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環氧化酶(Cyclooxygenase,COX)又稱前列腺素內氧化酶還原酶,是一種雙功能酶,具有環氧化酶和過氧化氫酶活性,是催化花生四烯酸轉化為前列腺素的關鍵酶。目前發現環氧化酶有兩種COX-1和COX-2同工酶,前者為結構型,主要存在於血管、胃、腎等組織中,參與血管舒縮、血小板聚集、胃粘膜血流、胃黏液分泌及腎功能等的調節,其功能與保護胃腸黏膜、調節血小板聚集、調節外周血管的阻力和調節腎血流量分佈有。後者為誘導型,各種損傷性化學、物理和生物因子激活磷脂酶A2水解細胞膜磷脂,生成花生四烯酸,後者經COX-2催化加氧生成前列腺素。

1COX-2的生物學性質

COX是花生四烯酸代謝過程中前列腺素(prostaglandins,PGs)合成的限速酶。傳統觀念認為,COX有兩種結構亞型,即結構型COX-1和誘導型COX-2。近期,COX的第三種同工酶——COX-3,在神經系統組織內被發現。COX-1主要存在於正常的組織細胞中,催化產生維持正常生理功能的PGs。COX-2是一種膜結合蛋白。研究證實,在巨噬細胞、成纖維細胞、內皮細胞和單核細胞中COX-2均可被誘導表達。生理狀態下絕大部分組織細胞不表達COX-2;而在炎症、腫瘤等病理狀態下受炎性刺激物、損傷、有絲分裂原和致癌物質等促炎介質誘導后,呈表達增高趨勢,參與多種病理生理過程,具體是細胞膜磷脂通過磷脂酶A2途徑被水解釋放出花生四烯酸,在COX-2的催化下,合成前列腺素E2(PGE2),最後產生系列炎症介質,並通過瀑布式級聯反應參與機體各生理、病理過程。 人類COX-2基因位於1號染色體q 25.2~q 25.3,長8.3 kb,含有10個外顯子和9個內含子,編碼604個氨基酸,含有17個氨基酸殘基的信號肽。

2COX-2與糖尿病

Pickup研究發現,炎症細胞因子、氧化應激等在2型糖尿病中具有重要作用,首次將2型糖尿病和亞臨床炎症聯繫起來。COX-2作為重要的炎症介質,參與糖尿病的發病機制以通過誘導合成PGs類衍生物來實現。PGE2作為COX-2的產物之一,能抑制葡萄糖刺激胰島素分泌,導致糖耐量減低。COX-2抑製劑能增加β細胞胰島素的合成,且呈劑量依賴形式。同時,COX-2作為炎性反應的介質,能降低人體對胰島素的敏感性。 相關動物實驗顯示,NOD小鼠和BALB/C小鼠進展為糖尿病前,COX-2僅僅表達於胰腺內分泌細胞,糖尿病時期主要表達於胰腺巨噬細胞和樹突狀細胞,並且COX-2和胰島素在胰腺的不同細胞群中表達。提示了COX-2病理表達會影響胰島素分泌,並在胰島β細胞的病理生理過程中發揮重要作用。 通過Heitmeier等的研究也證實,在1型糖尿病患者的胰島細胞中,一些細胞因子如IL-1、IFN-γ、TNF-α通過誘導刺激COX-2表達,使PGE2合成增加,造成胰島β細胞功能障礙和退化。在高葡萄糖濃度的刺激下,1型和2型糖尿病患者的胰島細胞、血管平滑肌細胞、內皮細胞及其離體培養的單核細胞中COX-2的表達均會增加。表明高血糖的刺激或炎性因子誘導都能使COX-2異常表達,造成胰島細胞損害。

3COX-2與DN

DN作為糖尿病常見的微血管病變,又稱腎小球硬化症。COX-2主要在腎小球緻密斑、皮質髓襻升支粗段、足細胞和腎髓質的間質細胞表達,與其他炎性介質共同參與腎小球和腎小管間質結構功能改變,在DN發生中起重要作用。
1. COX-2在糖尿病腎組織中的表達及對腎損傷的影響:
劉志純等檢測鏈脲黴素(streptozotocin,STZ)誘導糖尿病大鼠模型腎組織COX-2發現,糖尿病組大鼠腎臟COX-2蛋白表達明顯增加。陳芳等[8]觀察了3周及6周糖尿病大鼠腎組織COX-2表達后得出,糖尿病早期腎小球濾過率(GFR)大約增加50%,重要成因之一是PGs代謝紊亂。而應用COX-2抑製劑——羅非昔布干預3周和6周糖尿病大鼠后,藥物干預組腎臟肥大指數(分別為1.19±0.17、1.25±0.21)均顯著低於非干預組(分別為1.25±0.19、1.39±0.21,P<0.05)。以24 h尿蛋白、尿白蛋白為腎損傷生化指標,檢測到藥物干預組中兩指標在各時間點上都均顯著低於非干預組(P<0.01,P<0.05),且藥物干預組COX-2在腎組織表達顯著低於非干預組。綜合分析,糖尿病組腎組織COX-2的表達與24 h尿蛋白、尿白蛋白呈明顯正相關。Komers等通過研究4周及12周2型糖尿病動物模型的尿蛋白與COX-2的變化關係發現,糖尿病模型12周的尿蛋白較4周糖尿病模型顯著升高。與此同時,腎皮質中COX-2表達和尿PGE2也隨之相應升高。
以上研究共同證明了COX-2在糖尿病腎組織中的表達上調,且在病理、生化指標的分析中均提示COX-2導致腎損害。
大量動物實驗及臨床研究均證實高血糖是上調腎小球系膜細胞COX-2表達的最主要因素。其具體機制未完全明確。
2. 活性氧簇(ROS)產物作用:
通過將人系膜細胞(HMC)置於不同葡萄糖濃度中培養,Kiritoshi等發現,在30 mmol/L葡萄糖條件中HMC的COX-2 mRNA表達增加,同樣條件下,利用熒光探針檢測發現線粒體內ROS產物也增加。利用定向誘變將含有變異NF-κB結合位點序列的COX-2啟動子區瞬間轉染進HMC,看到單獨5′或3′端變異的序列使COX-2表達[分別為5.6 mmol/L葡萄糖條件下的(235.8±24.0)%、(212.8±4.8)%]較5′和3′端全變異序列的COX-2表達顯著增加。從而該研究認為由於COX-2是受NF-κB調控的靶基因,在高糖條件下通過線粒體電子傳遞鏈致使ROS產物增加,導致NF-κB的活化,進而讓HMC的COX-2 mRNA表達增加。
3. 磷脂醯肌醇-3-激酶(PI3K)/絲蘇氨酸蛋白激酶(AKT)途徑:
Sheu等[11]在一項體外實驗中,將鼠腎小球系膜細胞置在含33 mmol/L的高濃度葡萄糖培養基中行24 h培養后發現,PI3K於高糖刺激1~5 min后活性升高,PI3K下游功能區AKT在高糖刺激5~20 min后活性增高,ROS及NF-κB則分別在高糖刺激15~120 min、30~60 min后表達升高。COX-2蛋白表達則於高糖刺激6 h后開始升高,24 h時達高峰。而同摩爾濃度的甘露醇卻不會影響COX-2蛋白的表達,由此排除了高糖因高摩爾滲透壓介質所致COX-2表達升高的機制。同時觀察到,若加入10 μmol/L的PI3K抑製劑,則能使ROS、NF-κB活性減低以致最終COX-2蛋白表達下降。故推測,在系膜細胞中高糖可能通過PI3K/AKT途徑激活ROS調控的NF-κB從而致使COX-2表達增加。
4. COX-2與12/15-脂氧合酶(12/15-LO)的共同作用:
有研究將糖尿病 db/db小鼠、STZ-小鼠的腎皮質系膜細胞在含25 mmol/L葡萄糖培養基中行24 h培養后,兩者的12/15-LO和COX-2表達與對照組相比均顯著增高(P<0.01)。12/15-LO基因敲除小鼠的COX-2 mRNA在腎皮質中的表達量低於野生型小鼠(P<0.01)。同時該研究發現,12/15-LO的代謝產物12(S)-HETE也能促使COX-2和PGE2表達增高。具體機制是,12(S)-HETE活化了JNK信號途徑使c-jun磷酸化,活化的c-jun通過CRE位點引起COX-2基因的表達。同時還證實了,COX-2和PGE2以正反饋調節12/15-LO的活性。這也說明12/15-LO和 COX-2的共同作用是DN進程中的一個潛在機制。
5. COX-2和PGE2的相互作用:
邢傑等在DN大鼠模型中用Western-blot檢測COX-2的表達時,不但發現高糖可使腎臟內COX-2蛋白增加,而且PGE2作為COX-2的代謝產物之一,在DN大鼠模型的腎皮質中是刺激腎小球系膜細胞COX-2蛋白表達增加的另一個因素。進一步說明,PGE2和COX-2在DN的發生與發展中可能存在正反饋、交互協同作用。
6. COX-2致DN的機制——腎血流動力學改變:
糖尿病時腎內血流動力學改變直接參与了DN的發生,是導致蛋白尿、腎小球硬化的重要因素。血流動力學異常也是DN的最早期表現。腎小球高濾則在其中起關鍵作用。COX-2表達增加可通過改變腎臟血流動力學和增強炎症反應而導致糖尿病腎臟損害。COX-2源性的PGs類化合物與腎小球高濾、高灌注密切相關,是腎血流動力學改變的機制,也是致使DN發生功能與形態學異常的基礎。
Nishikawa等研究表明DN早期腎臟超濾是由於COX-2過度表達所致。Komers等在實驗性糖尿病大鼠模型中觀察到,未經胰島素治療的糖尿病大鼠腎皮質與正常大鼠COX-2表達部位相同,但強度增加。分別將COX1抑製劑戊醯水楊酸鹽和COX-2抑製劑NS398用於STZ-糖尿病大鼠,並將此組的腎小球濾過分數(FF)和GFR分別與對照組相比,發現以上兩反映腎血流動力學的指數明顯降低(P<0.05),但未對平均動脈壓和腎血漿流量產生影響。同時觀察到,雖然兩種COX抑製劑均可減少尿PGE2,但只有NS398能同時減少此組大鼠尿PGE2(P<0.01)和尿血栓烷A2的排泄率(P<0.05)。說明COX-2源性的PGs參與了DN發生的腎血流動力學改變。    糖尿病鼠血管平滑肌細胞COX-2高表達,使血管收縮的反應性增高可影響腎血流動力學。Cherney等以GFR、FF為檢測指標,在21名病程大於5年的1型糖尿病患者中使用選擇性COX-2抑製劑(塞來考昔)以觀察COX-2對1型糖尿病患者腎血流動力學的影響。結果在腎小球超濾病例組中,塞來考昔干預組的GFR、FF較對照組顯著降低(P<0.05);但在正常濾過組,塞來考昔卻使以上兩指標較對照組提高(P<0.05)。
通過以上研究可得結論,一方面病理條件下,COX-2會導致腎小球高濾,加速DN的發生與發展。腎小球高灌注、高濾過使內皮、上皮細胞損害,破壞正常的濾過屏障,造成蛋白質濾過增加。另一方面生理條件下COX-2能維持正常的腎小球濾過。

4結語

糖尿病及其併發症是一種慢性、低度炎症的觀點已經得到多數共識。諸多實驗與研究都已經證實,COX-2作為重要的炎症介質與糖尿病、DN的發生和發展關係密切。進一步尋找阻斷COX-2信號轉導途徑的干擾技術和研製針對性強的新型COX-2抑製劑都是今後研究的方向。
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