糖尿病周围神经病变的病理机制

 一、现代医学认识
糖尿病性神经病变的发病机理，至今仍未完全阐明，认为系多因子综合作用的结果。但据新近研究表明糖尿病病人各种器官的病变均有共同的病理表现，即血管进行性狭窄，引起有关脏器血供障碍。这种管腔狭窄大致上是三个病理过程的累积效应：①高碘酸－schiff(PAS)－阳性糖化血浆蛋白的异常漏出，并引起小与大血管管腔的进行性收缩；②所有类型的病变血管都有细胞外基质的增加；③内皮细胞、系膜和动脉平滑肌细胞体积增加和增生，神经组织损害也经历如上过程。这些改变的发生发展与高血糖有着平行关系，亦已为现代研究所证实。此外组织对高血糖损害的易感性，也取决于基因的多态性以及与糖尿病代谢紊乱密切有关的多种生化、分子与细胞生物学机制的激活程度等因素。此外高血压、高血脂等均有重要影响。高血糖对组织损害主要有以下重要机制：
（一）多元醇旁路的激活与myo-肌醇储备耗竭
当血糖升高时，位于神经雪旺细胞内的醛糖还原酶活性增强，当葡萄糖进入细胞后被醛糖还原酶还原为山梨醇，然后被山梨醇脱氢酶氧化为果糖，使山梨醇和果糖聚集造成神经细胞内神经和神经纤维素内渗透压增高，Na＋潴留、K＋丢失、ATP含量减少和活性降低等导致雪旺细胞髓鞘损害和轴索水肿、变性和坏死。肌醇是组成磷脂酰肌醇和神经髓鞘组织的组成成分，高血糖可以竞争性地抑制神经组织摄取肌醇，使神经组织肌醇浓度降低。有实验研究表明，尽管血浆中肌醇含量没有改变，但尿中肌醇排出增多，而且有些组织中肌醇明显减少—神经系统、视网膜、肾脏等。在组织中肌醇减少同时也出现山梨醇浓度明显上升以及Na＋-K＋-ATP酶活性降低。这些都与高血糖密切相关。
1．多元醇通路激活
多元醇通路是指一族醛糖还原酶所进行的一系列酶反应。该族还原酶以许多糖衍生物羧基化合物作为底物通过NADPH还原底物为各个对应的多元醇。在神经组织中细胞内葡萄糖浓度与高血糖平行而升高，高血糖时细胞内葡萄糖及葡萄糖衍生底物增加，经多元醇通路代谢即大为增加。在许多组织中，山梨醇本身并不容易通过细胞膜，可在某些细胞中积累可以引起细胞渗透性损害和肿胀。但在周围神经组织中，山梨醇可能浓度不够高不引起渗透性损害，但山梨醇通路代谢增加的其他后果则可引起相应损害，如吡啶核苷酸氧化还原状态改变，亦即细胞内因山梨醇被NAD氧化而引起NADH/NAD＋之比增加是具有危害性的。NADH/NAD＋之比增加使细胞内的3－磷酸甘油乙醛脱氢酶抑制而高反应性的糖类糖基化水平增加，加快二羟丙酮还原为3－磷酸甘油，后者即为激活蛋白激酶C的二乙酰甘油的前体。3－磷酸甘油通过酰化而成二乙酰甘油（DAG），从而激活蛋白激酶C(PKC)，从而进一步引起血管病变，最终导致神病变。
2．肌醇储备减少及Na＋-K＋-ATP酶活性下降  
实验已证明多元醇通路起作用的胰岛素非依赖性组织(神经、视网膜和肾小球)中肌醇水平下降，而肌肌醇是磷脂酰肌醇等磷酸肌醇的前体，磷酸肌醇可激活神经元膜上的Na＋-K＋-ATP酶。Na＋-K＋-ATP酶活性降低是糖尿病血管病变的重要生化基础，其参与调节细胞内渗透压、细胞跨膜电位及多种膜功能。该酶活性减弱妨碍了Na＋从神经细胞泵出。细胞内Na＋水平的提高可阻滞神经节去极化因子，而减慢神经传导(NCV)，高Na＋水平也可损害肌肌醇摄取。糖尿病虽可引致细胞内肌肌醇耗尽，但不限制所有一般性的磷酸肌醇的合成。曾有人认为特殊部分的磷酸肌醇合成关键是依赖于此种不连通细胞池内肌肌醇水平的。胰岛素非依赖性组织(神经、视网膜、肾小球)的各种功能异常与肌肌醇耗竭有关。动物实验研究NCV和坐骨神经肌肌醇水平降低并通过胰岛素控制血糖而恢复。未经胰岛素控制血糖者，经饮食中加用肌醇亦可提高神经肌醇水平从而提高NCV。但饮食中添加肌醇并不能预防视网膜或肾小球血管结构的改变。
多元醇通路激活与myo-肌醇学说，尚需在临床当中通过使用醛糖还原酶抑制剂以进一步检验。体外实验已证实部分有效，但体内研究尚缺乏令人信服的结果。除了神经病变有些疗效外，对其他慢性并发症无甚疗效。
（二）蛋白质的非酶糖化
早期糖化产物(EGP)过度生成是高血糖引起的一个急性可逆性变化，EGP是正常细胞内外形成的物质，是葡萄糖由亲核非酶过程急速地结合于蛋白质氨基上，形成schiff碱基，其不稳定，可以返回到原来反应物状态，也能发生化学结构重排形成稳定的Amadori产物。糖化血红蛋白即是EGP的一例。决定体内EGP形成程度的两个主要因素是葡萄糖浓度和组织细胞处于高血糖状态的时间。当葡萄糖浓度升高时EGP形成速率和平衡水平按质量作用效应成比例增加。上述可逆性生化异常在一定程度上在糖尿病慢性微血管早期功能变化的发病机制中起着重要作用，但这些变化不能解释糖尿病并发症的主要特征，即所谓“高血糖记忆效应”，后者是指一旦出现高血糖则在血糖正常后高血糖引致的微血管改变与大血管病变仍然持续或进展。现已明确这是一种慢性不可逆的改变。EGP为葡萄糖与蛋白质非酶糖化反应的第一步，由于EGP可逆性，因而其可被解离或降解而清除，而其在一些大分子上形成的EGP经过进一步组合和不可逆重排形成后期糖化终末产物—过度糖化终末产物(AGEs)，其相当稳定，可长期在组织或血管壁中累积。即使高血糖被控制，其仍不可能恢复正常。AGEs生成速率与血糖平方呈线性关系，即一般水平的高血糖可有显著AGEs生成。此外，AGEs的生成量与高血糖水平持续时间亦相关。AGEs修饰滋养神经元的血管壁蛋白或直接修饰其细胞内蛋白质从而引起神经元功能障碍。
（三）蛋白激酶C激活（PKC）
高血糖引起的第一个急性可逆的代谢变化是磷脂二乙酰甘油（DAG）的合成。二乙酰甘油激活PKC， PKC广泛存在于体内组织细胞中，是重要的蛋白激酶，可使细胞内多种蛋白质磷酸化，其构成细胞内重要的信息网络系统、调控细胞内一系列生理生化过程。细胞内PKC通路参与血管一系列功能调节，包括：舒缩反应，通透性，基膜更新，内皮细胞生长、增殖，新生血管形成，血液流变学和血凝机制等。PKC活性还可抑制一氧化氮(NO)合成酶的活性，导致NO降低，同时PKC抑制由NO介导的cGMP生成，引起糖尿病微血管动力学改变。其共同组成了糖尿病性神经病变发病机理的血管学说。
（四）氧化应激   
近年来研究表明，氧化应激是糖尿病及其慢性并发症发生发展的中间环节。氧化应激定义为机体内的促氧化与抗氧化之间的平衡失调，倾向于促氧化，导致组织和细胞损害。促氧化作用由各种氧化剂来实现，活性氧簇(reactive oxygen species  ROS)是最主要的氧化剂。ROS是一组化学性质活泼的含氧功能基团化合物，超氧阴离子(O-2)、过氧化氢(H2O2)、一氧化氮(NO)是三种最常见的ROS。许多ROS具有特定的生理功能，但也会加速老化、介导细胞变性，尤其是这些物质相互反应会产生毒性更强的活性单态氧、羟基、过亚硝酸盐等，攻击脂质、蛋白质、DNA。
1．ROS对细胞的损伤  
正常细胞ROS的产生在严格调控之下，高血糖时过多的ROS可以造成细胞损伤，血浆内的脂质、线粒体、内质网膜是ROS主要的靶目标。对DNA的损伤会诱导细胞凋亡，经过氧化修饰的蛋白质活性下降，导致细胞正常功能的严重丧失，轴突转运减慢，生长因子和介质向胞体转运减少，诱导细胞凋亡。对转录因子的氧化修饰不仅降低凋亡抑制因子、Bcl－2等蛋白质的表达，而且导致环氧化酶－2、多聚二磷酸腺苷2核糖聚合酶(poly ADP－ribose polymerase，PARP)、c－Jun氨基端激酶(JNK)等应激蛋白的表达增多。虽然某些氧化产物对细胞不产生直接毒性作用，但是过度蓄积超过细胞对它们的清除能力。氧化应激可以导致分裂细胞DNA变性，使基因组不稳定和发生突变，在不具备分裂能力的神经元细胞，蛋白质和脂质的损伤要比DNA损伤的后果严重，因为这会使行使轴突转运和信使功能的蛋白质活性下降。但由于神经组织对能量需要较高，而线粒体DNA对氧化应激敏感，可导致能量调节失控。在许多神经变性疾病中可发现氧化应激介导的神经元变性。
2．糖尿病对神经系统的损害主要是由于高血糖引起的代谢紊乱和血管内皮功能障碍，最终导致细胞氧化应激和对线粒体的损害
给予大鼠高糖饮食造成糖尿病模型，可以导致自由基产生和氧化应激。1型糖尿病患者在神经并发症出现之前便可发现氧化应激的证据，随疾病进展，抗氧化剂水平逐渐降低，血浆脂质过氧化产物逐渐增加。与同龄人相比，2型糖尿病患者脂质过氧化产物增加，血浆谷胱甘肽（GSH）、抗氧化物水平降低，与并发症的发生速度直接相关。现已发现的多种代谢通路异常均与氧化应激相关。
3． 晚期糖基化终末化产物介导的ROS生成  
高血糖致使Amadori产物增加，其再通过一系列反应，转变为稳定的晚期糖基化终末产物(advanced glycation endoproducts，AGEs)。蛋白质的糖化作用与血糖增高水平直接相关，且糖化作用的同时亦伴有氧化反应的增加。许多含有AGEs的食物可以在糖尿病患者中增加AGEs诱导的应激。AGEs和其细胞表面受体(RAGE)结合，导致信号转导级联反应，包括p44／p42MAPKs、NF－κB、p21、Ras等，诱导ROS合成，抗氧化剂和RAGE抗体可以阻止氧化应激和下游的信号转导途径。实验表明，在培养的神经细胞株细胞，AGEs耗竭GSH的作用可以被抗氧化剂抑制。
4．多元醇途径介导的ROS生成  
正常情况下葡萄糖是醛糖还原酶的弱底物，高血糖时，醛糖还原酶活性增强，把葡萄糖转换为山梨醇、果糖。醛糖还原酶依靠还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)作为辅助因子，多元醇通路的激活导致NADPH消耗过多，抑制了GSH的产生，导致正常代谢时产生的自由基亦可对细胞造成损伤。另外，山梨醇的聚集导致细胞渗透压升高，产生渗透性应激。
5．蛋白激酶C(PKC) 介导的ROS生成  
高血糖时PKC途径的激活对糖尿病神经病变的主要作用更多的是对微血管病变的影响。PKC所具有的独特结构，使得它在氧化还原状态下亦发挥重要作用：促氧化剂与PKC的调节区结合激活PKC，而抗氧化剂可以与PKC的催化区结合，抑制它的活性。在糖尿病大鼠的视网膜、肾脏、微血管内PKC的活性增加，但是在周围神经中，未观察到PKC活性的改变。DAG的从头合成是PKC的主要激活途径，PKC继而激活促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)，磷酸化转录因子，导致基因表达平衡的破坏。PKC激活后诱导热休克蛋白、JNK等表达增强，产生细胞凋亡或血管动脉粥样硬化。PKC抑制剂可以降低糖尿病大鼠氧化应激水平，使血流和神经传导速度趋于正常；高血糖使内皮细胞的NF－κB活性增强，导致ROS的形成和细胞激活，PKC抑制剂可抑制此反应。
6．对促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)研究发现，糖尿病大鼠背根神经节MAPK的三种通路ERK1／2、JNK、p38均被活化。这些信号转导途径在糖尿病神经病变发生中发挥重要作用，但具体机制不明。给予抗氧化剂治疗可以降低ERKs的活性，但是增加JNK的活性，提示ERKs具有损伤性，而JNK发挥保护作用。然而，持续的JNK激活与细胞损伤有关。过亚硝酸盐诱导的氧化应激激活成神经瘤细胞的p38，导致生长抑制和凋亡。目前，对于该作用机制的研究仅处于初步阶段，信号转导途径具体的作用机制需要进一步深入研究。
7．线粒体的ROS合成   
O-2是代谢过程的正常产物，在糖酵解、电子传递、氧化磷酸化过程异常时，过多的O-2导致氧化应激。在高血糖导致的神经变性中，这些机制的重要作用突出显示出来。线粒体氧化应激通过以下三个机制改变能量调节：生理水平的NO和分子氧竞争与细胞色素C的结合，产生可逆性抑制，调节电子传递；过多的O-2使NO转化成ONOO-，与分子氧竞争，不可逆地与细胞色素C结合，显著降低线粒体功能，抑制ATP合成酶。线粒体氧化应激产生的O-2和ONOO-抑制必须蛋白质向线粒体的输入，使其在胞质内降解。氧化应激对细胞内膜的损伤导致膜通透性改变，线粒体内膜通透性的增加导致细胞色素C的释放和凋亡。高血糖攻击1～2h之内便会出现线粒体ROS的产生和神经损伤，这可能是神经病变最主要的致病因素。血糖控制良好的糖尿病患者依然发生神经病变，许多糖耐量异常的患者有显著的周围神经病变，而短暂的餐后高血糖不会有显著的AGEs形成或者多元醇途径激活造成神经元损伤。推断可能是由于短暂的餐后高血糖造成的ROS损伤作用。这表明阻止短期的高血糖诱导的ROS产生，至少可以部分地阻断DPN的发展。
8．NF-κB高血糖和氧化应激的主要靶分子是转录因子NF-κB。 NF-κB可被广泛的内源性及外源性物质所激活，包括高血糖、游离脂肪酸的增加、ROS ， AGEs-RAGE。 NF-κB激活后可促进促凝血组织因子、粘附因子、内皮素及单核细胞趋化蛋白－1等基因的表达，导致血管细胞增殖和血管通透性的改变，增强内皮促凝能力，使血管内皮舒张功能明显弱于收缩功能，血流调节受损，神经内膜血流灌注减少。有研究发现，在糖尿病大鼠中枢神经不仅有ROS的大量产生，而且有NF-κB的持续活化，NF-κB可通过上调细胞因子等的表达导致神经细胞的凋亡。
（五）神经功能的异常  近来发现雪旺细胞与神经元轴突之间的联系对神经病变的发生起着重要作用。它们与电生理的关系为轴突病变与诱发电位波幅有关，髓鞘与传导速度有关。但轴突萎缩或脱髓鞘性病变何者为始动因素尚无定论。有证据表明在糖尿病状态下，胰岛素受体高表达于雪旺细胞与轴突朗飞结结合处及营养血管处，提示是对神经完整性及血供异常的代偿机制。雪旺细胞中白细胞介素-1介导的信号转导异常与雪旺细胞之间的联系障碍有关，后者可能导致糖尿病神经病变。高血糖及Na+/K+－ATP酶活性下降，使K+内流增加，导致神经传导速度减慢，而胞浆Ca2+浓度增加又可导致脱髓鞘病变。另外，体外实验发现一种脂蛋白脂酶( LPL)(分子量56 ku )表达于雪旺细胞中，坐骨神经的LPL活性下降与其传导速度下降相关，而胰岛素可以予以纠正。神经纤维的营养及保护依赖于细胞体的给养作用。近期研究发现糖尿病状态下，胰岛素样生长因子-I（IGF－1）在脊神经后根神经元选择性地表达下降，这可能与氧化应激有关，而胰岛素可以纠正IGF－1在神经元及雪旺细胞表达的降低。 IGF-1可通过影响细胞信号转导通路，高表达BCL-XL，磷脂酸肌醇3激酶及caspases级联反应阻断氧化应激而保护神经。神经生长因子(NGF)的缺乏可能造成应激性蛋白激酶对神经丝的磷酸化异常，导致神经轴突的转运异常。
总之，糖尿病性神经病变的病因是多种介质性的，对于其确切的发病机理还不清楚，以上学说还需在临床实践中通过治疗加以印证。相信，随着分子生物学的进一步发展，对于其发病机理会有更深一步的认识和研究。

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