zazhi) 2008;8(11):2312 23150引言 糖尿病患者因糖代谢障碍导致全身各组织器官的微血管发生病变，其中糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）是其最严重的微血管并发症

25、之一1，也是目前发达国家成人致盲的主要原因2。目前DR的发生机制尚未明确，Brownlee3提出的糖尿病慢性并发症的统一机制学说认为：引起糖尿病各并发症的四条经典通路，即多元醇通路激活、晚期糖基化终末产物（AGEs）增加、蛋白激酶C(PKC)激活、氨基己糖途径，实质上都是高糖诱导过氧化物过表达的结果，氧化应激是糖尿病并发症发生、发展的重要因素4。 1氧化应激 在生理状况下，呼吸链电子传递过程中可以产生超氧离子（O2-）（占耗O2的1%4%），体内其他物质（如黄嘌呤）氧化时也可产生O2-。O2-可进一步生成H2O2和羟自由基（OH）等，统称为活性氧（reactive oxygen species

26、，ROS）。细胞在维持其正常功能的过程中均在不停地制造ROS，而正常的氧化代谢中产生的ROS都能被体内有效的清除系统清除。若ROS产生和清除之间的失衡，就会导致ROS水平升高，引起组织损伤，即发生氧化应激。ROS化学性质活泼，很快就会与周围物质反应，故难以直接检测。而DNA、蛋白质和脂类受到氧化损伤后生成的氧化产物可以作为反映氧化应激的标志物。8 羟基脱氧鸟苷酸(8 OHdG)，在体内较为稳定、易于检测，被视为DNA氧化损伤的生物标志物。蛋白质氧化损伤的一个重要标志物是硝基酪氨酸(NT)。脂质的过氧化产物大部分源于不饱和脂肪酸，易于分解为一些化合物，其中包括异前列腺素类分子、正构醛、丙二醛、丙

27、烯醛等。 2糖尿病中的氧化应激 目前已经有很多研究都证实了糖尿病时，O2 和上述氧化应激间接标志物的表达都是增加的。动物研究表明糖尿病新西兰家兔血浆中的O2-和F2 异前列腺素（一种异前列腺素类分子）水平较对照组升高3。Nishikawa等6研究发现，高糖可以作为一个独立因素而引起2型糖尿病患者血浆和尿中的8 OHdG水平增高。针对1型糖尿病患者的研究发现，血浆NT水平升高7，尿中的F2 异前列腺素水平明显升高，使用胰岛素控制血糖后F2 异前列腺素明显下降，但仍高于正常对照组8。这些都直接或间接证实了糖尿病时氧化应激的存在。糖尿病的氧化应激可能源自于葡萄糖自氧化作用、氧化还原反应平衡的偏移、组

28、织中抗氧化剂例如还原型谷胱甘肽(GSH)，维生素E的减少以及抗氧化防御系统相关酶例如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶（CAT）的活性下降9。 3氧化应激与糖尿病视网膜病变 视网膜有大量的多不饱和脂肪酸，而且摄氧量和葡萄糖氧化作用均高于其他组织，这使得视网膜对于氧化应激更加敏感。Du等10研究发现，在糖尿病大鼠视网膜和高糖培养的传代视网膜Mller细胞、牛视网膜内皮细胞中，O2 的水平都是升高的。Kowluru等11研究表明即使糖尿病大鼠血糖控制良好，视网膜中增多的氧化应激标志物仍不会明显下降，这说明氧化应激不仅参与了DR的发病过程，还与代谢记忆现象（血糖控制良好后DR仍不可逆）相关。糖尿病

29、时，视网膜中的抗氧化防御酶（包括SOD、CAT、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶）均减少9。另外，在高糖诱发的氧化应激中，非酶类的抗氧化剂(例如维生素C、维生素E、胡萝卜素等)在人体血液中的浓度也明显下降12。所以目前认为氧化应激是DR发病机制中的一个关键环节。 3.1氧化应激与多条代谢通路的关系 氧化应激除了损伤生物大分子外，还和与DR密切相关的代谢通路有着错综复杂的关系，这其中包括多元醇途径、晚期糖基化终产物（AGEs）途径、蛋白激酶C（PKC）途径、氨基己糖途径等。 3.1.1多元醇途径 多元醇途径是葡萄糖代谢途径之一，涉及葡萄糖向山梨醇的转变过程，此反应中醛糖还原酶是限速酶。糖尿病中

30、增加的多元醇途径之所以会增强氧化应激，是因为醛糖还原酶需要NADPH，而多元醇途径活性增强通过和谷胱甘肽还原酶竞争NADPH而导致NADPH相对不足，这样胞内的抗氧化剂GSH的再生受到限制13。而醛糖还原酶抑制剂可以对抗糖尿病患者视网膜中蛋白质和DNA的氧化损伤14。 3.1.2 AGEs途径 AGEs是葡萄糖及其自身氧化后的酮糖和蛋白质副链通过非酶促反应形成的，并随着葡萄糖的增加而增加。在视网膜病变的晚期，AGEs不可逆转地存在并且在视网膜毛细血管细胞内堆积，AGEs途径被认为是通过激活核转录因子NF B继而导致进一步的细胞损伤来产生过量的ROS15。AGEs增加视网膜血管细胞的蛋白质氧化损

31、伤并促发一系列通过激活NF B和caspase 3而导致视网膜毛细血管细胞凋亡的事件16。 3.1.3 PKC途径 高糖增加ROS的产生以及甘油二酯的合成，进而增强PKC的活性。激活的PKC会引起一系列DR特征性的改变，包括血管渗出增多，血流量增加，激素水平和生长因子受体再循环的改变，刺激新生血管形成，内皮细胞增殖和凋亡，以及一系列因子例如血管内皮生长因子（VEGF）、胰岛素样生长因子 1（IGF 1）和转化生长因子（TGF ）活动的调节。Wu等17研究发现PKC特异性抑制剂（LY333531）可以通过抑制PKC活性来预防糖尿病引发的氧化应激。此外，动物研究表明缺乏PKC类似物的大鼠不出现糖尿病引发的氧化应激18。这些资料都表明PKC与氧化应激确有联系，支持PKC在ROS介导的糖尿病并发症中发挥作用。 3.1.4氨基己糖途径 ROS抑制3 磷酸甘油醛脱氢酶(GAP DH)，导致所有糖酵解的产物转向氨基己糖途径，产生二磷酸尿嘌呤 N 乙酰葡萄糖胺（UDP GlcNAc），而UDP GlcNAc是包括转录因子在内的细胞内因子转录后修饰的底物。激活的氨基己糖途径产生的氨基葡萄糖可增加H202水平，而抗氧化治疗可以阻滞氨基己糖途径所致的糖基化作用和其他有害作用19