“代謝記憶”是指糖尿病患者的高血糖水平如果在發病早期不能得到及時控制，即使后期血糖持續穩定在正常水平，糖尿病視網膜病變（DR）等慢性并發癥仍然會繼續發展，難以逆轉。氧化應激在DR的“代謝記憶”中起關鍵性作用。硝化應激、糖基化終末產物、炎癥、表觀遺傳修飾及內質網應激相互作用，促進DR“代謝記憶”發生發展。深入研究氧化應激與DR“代謝記憶”之間的相關性，可為控制DR持續發展以及尋找新的治療靶點提供思路。
引用本文： 高瑋, 李春霞. 糖尿病視網膜病變“代謝記憶”與氧化應激的相關性研究現狀. 中華眼底病雜志, 2017, 33(3): 327-330. doi: 10.3760/cma.j.issn.1005-1015.2017.03.030 復制
高血糖是影響糖尿病（DM）并發癥的主要因素。DM患者高血糖水平如果在發病早期不能得到及時控制，即使后期血糖持續穩定在正常水平，先前的一過性高糖發作引起血管功能紊亂導致的DM視網膜病變（DR）等慢性并發癥仍會繼續發展。這種現象稱為“代謝記憶”[1]。氧化應激是DR發展過程中重要的致病機制。高糖引起的氧化應激可導致視網膜基底膜增厚，血管滲透性增加；這種視網膜損傷即使在血糖恢復正常后仍持續存在[1,2]。深入研究氧化應激與DR“代謝記憶”之間的相關性，可為控制DR持續發展以及尋找新的治療靶點提供思路。現就氧化應激在DR“代謝記憶”中作用綜述如下。
1 DR的“代謝記憶”
“代謝記憶”與DR等DM微血管并發癥密切相關。實驗研究發現，當DM狗前期血糖控制較差，即使后期血糖糾正，其視網膜病變程度也不能減輕；DR的發生率與整個5年中血糖控制不良的對照組相似。相反，早期嚴格控制血糖，DR的發生率顯著降低，視網膜毛細血管損傷得到有效抑制[3]。還有研究發現，與全程12個月血糖控制較差的DM大鼠相比，前6個月血糖控制較差者，即使后6個月重新恢復良好的血糖水平，也不能阻止視網膜細胞凋亡和無細胞毛細血管形成，并且高糖狀態終止后視網膜血管細胞中促凋亡的活化作用仍舊存在[4]。
臨床研究發現，在DM控制和并發癥試驗（DCCT）中分別使用常規降糖方案和強化降糖的治療方案使1型DM患者血糖降至正常水平，發現強化降糖的患者微血管并發癥發生率顯著降低；與傳統治療的DM患者相比，其DR發生率減少76%[5]。DM干預和并發癥流行病學實驗對DCCT中所有患者實行強化降糖方案，發現原來實行標準降糖方案者改為強化降糖方案后，即使血糖被控制在相同水平，其并發癥的發生率仍然高于早期就使用強化降糖方案者[6]。
2 “代謝記憶”與氧化應激
正常情況下活性氧（ROS）的生成與細胞抗氧化能力平衡，當ROS生成增多和清除能力下降，氧化和抗氧化比例失衡，引發自由基形成，抗氧化防御系統受損，引起氧化應激[7]。ROS的產生與抗氧化防御系統的失衡激活多條與氧化應激相關的通路，引起細胞和組織損傷。由于視網膜富含多元不飽和脂肪酸以及其高水平的新陳代謝活力，因此易受ROS和脂質過氧化的侵襲造成損傷。氧化應激通過誘導內皮細胞功能紊亂、周細胞凋亡、新生血管形成引起視網膜損傷，進而導致DR的發生。高糖引起的血管損傷主要通過多元醇通路、細胞內形成的糖基化終末產物（AGEs）增加、AGEs受體的表達以及相關配體增加、蛋白激酶C的激活、氨基己糖通路過度激活等經典通路介導[8]。這些通路都與ROS的生成有關，即高糖環境下線粒體ROS的過量表達是機體組織損傷的中心環節，調節上述多條經典通路導致DR發生[9]。而AGEs形成、多元醇通路和蛋白激酶C激活可減弱抗氧化酶活性從而加重氧化應激，形成惡性循環。不僅如此，這種高血糖引起的氧化應激即使在高血糖得到有效控制后仍持續存在，且內源性抗氧化劑谷胱甘肽仍處于較低水平[10]。與之類似，血糖恢復正常后，高糖誘導的血管內皮生長因子和轉化生長因子也維持在高表達水平[11]。
3 氧化應激在“代謝記憶”中的作用
3.1 氧化應激與硝化應激
ROS和一氧化氮（NO）發生反應而產生具有高度活性的氮，活性氮對機體細胞產生毒性損傷，這一過程稱為硝化應激。視網膜光感受器含有大量多元不飽和脂肪酸，高耗氧量使其易受氧化應激的影響，硝化應激可以引起光感受器損傷，破壞血視網膜屏障（BRB）[12]。DM及其并發癥通過誘導炎癥因子誘導型NO合酶（iNOS）過量表達使NO水平升高，引起視網膜新生血管性疾病和視網膜退行性病變發生硝化應激損傷[13]。實驗研究發現，在血糖控制良好的DM大鼠和人視網膜中iNOS、NO、硝基酪氨酸的水平仍持續表達，促進視網膜血管內皮滲透性增加、BRB破壞[14]。NO與超氧陰離子生成具有高度活性的過氧化亞硝酸鹽，可增強核因子（NF）-κB和白細胞介素-8的活性，介導慢性炎癥的發生[15]。因此，即使血糖恢復正常，DM大鼠視網膜病變仍持續發展，其可能機制是高糖狀態下過氧化亞硝酸鹽產生過多，與炎癥、氧化應激共同作用損傷視網膜血管內皮細胞功能。
3.2 氧化應激與AGEs
AGEs通過細胞內糖化、膠原交聯形成引起組織損傷，常作為評估DM嚴重程度的臨床標記物[16]。AGEs與其受體結合可以促進氧化應激的發生，激活NF-κB，使細胞因子和黏附分子表達增加，引起視網膜毛細血管細胞凋亡，BRB破壞，促進DR發生發展[17]。同時，炎癥與氧化應激可促進AGEs累積，進一步加劇AGEs對視網膜血管內皮損傷。研究表明，即使后期血糖恢復正常，線粒體呼吸鏈蛋白內AGEs相關的細胞內糖化仍可產生更多的ROS，引起惡性循環同時反作用促進AGEs的形成增多[18]。AGEs與氧化應激之間的緊密聯系，可以幫助解釋“代謝記憶”中血糖恢復正常后組織損傷仍舊持續的可能機制。
慢性低度的炎癥被認為是血管損傷的因素之一，高糖的直接作用以及氧化應激可加快DR慢性炎癥的發生[19]。氧化應激中氧自由基和炎癥因子的產生與減少之間平衡發生微小的改變都可以導致細胞損傷。因此，通過干預高糖引起的氧化和炎癥反應可以有效地預防與減輕視網膜并發癥。實驗研究發現，具有強效抗氧化及抗炎活性的褪黑素可以通過磷脂酰肌醇-3-羥激酶/蛋白激酶-NFE2相關因子2信號通路減輕氧化應激引起的視網膜損傷，抑制血管內皮生長因子的過表達從而緩解BRB的破壞，抑制NF-κB通路，降低下游炎癥因子的表達[20]。DR炎癥發展中氧化應激可以引發和調控血管炎癥，同時炎癥細胞可以刺激ROS的釋放，增加毛細血管的通透性，幫助炎癥區域的中性粒細胞募集[21]。
3.3 氧化應激與表觀遺傳修飾
表觀遺傳修飾指核苷酸序列在不發生改變的情況下，基因的表達受到表觀遺傳修飾的調控發生了可遺傳的變化，引起基因活性或功能長時間的改變[22]。在DM并發癥的“代謝記憶”中，表觀遺傳修飾被認為是基因和環境因素之間相互作用的重要接口[23]。并且，高糖引起的多種遺傳修飾的改變及促炎因子表達的增加，在血糖恢復正常后仍持續表達[24]。DM大鼠中持續的表觀遺傳變異使得NF-κB的P65亞基表達增加，繼而促進細胞黏附分子-1表達。研究發現，即使血糖恢復正常，氧化應激仍可引起基因異常表達，損傷線粒體細胞膜，持續的刺激使細胞基因發生表觀遺傳修飾，促進DR的病程發展[25]。因此“代謝記憶”中表觀遺傳修飾機制，對氧化應激造成視網膜持續的損傷打開了一個新的基因調節層面。
3.4 氧化應激與內質網應激（ERS）
ERS被認為是多種血管疾病、神經退行性疾病，特別是肥胖和胰島素抵抗型DM發病的重要機制，在DM微血管并發癥致病機制研究中引起了廣泛關注。在2型DM患者未發生增生的視網膜中發現ERS的增加，提示ERS可能存在于早期DR中[26]。ERS是指各種應激導致內質網負荷過重，錯誤折疊或未折疊蛋白在內質網大量集聚引起的細胞發生未折疊蛋白反應。在氧化應激的環境下，未折疊蛋白反應的激活是維持細胞功能的適應性機制，而持續的氧化應激和蛋白質錯誤折疊可引發細胞凋亡。氧化還原的改變和ROS的生成可直接或間接的影響內質網穩態和蛋白質折疊。
ERS通過上調促炎性細胞因子表達，增加視網膜通透性，誘導周細胞凋亡，并破壞BRB[27]。氧化應激過程中產生的大量ROS是引起內質網中蛋白錯誤折疊和ERS誘發凋亡的重要原因之一。細胞處于應激狀態后一方面進一步消耗抗氧化物質，造成抗氧化物質的利用障礙；另一方面作用于線粒體，增加線粒體膜通透性，促使線粒體進一步產生ROS，引起氧化應激，加快細胞功能障礙速度和細胞凋亡過程，最終導致器官系統的功能障礙[28]。通過香煙煙霧提取物誘導視網膜色素上皮細胞ERS的發生，發現ROS上調，線粒體損傷，細胞發生凋亡。而這些改變通過抗氧化劑干預被有效阻止，證明了在細胞凋亡中氧化應激與ERS之間互相作用[29]。
4 展望
氧化應激是DR病程發展中重要的致病機制，在DR的“代謝記憶”中，以上所提及的可以引起血管損傷的機制都與氧化應激以及ROS的產生過多密切相關。為了阻止和避免DR、DM腎病、DM神經病變等DM并發癥，許多通過抗氧化物的實驗研究都取得了較好效果。強效抗氧化劑α-硫辛酸是多種酶進行氧化代謝所必需，實驗發現α-硫辛酸通過維持谷胱甘肽水平和直接的抗氧化性可以緩解DM大鼠的神經病變[30]。錳超氧化物歧化酶是線粒體主要的抗氧化酶，生理狀態下抗氧化防御的第一屏障，其過表達可以緩解線粒體的氧化損傷、視網膜內皮細胞凋亡，有效抑制高糖引起的氧化應激和硝化應激[31]。因此，通過對這些經典通路的干預來清除或減少ROS的產生，增強抗氧化防御系統，可以有效減緩DR的發展進程。
高血糖是影響糖尿病（DM）并發癥的主要因素。DM患者高血糖水平如果在發病早期不能得到及時控制，即使后期血糖持續穩定在正常水平，先前的一過性高糖發作引起血管功能紊亂導致的DM視網膜病變（DR）等慢性并發癥仍會繼續發展。這種現象稱為“代謝記憶”[1]。氧化應激是DR發展過程中重要的致病機制。高糖引起的氧化應激可導致視網膜基底膜增厚，血管滲透性增加；這種視網膜損傷即使在血糖恢復正常后仍持續存在[1,2]。深入研究氧化應激與DR“代謝記憶”之間的相關性，可為控制DR持續發展以及尋找新的治療靶點提供思路。現就氧化應激在DR“代謝記憶”中作用綜述如下。
1 DR的“代謝記憶”
“代謝記憶”與DR等DM微血管并發癥密切相關。實驗研究發現，當DM狗前期血糖控制較差，即使后期血糖糾正，其視網膜病變程度也不能減輕；DR的發生率與整個5年中血糖控制不良的對照組相似。相反，早期嚴格控制血糖，DR的發生率顯著降低，視網膜毛細血管損傷得到有效抑制[3]。還有研究發現，與全程12個月血糖控制較差的DM大鼠相比，前6個月血糖控制較差者，即使后6個月重新恢復良好的血糖水平，也不能阻止視網膜細胞凋亡和無細胞毛細血管形成，并且高糖狀態終止后視網膜血管細胞中促凋亡的活化作用仍舊存在[4]。
臨床研究發現，在DM控制和并發癥試驗（DCCT）中分別使用常規降糖方案和強化降糖的治療方案使1型DM患者血糖降至正常水平，發現強化降糖的患者微血管并發癥發生率顯著降低；與傳統治療的DM患者相比，其DR發生率減少76%[5]。DM干預和并發癥流行病學實驗對DCCT中所有患者實行強化降糖方案，發現原來實行標準降糖方案者改為強化降糖方案后，即使血糖被控制在相同水平，其并發癥的發生率仍然高于早期就使用強化降糖方案者[6]。
2 “代謝記憶”與氧化應激
正常情況下活性氧（ROS）的生成與細胞抗氧化能力平衡，當ROS生成增多和清除能力下降，氧化和抗氧化比例失衡，引發自由基形成，抗氧化防御系統受損，引起氧化應激[7]。ROS的產生與抗氧化防御系統的失衡激活多條與氧化應激相關的通路，引起細胞和組織損傷。由于視網膜富含多元不飽和脂肪酸以及其高水平的新陳代謝活力，因此易受ROS和脂質過氧化的侵襲造成損傷。氧化應激通過誘導內皮細胞功能紊亂、周細胞凋亡、新生血管形成引起視網膜損傷，進而導致DR的發生。高糖引起的血管損傷主要通過多元醇通路、細胞內形成的糖基化終末產物（AGEs）增加、AGEs受體的表達以及相關配體增加、蛋白激酶C的激活、氨基己糖通路過度激活等經典通路介導[8]。這些通路都與ROS的生成有關，即高糖環境下線粒體ROS的過量表達是機體組織損傷的中心環節，調節上述多條經典通路導致DR發生[9]。而AGEs形成、多元醇通路和蛋白激酶C激活可減弱抗氧化酶活性從而加重氧化應激，形成惡性循環。不僅如此，這種高血糖引起的氧化應激即使在高血糖得到有效控制后仍持續存在，且內源性抗氧化劑谷胱甘肽仍處于較低水平[10]。與之類似，血糖恢復正常后，高糖誘導的血管內皮生長因子和轉化生長因子也維持在高表達水平[11]。
3 氧化應激在“代謝記憶”中的作用
3.1 氧化應激與硝化應激
ROS和一氧化氮（NO）發生反應而產生具有高度活性的氮，活性氮對機體細胞產生毒性損傷，這一過程稱為硝化應激。視網膜光感受器含有大量多元不飽和脂肪酸，高耗氧量使其易受氧化應激的影響，硝化應激可以引起光感受器損傷，破壞血視網膜屏障（BRB）[12]。DM及其并發癥通過誘導炎癥因子誘導型NO合酶（iNOS）過量表達使NO水平升高，引起視網膜新生血管性疾病和視網膜退行性病變發生硝化應激損傷[13]。實驗研究發現，在血糖控制良好的DM大鼠和人視網膜中iNOS、NO、硝基酪氨酸的水平仍持續表達，促進視網膜血管內皮滲透性增加、BRB破壞[14]。NO與超氧陰離子生成具有高度活性的過氧化亞硝酸鹽，可增強核因子（NF）-κB和白細胞介素-8的活性，介導慢性炎癥的發生[15]。因此，即使血糖恢復正常，DM大鼠視網膜病變仍持續發展，其可能機制是高糖狀態下過氧化亞硝酸鹽產生過多，與炎癥、氧化應激共同作用損傷視網膜血管內皮細胞功能。
3.2 氧化應激與AGEs
AGEs通過細胞內糖化、膠原交聯形成引起組織損傷，常作為評估DM嚴重程度的臨床標記物[16]。AGEs與其受體結合可以促進氧化應激的發生，激活NF-κB，使細胞因子和黏附分子表達增加，引起視網膜毛細血管細胞凋亡，BRB破壞，促進DR發生發展[17]。同時，炎癥與氧化應激可促進AGEs累積，進一步加劇AGEs對視網膜血管內皮損傷。研究表明，即使后期血糖恢復正常，線粒體呼吸鏈蛋白內AGEs相關的細胞內糖化仍可產生更多的ROS，引起惡性循環同時反作用促進AGEs的形成增多[18]。AGEs與氧化應激之間的緊密聯系，可以幫助解釋“代謝記憶”中血糖恢復正常后組織損傷仍舊持續的可能機制。
慢性低度的炎癥被認為是血管損傷的因素之一，高糖的直接作用以及氧化應激可加快DR慢性炎癥的發生[19]。氧化應激中氧自由基和炎癥因子的產生與減少之間平衡發生微小的改變都可以導致細胞損傷。因此，通過干預高糖引起的氧化和炎癥反應可以有效地預防與減輕視網膜并發癥。實驗研究發現，具有強效抗氧化及抗炎活性的褪黑素可以通過磷脂酰肌醇-3-羥激酶/蛋白激酶-NFE2相關因子2信號通路減輕氧化應激引起的視網膜損傷，抑制血管內皮生長因子的過表達從而緩解BRB的破壞，抑制NF-κB通路，降低下游炎癥因子的表達[20]。DR炎癥發展中氧化應激可以引發和調控血管炎癥，同時炎癥細胞可以刺激ROS的釋放，增加毛細血管的通透性，幫助炎癥區域的中性粒細胞募集[21]。
3.3 氧化應激與表觀遺傳修飾
表觀遺傳修飾指核苷酸序列在不發生改變的情況下，基因的表達受到表觀遺傳修飾的調控發生了可遺傳的變化，引起基因活性或功能長時間的改變[22]。在DM并發癥的“代謝記憶”中，表觀遺傳修飾被認為是基因和環境因素之間相互作用的重要接口[23]。并且，高糖引起的多種遺傳修飾的改變及促炎因子表達的增加，在血糖恢復正常后仍持續表達[24]。DM大鼠中持續的表觀遺傳變異使得NF-κB的P65亞基表達增加，繼而促進細胞黏附分子-1表達。研究發現，即使血糖恢復正常，氧化應激仍可引起基因異常表達，損傷線粒體細胞膜，持續的刺激使細胞基因發生表觀遺傳修飾，促進DR的病程發展[25]。因此“代謝記憶”中表觀遺傳修飾機制，對氧化應激造成視網膜持續的損傷打開了一個新的基因調節層面。
3.4 氧化應激與內質網應激（ERS）
ERS被認為是多種血管疾病、神經退行性疾病，特別是肥胖和胰島素抵抗型DM發病的重要機制，在DM微血管并發癥致病機制研究中引起了廣泛關注。在2型DM患者未發生增生的視網膜中發現ERS的增加，提示ERS可能存在于早期DR中[26]。ERS是指各種應激導致內質網負荷過重，錯誤折疊或未折疊蛋白在內質網大量集聚引起的細胞發生未折疊蛋白反應。在氧化應激的環境下，未折疊蛋白反應的激活是維持細胞功能的適應性機制，而持續的氧化應激和蛋白質錯誤折疊可引發細胞凋亡。氧化還原的改變和ROS的生成可直接或間接的影響內質網穩態和蛋白質折疊。
ERS通過上調促炎性細胞因子表達，增加視網膜通透性，誘導周細胞凋亡，并破壞BRB[27]。氧化應激過程中產生的大量ROS是引起內質網中蛋白錯誤折疊和ERS誘發凋亡的重要原因之一。細胞處于應激狀態后一方面進一步消耗抗氧化物質，造成抗氧化物質的利用障礙；另一方面作用于線粒體，增加線粒體膜通透性，促使線粒體進一步產生ROS，引起氧化應激，加快細胞功能障礙速度和細胞凋亡過程，最終導致器官系統的功能障礙[28]。通過香煙煙霧提取物誘導視網膜色素上皮細胞ERS的發生，發現ROS上調，線粒體損傷，細胞發生凋亡。而這些改變通過抗氧化劑干預被有效阻止，證明了在細胞凋亡中氧化應激與ERS之間互相作用[29]。
4 展望
氧化應激是DR病程發展中重要的致病機制，在DR的“代謝記憶”中，以上所提及的可以引起血管損傷的機制都與氧化應激以及ROS的產生過多密切相關。為了阻止和避免DR、DM腎病、DM神經病變等DM并發癥，許多通過抗氧化物的實驗研究都取得了較好效果。強效抗氧化劑α-硫辛酸是多種酶進行氧化代謝所必需，實驗發現α-硫辛酸通過維持谷胱甘肽水平和直接的抗氧化性可以緩解DM大鼠的神經病變[30]。錳超氧化物歧化酶是線粒體主要的抗氧化酶，生理狀態下抗氧化防御的第一屏障，其過表達可以緩解線粒體的氧化損傷、視網膜內皮細胞凋亡，有效抑制高糖引起的氧化應激和硝化應激[31]。因此，通過對這些經典通路的干預來清除或減少ROS的產生，增強抗氧化防御系統，可以有效減緩DR的發展進程。