中国生理学会

袁平姚泰陆利民（复旦大学上海医学院生理与病理生理学系上海200032）

摘要：研究表明，活性氧簇（ROS）与高糖诱导肾脏损伤的发生、发展密切相关。在正常生理条件下，机体内产生的ROS可能被抗氧化系统清除，但在持续高糖状态下，高糖可诱导多种途径产生过量的ROS，超过机体的清除能力，引起肾脏组织的损伤。此外，研究显示血管紧张素Ⅱ（AngiotensinⅡ，AngⅡ）是肾脏损伤中另一重要的媒介，可以刺激细胞内ROS的产生，而且AngII诱导产生ROS与高糖引起的肾脏损伤关系密切。因而，了解ROS的产生及其损伤肾脏机制十分重要，并可能为糖尿病肾病（DN）的临床治疗提供新的思路。关键词：高糖；活性氧簇；血管紧张素Ⅱ；糖尿病肾病

糖尿病肾病（diabeticnephropathy，DN）是由于高糖引起细胞外基质（extracellularmatrix，ECM）在肾脏的过度积聚，导致以肾小球系膜增生和肾小管间质纤维化为特征的一类疾病，也是导致终末期肾病的主要原因之一。有研究证明，高血糖是糖尿病（diabetesmellitus，DM）血管并发症包括DN始发和进展的主要决定因子。在肾小球系膜细胞和小管上皮细胞，高糖可以诱导过量ROS的产生，后者能上调TGF-β1、ECM等的表达，导致肾脏细胞的胞内蛋白、膜脂质、核酸的损害，引起细胞死亡和组织损伤。本文主要综述了高糖引起ROS的产生途径和导致肾脏损害机制的进展。1．高糖诱导ROS产生的机制ROS是体内一系列氧媒介物总称，包括超氧阴离子（?O2-）、过氧化氢（H2O2）、羟自由基（?OH）和单态氧（1O2）等活性含氧化合物。体内ROS有许多来源，最初的来源是氧气（O2），O2通过多功能酶途径生成超氧阴离子（?O2-）。?O2-不稳定，易被超氧化物歧化酶作用生成H2O2[1-5]，在表达髓物过氧化酶的细胞中，H2O2可以氧化氯化物生成反应性次氯酸（HOCl）。HOCl进一步与?O2-反应生成?OH，而此氯酸盐可以与H2O2反应生成1O2。另外，H2O2和?O2-通过铁的催化可以生成OH[1-5]。有证据表明，体内高糖可以通过多条途径诱导产生ROS。1.1线粒体呼吸链途径：线粒体呼吸链中的复合物在有氧代谢过程中，可以产生大量ROS，体内约70%的?O2-来源于线粒体。有实验表明，高糖可引起线粒体的膜电位增大，使氧分子还原产生?O2-增多[6]。Nishikawa等证明，用线粒体呼吸链复合物的抑制剂培养牛主动脉内皮细胞，可以有效抑制高糖诱导的ROS增多[7]。Echtay等用解偶联蛋白-1（UCP-1）可明显抑制高糖引起的大鼠肾系膜细胞和肾小管上皮细胞中ROS的含量[8]。这些观察表明高糖通过线粒体呼吸链途径产生了ROS生成的底物。1.2葡萄糖的多元醇途径：研究表明，多元醇通路的活化参与高糖引起的ROS产生增加。多元醇通路活化可使NADPH变成NADP，在此过程中，消耗大量的还原型谷胱甘肽（GSH），使氧化型谷胱甘肽（GSSG）明显减少。在高糖刺激下，系膜细胞内的GSH水平下降，削弱自由基清除系统，导致体内ROS堆积[9]。近来研究指出，在糖尿病大鼠肾组织内，高糖通过激活蛋白激酶A（PKA），导致NADPH生成减少，并使细胞内GSH水平下降，ROS堆积。1.3还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶及DAG-PKC信号转导途径：经典的NADPH氧化酶是一个酶的复合体，由细胞膜上的p22phox、gp91phox异源二聚体及至少4个细胞浆亚单位（p47phox，p67phox，p40phox，GTP酶rac1或rac2）组成，主要负责中性粒细胞内呼吸爆发时?O2-的产生[10]。其它细胞，如肾系膜细胞、肾小管上皮细胞，也都存在与该酶结构和功能相似的复合物[11]。在高糖状态下，甘油二酯（DAG）产生增多，并通过激活蛋白激酶C（PKC），从而激活NADPH氧化酶，介导ROS的产生[12]。近年来的研究还发现，PKC的活化可刺激NADPH氧化酶产生ROS，其中80%通过磷脂酰肌醇3（PI-3）激酶依赖通路介导，另外20%由非PI-3激酶依赖的通路介导产生[13]。此外，用NADPH氧化酶抑制剂apocynin和二亚苯基碘（DPI）可有效地阻断高糖诱导的系膜细胞内ROS的产生[14]。由此证明，NADPH氧化酶在高糖诱导ROS的产生中起重要作用。1.4糖基化终末产物（AGEs）途径：当AGE与其特异性受体RAGE结合后，可激活NADPH氧化酶，诱导产生大量的自由基[15]。AGE-RAGE可以激活PKC、转录生长因子TGF-β1[16]。TGF-β1可上调系膜细胞内p47phox、p67phox、p22phox和gp91phox的表达，以及小管上皮细胞内gp91phoxmRNA的表达，因此TGF-β1也可以依赖NADPH氧化酶产生ROS。此外，在系膜细胞，ROS也可诱导AGE的产生和TGF-β1的上调，二者反过来又诱导ROS的产生，从而加剧肾脏损伤的发生发展。2．血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）介导的ROS的产生Wilson等证明，AngII能诱导ROS的生成[17]。随后的研究还观察到，用AngII刺激血管平滑肌细胞，可以增加?O2-的量[18-20]。这些效应主要是通过AngII与AT1受体结合，激活NADPH氧化酶诱导的。DPI和p22phox反义寡核苷酸链可以减弱此反应[20-23]。现在已经发现，肾脏系膜细胞的AT1受体与AngII结合后，可激活NADPH氧化酶，产生大量的ROS[20]。在多种细胞，如血管平滑肌细胞、肾脏系膜细胞、肾小管上皮细胞等的研究发现，AngII可刺激NADPH氧化酶亚单位的上调，包括Nox1、p47phox、p67phox，和p22phox。在某些基因敲除小鼠上也发现了同样的结果。例如：在Nox1缺陷的小鼠中，血管平滑肌细胞中Nox1表达量减少，注射AngII后，诱导产生的ROS也减少[25]。同样，p47phox缺陷的小鼠注射AngII后ROS生成减少[26]。3．ROS致肾组织损伤的机制在高糖诱导的肾脏损害中，ROS起着非常重要的作用。ROS产生增加，可以进一步激活某些细胞内信号转导途径及转录因子，改变功能基因的表达和蛋白质水平，在系膜细胞和小管上皮细胞的过度表达基质蛋白，导致ECM在肾脏沉积，使肾小球肥大。3.1激活信号转导途径：在肾脏细胞，高糖诱导产生的ROS可激活PKC、有丝分裂原激活的蛋白激酶（MAPK）、Janus激酶（JAK）/信号转导子和转录激活子（JAK/STAT），上调TGF-β1和纤维结合素（FN），导致肾组织内细胞外基质的聚集。有研究显示，在高糖状态下，ROS能激活系膜细胞的PKC，抗氧化剂能抑制高糖诱导的系膜细胞的RKC的激活[27]。但前面已提到，PKC可激活NADPH氧化酶，导致ROS大量产生，因而Ha等认为，ROS和PKC之间可形成一个环路，互相刺激，共同参与DN的发生、发展[28]。MAPK信号通路是细胞内介导细胞外信号的另一重要信号系统。大量实验证明，在高糖状态下，ROS可以激活细胞外信号调节激酶（ERK）、c-JunN端激酶（JNK）/应激激活的蛋白激酶（SAPK），参与肾组织内ECM的聚集。Dunlop等证明，高糖可诱导肾小球系膜细胞内P38MAPK信号转导通路的激活；这一作用可被NAC或DPI阻断[29，30]。另外有研究发现，AngⅡ可以通过ROS激活系膜细胞内的ERK信号通路，该通路在AngⅡ介导的系膜细胞肥大和ECM产生增多中至少起一部分作用。另外有人证实，抗氧化剂可以抑制高糖的这种作用[31]。在系膜细胞，高糖诱导产生的ROS可激活JAK/STAT，此信号通路可以刺激TGF-β1的产生和IV型胶原蛋白的表达，而TGF-β1则能上调ECM的mRNA和蛋白的表达。TGF-β1也能上调纤溶酶原活化因子抑制剂-1（PAI-1）mRNA和蛋白的表达，下调蛋白水解酶PAI-1水平，从而导致系膜细胞降解ECM的能力降低[37]。3.2激活转录因子系统：研究表明，在肾脏系膜细胞，高糖可以激活转录因子核因子NF-KB，激活后的NF-KB可增加ECM、细胞因子和生长因子的表达[32]；且抗氧化剂可抑制高糖诱导的NF-KB的激活[33]。此外有研究显示，ROS介导了高糖诱导的系膜细胞单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）的表达。进一步的研究还发现，高糖通过ROS激活NF-KB，NF-KB再促进MCP-1基因转录，上调MCP-1的表达[32]，导致肾组织炎症的发生、发展。Weigert等证实，在肾脏系膜细胞，高糖和外源性的H2O2都可激活活化蛋白-1（AP-1）[33]，导致细胞的增生、分化、转化、ECM的沉积以及TGF-β1、FN的基因表达，因为TGF-β1、FN的基因中均有AP-1的位点[34]。3.3ROS参与肾小球内高压的形成：ROS能通过多方面的机制参与高糖状态下肾小球血流动力学的改变。许多研究表明，高糖状态下，ROS可能通过一氧化氮（NO）参与肾小球的高灌注和高滤过[35]。Iino等[36]的研究发现，ROS参与高糖诱导的前列腺素E2（PGE2）的生成过程。前面已经提到，AngⅡ可诱导ROS的产生，但是Fukami等[37]的研究表明，AGEs与系膜细胞上的RAGE结合，可通过诱导ROS的生成而导致AngⅡ产生增多。可见，ROS与AngⅡ相互作用、相互刺激，且ROS可通过AngⅡ参与肾小球内高压的发生。4．结语综上所述，在高糖状态下，有多种因素可导致肾组织内ROS的产生。在ROS的产生机制中，线粒体代谢、NADPH氧化酶、PKC等均起了重要作用。ROS能激活某些细胞内信号转导途径及转录因子，改变功能基因的表达和蛋白质水平，从而导致肾脏的损伤。参考文献（略）