糖尿病周围神经病变中的氧化应激：关键机制与治疗靶点

《Therapeutic Advances in Endocrinology and Metabolism》：Oxidative stress in diabetic peripheral neuropathies: Key mechanisms and therapeutic targets

　　

氧化应激在糖尿病周围神经病变（DPN）的发病机制中发挥着核心且多层面的作用，DPN是糖尿病最常见且致残率最高的并发症之一。慢性高血糖引发一系列相互关联的代谢紊乱，包括多元醇通路、己糖胺通路、蛋白激酶C（PKC）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）以及晚期糖基化终末产物（AGE）通路的激活，这些通路共同导致活性氧（ROS）产生增加、线粒体功能破坏以及抗氧化防御系统失守。上述机制进一步导致轴突变性、施万细胞功能障碍、血管损伤，并最终造成不可逆的神经损害。目前，DPN在很大程度上仍缺乏有效治疗方法，现有疗法仅能提供症状缓解。越来越多的研究关注于靶向氧化应激反应作为潜在的疾病修饰策略。在内源性抗氧化防御系统中，核因子E2相关因子2（Nrf2）–Kelch样ECH相关蛋白1（Keap1）信号通路已被证实是细胞氧化还原稳态的关键调控因子，也是颇具前景的治疗靶点。当前研究重点关注的候选治疗药物包括醛糖还原酶抑制剂、α-硫辛酸、苯磷硫胺、胰高血糖素样肽-1（GLP-1）受体激动剂、二肽基肽酶4（DPP-4）抑制剂，以及姜黄素和巴多索隆甲基等Nrf2激活剂，这些药物旨在恢复氧化还原平衡并减轻神经元损伤。本综述讨论了DPN中氧化应激的分子基础，并评估了有望预防或延缓疾病进展的新兴抗氧化策略。

主体内容总结

引言

糖尿病（DM）的全球发病率正显著上升。2021年，全球约10.5%的人口（相当于5.37亿人）患有1型或2型糖尿病，预计到2030年这一数字将增至6.43亿，到2045年将达到7.83亿。此外，超过400万人的死亡与糖尿病相关并发症有关。在糖尿病的并发症中，糖尿病神经病变最为常见，病程超过二十年的DM患者中超过半数受累。DPN涵盖与糖尿病相关的一组异质性神经疾病，包括远端对称性多发性神经病（DSPN）、自主神经病变、局灶性和多灶性神经病变（如单神经病变）以及近端糖尿病神经病变。糖尿病神经病变严重影响患者的生活质量和功能独立性，导致慢性疼痛、步态不稳、睡眠障碍以及足部溃疡和下肢截肢风险增加。目前DPN尚无确切治疗方法，现有疗法主要提供症状缓解。氧化应激被认为是DPN的关键致病因素。

氧化应激

氧化应激（OS）是指ROS的产生超过内源性抗氧化防御系统的清除能力，导致细胞脂质、蛋白质和核酸受损的状态。主要ROS和活性氮物种包括超氧阴离子（O₂•^-）、过氧化氢（H₂O₂）、一氧化氮（NO）、羟基自由基（•OH）、单线态氧（¹O₂）和过氧亚硝酸盐（ONOO^-）。这些高活性物种可破坏膜完整性、损伤蛋白质并诱导DNA损伤。持续存在的氧化应激可促进轴突损伤、施万细胞功能障碍、微血管损伤和神经炎症，最终导致DPN特征性的进行性感觉和运动缺陷。糖尿病中线粒体葡萄糖氧化受损是ROS产生的重要来源。慢性高血糖导致线粒体电子传递链（ETC）还原当量过载，电子流增加使呼吸链高度还原，线粒体膜电位升高，尤其在复合物I和III处电子传递效率降低，电子过早与分子氧反应生成超氧阴离子。线粒体功能障碍损害细胞能量产生，增加神经元损伤易感性。

高血糖期间氧化应激增加的机制

高血糖条件下多种代谢通路参与氧化应激的发生，这些通路并非完全独立且可能相互作用。其中，线粒体功能障碍作为核心整合者，是高血糖诱导的代谢应激转化为氧化损伤、炎症和神经退行性变的关键汇聚点。

线粒体功能障碍

感觉神经元因其长轴突、高能量需求和对氧化磷酸化的依赖而对线粒体损伤尤为敏感，这在一定程度上解释了DPN中特征性的长度依赖性“ dying-back”模式。糖尿病中，高血糖和胰岛素信号受损破坏线粒体氧化磷酸化和ETC功能，导致ATP产生减少和代偿性无氧糖酵解。线粒体功能障碍增加ROS产生，特别是在ETC复合物I和III处，导致线粒体DNA、脂质和蛋白质的氧化损伤。ROS还激活JNK和NF-κB等应激敏感通路，促进慢性神经炎症。线粒体功能障碍还破坏细胞内钙稳态，促进钙超载、凋亡信号传导和细胞色素c等促凋亡介质释放。Drp1介导的线粒体碎片化增加进一步损害ATP产生和背根神经节神经元中的线粒体运输。高血糖还损害线粒体自噬，使受损线粒体和氧化应激相关DAMPs积累，通过硫氧还蛋白相互作用蛋白（TXNIP）激活NLRP3炎症小体，促进IL-1β和IL-18介导的神经炎症和神经病理性疼痛。

多元醇通路

多元醇通路主要由醛糖还原酶（AR）和山梨醇脱氢酶（SD）驱动，在糖尿病条件下显著上调。AR催化过量葡萄糖转化为山梨醇，消耗NADPH；随后SD将山梨醇转化为果糖，利用NAD⁺。NADPH耗竭降低了还原型谷胱甘肽（GSH）的可用性，削弱神经系统的抗氧化能力。山梨醇的细胞内积累诱导显著渗透应激，导致牛磺酸和肌醇等渗透物的代偿性耗竭。这些代谢紊乱严重影响施万细胞功能。山梨醇和果糖的积累直接抑制Na⁺/K⁺-ATPase泵，导致细胞内钠增加、轴突肿胀、轴突-胶质功能障碍和神经传导速度（NCV）降低。AR激活下游的氧化应激可刺激PKC、MAPKs和JNK等应激敏感蛋白激酶，放大炎症和凋亡信号。氧化性DNA损伤激活聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP），其过度激活耗竭细胞内NAD⁺和ATP水平，加剧线粒体功能障碍。转基因小鼠模型支持多元醇通路的致病作用，AR过表达与GSH水平降低和更严重的神经病变表型相关，而AR缺陷小鼠表现出改善的运动和感觉神经功能。

己糖胺通路

高血糖条件下，过量细胞内葡萄糖被转入己糖胺通路（HP），果糖-6-磷酸由限速酶谷氨酰胺：果糖-6-磷酸酰胺转移酶（GFAT）转化为葡糖胺-6-磷酸，最终产生尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc）。该代谢物作为蛋白O-GlcNAc糖基化的底物，可改变细胞内信号传导、转录调控、线粒体功能和细胞应激反应。异常的O-GlcNAc糖基化可能促进氧化应激、促炎细胞因子表达、突触功能障碍和神经元凋亡。UDP-GlcNAc水平升高还可激活转录因子特异性蛋白1（Sp1），增强转化生长因子β1（TGF-β1）和纤溶酶原激活物抑制剂-1（PAI-1）的表达，参与纤维化、细胞外基质重塑和血管功能障碍。

晚期糖基化终末产物

AGEs是还原糖与蛋白质、脂质或核酸的自由氨基之间非酶促反应产生的异质性分子群。高血糖条件下，过量葡萄糖促进蛋白糖基化，同时增加的糖酵解通量增强活性二羰基化合物（特别是甲基乙二醛MGO）的产生。AGEs化学性质稳定且不易逆转，随时间积累，通过蛋白交联改变组织结构和功能。AGEs通过破坏GSH依赖性抗氧化系统放大氧化应激。AGE-RAGE相互作用激活NF-κB、MAPK和JAK/STAT等细胞内信号级联，与炎症信号、氧化应激和细胞功能障碍相关。AGE-RAGE信号还与NADPH氧化酶激活和线粒体功能障碍相关，增加ROS产生。AGEs可修饰神经丝蛋白和髓鞘碱性蛋白等结构蛋白，导致细胞骨架破坏、脱髓鞘和轴突运输受损。

MAPK通路

MAPK家族包括三个主要亚群：细胞外信号调节激酶（ERKs）、c-Jun N末端激酶（JNKs）和p38 MAPKs。ERK信号通常与神经元存活和增殖相关，而JNK和p38通路与应激反应、炎症和凋亡相关。在实验性糖尿病模型中，DRG神经元中所有三个MAPK亚家族均上调。糖尿病患者腓肠神经活检显示p38和JNK磷酸化增加。JNK激活与神经丝异常和神经元结构完整性受损密切相关，JNK信号抑制在糖尿病模型中可改善周围神经再生。

PKC通路

糖尿病条件下，慢性高血糖与细胞内二酰甘油（DAG）水平升高相关，持续激活多种PKC亚型。PKC激活的重要下游后果之一是刺激NADPH氧化酶，这是ROS产生的重要来源。PKC介导的ROS产生直接驱动周围神经内脂质、蛋白质和DNA的氧化损伤。ROS与PKC激活之间存在自我放大反馈回路：ROS水平升高增强DAG合成并促进PKC持续激活，PKC激活又通过NADPH氧化酶产生更多ROS。PKC还通过损害一氧化氮信号和改变血管通透性导致内皮功能障碍，减少神经内膜灌注。

DPN中的抗氧化防御机制

人体拥有复杂的內源性抗氧化防御系统，包括酶性和非酶性成分。主要非酶性抗氧化剂包括谷胱甘肽（GSH）、维生素E和维生素C。关键酶性抗氧化剂包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）。Nrf2是抗氧化和细胞保护基因表达的主调控因子，在氧化或亲电应激下促进解毒、谷胱甘肽代谢、ROS清除和细胞应激适应相关基因的转录。

Nrf2，抗氧化机制的主要开关

Nrf2及其负调控因子Keap1构成对抗氧化应激的关键防御通路。生理条件下，Nrf2被Keap1保留在细胞质中，促进其泛素化和蛋白酶体降解。Keap1作为氧化还原敏感传感器，含有多个关键半胱氨酸残基（特别是Cys151、Cys273和Cys288）。暴露于ROS或亲电试剂时，这些半胱氨酸残基发生氧化修饰，引起Keap1构象变化，破坏其与Nrf2的相互作用。新合成的Nrf2积累并转位至细胞核，与小MAF蛋白形成异二聚体，结合靶基因启动子区的抗氧化反应元件（AREs），激活包括血红素加氧酶-1（HMOX1）、NAD(P)H醌脱氢酶1（NQO1）、谷氨酸-半胱氨酸连接酶（GCL）和硫氧还蛋白（TXN）等细胞保护和抗氧化基因的转录。高血糖通过多种相互关联的机制破坏Nrf2-Keap1调控轴：AGEs损害Nrf2核转位和转录活性；NF-κB激活通过与转录共激活因子竞争性结合并促进Nrf2降解干扰Nrf2信号；持续氧化负荷导致Nrf2启动子区高甲基化，进一步抑制其表达。在线粒体水平，Nrf2活性降低损害线粒体氧化还原缓冲能力，促进线粒体DNA损伤，削弱线粒体质量控制机制。

靶向DPN中的氧化应激

靶向氧化应激是DPN中颇具前景的疾病修饰方法，但不同治疗类别的证据强度差异显著。醛糖还原酶抑制剂（ARIs）如依帕司他在临床试验中显示出较少副作用并在日本和印度获批使用，雷尼司他改善了糖尿病患者的神经传导。α-硫辛酸（ALA）及其合成衍生物显示出抗氧化和神经保护作用。苯磷硫胺通过激活转酮醇酶将甘油醛-3-磷酸和果糖-6-磷酸转向磷酸戊糖途径，调节多种高血糖相关通路。鲁伯斯塔（RBX）作为选择性PKC-β抑制剂，在随机对照试验中改善了神经病变总症状评分。SGLT2抑制剂如恩格列净显示出抗糖毒性特性，包括逆转促炎表型、使主动脉RAGE蛋白和mRNA表达正常化、剂量依赖性抑制NADPH氧化酶亚型（Nox1和Nox2）的活性和表达，并保护线粒体醛脱氢酶2（ALDH-2）活性。N-乙酰半胱氨酸（NAC）通过补充细胞内GSH储备增强抗氧化防御，随机临床研究显示其改善了神经病变和疼痛评分，增加GPx和Nrf2水平并降低TNF-α。二甲双胍激活AMPK改善线粒体功能并减少ROS产生。GLP-1受体激动剂和DPP-4抑制剂具有抗炎和抗氧化作用，可激活Nrf2通路并抑制NADPH氧化酶活性。AGE抑制剂氨基胍和RAGE靶向方法在实验模型中显示出前景，但临床证据有限。

增强Nrf2抗氧化通路的化合物

姜黄素是研究最广泛的Nrf2-ARE通路天然激活剂之一，通过修饰Keap1关键半胱氨酸残基（特别是Cys151）促进Nrf2核转位。在STZ诱导的糖尿病啮齿动物中，姜黄素恢复HO-1/Nrf2表达，提高GSH水平，降低脂质过氧化（MDA），并减弱NF-κB驱动的炎症，改善NCV并减少背根神经节和坐骨神经组织中的凋亡标志物。纳米制剂如NanoCur被开发用于改善姜黄素的生物利用度。萝卜硫素在STZ诱导的糖尿病啮齿动物中增加Nrf2及其下游靶标HO-1和NQO1的表达，同时降低氧化损伤标志物和炎症标志物，改善运动神经传导和神经血流。白藜芦醇通过抑制DAG-PKC-NADPH氧化酶通路减轻高糖诱导的氧化应激，激活Nrf2通路促进内源性抗氧化防御上调并抑制NF-κB及相关细胞因子，改善微血管功能和神经血流。巴多索隆甲基（CDDO-Me）作为合成Nrf2激活剂，恢复线粒体功能并增加抗氧化基因表达。