葡萄糖與尿酸激活腎小管上皮細(xì)胞NLRP3炎性體的研究

賴向恒　冉建民　陳辭穎　楊巧玲

【摘? 要】糖尿?。―iabetes mellitus，DM）患者往往合并有高尿酸血癥，高尿酸血癥是糖尿病腎臟疾?。―iabetic kidney disease，DKD）進(jìn)展的獨(dú)立危險因素之一。葡萄糖和尿酸主要被腎小管所重吸收，糖尿病合并高尿酸血癥患者受到高血糖與高尿酸的雙重影響，腎小管更容易遭到損害，發(fā)生間質(zhì)纖維化，導(dǎo)致腎功能減退。大量證據(jù)支持腎小管間質(zhì)性炎癥在DKD中扮演著重要的角色，葡萄糖及尿酸濃度的升高均可激活細(xì)胞 NLRP3 炎性體，導(dǎo)致局部炎癥反應(yīng)造成細(xì)胞損傷。當(dāng)兩種因素同時存在時，葡萄糖與尿酸可能通過相同或不同的作用機(jī)制， 激活腎小管上皮細(xì)胞 NLRP3 炎性體。盡管兩者在DKD腎小管病變過程中是否存在交互作用，其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。但通過探討兩者在激活炎癥反應(yīng)的過程中所涉及的分子機(jī)制，可能為臨床上DKD的預(yù)防及治療提供新思路。

【關(guān)鍵詞】葡萄糖尿酸;糖尿病腎臟疾病;腎小管上皮細(xì)胞;NLRP3炎性體

【中圖分類號】R589????? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A????? 【文章編號】1004-7484（2020）09-0079-02

Glucose and uric acid activate NLRP3 inflammasome in renal tubular epithelial cells

【Abstract】Diabetes （Diabetes mellitus， DM） patients are often associated with hyperuricemia， which is one of the independent risk factors for the progression of Diabetic kidney disease （DKD）. Glucose and uric acid are mainly reabsorbed by the renal tubules. Patients with diabetes and hyperuricemia are affected by both hyperglycemia and hyperuric acid. The renal tubules are more likely to be damaged and interstitial fibrosis occurs， leading to decreased renal function. There is a lot of evidence to support that tubulointerstitial inflammation plays an important role in DKD. Elevated glucose and uric acid concentrations can activate the cellular NLRP3 inflammasome， resulting in local inflammatory response causing cell damage. When both factors are present， glucose and uric acid may activate the NLRP3 inflammasome through the same or different mechanisms of action. Although there is an interaction between the two in the process of DKD renal tubular lesions， the specific mechanism needs to be further studied. However， by exploring the molecular mechanisms involved in the process of activating the inflammatory response， they may provide new ideas for the prevention and treatment of DKD in clinic.

【key words】Gluconic acid; diabetic kidney disease; renal tubular epithelial cells; NLRP3 inflammasome

糖尿病腎臟病是糖尿病主要的慢性并發(fā)癥之一，它不僅是導(dǎo)致DM高致殘率和高致死率的主要因素^[1]，也是導(dǎo)致終末期腎病的主要原因。隨著社會的發(fā)展及人口的老齡化，DM所導(dǎo)致的腎小管損害近年來日益得到重視。糖尿病所致早期腎小管間質(zhì)纖維化與腎功能減退有密切關(guān)系，腎小管間質(zhì)病變的程度是反映腎功能下降嚴(yán)重程度和判斷預(yù)后最重要的指標(biāo)。大量證據(jù)支持腎小管間質(zhì)性炎癥在DKD中扮演著重要的角色，各種致病因素如高血糖、高尿酸、蛋白尿等，直接或間接的對腎小管細(xì)胞產(chǎn)生作用，細(xì)胞分泌炎癥因子，促進(jìn)腎小管纖維化的進(jìn)展。近年來，關(guān)于炎性體的研究越來越受到重視。炎性體的正?；罨诰S持機(jī)體免疫系統(tǒng)穩(wěn)定中起重要作用，其在代謝紊亂、自身免疫性疾病和腫瘤等病理過程中的作用及意義日益受到關(guān)注。導(dǎo)致糖尿病腎病發(fā)病的各種異常理化因素有可能就是通過激活炎性體，促進(jìn)各種炎癥因子的表達(dá)，導(dǎo)致組織損傷，進(jìn)一步促進(jìn)糖尿病腎臟疾病的進(jìn)展。

NLRP3炎性體是近些年來得到最多研究，機(jī)制了解得最清楚的炎性小體，為固有免疫的重要組成部分，不僅可以被多種細(xì)菌、真菌、病毒、寄生蟲、毒素以及細(xì)胞內(nèi)危險信號激活，還可以被應(yīng)激和損傷的因素所激活，包括損傷細(xì)胞釋放的細(xì)胞外ATP和透明質(zhì)酸，β 淀粉樣蛋白、高血糖、尿酸鈉晶體等^[2]。研究顯示高葡萄糖及高尿酸持續(xù)性影響，可能會引起腎小管局部巨噬細(xì)胞浸潤，并激活細(xì)胞NLRP3炎性體，通過調(diào)節(jié)caspase-1可以促進(jìn)IL-1β及IL-18的成熟和分泌，可誘發(fā)持續(xù)性炎癥，從而導(dǎo)致腎臟損傷。然而高葡萄糖及高尿酸持續(xù)性影響，是否在腎小管病變過程中存在交互作用仍未十分明確，現(xiàn)就對葡萄糖與尿酸在激活NLRP3炎性體所涉及的機(jī)制予以綜述。

1.NLRP3 炎性體概述

1.1結(jié)構(gòu)特征

NLRP3炎性體是一種相對分子質(zhì)量約為700000的多蛋白復(fù)合物，由核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體家族成員 NLRP3、細(xì)胞凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（ASC）、半胱氨酸天 冬氨酸蛋白水解酶-1（cysteinyl aspartate specific proteinase-1，caspase-1）所組成，其中NLRP3為核心蛋白^[3]。ASC是NLRP3炎性體復(fù)合物中的關(guān)鍵炎性體銜接子，它可以銜接上游的NLRP3與下游的半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1前體（Pro-Caspase-1），誘導(dǎo)后使其成為具有活性的Caspase-1。Caspase-1主要以無活性的前體形式，存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，被各種內(nèi)源性或者外源性危險信號激活后，成為活性的Caspase-1，能將無活性的IL-1β和IL-18的前體，通過剪切加工使其成為具有活性的IL-1β和IL-18，從而在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮其生物學(xué)功能^[4]。

1.2激活機(jī)制

NLRP3炎性體作為固有免疫的重要組成部分，為核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域（nucleotide-binding oligomerization domain，NOD）樣受體（NOD-like receptor，NLR）中最具有特征性的炎性小體。目前，NLRP3炎性體如何識別各種配體并促發(fā)炎性體激活的機(jī)制尚未十分清楚，考慮到它們的結(jié)構(gòu)和生化特性的差異，這些不同的配體不可能直接與NLRP3炎性體所結(jié)合，目前提出多種細(xì)胞通路相互作用，參與NLRP3炎性體的激活，當(dāng)前文獻(xiàn)普遍支持這三種NLRP3炎性體激活模式^[2]。

首先，大量研究表明K+外流是NLRP3炎性體激活的必要信號。細(xì)胞外的 ATP、病毒RNA、細(xì)菌毒素等可以結(jié)合離子通道 P2X7受體（嘌呤能離子通道型受體7），然后使其控制的離子通道打開，導(dǎo)致 K+外流加速，并招募半通道蛋白 pannexin-1 在細(xì)胞膜上形成小孔，細(xì)菌毒素等通過質(zhì)膜孔道進(jìn)入胞內(nèi)從而活化 NLRP3^[5]。

活性氧（ROS）的生成被認(rèn)為對于炎性體激活至關(guān)重要。通過ROS化學(xué)清除劑或藥理抑制劑，可抑制NLRP3 的活化^[6]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，ROS也可激活硫氧還原蛋白結(jié)合蛋白（Thioredoxin-interacting protein，TXNIP），TXNIP則可進(jìn)一步活化NLRP3炎性體，從而進(jìn)一步闡明了 ROS 的產(chǎn)生與炎癥小體活化之間的聯(lián)系^[7]。

第三種為溶酶體的破裂。許多晶體類物質(zhì)，如尿酸鈉晶體、膽固醇結(jié)晶等被細(xì)胞吞噬進(jìn)入細(xì)胞后，可引起溶酶體酸化和腫脹破裂，釋放溶酶體酶及鈣離子等至胞漿中，通過組織蛋白酶 β 介導(dǎo)的途徑活化 NLRP3 炎性體。溶酶體組織蛋白酶 β 是NLRP3 炎性體活化最重要的上游信號通路。

2.葡萄糖與尿酸激活NLRP3 炎性體的機(jī)制

2.1葡萄糖激活NLRP3 炎性體

目前葡萄糖激活NLRP3炎性體的機(jī)制尚未十分明了，根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)可能包括以下機(jī)制有關(guān)：（1）細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)為高血糖激活NLRP3炎性體中的重要途徑，血糖的升高可加強(qiáng)細(xì)胞的糖酵解，通過煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶系統(tǒng)，增加對線粒體電子傳遞鏈過度的刺激，從而產(chǎn)生大量的ROS^[8]，然后通過ROS 依賴 NLRP3 配體的識別機(jī)制直接激活炎性體，參與炎癥反應(yīng)。（2）硫氧還原蛋白結(jié)合蛋白（thioredoxin interacting protein，TXNIP）在介導(dǎo)高血糖激活NLRP3炎性體的過程中起到了關(guān)鍵的作用。相關(guān)文獻(xiàn)表明，在糖尿病患者中TXNIP的表達(dá)較正常人增多，TXNIP的表達(dá)隨著血糖的升高而升高，且胰島素的對其有抑制作用^[9]。隨著細(xì)胞內(nèi) ROS生產(chǎn)增多，導(dǎo)致 TXNIP 與硫氧還原蛋白解離，活性的TXNIP 增多并激活 NLRP3 炎性體，使 Caspase-1 依賴的白介素 1-β成熟活化，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。（3）高血糖的刺激可以導(dǎo)致，腎小管上皮細(xì)胞產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)^[10]，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激便可通過鉀離子流出和ROS生成，所介導(dǎo)的不同機(jī)制激活NLRP3 炎性體，從而使得巨噬細(xì)胞分泌白介素-1β增多^[11]。（4）持續(xù)性高血糖環(huán)境會使循環(huán)中得尿酸和脂肪酸水平升高，高血糖、高尿酸和高脂肪酸得同時激活NLRP3 炎性體。

2.2尿酸激活NLRP3 炎性體

隨著尿酸的升高，當(dāng)血漿尿酸濃度超過其溶解度（約 7mg/dl，或 420μmol/L）時，便會有尿酸鈉結(jié)晶（monosodiumurate，MSU）的形成。MSU被認(rèn)為是重要的DAMPs內(nèi)源性危險信號之一^[12]。MSU 可以通過多種途徑激活NLRP3 炎性體導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。體外實驗表明，在THP-1 細(xì)胞以及人單核細(xì)胞，MSU 可以直接或通過膜受體與細(xì)胞膜的相互作用，激活 NLRP3 炎癥體從而導(dǎo)致局部炎癥反應(yīng)^[13]。另外，MSU 可通過誘導(dǎo)細(xì)胞向胞外分泌 ATP，從而激活 P2X7受體，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鉀離子外流，胞內(nèi)鈣離子濃度上升，激活 NLRP3 炎性體^[14]。MSU 導(dǎo)致所細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度下降也有可能是稀釋性的，Schorn 等研究表明，酸性的溶酶體吞噬MUS后， MSU 的內(nèi)涵體與酸性溶酶體相融合，導(dǎo)致吞噬溶酶體的 pH 值降低，吞噬溶酶體繼而向細(xì)胞內(nèi)大量釋放的鈉離子，使得細(xì)胞內(nèi)的滲透壓升高，為了維持滲透壓平衡，水被動通過水通道蛋白進(jìn)入胞內(nèi)，繼而導(dǎo)致細(xì)胞腫脹，細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度稀釋性下降，最終激活NLRP3 炎性體，此時細(xì)胞質(zhì)的鉀離子其實并無凈損失^[15]。MSU被細(xì)胞吞噬后，可引起溶酶體的破裂，繼而激活 NADPH 氧化酶，導(dǎo)致活性氧生成增多，進(jìn)而同高糖相似通過ROS途徑激活NLRP3炎性體^{[16] [17]}。在此過程中，tripartite-motif protein 30（TRIM30）起著重要的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)細(xì)胞過度的表達(dá) TRIM30，可以減少 MSU 的刺激所造成ROS 生成，從而負(fù)性調(diào)節(jié) NLRP3 炎癥小體的激活;反之，當(dāng)敲除 TRIM30時，則會造成ROS 生成增多，NLRP3 炎癥小體的活化得到增強(qiáng)^[18]。

2.3 炎性體與腎小管間質(zhì)損害

糖尿病腎臟疾病的進(jìn)展與腎臟的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，腎臟的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化包括腎小球和腎小管結(jié)構(gòu)肥大，基底膜增厚以及細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）組分的積累，最終導(dǎo)致腎小管間質(zhì)纖維化^[19]。研究表明，早期腎小管間質(zhì)纖維化（Fubulointerstitial fibrosis，TIF）與腎功能的減退有著密切的關(guān)系，為各種腎臟疾病進(jìn)展至終末期腎病的共同病理特征，腎小管間質(zhì)病變的程度也是反映腎功能下降程度和判斷預(yù)后最重要的指標(biāo)^[20]。腎小管間質(zhì)炎癥（特別是在近端腎小管上皮細(xì)胞）在糖尿病腎臟疾病發(fā)病機(jī)理中起著重要的作用。各種各樣導(dǎo)致DKD發(fā)病的因素，如高血糖、高血壓、高尿酸等，都可能會激活炎性體從而促進(jìn)各種炎癥因子分泌介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，造成組織損傷，加速腎小管纖維化，促進(jìn) DKD 的進(jìn)一步發(fā)展。

2.4 葡萄糖及尿酸激活NLRP3炎性體導(dǎo)致腎小管病變

NLRP3 炎性體對小管間質(zhì)性腎損傷起著重要的作用。NLRP3 炎性小體Caspase-1-IL-1β/ IL-18 軸在腎臟疾病中起重要作用^[21]。糖尿病合并糖尿病腎臟疾病患者，其腎小管上皮細(xì)胞表達(dá) NLRP3水平明顯升高，與IL-1β 和 IL-18 表達(dá)水平呈正相關(guān)^[22]。高血糖及高尿酸均可調(diào)節(jié)活化NLRP3 炎性體，通過激活caspase-1，NLRP3 炎性小體可以促進(jìn) IL-1β和 IL-18 成熟，循環(huán)和部分促炎因子 IL-1β和 IL-18水平的升高可誘發(fā)持續(xù)性炎癥，從而引起腎臟損傷。高血糖對腎小管上皮細(xì)胞 NLRP3 炎癥體的激活作用呈時間與劑量依賴性。在高糖誘導(dǎo)下，由 ATP-P2X4 信號通路介導(dǎo)，腎小管上皮細(xì)胞NLRP3 蛋白表達(dá)， caspase-1、白介素-1β、白介素-18 等釋放明顯升高^[22]。一項動物研究發(fā)現(xiàn)，STZ誘導(dǎo)糖尿病腎病大鼠模型存在高尿酸血癥，NLRP3 炎性體活化，繼而出現(xiàn)腎損傷加劇。通過使用降尿酸藥物（如別嘌醇和槲皮素）降低尿酸濃度，可能會抑制 NLRP3 炎癥小體的活化，并可以預(yù)防 STZ 誘導(dǎo)的腎損害^[21]。類似的，高果糖喂養(yǎng)的OLETF大鼠模型中，僅采用常規(guī)劑量的別嘌醇降低血尿酸水平，不僅使IL-1的表達(dá)得到降低，且腎臟結(jié)構(gòu)和功能損傷得到了改善^[23]。另外，其他研究發(fā)現(xiàn)，高尿酸水平是 NLRP3 炎性體活化的重要因素，可誘發(fā)肺損傷^[24]。綜上發(fā)現(xiàn)表明，高尿酸水平與 NLRP3 炎性體激活有關(guān)。NLRP3 炎性體的激活作為高血糖及尿酸介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的共同通路，NLRP3炎性體的激活在糖尿病腎臟疾病炎癥反應(yīng)啟動和發(fā)展中起十分重要的作用。腎小管上皮細(xì)胞組織間隙葡萄糖及尿酸濃度升高均可激活 NLRP3 炎性體，由此推測二者間可能存在交互作用和互相調(diào)節(jié)作用。腎小管間質(zhì)炎癥在 DKD 發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用。

3.小結(jié)

高血糖和高尿酸分別是糖尿病腎臟疾病進(jìn)展的獨(dú)立危險因素，且糖尿病患者往往大多數(shù)合并高尿酸血癥，在預(yù)防 2 型糖尿病血管合并癥的發(fā)生，除了降糖降壓降脂外，積極治療高尿酸血癥極其重要。盡管葡糖和尿酸在激活NLRP3炎性體是否存在交互作用，其涉及的具體機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究，但現(xiàn)有的研究表明尿酸和葡萄糖可能通過相同或不同的作用機(jī)制，激活NLRP3炎性體推進(jìn)糖尿病腎臟疾病的發(fā)生和進(jìn)展，二者間可能存在交互作用。未來，我們應(yīng)充分認(rèn)識，尿酸和葡萄糖在糖尿病腎臟疾病發(fā)生和發(fā)展中的重要角色，以更好的在推進(jìn)在臨床中糖尿病腎臟疾病的早期干預(yù)和治療。

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