氧化應(yīng)激在糖尿病性心血管疾病中的研究進(jìn)展

練淑平，張 耀，王振花

(1.廣東醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院,廣東 湛江 524023； 2.深圳市寶安區(qū)中心醫(yī)院心血管內(nèi)科,廣東 深圳 518102；3.深圳市寶安區(qū)人民醫(yī)院心血管內(nèi)科,廣東 深圳 518101)

糖尿病是以高血糖為特征的代謝性疾病，其發(fā)病率逐年上升[1]。糖尿病性心血管疾病是糖尿病患者的主要并發(fā)癥之一，同時(shí)也是糖尿病患者生活質(zhì)量下降和病死率升高的主要原因之一。糖尿病人群罹患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)增加。一項(xiàng)對(duì)20 985例糖尿病患者(平均年齡為38.6歲)的觀察性研究發(fā)現(xiàn)，糖化血紅蛋白每增加1%，心力衰竭患病風(fēng)險(xiǎn)增加30%[2]。糖尿病性心血管疾病包括糖尿病性心肌病、冠心病、糖尿病性心血管自主神經(jīng)病變等。其中，糖尿病性心肌病是在代謝紊亂及微血管病變的基礎(chǔ)上引發(fā)心肌廣泛灶性壞死，出現(xiàn)亞臨床的心功能異常，最終進(jìn)展為心力衰竭、心律失常及心源性休克，即使在沒(méi)有心臟相關(guān)臨床癥狀的情況下，其心肌重構(gòu)和心臟功能下降也在持續(xù)進(jìn)展[3]。糖尿病性心肌病的早期階段為舒張功能障礙，隨后發(fā)展為有臨床癥狀的心力衰竭[4-5]。其病理生理變化包括心肌細(xì)胞凋亡和左心室肥厚，間質(zhì)和血管周?chē)M織纖維化，左心室順應(yīng)性下降及舒張功能障礙[6]。而糖尿病患者的心臟冠狀動(dòng)脈血管內(nèi)皮功能障礙和動(dòng)脈粥樣硬化也可導(dǎo)致心臟供血不足、心肌重構(gòu)[7]。持續(xù)的血糖升高是糖尿病性心血管疾病發(fā)病的始動(dòng)因素，其主要機(jī)制為氧化應(yīng)激，也包括晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)激活等。現(xiàn)就氧化應(yīng)激在糖尿病性心血管疾病中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 氧化應(yīng)激

活性氧類(lèi)(reactive oxygen species,ROS)是指機(jī)體內(nèi)或自然環(huán)境中由氧組成的性質(zhì)活潑物質(zhì)的總稱(chēng)。體內(nèi)正常代謝可以產(chǎn)生ROS，其是機(jī)體內(nèi)主要的氧化劑之一[8]。機(jī)體內(nèi)的ROS包括自由基(羥基、超氧化物)和非自由基(過(guò)氧化氫、單線(xiàn)態(tài)氧分子)，它們?cè)跈C(jī)體生命活動(dòng)的氧化還原反應(yīng)過(guò)程中會(huì)不斷生成。在生理?xiàng)l件下，適量的ROS作為一種信號(hào)分子，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子及凋亡基因表達(dá)等生理性氧化還原反應(yīng)，在抗菌和消炎等方面有重要意義。然而在病理?xiàng)l件下，當(dāng)體內(nèi)的ROS生成超過(guò)抗氧化酶和抗氧化劑的緩沖能力時(shí)，ROS調(diào)節(jié)失衡，傾向于氧化狀態(tài)，從而產(chǎn)生氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激可修飾或使生物大分子退化，如核酸退化、脂質(zhì)氧化、膜蛋白退化，繼而導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙甚至死亡[9]。其中，ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激是干擾機(jī)體正常生命活動(dòng)形成的一種嚴(yán)重的應(yīng)激狀態(tài)，可對(duì)人體造成一定損傷。

氧化應(yīng)激的主要機(jī)制為ROS來(lái)源增多和抗氧化能力下降：①在糖尿病性心血管疾病中，ROS生成增多主要來(lái)源于線(xiàn)粒體電子傳遞鏈、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶和一氧化氮合酶解偶聯(lián)路徑[10-11]。Suzuki等[12]研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠心肌細(xì)胞內(nèi)的ROS水平升高。Koncsos等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病前期小鼠中，心肌肌膜下線(xiàn)粒體過(guò)氧化氫生成增多。②高血糖可降低心臟組織的抗氧化能力[14]。體內(nèi)抗氧化酶防御體系包括酶性抗氧化劑(超氧化物歧化酶)、非酶系抗氧化劑(維生素C、輔酶Q10)及金屬絡(luò)合物(銅結(jié)合蛋白)。高血糖可通過(guò)使銅鋅超氧化物歧化酶失活，導(dǎo)致ROS生成增多[14]。Ji等[15]研究表明，抗氧化劑依達(dá)拉奉可以提高超氧化物歧化酶水平，改善心功能。

2 氧化應(yīng)激在糖尿病性心臟病變中的作用

2.1介導(dǎo)心臟炎癥和纖維化 NADPH氧化酶在高血糖狀態(tài)下被激活，催化NADPH和O2生成超氧化物陰離子，而超氧化物陰離子經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)變成羥基，導(dǎo)致ROS合成過(guò)多。ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激可通過(guò)激活核因子κB、基質(zhì)金屬蛋白酶及上調(diào)基因的表達(dá)導(dǎo)致心肌間質(zhì)纖維化[12]。且ROS通過(guò)激活核因子κB還能促進(jìn)腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-6等炎癥因子表達(dá)增加[12，16]。炎癥在心血管疾病的發(fā)病機(jī)制和進(jìn)展中扮演重要角色。其中，促炎細(xì)胞因子和趨化因子誘導(dǎo)的慢性炎癥在糖尿病性心血管病變的發(fā)生及發(fā)展中起重要作用[17]。腫瘤壞死因子-α是一種可觸發(fā)心臟炎癥和細(xì)胞損傷的重要分子[5]。在心臟成纖維細(xì)胞中腫瘤壞死因子-α增加了膠原的合成[17]，并最終導(dǎo)致心臟纖維化[17-18]。此外，核因子κB也被認(rèn)為是ROS導(dǎo)致糖尿病性心臟病變的關(guān)鍵介質(zhì)[19]，且核因子κB是控制炎癥因子基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子[5]，其可通過(guò)調(diào)節(jié)炎癥因子促進(jìn)心肌細(xì)胞慢性炎癥、肥厚和纖維化。

以上研究結(jié)果表明，氧化應(yīng)激在糖尿病性心臟中的心臟炎癥和心臟纖維化過(guò)程中起主要作用。因此，減少慢性炎癥和維持體內(nèi)細(xì)胞的氧化還原平衡狀態(tài)對(duì)糖尿病相關(guān)的心臟疾病的治療和預(yù)防有重要意義。

2.2介導(dǎo)心肌肥大和細(xì)胞凋亡 氧化應(yīng)激在促進(jìn)心肌肥厚中起關(guān)鍵作用[20]。其中，ROS直接或間接激活了位于肥厚信號(hào)通路下游的各種路徑，包括核因子κB、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β、p38促分裂原活化的蛋白激酶、PKC、蛋白激酶B、應(yīng)激活化蛋白激酶等[20-21]。

在高糖狀態(tài)下，ROS可以激活腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、內(nèi)皮素-1和交感神經(jīng)系統(tǒng)等神經(jīng)體液機(jī)制[22]，導(dǎo)致心肌肥厚[20]。腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)長(zhǎng)期活動(dòng)過(guò)強(qiáng)可誘發(fā)心臟功能異常。研究顯示，血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑賴(lài)諾普利作用于糖尿病大鼠可抑制心肌細(xì)胞中的8-羥基脫氧鳥(niǎo)苷和氫氧自由基，減輕高糖狀態(tài)下的心臟炎癥、纖維化、肥大、細(xì)胞凋亡，從而改善心臟重構(gòu)[5]。

目前認(rèn)為，氧化應(yīng)激和PKC活動(dòng)可導(dǎo)致核因子κB表達(dá)增加[16,12]。而核因子κB可導(dǎo)致誘導(dǎo)型一氧化氮合酶表達(dá)增加，促使一氧化氮生成增多，過(guò)多的一氧化氮和過(guò)氧自由基反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)氧硝酸鹽，過(guò)氧硝酸鹽可誘導(dǎo)線(xiàn)粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的形成，且可導(dǎo)致ROS生成增多、細(xì)胞色素C流失和細(xì)胞凋亡[16]。Frati等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在心臟壓力超負(fù)荷小鼠中，腫瘤壞死因子-α基因的破壞可減少心肌肥大、纖維化。

以上研究表明，ROS參與了心肌肥大和心肌細(xì)胞凋亡的過(guò)程，這是糖尿病患者發(fā)生心肌肥厚和心力衰竭的重要原因。

2.3導(dǎo)致心肌代謝異常和心力衰竭 ROS誘發(fā)的線(xiàn)粒體功能障礙對(duì)心力衰竭的發(fā)展起重要作用[23]。線(xiàn)粒體呼吸鏈酶復(fù)合物由線(xiàn)粒體DNA和核DNA編碼的亞基組成，參與線(xiàn)粒體的氧化磷酸化，線(xiàn)粒體DNA的損傷導(dǎo)致線(xiàn)粒體中的蛋白質(zhì)合成障礙，從而產(chǎn)生ROS[5]。而ROS增多可直接損傷DNA、RNA和細(xì)胞膜[24]。Liu等[25]研究發(fā)現(xiàn)，8-羥基脫氧鳥(niǎo)苷是一種反映ROS誘導(dǎo)DNA損傷程度的指標(biāo)，在伴有大血管病變糖尿病患者的尿液中水平較高，同時(shí)反映ROS誘導(dǎo)RNA損傷的8-羥基鳥(niǎo)苷也明顯增加。

除了線(xiàn)粒體的改變外，心肌細(xì)胞表面膜離子通道和肌節(jié)相關(guān)蛋白的異常也會(huì)導(dǎo)致心臟功能障礙。鈣離子信號(hào)通路是心肌細(xì)胞收縮和舒張的必備條件。肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵是鈣離子信號(hào)通路的重要組成部分，通過(guò)隔離鈣離子使心肌細(xì)胞舒張。而ROS可引發(fā)肌質(zhì)網(wǎng)出現(xiàn)功能障礙，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的鈣離子堆積，繼而引起心肌舒縮功能障礙并誘發(fā)心律失常[26]。

糖尿病患者體內(nèi)存在葡萄糖代謝障礙，而非酯化脂肪酸代謝增強(qiáng)。過(guò)多的非酯化脂肪酸氧化會(huì)誘發(fā)線(xiàn)粒體呼吸鏈功能障礙、ROS介導(dǎo)的線(xiàn)粒體解偶聯(lián)蛋白激活、質(zhì)子泄漏增多及氧化磷酸化解偶聯(lián)，導(dǎo)致腺苷三磷酸生成減少，從而增加心肌氧需求、降低心肌效能[27]。同時(shí)，心肌細(xì)胞內(nèi)非酯化脂肪酸的增加導(dǎo)致心臟毒性脂質(zhì)中間體(神經(jīng)酰胺)積聚，從而使得線(xiàn)粒體鈣離子吸收減少和線(xiàn)粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開(kāi)放[27]。上述變化使丙酮酸脫氫酶、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等活性降低，導(dǎo)致腺苷三磷酸合成受損、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶介導(dǎo)細(xì)胞凋亡[27]。另外，糖尿病患者線(xiàn)粒體的ROS增多可致心臟重構(gòu)，如線(xiàn)粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開(kāi)放和線(xiàn)粒體腫脹引起的心肌細(xì)胞凋亡可導(dǎo)致心臟重構(gòu)[28]。

以上研究均表明，心臟的氧化應(yīng)激可通過(guò)線(xiàn)粒體損傷、肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵功能障礙、葡萄糖代謝障礙等機(jī)制引起心肌代謝異常及收縮、舒張功能障礙，最終導(dǎo)致心力衰竭。

3 氧化應(yīng)激在糖尿病性血管病變的作用

大血管病變是糖尿病患者的主要并發(fā)癥，其中冠狀動(dòng)脈是最常見(jiàn)的靶血管之一。在糖尿病患者冠狀動(dòng)脈中，氧化應(yīng)激引起內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙、動(dòng)脈粥樣硬化，最終導(dǎo)致心臟冠狀動(dòng)脈血管狹窄或堵塞、心臟供血不足，從而誘發(fā)一系列心臟不良事件。

3.1介導(dǎo)血管內(nèi)皮功能障礙 血管內(nèi)皮細(xì)胞是襯于心、血管內(nèi)壁的一層單層扁平上皮細(xì)胞。內(nèi)皮細(xì)胞之間的緊密相連，在生理情況下可有效地阻止血液中的血細(xì)胞及生物大分子穿過(guò)血管壁，從而起到屏障作用，可隔絕Ⅻ因子及Ⅶ因子等血漿凝血因子與基質(zhì)和平滑肌細(xì)胞中的組織因子接觸，防止凝血過(guò)程被激活。同時(shí)，血管內(nèi)皮細(xì)胞還可通過(guò)分泌各種生物活性物質(zhì)發(fā)揮促凝和抗凝作用，如分泌前列腺素即內(nèi)皮細(xì)胞源性舒張因子抑制血小板活化并舒張血管；分泌一氧化氮、前列腺素等血管活性物質(zhì)調(diào)節(jié)血管張力。然而，在糖尿病患者中，長(zhǎng)期且持續(xù)的血糖升高可造成血管內(nèi)皮細(xì)胞受損。高血糖會(huì)引起具有血管保護(hù)性的一氧化氮生物利用度下降和活性氧積聚，從而導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生功能障礙[29]。同時(shí)，超氧化物和一氧化氮快速反應(yīng)可形成具有高度活性的中間產(chǎn)物——過(guò)氧化亞硝酸鹽。過(guò)氧化亞硝酸鹽是一種很強(qiáng)的細(xì)胞毒性氧化劑，可造成蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA等生物分子的亞硝基化、硝基化及氧化損傷[30]。由于過(guò)氧化亞硝酸鹽可導(dǎo)致內(nèi)皮型一氧化氮合酶解偶聯(lián)生成超氧化物[31],而超氧化物又可繼續(xù)和一氧化氮反應(yīng)生成過(guò)氧化亞硝酸鹽，形成一種惡性循環(huán)，加速了一氧化氮損耗，最終造成內(nèi)皮依賴(lài)的血管舒張功能障礙。另外，在實(shí)驗(yàn)性糖尿病動(dòng)物模型中，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子抑制劑會(huì)誘發(fā)慢性心力衰竭[32]。這說(shuō)明，炎癥介導(dǎo)的血管內(nèi)皮功能障礙可加劇糖尿病慢性心力衰竭的進(jìn)展。

3.2導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化 血管內(nèi)皮細(xì)胞功能的改變?cè)诠跔顒?dòng)脈粥樣硬化過(guò)程中起至關(guān)重要的作用。高血糖可通過(guò)線(xiàn)粒體電子傳遞鏈增加超氧化物陰離子、過(guò)氧化物等ROS的生成，隨后形成正反饋效應(yīng)。如超氧化物陰離子激活PKC，反過(guò)來(lái)激活的PKC又可促使NADPH氧化酶依賴(lài)的ROS生成[16,33]。線(xiàn)粒體中的超氧化物陰離子可增加細(xì)胞內(nèi)AGEs的生成[16,33]。AGEs本身可以增加氧自由基的產(chǎn)生，而AGEs受體的激活又可引起細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激的產(chǎn)生，進(jìn)而在內(nèi)皮細(xì)胞中引起炎癥反應(yīng)[16,33]。因此，AGEs通過(guò)修飾細(xì)胞外基質(zhì)和循環(huán)中的脂蛋白，以及激活A(yù)GEs受體，最終導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化[33]。另外，Zhu等[34]研究表明，AGEs可通過(guò)低氧誘導(dǎo)因子-α/丙酮酸脫氫酶激酶4路徑加速血管的鈣化。

作為一種慢性炎癥反應(yīng)，動(dòng)脈粥樣硬化重要環(huán)節(jié)之一為循環(huán)中(血管內(nèi)膜)的低密度脂蛋白被超氧化物氧化，形成一種更為有害的氧化型低密度脂蛋白[32]；氧化型低密度脂蛋白加重巨噬細(xì)胞對(duì)內(nèi)膜的浸潤(rùn)(通過(guò)上調(diào)單核細(xì)胞趨化蛋白-1、巨噬細(xì)胞炎癥蛋白-1α等趨化因子，或增加血管細(xì)胞黏附分子-1和細(xì)胞間黏附分子-1等黏附分子的表達(dá))，進(jìn)一步加劇血管炎癥，最終導(dǎo)致泡沫細(xì)胞的形成[35]。

血管平滑肌細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移是動(dòng)脈粥樣硬化機(jī)制的另一重要環(huán)節(jié)。而糖尿病患者體內(nèi)的高水平ROS促進(jìn)了血管平滑肌細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移，增加動(dòng)脈粥樣硬化病變的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[35]。體外高血糖狀態(tài)下的研究表明，NADPH氧化酶介導(dǎo)的ROS的生成加劇了血管平滑肌細(xì)胞的增殖效應(yīng)[35]。此外，核因子κB炎癥因子也參與了高糖誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞的增殖。以上研究表明，ROS在加速糖尿病患者冠狀動(dòng)脈粥樣硬化中起關(guān)鍵作用。

4 糖尿病性心血管疾病的抗氧化治療

氧化應(yīng)激在糖尿病性心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用。因此，近年來(lái)針對(duì)阻斷ROS信號(hào)路徑的抗氧化治療的相關(guān)藥物及基因療法成為研究熱點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)，離體心肌細(xì)胞經(jīng)四甲基哌啶氧化物預(yù)處理后，可減少高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞死亡[36]。成熟的慢性心力衰竭藥物(血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、血管緊張素受體阻滯劑、鹽皮質(zhì)激素受體拮抗劑)具有抗氧化特性，其可能通過(guò)抑制NADPH氧化酶信號(hào)發(fā)揮作用[36]。微RNA是一類(lèi)內(nèi)源性非編碼RNA，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)。Diniz等[37]研究表明，微RNA-1過(guò)表達(dá)可以抑制甲狀腺激素引起的心肌細(xì)胞肥大。Zhang等[38]實(shí)驗(yàn)表明，微RNA-1可抑制心力衰竭模型的心臟重構(gòu)，改善心功能。

5 小 結(jié)

氧化應(yīng)激在糖尿病性心血管疾病的發(fā)展中起關(guān)鍵作用。糖尿病的高血糖癥和代謝異常會(huì)導(dǎo)致血管細(xì)胞和心肌細(xì)胞產(chǎn)生過(guò)多的ROS。而氧化應(yīng)激對(duì)心血管系統(tǒng)有不利影響，可通過(guò)多種路徑引起炎癥、內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙、動(dòng)脈粥樣硬化、心肌細(xì)胞肥大、凋亡和心肌纖維化，導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟功能障礙。因此，未來(lái)期待有更多關(guān)于阻斷ROS路徑的靶點(diǎn)藥物或基因研究，這可能對(duì)預(yù)防和治療糖尿病性心血管疾病有益，也有助于更確切地認(rèn)識(shí)糖尿病性心血管疾病的發(fā)病機(jī)制及確定更具體的靶向治療方案。