糖尿病肾病肾组织氧化应激的调控机制及中药的干预作用
在糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）发生、发展过程中机体内活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）生成增多导致肾组织OS损伤的发生；其形态学特征主要表现为肾小球和肾小管固有细胞结构和功能的改变。肾组织OS调控途径涉及胞内多条信号通路，其中，p38丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路和腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）信号通路作为多种抗氧化物质的靶点而发挥着重要功能。中药复方或单味中药提取物对DN肾组织OS损伤的干预作用包括“调控ROS和抗氧化物质，减少晚期糖基化终末产物形成，抑制生长因子表达，影响胞内信号通路活性”等。
标签：糖尿病肾病；中药；氧化应激；信号通路；药理机制
目前，在世界范围内糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）已成为引起终末期肾病（end stage renal disease，ESRD）的主要原因之一[1]。研究表明，在DN发病机制中氧化应激（oxidative stress，OS）发挥着重要作用[2]。一般而言，机体内促氧化物质（pro-oxidants）和抗氧化物质（antioxidants）相互作用而保持平衡状态。一旦出现各种病理因素，促氧化物
质产生增多和/或抗氧化物质减少以及抗氧化反应不充分都可导致活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）增加，其结果可使蛋白质、脂类、核酸、碳水化合物以及细胞膜、细胞器等生命基本物质被氧化而发生相应的结构和功能的改变，这就是ROS诱导的氧化应激（oxidative stress，OS）[3]。就肾脏而言，肾组织内ROS主要包括分子氧及其衍生物，如超氧阴离子（O-·2）、羟基（HO-）、过氧化氢（H2O2）、过氧亚硝酸盐（ONOO-）、次氯酸（HOCl）、一氧化氮（nitric oxide，NO）以及脂质自由基等。在生理状态下，适量的ROS能迅速被肾组织内抗氧化物质（如超氧化物岐化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等）清除；在糖尿病或高血糖环境中，内皮细胞（endothelial cell）来源的各种因素都会诱导ROS过多生成，一旦超过抗氧化物质的清除能力，体内聚集的大量ROS便可诱导肾脏固有细胞发生OS，并且，激活胞内多条相关信号通路，经核内转录因子介导而促进致纤维化生长因子等基因转录和高表达，最终，出现细胞外基质（extracellular matrix，ECM）过度沉积而形成肾纤维化[4-5]。近年来，国内外学者发现，某些单味中药的提取物（姜黄素、黄芩素、三七总皂苷、白藜芦醇等）以及一些中药复方制剂（连芪消渴胶囊等）可以减轻DN动物模型肾组织损伤[6]，其药理机制与降糖作用无直接关系，可能是通过拮抗OS而发挥效果的。笔者基于对DN肾组织OS调控机制的认识，综述相关中药的抗氧化作用。
1 肾组织氧化应激的调控途径
1.1 诱导活性氧簇过度生成 糖尿病或高血糖状态下，肾脏内皮细胞来源的ROS会过度生成，其经典途径包括葡萄糖氧化磷酸化（oxidative phosphorylation of glucose）、多元醇通路（polyol pathway）、晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGEs）、蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）以及线粒体呼吸过程（mitochondrial respiratory processes）等[7]。
研究表明，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶是DN肾组织产生ROS的主要途径。NADPH氧化酶位于各种肾脏固有细胞的胞浆中，如系膜细胞、近端肾小管上皮细胞、血管平滑肌细胞、内皮细胞和成纤维母细胞等[8]。NADPH氧化酶的亚基包括NOX1，NOX2，NOX3，NOX4，NOX5和Duox1，Duox2等，统称为NOX家族，其中，在肾脏NOX4的表达最多[9]。高血糖环境下，NOX4在系膜细胞胞浆中被分离，诱导其发生OS；NOX4还可激活丝氨酸-苏氨酸激酶（serine-threonine kinase，Akt）和细胞外信号调节激酶1，2，促进系膜细胞的肥大和纤维连接蛋白（fibronectin，FN）的表达，形成肾纤维化。Sedeek等发现，在高血糖环境下培养
的小鼠近端小管上皮细胞NOX4和FN表达上调，ROS生成增多，经NOX1/4抑制剂（GKT136901）干预，FN表达明显下调。作者认为，抑制NADPH氧化酶活性，调控肾小管上皮细胞OS，可以保护高血糖诱导的肾小管损伤[10]。
reactive oxygen species是什么意思
另外，新近发现的8-羟基脱氧鸟苷（8-hydroxy-deoxyguanosine，8-OHdG）作为ROS攻击DNA的产物被国内学者高度关注。研究表明，血或尿中的8-OHdG异常升高标志着糖尿病患者肾固有细胞中DNA发生OS，而且，8-OHdG在临床上有很好的应用前景。Shin等测定41例糖尿病患者和33例健康对照组者的血浆8-OHdG，作者发现，血浆中8-OHdG作为DNA氧化损伤的指标物在糖尿病患者中是明显增高的，尤其是在伴有肾功能异常的糖尿病患者中[11]。
1.2 清除活性氧簇的抗氧化物质 机体内主要的抗氧化物质包括酶类和非酶类。酶类抗氧化物质是指超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、血红素氧化酶（heme oxygenase，HO）以及胆绿素还原酶（biliverdin reductase）等[12]。非酶类抗氧化物质是指维生素E、维生素A、黄酮类、泛癸利酮、维生素C、尿酸等。糖尿病或高血糖状态
下，SOD是肾组织体内直接拮抗氧化物质的第一道生理屏障。在DN动物模型中，外源性SOD相似物tempol能抑制DN模型鼠血清ROS产物的生成，降低蛋白尿以及肾组织转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-β、胶原的蛋白表达水平[13]。GSH-Px在肾组织内能分解过氧化氢而生成水和脂质过氧化物。据报道[14]，对于Zucker糖尿病大鼠，GSH-Px拟似物ebselen在体内能通过改善模型鼠肾组织ROS产物的生成而抑制炎症和肾小管/间质病理性损伤。研究表明，转基因糖尿病鼠近端小管过氧化氢酶表达的增多能减轻肾间质纤维化和肾小管细胞凋亡，这说明抗氧化物质有肾小管/间质保护作用[15]。2 氧化应激与肾组织损伤
2.1 肾小球损伤 糖尿病状态下OS诱导的肾损伤主要表现为肾小球和肾小管固有细胞结构和功能上的改变，其中，有很多直接或间接的诱导因素（图1）[5]。DN最早期的肾组织形态学变化是肾小球系膜细胞肥大、基底膜增厚；随着疾病进展，肾小球ECM主要成分，如Ⅳ型胶原、层粘连蛋白（laminin）和FN的产生会增多，其降解也会减少，肾纤维化逐渐形成；此外，肾小球内ROS的增多还可降低系膜细胞对血液中NO的生物利用度，引起肾小球系膜收缩和小动脉张力异常，导致肾小球毛细血管内皮细胞功能障碍、白细胞粘附以及细胞凋亡[16]。
研究表明，足细胞足突的肥大和裂孔膜蛋白nephrin表达的减少也是OS相关肾损伤的形态学特征[17]。足细胞（podocyte）是肾小球滤过屏障的重要组成部分，在维持肾小球滤过膜结构和功能上具有重要作用。Susztak等报道[18]，高血糖可激活足细胞还原型尼克酰胺腺嘌呤核苷酸磷酸氧化酶而产生过多的ROS，而ROS又可降低足细胞足突和基底膜之间的连接分子α3β1整合素的表达，促使其发生脂质过氧化反应，破坏足细胞结构。另外，高血糖可促进足细胞表面葡萄糖运载蛋白的表达，这样，进入胞内的葡萄糖分子就增多，过多的葡萄糖与游离氨基等发生反应而生成大量的AGEs，诱导足细胞发生OS；高浓度的葡萄糖还能激活足细胞胞浆内的醛糖还原酶，导致大量山梨醇的产生，过多的山梨醇会使胞内渗透压升高，直接破坏足细胞的形态和功能[19]。
2.2 肾小管损伤 OS还会导致早期肾小管/间质损伤与细胞凋亡。高血糖环境下，近髓区和髓外区的肾小管和间质细胞都处于缺氧状态，而且，肾内血流动力学调节功能的损坏导致肾间质内氧气输送量减少和氧张力降低。因此，肾小管上皮细胞很容易发生OS。肾小管/间质内过多产生的ROS诱导TGF-β等致纤维化因子大量释放和表达，促使肾间质内ECM重塑，形成间质纤维化[20]。
研究表明，低氧诱导因子（hypoxia-induced factor，HIF）-1α通过促进血管生成，提高氧的利用度，抑制纤维化进展。糖尿病状态下，高血糖以剂量依赖性方式损害HIF-1α降解蛋白酶的稳定性，降低HIF-1α抗纤维化的能力。另外，ROS可以调节HIF-1α在缺氧状态下的降解过程，过多的ROS可持续刺激HIF-1α，影响其稳定性，诱导肾小管炎症反应和肾间质纤维化形成[21]。
3 氧化应激相关的信号通路
研究表明，在糖尿病或高血糖状态下，肾脏内过多的ROS可激活胞内多条信号通路，包括p38丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路、细胞外信号调节激酶（extracellular-signal regulated protein kinase，ERK）通路、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun amino-terminal kinase，JNK）通路、磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3 kinase，PI3K）/丝氨酸-苏氨酸激酶（serine-threonine kinase，Akt）通路、Janus蛋白酪氨酸激酶（Janus protein tyrsine kinase，JAK）通路以及腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）通路等（图2）[22]。其中，p38MAPK信号通路和AMPK信号通路作为多种抗氧化物质的靶点在肾组织OS过程中发挥着重要的调控作用[23]。
在DN的发展过程中，ROS激活 p38MAPK信号通路而使p38MAPK磷酸化增强，活化的p38MAPK进入细胞核，通过核转录因子（nuclear transcription factor，NF）而影响致纤维化细胞因子和炎症因子的基因转录和表达，如TGF-β、结缔组织生长因子（connective tissue growth factor，CTGF）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、内皮素（endothelin）-1等[5]。据报道[24]，活化的p38MAPK可直接影响肾固有细胞的结构和功能。活化的p38MAPK可介导热休克蛋白Hsp25的磷酸化，引起肾小球系膜收缩不全、超滤过、FN过表达以及系膜细胞的凋亡。2型糖尿病鼠db/db体内p38MAPK上游的关键酶Mkk3若被敲除，p38MAPK信号通路活化途径受阻，模型鼠的肾小球肥大、系膜细胞增生以及肾纤维化都能得到明显改善[25]。对于足细胞而言，活化的p38MAPK可直接影响足细胞内肌动蛋白的聚合作用，使足突的形态发生改变，出现足突融合、消失以及裂孔膜断裂等[26]。
此外，p38MAPK信号通路的激活还可刺激肾脏固有细胞过度释放或表达致纤维化细胞因子和炎症因子[27]。王丽晖等探讨高糖状态下p38MAPK信号途径与下游细胞因子TGF-β1及细胞外基质表达的关系。作者在葡萄糖环境中培养肾小球系膜细胞，根据不同的干预措施分为4组，即低糖组、低糖+甘露醇组、高糖组合高糖+SB203580（p38MAPK抑制剂）组，检测细胞磷酸化p38MAPK的蛋白表达水平以及TGF-β1，FN的核酸表达水平，结果显示，高糖刺
激下的细胞p38MAPK蛋白发生核转移，p38MAPK蛋白磷酸化表达水平明显上调，同时，TGF-β1和FN核酸表达水平也增强，而p38MAPK抑制剂——SB20358能明显抑制p38MAPK蛋白磷酸化水平，降低TGF-β1和FN核酸表达水平。作者认为，p38MAPK信号通路的激活可以促进系膜细胞高表达致纤维化因子TGF-β1[28]。余学清等采用脂多糖体外刺激肾小球系膜细胞，使其p38MAPK信号通路活化，结果显示，磷酸化p38MAPK高表达的同时，炎症因子IL-1β的核酸和蛋白表达水平明显升高；使用p38MAPK抑制剂后，磷酸化p38MAPK和IL-1β的表达水平显著下降。作者认为，p38MAPK信号通路的激活可以刺激系膜细胞高表达炎症因子IL-1β[29]。4 中药对肾组织氧化应激的干预作用

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