楊瑩,蔡廣研
解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心腎臟病科、解放軍腎臟病研究所、腎臟疾病國家重點實驗室、國家慢性腎病臨床醫(yī)學研究中心,北京 100853
晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end products,AGE)是最初由Maillard于1912年首次描述的由還原糖與蛋白質(zhì)之間的自發(fā)非酶促反應所產(chǎn)生的一類穩(wěn)定化合物[1-2]。AGE并非指單一的晚期糖基化終產(chǎn)物,它還包括了AGE的代謝中間體[3]。經(jīng)多年研究,學者們總結出AGE的形成主要包括3個階段:第一階段,蛋白質(zhì)中的游離氨基與還原糖的醛基反應,形成可逆的Schiff堿;第二階段,經(jīng)過幾天時間,Schiff堿進行化學重排形成Amadori產(chǎn)物,即早期糖基化產(chǎn)物,Amadori產(chǎn)物更為穩(wěn)定,但直到第二階段,反應仍然可逆;第三階段,當Amadori產(chǎn)物逐漸累積時,通過脫水、氧化、還原、化學重排、縮合等反應,形成活性羰基化合物,羰基化合物與蛋白質(zhì)的游離氨基反應形成不可逆的AGE,此階段需要幾周至幾個月的時間。Maillard反應存在于人體所有組織中。另外,脂肪過氧化、糖氧化等途徑也能形成AGE[4]。
AGE性質(zhì)穩(wěn)定,黃褐色,相對難溶,能夠在細胞內(nèi)或細胞外積累,大部分AGE具有熒光性。通過同位素稀釋法、液相色譜及串聯(lián)質(zhì)譜法可對AGE進行定量測量。近年來有研究表明,與循環(huán)血中AGE相比,在皮膚組織內(nèi)的AGE周轉率慢且更為穩(wěn)定,因此,測量皮膚熒光AGE能更好地反映組織損傷[5]。
AGE的來源主要分為內(nèi)源性、外源性及醫(yī)源性。人體內(nèi)的AGE主要有吡咯素(pyrraline)、N-羧甲基賴氨酸(N-carboxymethyl lysine,CML)、甲基乙二醛/乙醛賴氨酸酰胺(methylglyoxal/glyoxal lysine amide)及戊糖素(pentosidine)[6]。糖尿病的高糖狀態(tài)是羰基糖基化反應的主要來源,因此糖尿病患者更易于產(chǎn)生及積累內(nèi)源性AGE。外源性的AGE主要來源于食物??局?、煙熏及烘培等加工方式會產(chǎn)生更多的AGE[7]。醫(yī)源性的AGE主要來源于腹膜透析液,腹透液中含有的α-醛酮可促進體內(nèi)糖基化反應及AGE的形成[5]。
AGE可通過細胞外蛋白水解清除,也可由受體與之結合后降解,分解產(chǎn)生的小分子可溶性多肽經(jīng)腎臟代謝,但在組織中積累的穩(wěn)定的AGE-蛋白交聯(lián)體能抵抗蛋白水解,進而在體內(nèi)逐漸積累[5]。腎臟通過近端小管細胞的內(nèi)溶酶體系統(tǒng)參與AGE代謝,一部分AGE代謝產(chǎn)物在腎小球濾過后被重新吸收,隨后在遠端腎小管被排出。由此可見,AGE代謝過程在很大程度上依賴于腎小球濾過率及腎小管功能,但由于慢性腎臟病(chronic kidney disease,CKD)患者腎臟功能受損,AGE代謝受阻導致其在體內(nèi)蓄積,尤其是終末期腎病患者更為明顯。有研究表明,CKD早期、腹透、血透患者的血中AGE含量分別為健康人的5倍、18倍及40倍[8]。
在體內(nèi),AGE與其受體結合觸發(fā)細胞活化、促氧化及促炎等細胞事件。AGE相應受體中研究最多的是RAGE。RAGE屬于免疫球蛋白超家族,在多種細胞中均有表達。在腎臟中,幾乎所有的細胞類型表面都存在RAGE。RAGE在生理環(huán)境下呈低表達,但在應激或炎癥反應時其表達可上調(diào)[3]。
AGE與RAGE的相互作用觸發(fā)AGE-RAGE軸,該軸通過激活幾個細胞內(nèi)信號級聯(lián)反應而引發(fā)細胞事件。與AGE結合后活化的RAGE可觸發(fā)磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B-IκB激酶(PI3K-PKB-IKK)級聯(lián)、激活核轉錄因子-κB(nuclear transcription factor-κB, NF-κB)使RAGE自身過表達,而RAGE的激活又間接通過抑制乙二醛酶1(glyoxalase 1,glo 1)的表達而促進了AGE的產(chǎn)生,從而形成瀑布反應[9-10]。而后RAGE可通過促分裂活化蛋白激酶、NF-κB蛋白質(zhì)復合物或激活PI3K/Akt/mTOR、轉化生長因子-β(TGF-β)、細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2(ERK1/2)等信號通路來誘導炎性因子的分泌,進而促進炎癥發(fā)生及炎性細胞聚集,使腎臟出現(xiàn)慢性炎癥狀態(tài),最終導致腎臟結構及功能逐漸喪失[11-14]。此外,RAGE可通過激活NADPH氧化酶而觸發(fā)活性氧的生成,并激活Wnt/β-連環(huán)蛋白途徑,進而導致足細胞功能障礙[15]。腎小球足細胞上活化的RAGE則可促進乙酰肝素酶的分泌,降解腎小球基底膜,從而使濾過屏障解體[16]。上述研究結果表明,在某些病理生理條件下,AGE-RAGE軸會通過多種通路最終導致細胞功能受損或異常,加速腎臟疾病進展。
AGE可能參與了糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN)的發(fā)病,無論是1型還是2型糖尿病患者,體內(nèi)的AGE含量均高于健康人,且從腎功能正常向終末期腎病(ESRD)進展的過程中AGE血清水平明顯升高。DN的嚴重程度與腎小球及腎小管間質(zhì)中AGE的形成及RAGE的表達有關。AGE誘導腎小管細胞產(chǎn)生非對稱二甲基精氨酸(ADMA)(內(nèi)源性一氧化氮合酶抑制劑),干擾正常腎臟一氧化氮的產(chǎn)生[17]。腎小球AGE的積累可使單核細胞趨化蛋白1(MCP-1) 高表達,促進巨噬細胞聚集,導致細胞外基質(zhì)的積累及腎纖維化[18]。此外,蛋白尿水平在一定程度上可反映腎臟損傷程度,已有研究發(fā)現(xiàn),蛋白尿與AGE導致的足細胞密度降低有關[19]:一方面,AGE可通過激活足細胞中RAGE的表達而激活NF-κB信號,進而誘發(fā)E盒結合鋅指蛋白2(ZEB2)的表達,使上皮-間質(zhì)轉化失調(diào)、足細胞與基底膜分離,降低糖尿病大鼠腎小球足細胞數(shù);另一方面,AGE使足細胞丟失胎盤鈣黏蛋白,無法調(diào)節(jié)足細胞的選擇性和阻止高分子量分子進入尿液,使腎小球喪失濾過功能,從而導致蛋白尿,加速腎病進展[20]。另外,也有研究發(fā)現(xiàn),AGE使溶酶體通透性增加,功能障礙,導致腎臟細胞自噬作用被抑制,破壞細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)[21]。AGE同樣也與非DN相關。尿毒癥患者腹膜內(nèi)AGE的積累增加,且RAGE呈高表達[22]。非DN與DN的病理生理學都揭示了AGE與RAGE的結合是AGE的主要致病機制。在非DN中,AGE可以誘導管狀細胞的上皮肌成纖維細胞分化、系膜細胞的炎癥反應及足細胞凋亡[23]。由此可見,無論血糖水平如何,AGE均與CKD的進展相關,AGE含量的升高會加速病情進展[24]。反之,CKD的進展導致腎功能下降,隨后由于腎臟AGE清除率下降,AGE進一步累積,從而形成惡性循環(huán)。
3.1 減少AGE的攝入 飲食中含有的AGE與CKD患者血清中AGE積累量明顯相關,CKD患者在接受低AGE飲食后,血清AGE水平、氧化應激和炎癥均明顯降低,可見減少AGE攝入對延緩CKD進展的重要性[25]。也有研究認為,飲食中含有的AGE不足以造成健康個體血管內(nèi)皮功能障礙,但并未明確外源性AGE對糖尿病或CKD患者的影響[26]。烹飪方法的選擇對降低體內(nèi)AGE含量同樣重要,與干熱烹調(diào)方法(燒烤等)相比,使用蒸煮的方法可以減少AGE的形成[27]。另外,司維拉姆作為AGE腸道吸附劑被證實可降低循環(huán)及組織中的AGE,降低患者的蛋白尿水平[28]。外科方面,減肥手術也可有效降低餐后AGE峰值[29]。
3.2 降AGE藥物 為減輕AGE對腎臟的損傷作用,學者們進行了大量研究。早期研究主要集中在可以直接與AGE相結合的藥物,第一個研究的是氨基胍,但氨基胍化學性質(zhì)活躍,能與很多種生物分子結合,這種性質(zhì)限制了其臨床使用[30]。此后,研究者相繼提出了OPB-9195、LR-90、ALT-946及吡啶胺等體內(nèi)AGE形成抑制劑。在DN實驗動物模型中,這些AGE形成抑制劑可通過捕獲二羰基中間體影響AGE后期的合成反應,從而降低尿蛋白,維持腎小球系膜及腎小管完整性,下調(diào)氧化應激標志物,進而改善腎功能[1]。隨后的研究中發(fā)現(xiàn)Alagebrium可使CKD小鼠RAGE及NADPH氧化酶2(NOX2)的表達下降,降低細胞氧化應激水平[31]。Alagebrium是一種噻唑類化合物,與AGE形成抑制劑的作用機制不同,它是一種AGE-蛋白交聯(lián)阻斷劑,還可直接通過非AGE依賴通路抑制腎小球纖維化及炎癥事件[32]。Alagebrium以及近些年發(fā)現(xiàn)的吡啶類似物TRC4186、TRC4149開始用于分離組織蛋白中的AGE-蛋白交聯(lián)體,盡管有一些陽性結果,但仍無強有力的直接證據(jù)表明對人體有益,仍需更多的研究去證實。降糖藥達格列凈也可能通過抑制HMGB1-RAGE-NF-κB信號通路來降低炎癥標志物的水平,并延緩腎損傷進展[33]。近幾年有研究發(fā)現(xiàn)一些中成藥成分也有治療作用,如丹參中提取的天然產(chǎn)物丹參酸A可減少AGE形成,降低體內(nèi)AGE水平、下調(diào)RAGE,從而延緩DN的進展[34]。白楊素通過干擾AGE引發(fā)的自噬及mTOR通路阻礙糖尿病相關的肌動蛋白成束、黏著斑形成及系膜細胞運動,從而保護腎臟[35]。雞血藤通過Nrf2途徑、杜仲通過Glo1及Nrf2途徑抑制AGEs的形成及RAGE的表達,減少氧化應激,從而改善腎臟損傷[36-37]。土茯苓提取物可通過RAGE-ERK1/2-NF-κB途徑減輕AGE誘導的內(nèi)皮功能障礙[38]。類似的還有三七皂苷R1、甲氧基歐芹酚、山柰苷,可通過不同途徑對抗AGE誘導的細胞凋亡及腎纖維化、腎小管上皮細胞肥大、腎小球系膜細胞損傷等[39-41]。但中藥成分相關文獻較少且未得到普遍認同,仍需通過大量實驗進行探索及驗證。
3.3 對RAGE的調(diào)節(jié)治療 鑒于RAGE在DN發(fā)病機制中的核心作用,F(xiàn)PS-ZM1可阻斷RAGE引發(fā)的炎癥反應及氧化應激,改善小鼠的尿白蛋白排泄、腎臟炎癥反應及纖維化程度[42]。也有研究表明,單一FPS-ZM1對腎纖維化無明顯影響,但與ARB類藥物聯(lián)合治療較單純ARB藥物能更好地抑制腎臟炎癥及氧化應激,改善纖維化[43]。近年來,日本學者Matsui等[44]研制了一種RAGE適配體,在治療4周后檢測發(fā)現(xiàn)其對糖尿病大鼠腎臟具有潛在的保護作用。幾種糖尿病相關的腎功能紊亂,包括巨噬細胞浸潤增多、促炎及促纖維化細胞因子激增,以及AGE-RAGE-氧化應激軸激活,均可被RAGE適配體消除。PF-04494700、TTP488等小分子RAGE抑制劑近年來在阿爾茨海默病患者中也被證實可抑制RAGE激活帶來的危害[45-46]。
3.4 活化glo1 glo1可阻止乙二醛介導的AGE積累,因此激活glo1可能對抗糖應激引起的器官功能障礙。已有幾種激活glo1的藥物相繼被發(fā)現(xiàn)。其中,Nrf2-Keap1-ARE通路最近被報道具有激活glo1的潛力[47]。另一種很有前景的glo1誘導物是反式白藜蘆醇及橙皮素(tRES-HESP)的組合,不僅可協(xié)同增加glo1的表達[47-48],也被證實可以增加glo1活性,降低血漿甲基乙二醛和甲基乙二醛蛋白糖基化,最終改善肥胖患者的代謝[49]。
3.5 透析方式 對于無尿的終末期腎病患者,腎臟替代治療是清除體內(nèi)AGE的唯一有效方式。腹透液中有能促進AGE形成的物質(zhì),因此可選擇使用低AGE含量的中性腹透液來減少AGE的形成。另外,血液透析治療可有效地去除血漿游離AGE,但不能降低蛋白結合AGE水平,使用生物相容性膜及超純HD液可通過降低免疫調(diào)節(jié)及免疫反應來減少AGE的積累[50]。
綜上所述,AGE是一類異常糖代謝的穩(wěn)定產(chǎn)物,通過與其受體RAGE結合而發(fā)揮作用,激活的AGE-RAGE軸通過觸發(fā)細胞內(nèi)信號級聯(lián)反應而引發(fā)細胞事件,導致腎臟細胞受損,加速腎臟病進展。無論在DN還是非DN中,AGE都顯示出對濾過膜屏障的破壞作用。目前,AGE作為近年CKD研究中的一個熱點,已取得了一定的研究成果,但其致病機制及治療上仍存在爭議,且暫無確切研究表明外源性與內(nèi)源性AGE是否有協(xié)同作用及AGE能否作為新一代腎臟損傷標志物發(fā)揮其輔助診療價值。此外,人類生存離不開糖類物質(zhì)的攝入,AGE在人體內(nèi)的積累似乎無可避免,但其致病劑量尚無定論。因而,仍需大量的基礎及臨床試驗證實AGE在CKD發(fā)生發(fā)展中的作用,以期為CKD的診斷及治療提供新的可能。