三、氧化应激反应
氧化应激被认为在糖尿病肾病的发生发展中起着非常重要的作用。氧化应激通过很多途径参与糖尿病肾病发生发展。①活性氧升高可以导致脂质、蛋白质、碳水化合物和核酸发生显著的构象变化，从而导致细胞功能的扭曲相互作用。②氧化应激与糖基化终末代谢产物的增加有关。进而刺激RAAS系统和TGF-β的信号，促进细胞外基质沉积，肾小管和肾小球膜增厚，足细胞功能障碍，肾小管上皮细胞增生、细胞凋亡，导致出现蛋白尿、肾小球硬化和肾小管间质纤维化。
氧化应激主要是由高血糖状态引起，通过对靶组织分子的代谢改变和肾脏血流动力学的改变，将高血糖与血管并发症联系起来。氧化应激作用主要通过活性氧成分对靶器官损伤。许多活性氧具有未配对的电子，被认为是自由基，主要包括氧及其衍生物在内的一类分子，包括超氧阴离子
、羟基自由基（HO·）、过氧化氢（H2O2）、过氧亚硝酸根（ONO-）、次氯酸（HClO）、一氧化氮和脂质自由基。过量的活性氧，在克服了各种内源性抗氧化防御机制后，会氧化各种生物分子，如DNA、蛋白质、碳水化合物和脂质，从而产生氧化应激反应。高血糖环境中活性氧产量显著增加，很容易耗尽抗氧化防御系统，从而导致氧化应激反应。糖尿病肾病活性氧的潜在来源包括线粒体呼吸链、黄嘌呤氧化酶、NADH/NADPH氧化酶、一氧化氮合酶和其他一些途径。
（一）多元醇途径
在正常情况下，葡萄糖代谢一般不激活多元醇通路，细胞内的葡萄糖在葡萄糖激酶的作用下还原为葡萄糖-6-磷酸，进而在糖酵解途径中进行三羧酸循环。但是高糖环境下可活化糖代谢的另外一条通路即多元醇通路。葡萄糖首先醛糖还原酶转化为山梨醇；然后山梨醇被山梨醇脱氢酶转化为果糖。这两种酶构成了山梨醇（多元醇）途径。由于醛糖还原酶是过NADPH依赖性的还原酶，该途径会导致细胞内NADPH水平降低，从而降低细胞内的抗氧化应激能力。此外，山梨醇氧化至果糖可抑制糖酵解，促进丙酮醛和甘油二酯的形成，这两者是糖基化终末代谢产物和PKC通路的前体。另外山梨醇不能渗透到细胞膜外，在细胞内积聚，增加细胞渗透压，降低重要的细胞功能。同时多元醇通路的终产物果糖具有肾脏毒性。在糖尿病小鼠模型中，通过多元醇通路产生的果糖可导致小鼠蛋白尿增加，肾小球滤过率降低，氧化物和炎症细胞因子NF-κB的表达水平显著增加，肾小球和近端肾小管损伤加重。
（二）磷酸戊糖途径
磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway）是葡萄糖代谢中糖酵解的一种方式。磷酸戊糖途径是葡萄糖不必经过糖酵解和三羧酸循环，直接氧化脱氢和脱羧，产生大量NADPH。磷酸戊糖途径是葡萄糖产生NADPH的最直接途径，NADPH并有助于还原细胞内的活性氧，同时也可参与脂肪酸和固醇类物质的合成。在各种糖尿病模型中发现了磷酸戊糖途径代谢异常增高，导致胰岛素抵抗、脂质代谢紊乱、氧化应激和炎症。肥胖和糖尿病患者脂肪组织重点磷酸戊糖途径明显升高，生成更多NADPH。抑制小鼠脂肪细胞和肝细胞磷酸戊糖途径，小鼠的胰岛素抵抗可以降低，糖耐量可以改善。
（三）线粒体功能障碍
线粒体（mitochondria）以ATP的形式通过氧化磷酸化为细胞提供能量，线粒体功能障碍严重影响组织内环境的稳定。线粒体损伤或功能障碍引起的活性氧被认为是糖尿病并发症发生的主要始动事件。活性氧过量产生的主要来源是线粒体，线粒体具有超过内源性抗氧化剂产生的能力，在生理环境下，ATP合成与O2消耗完全耦合。但在糖尿病中，由于慢性高血糖进入呼吸链，导致燃料供应过剩，线粒体氧耗量增加和超氧生产导致氧化损伤，同时线粒体效率降低导致ATP生成量减少。从而O2的消耗速率高于制造ATP所需的速率，电子传递链的自由基产生显著增加，显著增加的活性氧诱发氧化应激反应，从而导致一系列的病变。
近年来，人们越来越关注线粒体损伤在糖尿病肾病的发生发展中的作用。高糖可诱导氧化应激增加，损伤线粒体的结构和功能，过氧化氢酶、丙二醛、解耦联蛋白、醛糖还原酶、糖基化终末代谢产物、谷胱甘肽过氧化物酶、硝基酪氨酸、超氧化物歧化酶升高均可导致活性氧大量过度产生。
线粒体是一种可变换自身形态的多形性细胞器，线粒体形态学改变的基础是其具备融合及裂变能力，并以此方式维持体内线粒体数量平衡。多种蛋白参与线粒体动力学调控，敲除大鼠Drp1基因可保护足细胞线粒体形态和ATP合成功能，Drp1抑制剂Mpi-1可通过抑制Drp1线粒体位移，从而抑制足细胞线粒体过度分裂，改善糖尿病大鼠肾脏损伤。
（四）血管NADPH氧化酶
目前认为NADPH氧化酶诱导的氧化应激在糖尿病肾病的发生和发展中起关键作用。NADPH氧化酶主要存在细胞膜和细胞液中，含多个亚基，通过生物膜传递电子。NADPH氧化酶源性的活性氧在肾脏中的作用主要是调节肾血流，超氧化物可与一氧化氮反应，限制其对一氧化氮入球小动脉的舒张作用。另外NADPH氧化酶源性的活性氧也参与蛋白酪氨酸激酶、磷脂酶、丝氨酸/苏氨酸激酶等的激活，导致上皮-间质转化增强，足细胞凋亡等病理生理过程。
NADPH氧化酶家族有7个成员，包括NOX1～NOX5和双氧化酶DUOX1和DUOX2，其中NOX同系物在整个肾脏中广泛表达。NOX1促进糖尿病血管内皮细胞和血管平滑肌细胞的损伤作用。NOX2在高血压的血管、心脏、肾脏和神经细胞都有表达，血管紧张素Ⅱ可以上调NOX2的表达。NOX5是一种Ca2+依赖性同源物，存在于淋巴组织和血管细胞中。血管NOX5诱导血管内皮的氧化损伤，促进血管内皮细胞增殖和血管生成、血管平滑肌细胞增殖和血管生成，从而促进动脉粥样硬化。NOX4是一种主要的肾脏亚型，在肾组织中高表达，主要在肾小管上皮细胞中表达，在肾小球中的表达水平较低。NOX4主要产生H2O2，可以激活导管细胞中的上皮Na+通道（ENaC）。另外胰岛素信号通过NOX4依赖机制增强瞬时受体电位阳离子通道6（TRPC6）的表面水平，有助于维持正常的足细胞功能。NOX4参与了糖尿病肾病、高血压肾病、急性肾损伤和肾细胞癌等疾病的发生发展。1型糖尿病OVE26小鼠和2型糖尿病db/db小鼠中NADPH氧化酶亚基表达上调（主要是NOX4和NOX1），产生过量活性氧，导致蛋白尿和足细胞凋亡。抑制NADPH氧化酶来源的活性氧生成可有效缓解高糖诱导的足细胞数量减少，尿白蛋白排泄率增加，肾小球肥大和系膜基质扩张，这是目前一个研究的热点方向。
（五）内皮型一氧化氮合酶功能紊乱
内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase, eNOS）通过旁分泌等形式催化生成一氧化氮，有很强的扩血管作用，对维持内皮功能起着重要作用。eNOS是肾脏血管的主要NOS酶，eNOS在糖尿病早期表达上调，尤其是在入球小动脉和肾小球内皮细胞，eNOS诱导产生一氧化氮增多，扩张入球小动脉和肾小球直径的增加，导致肾小球高灌注。但随着糖尿病的延长，eNOS表达和活性降低，导致血管一氧化氮缺乏，导致一系列病变。
eNOS是一种同源二聚体，耦合的eNOS将电子从含黄素还原酶结构域传输到含血红素加氧酶结构域。同二聚体解偶联导致超氧阴离子的形成，而不是一氧化氮的产生。eNOS底物、精氨酸和辅助因子四氢生物蝶呤的最佳浓度是维持eNOS形成二聚化所必需的。糖尿病大鼠中四氢生物蝶呤减少，特别在血管内皮细胞的消耗更严重。长期补充L-精氨酸治疗可改善糖尿病大鼠和糖尿病患者的血管内皮功能。同时eNOS翻译后调节也能影响eNOS半衰期，在调控eNOS的生物活性方面起着非常重要的作用。在糖尿病大鼠中，eNOS的磷酸化发生变化，从而抑制eNOS的活性，这也是导致eNOS功能障碍的原因之一。在糖尿病肾病患者中，血浆不对称二甲基精氨酸升高。二甲基精氨酸是eNOS的内源性抑制剂，从而抑制eNOS活性。eNOS的活性也受其在细胞内位置的调节。生理条件下，eNOS主要定位于质膜，但在高糖刺激下可能进入细胞质，细胞质中的高尔基体、线粒体抑制一氧化氮的产生，从而抑制eNOS活性。
糖尿病肾病模型OVE26小鼠和ZSF1大鼠的肾小球或肾脏eNOS表达下调，eNOS介导的一氧化氮生成减少，而这两种动物模型都是糖尿病肾病进展模型。eNOS缺陷型糖尿病小鼠表现为进展性肾病改变，包括明显的蛋白尿、结节性肾小球硬化、系膜溶解和小动脉玻璃样变。提示eNOS缺乏会加重糖尿病肾病。如何改善糖尿病患者的eNOS功能障碍是未来的一个研究方向。
（六）酪氨酸硝基化
糖尿病会导致氧化应激反应明显增强，除了造成氧化损伤外，还可与蛋白质酪氨酸残基或游离酪氨酸发生硝化反应，生成稳定的代谢产物3-硝基酪氨酸（3-nitrotyrosine，3-NT）。酪氨酸硝基化后使体内多种有重要功能的酶/蛋白功能受损或活性下降，损伤线粒体、DNA，抑制酪氨酸磷酸化，诱导细胞的凋亡和死亡。
正常生理条件下，组织细胞中氧化应激的活性氧和活性氮（RNS）的生成与各种抗氧化物质和酶是平衡的。但在高血糖情况下，体内RNS/ROS生成增加，抗氧化物质活性下降。RNS和活性氧的大量产生可以直接损伤蛋白质、核酸和脂质等生物大分子，而活性氧与RNS相互反应可以产生更强的毒性效应，即酪氨酸的硝基化。一般认为导致酪氨酸硝基化有如下几个来源：导致过氧亚硝基阴离子（peroxynitrite, ONOO-）依赖的途径：在高血糖下产生超氧阴离子，超氧阴离子与一氧化氮反应形成过氧亚硝基阴离子（ONOO-），具有很强的氧化和硝基化作用，和蛋白质的酪氨酸残基发生硝基化反应。另外一种途径是体内的过氧化物酶催化H2O2和Cl-反应生成HOCl, HOCl氧化
生成NO2Cl，使酪氨酸或蛋白质的酪氨酸残基发生硝基化反应。
许多重要功能的酶或蛋白被硝基化后，结构发生改变并且功能受损。如前列环素合成酶的酪氨酸硝化，导致舒张血管的前列环素（PGI2）的生成减少，同时也引起前列环素合成酶底物如前列腺素内过氧化物（PGH2）血栓素A2（TXA2）、异戊二烯（HETES）和异前列腺素储积，PGH2和TXA2都是强缩血管物质，促进动脉粥样硬化的进展。目前认为糖尿病前列环素合成酶的酪氨酸硝化是糖尿病肾病重要发病机制之一。
（七）己糖胺途径和O-link糖基化
己糖胺通路来源于糖酵解的第三步，即果糖-6-磷酸。高血糖状态下，细胞内葡萄糖进入己糖胺途径明显增加。大量糖酵解产生的果糖-6-磷酸促进了O-link糖基化。O-link糖基化是指通常在蛋白质的丝氨酸和苏氨酸残基上糖基化，通常是N-乙酰氨基葡萄糖（简称GlcNAc）。丝氨酸/苏氨酸磷酸化是导致许多酶激活的关键步骤，异常增多的O-link糖基化可能抑制了多种酶的磷酸化，从而干扰很多酶和蛋白的正常功能。例如，高血糖会增加eNOS相关的O-GlcANc，导致eNOS丝氨酸磷酸化的平行降低，从而导致eNOS活性的降低。另外，多转录因子和其他核蛋白和细胞质蛋白被O-link糖基化动态修饰，从而干预蛋白的转录。如在高糖环境下，通过O-link糖基化，促进TNF-α、PAI-1和TGF-β1的转录，从而促进动脉的粥样硬化。
（八）内质网应激
内质网（endoplasmic recticmlum）作为细胞最大的细胞器，在蛋白质翻译后，在内质网中进行翻译后的修饰、折叠和稳定到它们的功能结构中。内质网是一个具有多种功能的复杂细胞器，它处于严格的调节之下，如果调节出现障碍，未折叠和错误折叠的蛋白质可能会在内质网腔内堆积。未折叠和/或错误折叠蛋白质的积累导致了未折叠蛋白反应（unified protein response, UPR）通路的激活，从而激活内质网应激反应。通过增加内质网的折叠能力，以及激活内质网相关降解系统来处理错误折叠的蛋白质。当UPR不能维护正常的重建、正常的内质网功能和缓解内质网应激时，会触发细胞炎症和凋亡信号，导致细胞损伤甚至凋亡。
内质网应激与氧化应激密切相关。在肥胖和糖尿病中，活性氧升高，诱导内质网异构酶失活，导致未折叠和错误折叠蛋白的堆积。错误折叠或未折叠蛋白的积累会刺激葡萄糖的使用，激活线粒体的氧化磷酸化，从而产生更多的活性氧，形成恶性循环，从而导致内皮功能障碍。内质网应激反应被认为是一种将胰岛素抵抗、脂质代谢紊乱、细胞死亡和氧化应激与内皮功能障碍联系在一起的聚合分子链。在以胰岛素抵抗为特征的肥胖中，胰岛素抵抗诱导内质网应激，参与肥胖诱导的内皮功能障碍。内质网应激诱导内皮细胞ET-1 mRNA和蛋白表达显著上调，eNOS表达减弱，同时也加重AngⅡ诱导的内皮功能障碍的影响。目前发现内质网应激在糖尿病及肥胖相关的动脉粥样硬化发生发展中的起关键作用。
（九）抗氧化能力受损
糖尿病诱导氧化应激激活，活性氧诱导细胞内和组织中抗氧化酶的表达或非酶类抗氧化剂的增多，这是一种防御机制。抗氧化酶是超氧化物歧化酶（SOD）、硫氧还蛋白过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）和过氧化氢酶等的统称。生理状态下，这些抗氧化物质在体内合成旺盛，GSH-PX和SOD等抗氧化剂含量很高，能抑制氧自由基产生。另外线粒体是活性氧产生的主要来源，同时线粒体有很强的内源性抗氧化剂产生的能力，如线粒体超氧化物歧化酶（MnSOD）、过氧化氢酶、丙二醛、解耦联蛋白、醛糖还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶等都是线粒体内源性抗氧化酶和非酶类抗氧化剂。但在糖尿病中，高糖可诱导活性氧增加，损伤线粒体的结构和功能，导致这些酶活性下降，也导致了细胞线粒体的抗氧化能力受损。此外体内还有抗氧化维生素如维生素C和E等，阻止新的自由基的形成或加速新自由基清除。还有一些酶，如DNA修复酶，修复被自由基攻击破坏的细胞结构，或阻止连锁反应。
糖尿病诱发的活性氧的过量产生可导致细胞或机体抗氧化防御能力下降。目前研究最广泛的酶是SOD和谷胱甘肽转移酶。高血糖环境中活性氧产量显著增加，很容易耗尽抗氧化防御系统，过量的活性氧会抑制这些酶的功能，使抗氧化能力下降，从而导致恶性循环。氧化应激/抗氧化能力的失衡在糖尿病肾病的发生发展中起重要作用。补充抗氧化剂是治疗糖尿病肾病的一个临床研究方向。已经有研究发现姜黄素可以延缓糖尿病肾病的发展。