氧化应激与糖尿病视网膜病变

氧化应激与糖尿病视网膜病变氧化应激与糖尿病视网膜病变 凌静 栾洁 中国江苏省南京市 东南大学附属中大医院眼科 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 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 Brownlee 3 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 1 氧化应激氧化应激 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 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 丙烯醛等 2 2 糖尿病中的氧化应激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这些都直接或间接证实了糖尿病时氧 化应激的存在化应激的存在 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 3 氧化应激与糖尿病视网膜病变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 M ller 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 ROS 15 AGEs 增加视网膜血管细胞的蛋白质氧化损伤并促 发一系列通过激活 NF B 和 caspase3 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 IGF1 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 LY 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 UDPGlcNAc 而 UDPGlcNAc 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 但是目前关于氨基己糖途径在 DR 发生发展过程中发挥的作用的研究仍然较少 3 2 氧化应激与细胞因子的关系 DR 的发生发展受到多种细胞因子的影响 而氧化应激 与这些细胞因子之间也有着密切的关系 3 2 1 血管内皮生长因子血管内皮生长因子 vascular endothelial growth factor VEGF 是一种血管生成诱导剂 对于视网膜色素上皮细胞有促有丝分裂作用 还可 以增加血管通透性 20 不论是非增殖性 DR 还是增殖性 DR 它都在其中发挥着介质和起 始因子的作用 临床及动物实验均已证实 DR 个体眼内特别是视网膜局部存在高水平的 VEGF 21 在糖尿病微血管并发症中 氧化应激在高糖引发的 VEGF 病理学作用过程中发挥 了一定的作用 ROS 可以导致大鼠视网膜神经节细胞层 内核层以及色素上皮细胞 RPE 层以及体外的人的 RPE 牛血管平滑肌细胞中 VEGFmRNA 和蛋白的表达上调 而使用抗氧化 剂可以抑制这种上调 22 3 2 2 色素上皮衍生因子色素上皮衍生因子 pigment epitheliumderived factor PEDF 被认为是最有效的天然的血管抑制因子 也被证明与主要的血管刺激因子 VEGF 之间存在一种互逆的调节 23 近年来的研究一致认为在 DR 中 PEDF 是一个保护性因 子 且很多研究认为它的保护作用是通过抗氧化的特性来实现的 21 Amano 等 24 进行 的细胞培养研究表明 PEDF 可以保护周细胞免受 AGEs 的损伤 AGEs 或 ROS 可抑制视网膜 周细胞内 PEDFmRNA 的表达 造成 PEDF 水平下降 而 PEDF 水平的下降又可以进一步加剧氧 化应激诱导的周细胞凋亡及功能障碍 继而促进 DR 的发展 25 3 2 3 胰岛素样生长因子 1 胰岛素样生长因子 1 insulinlike growth factor 1 IGF1 是一种具有胰岛素样作用的多肽类因子 对于内皮细胞有直接促有丝分 裂作用 包括促进细胞增殖 分化以及新生血管形成 还可以通过激活 PKC 刺激葡萄糖转 运至视网膜微血管内皮细胞内 并可以调节 VEGF 活性的表达 26 尽管 IGF1 在 DR 发病机 制中的确切作用尚不明朗 但是氧化应激可能通过 PKC 途径调控 IGF1 3 3 氧化应激和细胞凋亡 在疾病的特征性组织病理学改变出现之前 细胞往往就已经 出现凋亡加快 DR 也是如此 暴露在高糖环境的周细胞和内皮细胞或者糖尿病动物都发现 氧化应激增加 caspase3 活性增加以及其他转录因子表达增加 这些都会导致毛细血管细 胞死亡 27 28 在糖尿病小鼠视网膜微血管中观察到 dUDP 切口末端转移酶标记物 TUNEL 阳性细胞 29 一些生物化学研究也证明了糖尿病视网膜中 Bax 一种促凋亡蛋 白 表达的增加 这是凋亡在组织学上的证据 30 尽管 DR 的确切信号步骤还不明确 但是已发现视网膜细胞凋亡与氧化应激活化 caspase 家族和 NF B 是相关的 糖尿病时抑制过氧化物的堆积可以阻滞视网膜毛细血管 细胞的凋亡 31 氧化应激导致凋亡增加的机制很复杂 可能与膜脂质过氧化作用 细胞 生存所需大分子的损伤 信号转导和基因表达的改变相关 ROS 可以通过改变细胞氧化还 原电位 消耗 GSH 和降低 ATP 水平来导致细胞凋亡 ROS 的释放增加视网膜细胞线粒体的 通透性 触发细胞色素 C 从线粒体中释放 Bax 移位至线粒体 继而通过激活 caspase 家 族而导致细胞凋亡 在糖尿病视网膜以及视网膜毛细血管细胞中均发现胞质中细胞色素 C 和线粒体中 Bax 的表达增加 32 Caspase 家族是一组介导细胞凋亡必需的半胱氨酸蛋白酶 目前认为它们对于氧化应 激非常敏感 ROS 导致的线粒体功能障碍 使得细胞色素 C 由线粒体释放至细胞质 激活 caspase9 进而引发一系列激活 caspase3 的级联效应 而 caspase3 发挥的是裂解 DNA 的 作用 糖尿病大鼠视网膜中 caspase3 是被激活的 而给予抗氧化剂的治疗也抑制了 caspase3 的活性 28 这表明氧化应激增强可以通过 caspase3 途径促进视网膜细胞凋亡 另一种细胞凋亡介导物是对于氧化还原反应敏感的 NF B 尽管 NF B 是发挥阻滞还 是促进凋亡的作用取决于细胞类型和疾病状态 多数研究认为糖尿病导致的视网膜以及视 网膜毛细血管细胞中 NF B 激活是促进细胞凋亡的 有研究 27 发现 在细胞凋亡或者发 现组织病理学改变之前 高糖培养的视网膜毛细血管内皮细胞和周细胞或者糖尿病动物视 网膜中 NF B 即已被激活 在病理组织学进展的同时 NF B 的激活一直在持续 而给予 抗氧化剂治疗可以在不改善血糖的情况下抑制 NF B 的激活 表明 NF B 的激活是 DR 的一项早期征象 抗氧化剂的治疗潜能也可能包含了抑制 NF B 以及其下游路径的激活 4 4 抗氧化剂治疗糖尿病视网膜病变抗氧化剂治疗糖尿病视网膜病变 大量研究都提示 氧化应激是 DR 发生发展过程中的重要因素 而抗氧化剂可以抑制 ROS 的生成 清除自由基 增强抗氧化防御系统的功能 所以恰当地使用抗氧化剂在治疗 DR 方面具有很大的潜能 硫辛酸是一种对于巯基 二硫键转换起作用的抗氧化剂 它可以清除 ROS 还原谷 胱甘肽来维持一个健康的细胞氧化还原状态 它分布到线粒体内 充当线粒体酶复合体中 一个关键的辅助因子 而且可以通过糖酵解途径再生 对于糖尿病大鼠的研究提示 硫辛酸可以抑制大鼠视网膜毛细血管细胞凋亡 减少无细胞性毛细血管的数量 抑制 DNA 氧化修饰 降低 8OHdG 水平 降低 VEGF 和氧化修饰蛋白水平 并完全阻滞糖尿病诱导的 NT 增高和 NF B 的激活 表明长期给予 硫辛酸可以抑制视网膜病变的发展 33 除了能减少微血管损害以外 复合抗氧化剂 包括维生素 C 维生素 E Trolox N 乙酰半胱氨酸 胡萝卜素和硒 还可以消除糖尿病诱发的视网膜 PKC 和 NO 的增加 9 抑制 NF B 27 和 caspase3 28 的表达 基因研究表明在小鼠中增加线粒体 SOD 的表达可以填补糖尿病诱导视网膜氧化应激中 减少的部分 并且可以防止线粒体功能障碍 25 这项研究在药理学方面提升了 MnSOD 类 似物用于阻滞 DR 的可能性 目前研究的还有绿茶多酚 锌 尼卡那汀等