干細胞與糖尿病腎病研究新進展

楊　萍(綜述)，韓　瑛(審校)

(十堰市太和醫(yī)院 湖北醫(yī)藥學院附屬醫(yī)院 a.皮膚科， b.內(nèi)分泌科，湖北 十堰 442000)

?

干細胞與糖尿病腎病研究新進展

楊萍a※(綜述)，韓瑛b(審校)

(十堰市太和醫(yī)院 湖北醫(yī)藥學院附屬醫(yī)院 a.皮膚科， b.內(nèi)分泌科，湖北 十堰 442000)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.05.034

糖尿病腎病是一種嚴重危害人類健康的慢性腎衰竭性疾病，其病理表現(xiàn)為細胞外基質(zhì)沉積的組織學變化，腎小球基膜增厚及腎小球系膜擴張。長期高血糖加重腎臟的病理改變導致患者出現(xiàn)大量蛋白尿，腎小球濾過率逐漸下降[1-2]。糖尿病腎病的治療一直是臨床較為棘手的醫(yī)學難題，治療思路主要集中在控制血糖、血壓、血脂等危險因素以及抑制腎素-血管緊張素系統(tǒng)，但治療效果并不理想。近年來，具有自我更新和多向分化潛能的干細胞成為生命科學研究的熱點，現(xiàn)就干細胞與糖尿病腎病的相關(guān)研究綜述如下。

1糖尿病腎病的發(fā)病機制

糖尿病腎病組織學改變包括腎小球硬化、腎小管間質(zhì)纖維化、小動脈玻璃樣變等[3]。其機制可能為氧化應激增強導致內(nèi)皮損傷[4]。此外，高血糖易導致糖尿病大血管病變及微血管病變，尤其對糖尿病腎病的發(fā)生、發(fā)展起重要作用。高血糖誘導活性氧類的合成，上調(diào)轉(zhuǎn)化因子的表達，加速老化的形成。研究顯示，炎癥是在糖尿病微血管病變中起重要作用，白細胞介素(interleukin,IL)1β、IL-6、腫瘤壞死因子α與糖尿病腎病的發(fā)生和發(fā)展相關(guān)[5]。IL-1β增加血管內(nèi)皮細胞通透性，IL-6改變系膜和足細胞細胞外基質(zhì)水平，促進間質(zhì)浸潤，腎小球基膜增厚，系膜擴張，腎小管萎縮[5]。在糖尿病腎病早期階段觀察到腫瘤壞死因子α的細胞毒性，導致鈉潴留和腎臟肥大，腎素-血管緊張素系統(tǒng)的改變在糖尿病腎病發(fā)病機制中起重要作用。血管緊張素Ⅱ增加，導致腎小球系膜和腎小管上皮細胞肥大。藥物治療往往只針對單一疾病的病理生理特征，如腎素-血管緊張素系統(tǒng)抑制劑可以在一定程度上抑制尿白蛋白排泄，但不能阻止終末期慢性腎臟病的進展[6]。相反，以干細胞為基礎(chǔ)的治療通過多種機制干預糖尿病腎病的發(fā)生、發(fā)展，在面對疾病的高度復雜的病理生理學中具有明顯優(yōu)勢。

2胚胎干細胞

胚胎干細胞，亦稱胚性干細胞，是從胚泡(早期胚胎階段)未分化的內(nèi)部細胞團中得到的干細胞。有學者提出[3]，胚胎干細胞有關(guān)生物安全的重大問題，即致畸性。而生命倫理、宗教和政治等限制了大規(guī)模的胚胎干細胞臨床研究[7]。誘導多能干細胞的體細胞重編程后分化的細胞避免了多能性和致畸性，因此Alpers和Hudkins[8]認為干細胞具有更高的安全性。為了避免這個問題，研究者提出了多能干細胞在體外培養(yǎng)和移植分化[9]。但目前需要在技術(shù)上有所改善，即適當和有效的分化條件，并使分化的細胞進入受損組織發(fā)揮其作用。干細胞可以從胚胎組織中、胎兒、新生兒及成年個體中進行分離。干細胞分化有助于維持細胞穩(wěn)態(tài)和受損器官再生。成人干細胞具有多能性，同時具有自我更新的潛能且無致畸性。成人干細胞中的一些細胞具有可塑性，即成人干細胞可以分化成不同細胞起源的組織[9]。成人干細胞技術(shù)較為成熟而且不涉及倫理問題，故其為干細胞治療糖尿病腎病的首選策略。骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells,MSCs)已被證明有助于受損腎臟的再生[10]。有研究證實，骨髓干細胞可以分化或轉(zhuǎn)分化為腎系膜細胞[11]、腎小管上皮細胞[12]、內(nèi)皮細胞[13]與足細胞[14]。骨髓中造血干細胞分化為血管內(nèi)皮細胞[15]、間充質(zhì)干細胞、脂肪細胞、軟骨細胞、成骨細胞和肌細胞[16]。此外，Gupta等[17]研究表明，MSCs可能具有分化為交叉生殖細胞、改善生殖系統(tǒng)的功能。

3MSCs

3.1MSCs的抗氧化應激作用MSCs具有不需要配型的優(yōu)勢。同時，全骨髓或造血干細胞移植前不需要調(diào)節(jié)MSCs[18]。目前認為MSCs不僅能促進組織再生及分化潛能，而且還具有清除氧化應激的作用。MSCs具有強大的增殖能力和較強的多向分化潛能，而且不涉及倫理學問題，又具有取材方便、便于自體移植、外源性基因轉(zhuǎn)染等優(yōu)點。Imasawa等[19]研究表明，MSCs具有清除活性氧類和活性氮物質(zhì)等有害作用，其機制可能與細胞有效清除過氧化氫和過氧亞硝基陰離子的能力有關(guān)，損傷局部的缺血缺氧微環(huán)境和炎癥環(huán)境均能引起活性氧復合物的釋放，體內(nèi)活性氧類的大量堆積通過激活許多信號轉(zhuǎn)導通路損傷細胞，促使細胞凋亡、壞死和組織損傷。此外，MSCs具有解毒酶活性物種的主要機制，防止氧化損傷的蛋白質(zhì)組和基因組[20]。因此，干細胞的抗氧化應激作用是MSCs移植治療缺血性疾病的重要機制。在氧化應激的多條通路中，雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)通路發(fā)揮著重要的作用，mTOR通路是介導細胞生長和阻止細胞死亡的重要信號轉(zhuǎn)導通路,同時參與細胞凋亡的調(diào)控[21]，研究顯示mTOR信號的小分子抑制劑可以通過降低抗凋亡基因1(myeloid cell leukemia-1，Mcl-1)的表達和增加磷酸化的細胞死亡調(diào)解子(Bcl-2 interacting mediator,Bim)表達來促進凋亡。由于Bim可以直接刺激Bcl-2蛋白相關(guān)X蛋白(Bcl-2 associated X protein,Bax)和Bcl-2蛋白拮抗劑(Bcl-2 antagonist/killer,Bak)的表達，并且間接與抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xL和Mcl-1結(jié)合，Bim表達水平的上調(diào)抑制了mTOR信號通路的活化，最終導致促/抗凋亡蛋白失衡，從而發(fā)生凋亡，產(chǎn)生強烈的抗氧化應激作用。

3.2MSCs抗纖維化作用抗纖維化作用的骨髓MSCs可以是直接的，即通過調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)蛋白合成和降解，或間接的，即通過調(diào)節(jié)免疫機制減少白細胞浸潤和(或)纖維化細胞因子分泌的[21]。MSCs可以表達主要組織相容性復合體Ⅰ類和Ⅱ類[22]，MSCs能夠抑制單核細胞分化為樹突狀細胞前體的激活及成熟樹突狀細胞功能的改變[23]。因此，MSCs間接限制自然殺傷細胞和T淋巴細胞的細胞毒性作用。MSCs促進調(diào)節(jié)性T淋巴細胞同時誘導抗原特異性耐受[24]。MSCs降低IL-5、IL-12及腫瘤壞死因子α的分泌，從而減少白細胞浸潤到損傷組織。此外，MSC通過對Th1型細胞因子(IL-1β、IL-6、IL-12、腫瘤壞死因子α和γ干擾素)表達的下調(diào)和Th2細胞因子分泌營養(yǎng)因子的調(diào)節(jié)(IL-4、IL-10)改善組織炎癥[25]。MSCs同時具有間接分泌體內(nèi)和體外多種營養(yǎng)因子的作用，如血管內(nèi)皮生長因子、堿性成纖維細胞生長因子、血小板衍生生長因子、類胰島素樣生長因子1、肝細胞生長因子和表皮生長因子等。這些因素的生物效應可以是直接的，即觸發(fā)細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導的靶細胞，或間接的，即相鄰細胞分泌的生物活性因子的誘導。因此，MSCs具有在受損的組織促進其再生的作用，MSCs能夠通過分泌作用改善微環(huán)境，如MSCs分泌抗凋亡因子(如肝細胞生長因子和胰島素樣生長因子)在心肌梗死和急性腎衰竭模型中防止實質(zhì)細胞死亡；MSCs在神經(jīng)元損傷模型中分泌神經(jīng)生長因子、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子等神經(jīng)源性因素誘導內(nèi)源性祖細胞增殖分化；MSCs在急性心肌梗死和急性缺血性腎衰竭模型中分泌的血管內(nèi)皮生長因子和堿性成纖維因子促進血管新生血管生成和血管生成；同時MSCs歸巢到受損的器官，可以保護組織內(nèi)源性組織再生的機制和(或)分化為組織特異性細胞。此外，MSCs移植已成功應用于人類患者治療不同的病癥，如移植物抗宿主病、腦卒中、心肌梗死、異染性腦白質(zhì)、特發(fā)性再生障礙性貧血、成骨不全癥。

3.3MSCs在腎臟重構(gòu)的作用MSCs在腎血管重構(gòu)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，在Alport綜合征和腎小球腎炎小鼠模型中MSCs促進間質(zhì)成纖維細胞、腎小球系膜細胞、足細胞和腎小管上皮細胞再生，因此MSCs在改善Alport綜合征和腎小球腎炎臨床癥狀上有重要意義[26]。在急性腎小管上皮細胞損傷的腎小球腎炎動物模型中，供體MSCs有助于腎小球和腎小管功能和結(jié)構(gòu)的恢復；在大鼠殘余腎模型，MSC移植改善腎纖維化及減少腎小球硬化指數(shù)，其機制可能與親纖維化分子(如Ⅰ型膠原)表達的減少相關(guān)。MSCs促進Ⅲ型膠原、纖連蛋白、波形蛋白、抗平滑肌抗體、角蛋白和轉(zhuǎn)化生長因子β等生成，減少基質(zhì)金屬蛋白酶9及其組織抑制物表達；在急性腎損傷動物模型有利于MSC移植。MSCs分泌胰島素樣生長因子降低細胞凋亡，增加近端腎小管上皮細胞的增殖。研究表明，MSCs治療狼瘡性腎炎急性腎衰竭具有顯著的安全性和有效性[27]。

3.4MSCs在腎衰竭中的作用在臨床上，MSCs治療可用于預防或逆轉(zhuǎn)糖尿病患者腎衰竭。在免疫缺陷的非肥胖糖尿病小鼠模型，大量心肌內(nèi)注射MSCs后(≈250×106/kg)，在腎臟中發(fā)現(xiàn)了一些供體細胞再生[28]。而無法確認這些再生細胞是否有功能，移植MSCs在小鼠模型治療期或隨訪期中并未出現(xiàn)腎衰竭。低劑量鏈脲佐菌素誘導的1型糖尿病小鼠，心肌內(nèi)注射MSCs后(≈靜脈注射20×106/kg)表明同系骨髓MSCs減少微量白蛋白尿和促進腎組織的恢復[28]。相比之下，未經(jīng)治療的糖尿病小鼠蛋白尿增多同時腎小球發(fā)生玻璃樣變及免疫復合物的沉積。鏈脲佐菌素單次高劑量注射糖尿病大鼠，心肌內(nèi)輸注異體MSCs(≈10×106/kg)與環(huán)孢素導致腎臟功能和結(jié)構(gòu)改善[28]。以上研究表明，MSCs具有改善糖尿病腎病的作用，MSCs改善腎臟功能的機制可能是由于腎臟組織的保護或再生，同基因MSCs給予嚴重的糖尿病小鼠模型，無論1型糖尿病或2型糖尿病，糖尿病小鼠模型的腎衰竭進展均得到延緩。

4小結(jié)

目前，干細胞的研究有了新進展，尤其在糖尿病腎病方面，可通過胰島干細胞治療糖尿病，其機制為促進具有分泌胰島素的胰島B細胞生成[29]，多向分化及增殖潛能干細胞，充分解決胰島細胞來源不足問題。但仍需要解決以下問題：①應采用何種方法評價療效；②細胞移植后將會有何不良反應；③免疫排斥、腫瘤生長以及干細胞動員過程中發(fā)生意外的可能性；④干細胞移植的適應證和禁忌證；⑤選擇何種細胞類型；⑥如何確定移植的時間窗；⑦采用何種移植方法;⑧如何在體示蹤植入的干細胞。具體機制還需要展開多中心、大樣本的隨機對照的雙盲臨床試驗，尋找基礎(chǔ)研究與臨床試驗的交叉點，為干細胞移植治療糖尿病腎病發(fā)揮更大的療效。

參考文獻

[1]Garg AX,Kiberd BA,Clark WF,etal.AIbuminufia and renal insufficiency prevalence guides population screening:results from the NHANESⅢ[J].Kidney Int,2012,61(6):2165-2175.

[2]Koresh J,Salving E,Stevens LA,etal.Prevalence of Chronic Kidney disease in the United States[J].JAMA,2007,298(17):2038-2047.

[3]Kunitoshi I,Kentaro K,Atsushi S,etal.Changes in the demographics and prevalence of chronic kidney disease in Okinawa,Japan (1993 to 2003)[J].Hyper tens Res,2007,30(1):55-62.

[4]Louis TA.Forecast of the number of patients with end-stage renal disease in the United States to the year 2010[J].J Am Soc Nephrology,2011,12(12):2753-5758.

[5]Anti AS,Remuzzi G.Chronic Renal diseases as a public health problem:Epidemiology,social,and economic implications[J].Kidney Int,2011,68(Suppl 98):7-10.

[6]National Kidney Foundation.K/DOQI clinical practice guidelines for chronic kidney disease evaluation,classification and stratification[J].Am J Kidney Dis,2012,39(Suppl 1):S1-266.

[7]Zuo L,Ma CHY,Wang M,etal.Application of glomerular filtration rate estimating equations in Chinese with chronic kidney disease[J].Am J Kidney Dis,2010,45(1):463-472.

[8]Alpers CE,Hudkins KL.Mouse models of diabetic nephropathy[J].Curr Opin Nephrol Hypertens,2012,20(3):278-284.

[9]Ezquer M,Ezquer F,Ricca M,etal.Intravenous administration of multipotent stromal cells prevents the onset of non-alcoholic steatohepatitis in obese mice with metabolic syndrome[J].Hepatol,2011,55(12):1112-1120.

[10]Fioretto P,Mauer M.Reversal of diabetic nephropathy:lessons from pancreas transplantation[J].J Nephrol,2012,25(6):13-18.

[11]Fouillard L,Bensidhoum M,Bories D,etal.Engraftment of allogeneic mesenchymal stem cells in the bone marrow of a patient with severe idiopathic aplastic anemia improves stroma[J].Leukemia,2010,17(1):474-476.

[12]Fujita H,Fujishima H,Chida S,etal.Reduction of renal superoxide dismutase in progressive diabetic nephropathy[J].J Am Soc Nephrol,2009,20(8):1303-1313.

[13]Galkina E,Ley K.Leukocyte recruitment and vascular injury in diabetic nephropathy[J].J Am Soc Nephrol,2006,17(10):368-377.

[14]Giordano A,Galderisi U,Marino IR.From the laboratory bench to the patient′s bedside:an update on clinical trials with mesenchymal stem cells[J].J Cell Physiol,2007,211(1):27-35.

[15]Gnecchi M,He H,Liang OD,etal.Paracrine action accounts for marked protection of ischemic heart by Akt-modified mesenchymal stem cells[J].Nat Med,2009,11(9):367-368.

[16]Grimm PC,Nickerson P,Jeffery J,etal.Neointimal and tubulointerstitial infiltration by recipient mesenchymal cells in chronic renal-allograft rejection[J].N Engl J Med,2011,345(7):93-97.

[17]Gupta S,Verfaillie C,Chmielewski D,etal.A role for extrarenal cells in the regeneration following acute renal failure[J].Kidney Int,2010,62(6):1285-1290.

[18]Higashiyama R,Inagaki Y,Hong YY,etal.Bone marrow-derived cells express matrix metalloproteinases and contribute to regression of liver fibrosis in mice[J].Hepatology,2007,45(1):213-222.

[19]Imasawa T,Utsunomiya Y,Kawamura T,etal.The potential of bone marrow-derived cells to differentiate to glomerular mesangial cells[J].J Am Soc Nephrol,2011,12(34):1401-1409.

[20]Imberti B,Morigi M,Tomasoni S,etal.Insulin-like growth factor-1 sustains stem cell mediated renal repair[J].J Am Soc Nephrol,2007,1(8):2921-2928.

[21]Inada A,Nagai K,Arai H,etal.Establishment of a diabetic mouse model with progressive diabetic nephropathy[J].Am J Pathol,2005,16(7):327-336.

[22]Ishikura H,Takahashi C,Kanagawa K,etal.Cytokine regulation of ICAM-1 expression on human renal tubular epithelial cells in vitro[J].Transplantation,2008,51(8):1272-1275.

[23]Ito T,Suzuki A,Imai E,etal.Bone marrow is a reservoir of repopulating mesangial cells during glomerular remodeling[J].J Am Soc Nephrol,2009,1(2):2625-2635.

[24]Jerums G,Panagiotopoulos S,Premaratne E,etal.Lowering of proteinuria in response to antihypertensive therapy predicts improved renal function in late but not in early diabetic nephropathy:a pooled analysis[J].Am J Nephrol,2008,2(8):614-627.

[25]Jiang XX,Zhang Y,Liu B,etal.Human mesenchymal stem cells inhibit differentiation and function of monocyte-derived dendritic cells[J].Blood,2005,10(5):4120-4126.

[26]Kale S,Karihaloo A,Clark PR,etal.Bone marrow stem cells contribute to repair of the ischemically injured renal tubule[J].J Clin Invest,2013,11(2):42-49.

[27]Kinnaird T,Stabile E,Burnett MS,etal.Marrow-derived stromal cells express genes encoding a broad spectrum of arteriogenic cytokines and promote in vitro and in vivo arteriogenesis through paracrine mechanisms[J].Circ Res,2010,9(4):678-685.

[28]Kinnaird T,Stabile E,Burnett MS,etal.Local delivery of marrow-derived stromal cells augments collateral perfusion through paracrine mechanisms[J].Circulation,2010,10(9):1543-1549.

[29]D′Addio F,Valderrama Vasquez A,Ben Nasr M,etal.Autologous nonmyeloablative hematopoietic stem cell transplantation in new-onset type 1 diabetes:a multicenter analysis[J].Diabetes,2014,63(9):3041-3046.

醫(yī)學影像學

摘要：糖尿病腎病是一種腎臟損傷和心血管疾病的風險增加的臨床綜合征，其危險因素主要有性別、遺傳因素、腎血流動力學和糖尿病發(fā)病年齡。微量白蛋白尿是腎臟損害的早期臨床檢測標志。目前還沒有能治愈糖尿病腎病的方法，姑息性治療策略包括控制血糖、血壓和尿蛋白。在高級階段患者接受腎替代療法，包括血液透析和腎移植。然而，腎源有限，治療費用昂貴，限制了腎移植療法的應用。隨著腎功能進一步的惡化，腎衰竭嚴重，導致患者病死率增加。

關(guān)鍵詞：糖尿病腎??；干細胞；骨髓間充質(zhì)干細胞

Research Progress on Stem Cells and Diabetic NephropathyYANGPinga,HANYingb.(a.DepartmentofDermatology;b.DepartmentofEndocrinology,TaiheHospitalAffiliatedtoHubeiMedicalCollege,Shiyan442000,China)

Abstract:Diabetic nephropathy is a syndrome of kidney damage with increased risk of cardiovascular disease.The major risk factors of the disease include gender,genetic factors,renal hemodynamics and diabetes onset age,etc.Microalbuminuria is a clinical testing sign of early kidney damage.There is currently no treatment method to cure diabetic nephropathy patients,palliative treatment strategies include medications to control the levels of blood glucose,blood pressure and urine protein.In advanced stage,patients accepted renal replacement therapy,including hemodialysis and renal transplantation.Unfortunately,renal source is so limited and expensive,which limits the kidney transplantation therapy.Therefore,as the renal functions of the patients further aggravate,renal failure will exacerbate and leads to an increased mortality rate.

Key words:Diabetic nephropathy; Stem cells; Bone marrow mesenchymal stem cells

收稿日期：2013-08-20修回日期：2014-12-12編輯：相丹峰

中圖分類號:R587.1

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)05-0859-03