槲皮素治療糖尿病腎病的作用機制研究進展

孟德森,靳英麗

0 引言

在糖尿病患者中,約有30%～40%的患者會出現糖尿病腎病(Diabetic nephropathy,DN)并發癥[1]。DN的發生和發展主要受糖尿病患者體內高糖環境的影響,異常的糖代謝加重了腎臟的糖負荷,高糖代謝也造成活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的大量產生,活性氧可誘導多種損傷因子,最終將導致腎小球、腎小管等結構纖維化[2]。腎臟的血流動力也將改變,進一步加重腎小球、腎小管的腫脹和硬化,并影響其濾過功能[3]。另外,在DN的進展過程中,常常也伴隨著復雜的免疫炎癥反應[4]。因此,DN是一種進行性的繼發性腎病,隨著疾病的進展逐漸發展為腎病綜合征甚至終末期腎病。

槲皮素是一類天然的分布廣泛的黃酮醇類化合物,基于其抗炎、抗氧化、調節免疫功能等作用[5],諸多研究者將其應用于治療DN的基礎研究中,并取得了一些成果。本文從DN的發生發展機制及臨床病理改變著手,總結近年應用槲皮素治療DN的作用機制研究進展,旨在為DN的治療提供探索方向。

1 槲皮素改善腎臟實質損傷

1.1 緩解腎臟結構纖維化 糖尿病患者體內細胞在高糖環境下,由于線粒體超負荷工作,導致活性氧產生過多,同時細胞內抗氧化的還原型輔酶Ⅱ含量不足,這一過程常常導致一定程度的炎癥反應。在大量活性氧累積的作用下,腎小球、腎小管間質等結構也逐漸發生纖維化改變[2]。Zhu等[6]在對青錢柳水提取物的研究中發現,其主要活性成分槲皮素通過阻斷ROS/NLRP3/IL-1β途徑的活化,對誘發的腎臟炎癥顯示出明顯的治療效果,表明槲皮素可以改善活性氧的累積,可能作為緩解腎臟炎癥損傷的治療藥物。

另外,在高糖和活性氧累積的作用下,腎小球系膜細胞(Glomerular mesangial cell,GMC)常常在DN進展中表現出明顯的增殖現象[7-9]。Lei等[10]研究了槲皮素對高葡萄糖誘導的小鼠GMC和瘦素缺陷型受體(Leprdb)突變小鼠(db/db)GMC增殖的影響機制,發現槲皮素可以抑制高葡萄糖處理小鼠和DN小鼠中的GMC增殖?？梢婇纹に啬軌蚓徑釪N的疾病進展,并在一定程度上可以減輕GMC的異常增殖及損傷,延緩腎小球的纖維化改變。Hu等[11]基于此研究,發現類黃酮化合物槲皮素可通過抑制上游氧化應激和炎癥途徑,促進足細胞自噬并抑制腎素-血管緊張素-醛固酮系統的過度活躍,最終緩解DN。由此說明槲皮素可嘗試用于治療DN導致的腎小球纖維化病變。

1.2 緩解腎臟血管病變 K-W結節又稱結節性腎小球硬化癥,是DN的特征性病理改變之一。有報道,微血管損傷是K-W結節形成的重要條件[12],因此,通過控制血管損傷,可能緩解K-W結節的形成與腎纖維化。研究顯示,部分中藥方劑可通過多靶點結合參與控制炎癥反應、促進血管生成等方式,緩解高糖導致的血管損傷,通過篩選靶標驗證,其組分之一的槲皮素具有較好的靶點結合活性[13-14],可以采用單一的槲皮素提取物或者含槲皮素的復方中藥制劑修復患者的血管功能。此外,槲皮素可以在糖尿病患者血管內皮受損的基礎上,促進全身多處器官的損傷血管再生成。應用槲皮素可誘導視網膜微血管內皮細胞[15]、腸道微血管內皮細胞[16]等再生和修復。因此,槲皮素應用于腎臟微血管的再生修復具有一定可行性,有待基礎和臨床研究進一步證實。

同時,腎臟的血管損傷及實質病變常常導致腎動脈高壓,多數糖尿病患者也常伴隨血壓、血脂的升高。因此,在臨床中常要輔以降血壓藥物和降血脂藥物治療。Elbarbry等[17]的研究中證明了槲皮素的抗高血壓作用,并且其會抑制腎臟細胞色素酶CYP4A的活性,從而影響花生四烯酸在腎臟中的代謝。這表明槲皮素在保護血管內皮完整、增加血管彈性的同時,具有一定程度的抗高血壓能力。此外,Li等[18]通過實驗驗證槲皮素有助于調節糖尿病患者的血脂異常,這將有效地緩解高血脂對腎臟血管結構的損害。因此,槲皮素可能在改善DN的同時,解決糖尿病患者血壓、血脂異常的問題,也可以緩解腎臟結構在腎血管高壓、高脂血液環境下的進一步受損。

2 槲皮素調節腎臟生理功能

2.1 調節腎臟異常糖代謝 葡萄糖轉運蛋白由SLC2 (Solute carrier family 2)基因編碼,屬于協同轉運蛋白超家族,負責葡萄糖的攝取和代謝[19]。糖尿病患者在高糖狀態下,全身糖代謝發生障礙,此時體內近半數的葡萄糖經過腎臟代謝。因此,腎臟細胞葡萄糖轉運蛋白的活性增強,高糖誘導的損傷介質也進一步增強了腎細胞葡萄糖轉運蛋白的活性。在腎臟細胞糖代謝中,參與葡萄糖攝取轉運的蛋白包括位于腎小管上皮細胞管腔膜的介導繼發性主動轉運的鈉-葡萄糖協同轉運蛋白(Sodium-dependent glucose cotransporters,SGLTs)和位于腎小管上皮細胞基側膜的介導易化擴散的葡萄糖轉運蛋白(Glucose transporters,GLUTs),調節腎臟異常糖代謝可從這2類葡萄糖轉運蛋白的研究著手。

在Nassar等[20]的研究中,研究者聯合應用槲皮素和二甲雙胍,證實了槲皮素可以影響GLUT基因的表達,實驗組對病變腎臟的改善最明顯,且作用強于單獨應用二甲雙胍。另有研究證實,槲皮素也可以增強胰島素受體β亞基的mRNA表達,進而降低高血糖水平[21-22]。

SGLT抑制劑是新型口服抗糖尿病藥物,可以顯著減少2型糖尿病患者的心血管事件以及腎臟疾病的進展[23],但研究顯示,SGLT-2抑制劑可引起生殖器感染[24]。因此,SGLT-2在臨床上的應用價值仍待進一步研究闡明,且槲皮素是否可以影響SGLT基因的表達目前未見相關文獻報道。

2.2 控制腎臟免疫復合物沉積 DN患者常常伴隨腎臟炎癥反應,造成腎臟實質的破壞與免疫復合物的沉積加重,免疫復合物的沉積又進一步導致腎臟炎癥反應的加重。因此,控制腎臟免疫復合物沉積和緩解炎癥反應是治療DN的一條重要途徑。同時,參與免疫炎癥反應的補體系統、模式識別受體、免疫因子等激活途徑為DN的治療提供了多種可供參考的干預靶點選擇。近年來,相關學者基于網絡藥理學及分子研究,篩選出一系列的DN疾病基因靶點、中藥有效成分及作用靶點,見表1。從表1中可見,在目前常見的用于治療DN的中藥制劑中,對DN治療有意義的有效成分大多含有槲皮素,且這些有效成分影響調控的信號通路分布廣泛。

表1 常見治療糖尿病腎病的中藥制劑的主要活性成分及其主要調控通路

研究顯示,含有槲皮素的天然植物成分可以減少炎癥因子IL-6、TNF-α和免疫球蛋白IgG的血清水平[39],但槲皮素是否可以改善IgG與補體成分在腎小球、腎小管的沉積仍未見相關研究。有報道,槲皮素可抑制IL-1β、IL-6、TNF-α等基因的表達[40-41]。表1說明槲皮素具有多靶點藥物的性質并有一定的抗炎作用,上述基因表達靶點也將可能成為DN治療的重要干預靶點。

2.3 改善腎臟濾過功能 腎臟足細胞,即腎小囊臟層上皮細胞,附著于腎小球基底膜(Glomerular basement membrane,GBM)的外側,參與構成腎臟血液濾過屏障的一部分[42]。在DN的發生與進展中,腎小球的高灌注、高濾過常起關鍵作用,導致足細胞損傷。此外,足細胞損傷也可因免疫復合物介導[43]、腎小球細胞功能異常等機制發生。槲皮素可以改善DN患者異常的糖代謝和免疫復合物沉積,有利于延緩足細胞的損傷。Liu等[44]研究顯示,槲皮素通過抑制表皮生長因子受體(EGFR)信號通路減輕足細胞凋亡,同時可以減少蛋白尿的生成。此外,槲皮素可增加足細胞標記蛋白ncphrin和WT-1的表達,以改善足細胞損傷[45]。由此可見,槲皮素可以緩解足細胞損傷,改善腎臟受損的濾過功能。

此外,在DN的進展過程中,由于腎小球、腎小管等損傷及腎動脈高壓的出現,常伴發病理性蛋白尿。在Chen等[46]的一項關于先兆子癇的研究中,證實補充槲皮素可以進一步增強降低收縮壓和減少蛋白尿的效果。同時,通過網絡藥理學模型分析,部分主要活性成分為槲皮素的中藥制劑,可以通過結合多靶點,減少蛋白尿的生成[47]。

3 槲皮素對高糖環境細胞的保護作用

3.1 槲皮素保護胰島B細胞 目前臨床常用的治療糖尿病藥物(如雙胍類藥物、α-糖苷酶抑制劑等)均可有效控制高血糖,但血管并發癥在糖尿病患者中仍很常見。Ghorbani等[48]采用隊列研究證明,保留的胰島B細胞功能可延緩糖尿病并發癥的發展,同時,高糖環境導致過量的活性氧累積,通過內在途徑誘導胰島B細胞凋亡。因此,為保護患者未受損傷的胰島B細胞,臨床用藥的同時,應清除細胞中積累的過量活性氧,而槲皮素可以改善活性氧的過度累積,聯合應用槲皮素和降血糖藥物,可能實現保護胰島B細胞的目的。

此外,研究表明,類黃酮化合物槲皮素可以通過抑制NF-κB信號傳導、激活PI3K/Akt途徑、抑制一氧化氮的產生[48-50]、逆轉溶酶體功能障礙[51]等方式維持胰島B細胞存活。Dhanya等[52]也通過實驗證明了槲皮素通過激活mTOR信號傳導,導致誘導氧化應激下胰島B細胞中的胰島素分泌增加,從而調控血糖水平。因此,臨床上可以嘗試應用槲皮素保護胰島B細胞,并避免受損的胰島B細胞損傷加重,表明槲皮素可以延緩糖尿病及其并發癥的進展程度。

3.2 槲皮素緩解其他細胞損傷 DN是糖尿病患者最重要的合并癥之一,在發生DN時,往往同時合并其他器官或系統的微血管病,如糖尿病視網膜病變和外周神經病變等,表2總結了槲皮素對糖尿病患者不同細胞的保護作用及機制。Dong等[53]應用槲皮素治療,顯著抑制高糖環境誘導的大鼠海馬中神經細胞凋亡。血糖水平影響血管內皮功能,Tumova等[54]研究顯示,采用類黃酮化合物槲皮素長期治療,可以顯著增加內皮細胞中的葡萄糖攝取及代謝水平,從而改善心血管損傷。在糖尿病患者中,持續高血糖水平進一步損傷胰島B細胞,加重體內胰島素抵抗,進一步升高血糖,稱為葡萄糖毒性[55]。Civelek等[56]報道,槲皮素可以通過隔離潛在的細胞毒性聚集體,保護秀麗隱桿線蟲免受糖毒性,表明槲皮素可以防止高糖誘導的蛋白質聚集和功能喪失,從而避免了細胞生理功能的破壞。Sozuer等[57]采用鏈脲佐菌素誘導糖尿病大鼠模型,經槲皮素治療后血糖水平降低,腎細胞凋亡比例下降。由此可見,槲皮素可緩解高糖環境下的大部分細胞包括腎臟細胞的損傷,并降低血糖水平。結合表2,表明槲皮素可減少或延緩糖尿病并發癥的發生。

表2 槲皮素對糖尿病患者不同細胞的保護作用及機制

4 結語

本綜述總結了近年來槲皮素治療改善糖尿病腎病作用機制的基礎研究進展,包括改善腎臟實質損傷、緩解修復血管病變、降低血糖、血壓、血脂水平、調節異常糖代謝、改善腎臟濾過功能等,部分結果有待臨床進一步研究和證明。槲皮素具有抗炎、血管內皮修復、心腦血管的保護作用等功能,其在糖尿病腎病及其他并發癥的發生和進展中起到一定作用。槲皮素具有良好的安全性,但臨床用藥時,需注意劑量的不同導致藥物毒性的升高。尋求合適的藥物載體以及槲皮素聯合用藥仍需要進一步探索。

此外,表觀遺傳學通過多種機制改變基因表達,造成細胞功能異常,槲皮素在腫瘤治療中常應用表觀遺傳的思路[63],這一思路可能借鑒到糖尿病腎病的治療研究之中。同時,由于腎小球的損傷很難逆轉,導致腎臟疾病往往呈進行性加重。因此,未來的研究可更多關注槲皮素結合靶點的探索以及使用槲皮素治療能否恢復損傷的腎小球功能,這有待基礎和臨床研究的進一步探索。