“代谢记忆”是指糖尿病患者的高血糖水平如果在发病早期不能得到及时控制，即使后期血糖持续稳定在正常水平，糖尿病视网膜病变（DR）等慢性并发症仍然会继续发展，难以逆转。氧化应激在DR的“代谢记忆”中起关键性作用。硝化应激、糖基化终末产物、炎症、表观遗传修饰及内质网应激相互作用，促进DR“代谢记忆”发生发展。深入研究氧化应激与DR“代谢记忆”之间的相关性，可为控制DR持续发展以及寻找新的治疗靶点提供思路。
引用本文： 高玮, 李春霞. 糖尿病视网膜病变“代谢记忆”与氧化应激的相关性研究现状. 中华眼底病杂志, 2017, 33(3): 327-330. doi: 10.3760/cma.j.issn.1005-1015.2017.03.030 复制
高血糖是影响糖尿病（DM）并发症的主要因素。DM患者高血糖水平如果在发病早期不能得到及时控制，即使后期血糖持续稳定在正常水平，先前的一过性高糖发作引起血管功能紊乱导致的DM视网膜病变（DR）等慢性并发症仍会继续发展。这种现象称为“代谢记忆”[1]。氧化应激是DR发展过程中重要的致病机制。高糖引起的氧化应激可导致视网膜基底膜增厚，血管渗透性增加；这种视网膜损伤即使在血糖恢复正常后仍持续存在[1,2]。深入研究氧化应激与DR“代谢记忆”之间的相关性，可为控制DR持续发展以及寻找新的治疗靶点提供思路。现就氧化应激在DR“代谢记忆”中作用综述如下。
1 DR的“代谢记忆”
“代谢记忆”与DR等DM微血管并发症密切相关。实验研究发现，当DM狗前期血糖控制较差，即使后期血糖纠正，其视网膜病变程度也不能减轻；DR的发生率与整个5年中血糖控制不良的对照组相似。相反，早期严格控制血糖，DR的发生率显著降低，视网膜毛细血管损伤得到有效抑制[3]。还有研究发现，与全程12个月血糖控制较差的DM大鼠相比，前6个月血糖控制较差者，即使后6个月重新恢复良好的血糖水平，也不能阻止视网膜细胞凋亡和无细胞毛细血管形成，并且高糖状态终止后视网膜血管细胞中促凋亡的活化作用仍旧存在[4]。
临床研究发现，在DM控制和并发症试验（DCCT）中分别使用常规降糖方案和强化降糖的治疗方案使1型DM患者血糖降至正常水平，发现强化降糖的患者微血管并发症发生率显著降低；与传统治疗的DM患者相比，其DR发生率减少76%[5]。DM干预和并发症流行病学实验对DCCT中所有患者实行强化降糖方案，发现原来实行标准降糖方案者改为强化降糖方案后，即使血糖被控制在相同水平，其并发症的发生率仍然高于早期就使用强化降糖方案者[6]。
2 “代谢记忆”与氧化应激
正常情况下活性氧（ROS）的生成与细胞抗氧化能力平衡，当ROS生成增多和清除能力下降，氧化和抗氧化比例失衡，引发自由基形成，抗氧化防御系统受损，引起氧化应激[7]。ROS的产生与抗氧化防御系统的失衡激活多条与氧化应激相关的通路，引起细胞和组织损伤。由于视网膜富含多元不饱和脂肪酸以及其高水平的新陈代谢活力，因此易受ROS和脂质过氧化的侵袭造成损伤。氧化应激通过诱导内皮细胞功能紊乱、周细胞凋亡、新生血管形成引起视网膜损伤，进而导致DR的发生。高糖引起的血管损伤主要通过多元醇通路、细胞内形成的糖基化终末产物（AGEs）增加、AGEs受体的表达以及相关配体增加、蛋白激酶C的激活、氨基己糖通路过度激活等经典通路介导[8]。这些通路都与ROS的生成有关，即高糖环境下线粒体ROS的过量表达是机体组织损伤的中心环节，调节上述多条经典通路导致DR发生[9]。而AGEs形成、多元醇通路和蛋白激酶C激活可减弱抗氧化酶活性从而加重氧化应激，形成恶性循环。不仅如此，这种高血糖引起的氧化应激即使在高血糖得到有效控制后仍持续存在，且内源性抗氧化剂谷胱甘肽仍处于较低水平[10]。与之类似，血糖恢复正常后，高糖诱导的血管内皮生长因子和转化生长因子也维持在高表达水平[11]。
3 氧化应激在“代谢记忆”中的作用
3.1 氧化应激与硝化应激
ROS和一氧化氮（NO）发生反应而产生具有高度活性的氮，活性氮对机体细胞产生毒性损伤，这一过程称为硝化应激。视网膜光感受器含有大量多元不饱和脂肪酸，高耗氧量使其易受氧化应激的影响，硝化应激可以引起光感受器损伤，破坏血视网膜屏障（BRB）[12]。DM及其并发症通过诱导炎症因子诱导型NO合酶（iNOS）过量表达使NO水平升高，引起视网膜新生血管性疾病和视网膜退行性病变发生硝化应激损伤[13]。实验研究发现，在血糖控制良好的DM大鼠和人视网膜中iNOS、NO、硝基酪氨酸的水平仍持续表达，促进视网膜血管内皮渗透性增加、BRB破坏[14]。NO与超氧阴离子生成具有高度活性的过氧化亚硝酸盐，可增强核因子（NF）-κB和白细胞介素-8的活性，介导慢性炎症的发生[15]。因此，即使血糖恢复正常，DM大鼠视网膜病变仍持续发展，其可能机制是高糖状态下过氧化亚硝酸盐产生过多，与炎症、氧化应激共同作用损伤视网膜血管内皮细胞功能。
3.2 氧化应激与AGEs
AGEs通过细胞内糖化、胶原交联形成引起组织损伤，常作为评估DM严重程度的临床标记物[16]。AGEs与其受体结合可以促进氧化应激的发生，激活NF-κB，使细胞因子和黏附分子表达增加，引起视网膜毛细血管细胞凋亡，BRB破坏，促进DR发生发展[17]。同时，炎症与氧化应激可促进AGEs累积，进一步加剧AGEs对视网膜血管内皮损伤。研究表明，即使后期血糖恢复正常，线粒体呼吸链蛋白内AGEs相关的细胞内糖化仍可产生更多的ROS，引起恶性循环同时反作用促进AGEs的形成增多[18]。AGEs与氧化应激之间的紧密联系，可以帮助解释“代谢记忆”中血糖恢复正常后组织损伤仍旧持续的可能机制。
慢性低度的炎症被认为是血管损伤的因素之一，高糖的直接作用以及氧化应激可加快DR慢性炎症的发生[19]。氧化应激中氧自由基和炎症因子的产生与减少之间平衡发生微小的改变都可以导致细胞损伤。因此，通过干预高糖引起的氧化和炎症反应可以有效地预防与减轻视网膜并发症。实验研究发现，具有强效抗氧化及抗炎活性的褪黑素可以通过磷脂酰肌醇-3-羟激酶/蛋白激酶-NFE2相关因子2信号通路减轻氧化应激引起的视网膜损伤，抑制血管内皮生长因子的过表达从而缓解BRB的破坏，抑制NF-κB通路，降低下游炎症因子的表达[20]。DR炎症发展中氧化应激可以引发和调控血管炎症，同时炎症细胞可以刺激ROS的释放，增加毛细血管的通透性，帮助炎症区域的中性粒细胞募集[21]。
3.3 氧化应激与表观遗传修饰
表观遗传修饰指核苷酸序列在不发生改变的情况下，基因的表达受到表观遗传修饰的调控发生了可遗传的变化，引起基因活性或功能长时间的改变[22]。在DM并发症的“代谢记忆”中，表观遗传修饰被认为是基因和环境因素之间相互作用的重要接口[23]。并且，高糖引起的多种遗传修饰的改变及促炎因子表达的增加，在血糖恢复正常后仍持续表达[24]。DM大鼠中持续的表观遗传变异使得NF-κB的P65亚基表达增加，继而促进细胞黏附分子-1表达。研究发现，即使血糖恢复正常，氧化应激仍可引起基因异常表达，损伤线粒体细胞膜，持续的刺激使细胞基因发生表观遗传修饰，促进DR的病程发展[25]。因此“代谢记忆”中表观遗传修饰机制，对氧化应激造成视网膜持续的损伤打开了一个新的基因调节层面。
3.4 氧化应激与内质网应激（ERS）
ERS被认为是多种血管疾病、神经退行性疾病，特别是肥胖和胰岛素抵抗型DM发病的重要机制，在DM微血管并发症致病机制研究中引起了广泛关注。在2型DM患者未发生增生的视网膜中发现ERS的增加，提示ERS可能存在于早期DR中[26]。ERS是指各种应激导致内质网负荷过重，错误折叠或未折叠蛋白在内质网大量集聚引起的细胞发生未折叠蛋白反应。在氧化应激的环境下，未折叠蛋白反应的激活是维持细胞功能的适应性机制，而持续的氧化应激和蛋白质错误折叠可引发细胞凋亡。氧化还原的改变和ROS的生成可直接或间接的影响内质网稳态和蛋白质折叠。
ERS通过上调促炎性细胞因子表达，增加视网膜通透性，诱导周细胞凋亡，并破坏BRB[27]。氧化应激过程中产生的大量ROS是引起内质网中蛋白错误折叠和ERS诱发凋亡的重要原因之一。细胞处于应激状态后一方面进一步消耗抗氧化物质，造成抗氧化物质的利用障碍；另一方面作用于线粒体，增加线粒体膜通透性，促使线粒体进一步产生ROS，引起氧化应激，加快细胞功能障碍速度和细胞凋亡过程，最终导致器官系统的功能障碍[28]。通过香烟烟雾提取物诱导视网膜色素上皮细胞ERS的发生，发现ROS上调，线粒体损伤，细胞发生凋亡。而这些改变通过抗氧化剂干预被有效阻止，证明了在细胞凋亡中氧化应激与ERS之间互相作用[29]。
4 展望
氧化应激是DR病程发展中重要的致病机制，在DR的“代谢记忆”中，以上所提及的可以引起血管损伤的机制都与氧化应激以及ROS的产生过多密切相关。为了阻止和避免DR、DM肾病、DM神经病变等DM并发症，许多通过抗氧化物的实验研究都取得了较好效果。强效抗氧化剂α-硫辛酸是多种酶进行氧化代谢所必需，实验发现α-硫辛酸通过维持谷胱甘肽水平和直接的抗氧化性可以缓解DM大鼠的神经病变[30]。锰超氧化物歧化酶是线粒体主要的抗氧化酶，生理状态下抗氧化防御的第一屏障，其过表达可以缓解线粒体的氧化损伤、视网膜内皮细胞凋亡，有效抑制高糖引起的氧化应激和硝化应激[31]。因此，通过对这些经典通路的干预来清除或减少ROS的产生，增强抗氧化防御系统，可以有效减缓DR的发展进程。
高血糖是影响糖尿病（DM）并发症的主要因素。DM患者高血糖水平如果在发病早期不能得到及时控制，即使后期血糖持续稳定在正常水平，先前的一过性高糖发作引起血管功能紊乱导致的DM视网膜病变（DR）等慢性并发症仍会继续发展。这种现象称为“代谢记忆”[1]。氧化应激是DR发展过程中重要的致病机制。高糖引起的氧化应激可导致视网膜基底膜增厚，血管渗透性增加；这种视网膜损伤即使在血糖恢复正常后仍持续存在[1,2]。深入研究氧化应激与DR“代谢记忆”之间的相关性，可为控制DR持续发展以及寻找新的治疗靶点提供思路。现就氧化应激在DR“代谢记忆”中作用综述如下。
1 DR的“代谢记忆”
“代谢记忆”与DR等DM微血管并发症密切相关。实验研究发现，当DM狗前期血糖控制较差，即使后期血糖纠正，其视网膜病变程度也不能减轻；DR的发生率与整个5年中血糖控制不良的对照组相似。相反，早期严格控制血糖，DR的发生率显著降低，视网膜毛细血管损伤得到有效抑制[3]。还有研究发现，与全程12个月血糖控制较差的DM大鼠相比，前6个月血糖控制较差者，即使后6个月重新恢复良好的血糖水平，也不能阻止视网膜细胞凋亡和无细胞毛细血管形成，并且高糖状态终止后视网膜血管细胞中促凋亡的活化作用仍旧存在[4]。
临床研究发现，在DM控制和并发症试验（DCCT）中分别使用常规降糖方案和强化降糖的治疗方案使1型DM患者血糖降至正常水平，发现强化降糖的患者微血管并发症发生率显著降低；与传统治疗的DM患者相比，其DR发生率减少76%[5]。DM干预和并发症流行病学实验对DCCT中所有患者实行强化降糖方案，发现原来实行标准降糖方案者改为强化降糖方案后，即使血糖被控制在相同水平，其并发症的发生率仍然高于早期就使用强化降糖方案者[6]。
2 “代谢记忆”与氧化应激
正常情况下活性氧（ROS）的生成与细胞抗氧化能力平衡，当ROS生成增多和清除能力下降，氧化和抗氧化比例失衡，引发自由基形成，抗氧化防御系统受损，引起氧化应激[7]。ROS的产生与抗氧化防御系统的失衡激活多条与氧化应激相关的通路，引起细胞和组织损伤。由于视网膜富含多元不饱和脂肪酸以及其高水平的新陈代谢活力，因此易受ROS和脂质过氧化的侵袭造成损伤。氧化应激通过诱导内皮细胞功能紊乱、周细胞凋亡、新生血管形成引起视网膜损伤，进而导致DR的发生。高糖引起的血管损伤主要通过多元醇通路、细胞内形成的糖基化终末产物（AGEs）增加、AGEs受体的表达以及相关配体增加、蛋白激酶C的激活、氨基己糖通路过度激活等经典通路介导[8]。这些通路都与ROS的生成有关，即高糖环境下线粒体ROS的过量表达是机体组织损伤的中心环节，调节上述多条经典通路导致DR发生[9]。而AGEs形成、多元醇通路和蛋白激酶C激活可减弱抗氧化酶活性从而加重氧化应激，形成恶性循环。不仅如此，这种高血糖引起的氧化应激即使在高血糖得到有效控制后仍持续存在，且内源性抗氧化剂谷胱甘肽仍处于较低水平[10]。与之类似，血糖恢复正常后，高糖诱导的血管内皮生长因子和转化生长因子也维持在高表达水平[11]。
3 氧化应激在“代谢记忆”中的作用
3.1 氧化应激与硝化应激
ROS和一氧化氮（NO）发生反应而产生具有高度活性的氮，活性氮对机体细胞产生毒性损伤，这一过程称为硝化应激。视网膜光感受器含有大量多元不饱和脂肪酸，高耗氧量使其易受氧化应激的影响，硝化应激可以引起光感受器损伤，破坏血视网膜屏障（BRB）[12]。DM及其并发症通过诱导炎症因子诱导型NO合酶（iNOS）过量表达使NO水平升高，引起视网膜新生血管性疾病和视网膜退行性病变发生硝化应激损伤[13]。实验研究发现，在血糖控制良好的DM大鼠和人视网膜中iNOS、NO、硝基酪氨酸的水平仍持续表达，促进视网膜血管内皮渗透性增加、BRB破坏[14]。NO与超氧阴离子生成具有高度活性的过氧化亚硝酸盐，可增强核因子（NF）-κB和白细胞介素-8的活性，介导慢性炎症的发生[15]。因此，即使血糖恢复正常，DM大鼠视网膜病变仍持续发展，其可能机制是高糖状态下过氧化亚硝酸盐产生过多，与炎症、氧化应激共同作用损伤视网膜血管内皮细胞功能。
3.2 氧化应激与AGEs
AGEs通过细胞内糖化、胶原交联形成引起组织损伤，常作为评估DM严重程度的临床标记物[16]。AGEs与其受体结合可以促进氧化应激的发生，激活NF-κB，使细胞因子和黏附分子表达增加，引起视网膜毛细血管细胞凋亡，BRB破坏，促进DR发生发展[17]。同时，炎症与氧化应激可促进AGEs累积，进一步加剧AGEs对视网膜血管内皮损伤。研究表明，即使后期血糖恢复正常，线粒体呼吸链蛋白内AGEs相关的细胞内糖化仍可产生更多的ROS，引起恶性循环同时反作用促进AGEs的形成增多[18]。AGEs与氧化应激之间的紧密联系，可以帮助解释“代谢记忆”中血糖恢复正常后组织损伤仍旧持续的可能机制。
慢性低度的炎症被认为是血管损伤的因素之一，高糖的直接作用以及氧化应激可加快DR慢性炎症的发生[19]。氧化应激中氧自由基和炎症因子的产生与减少之间平衡发生微小的改变都可以导致细胞损伤。因此，通过干预高糖引起的氧化和炎症反应可以有效地预防与减轻视网膜并发症。实验研究发现，具有强效抗氧化及抗炎活性的褪黑素可以通过磷脂酰肌醇-3-羟激酶/蛋白激酶-NFE2相关因子2信号通路减轻氧化应激引起的视网膜损伤，抑制血管内皮生长因子的过表达从而缓解BRB的破坏，抑制NF-κB通路，降低下游炎症因子的表达[20]。DR炎症发展中氧化应激可以引发和调控血管炎症，同时炎症细胞可以刺激ROS的释放，增加毛细血管的通透性，帮助炎症区域的中性粒细胞募集[21]。
3.3 氧化应激与表观遗传修饰
表观遗传修饰指核苷酸序列在不发生改变的情况下，基因的表达受到表观遗传修饰的调控发生了可遗传的变化，引起基因活性或功能长时间的改变[22]。在DM并发症的“代谢记忆”中，表观遗传修饰被认为是基因和环境因素之间相互作用的重要接口[23]。并且，高糖引起的多种遗传修饰的改变及促炎因子表达的增加，在血糖恢复正常后仍持续表达[24]。DM大鼠中持续的表观遗传变异使得NF-κB的P65亚基表达增加，继而促进细胞黏附分子-1表达。研究发现，即使血糖恢复正常，氧化应激仍可引起基因异常表达，损伤线粒体细胞膜，持续的刺激使细胞基因发生表观遗传修饰，促进DR的病程发展[25]。因此“代谢记忆”中表观遗传修饰机制，对氧化应激造成视网膜持续的损伤打开了一个新的基因调节层面。
3.4 氧化应激与内质网应激（ERS）
ERS被认为是多种血管疾病、神经退行性疾病，特别是肥胖和胰岛素抵抗型DM发病的重要机制，在DM微血管并发症致病机制研究中引起了广泛关注。在2型DM患者未发生增生的视网膜中发现ERS的增加，提示ERS可能存在于早期DR中[26]。ERS是指各种应激导致内质网负荷过重，错误折叠或未折叠蛋白在内质网大量集聚引起的细胞发生未折叠蛋白反应。在氧化应激的环境下，未折叠蛋白反应的激活是维持细胞功能的适应性机制，而持续的氧化应激和蛋白质错误折叠可引发细胞凋亡。氧化还原的改变和ROS的生成可直接或间接的影响内质网稳态和蛋白质折叠。
ERS通过上调促炎性细胞因子表达，增加视网膜通透性，诱导周细胞凋亡，并破坏BRB[27]。氧化应激过程中产生的大量ROS是引起内质网中蛋白错误折叠和ERS诱发凋亡的重要原因之一。细胞处于应激状态后一方面进一步消耗抗氧化物质，造成抗氧化物质的利用障碍；另一方面作用于线粒体，增加线粒体膜通透性，促使线粒体进一步产生ROS，引起氧化应激，加快细胞功能障碍速度和细胞凋亡过程，最终导致器官系统的功能障碍[28]。通过香烟烟雾提取物诱导视网膜色素上皮细胞ERS的发生，发现ROS上调，线粒体损伤，细胞发生凋亡。而这些改变通过抗氧化剂干预被有效阻止，证明了在细胞凋亡中氧化应激与ERS之间互相作用[29]。
4 展望
氧化应激是DR病程发展中重要的致病机制，在DR的“代谢记忆”中，以上所提及的可以引起血管损伤的机制都与氧化应激以及ROS的产生过多密切相关。为了阻止和避免DR、DM肾病、DM神经病变等DM并发症，许多通过抗氧化物的实验研究都取得了较好效果。强效抗氧化剂α-硫辛酸是多种酶进行氧化代谢所必需，实验发现α-硫辛酸通过维持谷胱甘肽水平和直接的抗氧化性可以缓解DM大鼠的神经病变[30]。锰超氧化物歧化酶是线粒体主要的抗氧化酶，生理状态下抗氧化防御的第一屏障，其过表达可以缓解线粒体的氧化损伤、视网膜内皮细胞凋亡，有效抑制高糖引起的氧化应激和硝化应激[31]。因此，通过对这些经典通路的干预来清除或减少ROS的产生，增强抗氧化防御系统，可以有效减缓DR的发展进程。