糖尿病腎臟病的發(fā)病機制研究進展

陳伍，趙勝，周向軍，程帆

(武漢大學人民醫(yī)院泌尿外科，武漢 430000)

糖尿病是一種由多因素導致的以慢性高血糖為特征的代謝性疾病，其慢性并發(fā)癥主要是微血管病變和大血管病變。糖尿病腎臟病(diabetic kidney disease，DKD)是糖尿病最常見、最嚴重的微血管并發(fā)癥之一，嚴重影響患者的生存和預后。DKD的概念由美國國家腎臟基金會于2007年首次提出[1]，該疾病進程一般始于尿蛋白排泄率升高，隨后逐漸發(fā)展為嚴重的蛋白尿、腎小球濾過率(glomerular filtration rate，GFR)降低，最終發(fā)展為終末期腎病(end-stage renal disease，ESRD)。在病理變化上，DKD主要表現(xiàn)為腎小球基膜(glomerular basement membrane，GBM)增厚、腎小球系膜擴張及足細胞損傷。近年來，通過對高血糖、高血壓和血脂異常等疾病的管理，DKD的發(fā)病率逐漸趨于穩(wěn)定，但受影響患者的絕對數(shù)仍在增加，DKD也成為新發(fā)ESRD的主要病因[2]。我國是糖尿病患者最多的國家之一[3]，DKD發(fā)病率呈逐年上升趨勢，需要接受透析和腎臟移植治療的ESRD患者也日益增多。目前普遍認為DKD的發(fā)生和發(fā)展主要與遺傳因素、血流動力學效應、炎癥反應、糖脂代謝紊亂、氧化應激和腎小球的病理改變及細胞損傷等有關?，F(xiàn)就DKD的發(fā)病機制和研究進展予以綜述。

1 遺傳因素

遺傳因素是DKD的重要發(fā)病因素之一。全球有大量的糖尿病患者，但并非所有糖尿病患者均發(fā)展為DKD，表明遺傳易感性與DKD密切相關[4]。此外，DKD的家族聚集性也證實了遺傳因素在其發(fā)病過程中的重要作用。全基因組關聯(lián)研究指出，特定位點的遺傳變異與DKD患病風險具有統(tǒng)計學意義上的正相關性[5]，其中染色體3q、6p、7p、7q、10q、18q、19q和22q均與DKD顯著相關。目前已發(fā)表的全基因組關聯(lián)研究包括糖尿病腎臟遺傳學、糖尿病腎病的家庭調查、國際腎病遺傳學研究，其中國際腎病遺傳學研究在第4號染色體ALL-1融合基因4/脆弱X智力低下蛋白2家族成員3中發(fā)現(xiàn)了一個與ESRD相關的內含子單核苷酸多態(tài)性(rs7583877)，其人群歸因危險度為3.5%～10%[5]。慢性腎臟病遺傳學聯(lián)盟發(fā)現(xiàn)了超過25個具有全基因組意義的位點[6-7]。此外，許多基因(如吞噬和細胞運動蛋白1、血管緊張素轉換酶)、漿細胞瘤轉化遷移基因1、半胱氨酸-tRNA合成酶、乙酰輔酶A羧化酶β、肌肽酶1、內皮型一氧化氮合酶、超氧化物歧化酶1、促紅細胞生成素、骨形態(tài)發(fā)生蛋白拮抗劑1均是DKD的易感基因，其中血管緊張素轉換酶基因與DKD的關聯(lián)研究最多。研究表明，DKD風險的增加可能與多個具有較小效應的基因遺傳有關[8]。

2 血流動力學效應

血流動力學效應在DKD發(fā)展過程中起重要的調節(jié)作用。高血糖使通過腎小球濾過屏障的葡萄糖增加，導致近端腎小管對葡萄糖的過度再吸收。葡萄糖轉運蛋白的表達增加和近端腎小管細胞的能量依賴型轉運過程的大量增加共同促進了葡萄糖的過度再吸收，這種變化極大地增加了腎皮質和髓質的需氧量，誘發(fā)了腎臟的相對缺血，并增加了中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白和腎損傷分子1等細胞應激標志物的表達[9-10]。近端腎小管負荷的增加導致近端腎小管肥大和伸長擴張，腎臟肥大[10]。近端腎小管處的鈉-葡萄糖協(xié)同轉運蛋白2在重吸收葡萄糖的同時轉運大量的鈉，使遠端腎小管和致密斑處的氯化鈉濃度降低，隨后感受到鈉離子濃度降低的致密斑通過球管反饋擴張入球小動脈，誘導顆粒細胞分泌腎素，并通過血管緊張素家族的相繼激活生成血管緊張素Ⅱ，選擇性收縮出球小動脈，上述血流動力學效應使GFR持續(xù)升高，引起腎小球超濾和腎小球高血壓。隨著腎小球肥大的進行性發(fā)展，腎小球內壓力有所下降，但腎小球超濾持續(xù)存在[10-11]。在臨床治療中，積極調控高血壓對DKD的治療十分重要。高血壓作為糖尿病的獨立危險因素之一，在DKD發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用，兩者相互影響可促使GFR的進行性下降。

3 糖脂代謝紊亂

高血糖是DKD發(fā)病的重要介導因素。葡萄糖代謝紊亂所產生的許多代謝產物在DKD的發(fā)展過程中起重要調節(jié)作用。治療糖尿病并發(fā)癥的試驗表明，嚴格的血糖控制能使1型糖尿病患者DKD的發(fā)生率降低50%以上，可能與高血糖水平導致腎小球系膜細胞損傷并誘導其凋亡有關[12]。

3.1高血糖促使己糖胺途徑增強 體內葡萄糖通過糖酵解途徑、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化產生的ATP給機體供能。在高血糖狀態(tài)下，內皮細胞、系膜細胞和足細胞中的葡萄糖氧化途徑被破壞，使葡萄糖向脂肪酸和酮類等替代生物能源轉換，并導致細胞損傷[13]。同時，近端腎小管中糖酵解途徑、葡萄糖有氧和無氧代謝均有所增加，己糖胺途徑顯著增強[14]，在此途徑中，6-磷酸果糖從糖酵解途徑中轉移，在6-磷酸果糖?；D移酶的作用下生成6-磷酸葡萄糖胺，并最終轉化為二磷酸尿嘧啶N-乙酰氨基葡萄糖；其中，葡萄糖胺使細胞內ATP水平降低，從而抑制胰島素信號轉導通路上游各靶點的磷酸化激活，進而抑制胰島素效應并加重代謝紊亂。

3.2高血糖導致多元醇途徑增強 多元醇通路由醛糖還原酶和山梨糖醇脫氫酶共同催化完成，其中醛糖還原酶是該途徑的限速酶。醛糖還原酶將還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)轉化為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的過程中將葡萄糖還原為山梨糖醇。正常情況下，醛糖還原酶對葡萄糖親和力較低，多元醇途徑處于低代謝率狀態(tài)。在高血糖情況下，醛糖還原酶對葡萄糖的親和力升高，多元醇途徑被激活并代謝產生大量山梨醇。由于腎臟細胞對山梨醇的通透性較差，其氧化產物果糖不易代謝，致使細胞內滲透壓急劇上升，最終導致腎臟細胞水腫及損傷并影響生理功能，從而進一步加重腎損傷。

3.3高血糖致晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products，AGEs)增加 AGEs是體內高糖狀態(tài)下蛋白質、脂肪及核酸與還原糖之間發(fā)生非酶性催化反應的終末產物，能促進轉化生長因子-β的釋放，刺激膠原基質成分合成，導致GBM增厚，從而影響濾過膜功能，最終導致GFR的進行性改變以及腎小球功能的喪失。此外，AGEs與其受體的相互作用在DKD的發(fā)病機制中具有重要作用。AGEs受體是一種多配體受體，廣泛存在于平滑肌細胞、巨噬細胞、內皮細胞和星形膠質細胞。高血糖時，AGEs與巨噬細胞上AGEs受體結合導致氧化應激反應和核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)激活，NF-κB調控白細胞介素(interleukin，IL)-1α、IL-6和腫瘤壞死因子-α等細胞因子的釋放并激活炎癥反應，進而加劇腎臟細胞損傷。此外，NF-κB還能促進內皮素1、血管內皮生長因子的表達和釋放，這些細胞因子能介導血管內皮細胞的損傷和組織細胞的凋亡，進而加重腎小球功能的損傷[15]。一項對長期糖尿病患者(病程>50年)的研究發(fā)現(xiàn)，非DKD患者的腎小球丙酮酸激酶水平高于DKD患者，表明維持葡萄糖氧化對于預防足細胞和腎小球損傷具有重要作用[16]。

3.4脂質代謝異常參與DKD的發(fā)展 脂質代謝異?？赏ㄟ^多種途徑參與DKD的發(fā)展過程，糖尿病患者腎臟脂質的蓄積和脂肪酸氧化的改變是DKD進展過程的重要環(huán)節(jié)。高脂血癥會增加白蛋白的脂肪酸含量，白蛋白結合的長鏈飽和脂肪酸可能在腎小管損傷中發(fā)揮重要作用[17]。腎小管上皮細胞通過CD36轉運蛋白攝取長鏈脂肪酸，而糖尿病患者的CD36表達上調，進一步加重了脂肪酸蓄積，蓄積的脂肪酸通過激活p38促分裂原活化的蛋白激酶通路誘導腎小管上皮細胞凋亡。此外，有研究表明，與白蛋白結合的非酯化脂肪酸數(shù)量的增加會導致線粒體功能障礙和過氧化物的產生，最終誘導腎小管上皮細胞的凋亡[18]。除脂肪酸攝取增加外，腎臟內脂質合成增加也是脂質積累的重要原因。固醇調節(jié)元件結合蛋白(sterol-regulatory element binding proteins，SREBPs)負責調節(jié)膽固醇的合成、攝取以及脂肪酸的生物合成。哺乳動物的SREBPs由固醇調節(jié)元件結合轉錄因子-1和固醇調節(jié)元件結合轉錄因子-2共同編碼，高血糖時SREBP1信使RNA的表達顯著增加，腎臟三酰甘油水平顯著升高，進一步加重了脂質代謝紊亂和腎臟的脂質蓄積。腎小球脂質沉積還可刺激細胞外基質(extracellular matrix，ECM)蓄積，并最終導致腎小球硬化和腎功能進行性損傷。

4 炎癥反應

DKD被普遍認為是一種炎癥反應性疾病，且炎癥水平隨病程進展而加重，最終導致腎小球硬化。有研究表明，腎臟的炎癥標志物與蛋白尿、ECM沉積以及GFR進行性下降相關[19-20]。DKD早期，白細胞大量聚集在腎小球和腎小管間質中，炎癥細胞浸潤和炎癥因子大量釋放在DKD的發(fā)展進程中起重要作用。

炎癥相關基因和途徑的激活及持續(xù)表達在DKD的發(fā)展過程中起關鍵作用。由于組織損傷，炎癥細胞大量聚集于腎臟組織，大量炎癥細胞及其產物[如細胞因子、趨化因子、激活的補體和活性氧類(reactive oxygen species，ROS)]誘導了DKD的產生。在腎小球超濾及腎纖維化存在的情況下，敲除Rag1小鼠并未出現(xiàn)糖尿病相關蛋白尿[21]。此外，趨化因子受體抑制劑可減輕2型糖尿病和慢性腎臟病患者的蛋白尿[22]。糖尿病大鼠模型腎臟炎癥細胞的聚集程度與腎功能下降密切相關，抑制炎癥細胞的募集可明顯減輕腎臟損傷[23]。由此可見，抑制腎臟炎癥細胞聚集可有效預防蛋白尿的產生并減輕腎臟損傷。炎癥因子在DKD發(fā)展過程中起關鍵作用。在DKD中，趨化因子5、IL-6、腫瘤壞死因子-α和單核細胞趨化因子-1等細胞因子的表達均有所增加。IL-6和腫瘤壞死因子-α的大量釋放增強了腎臟的局部炎癥反應，促進了系膜細胞的增生，導致ECM的沉積加快并加重了腎臟損傷。敲除或抑制單核細胞趨化因子-1能有效延緩DKD進展。NF-κB和Janus激酶-信號轉導及轉錄激活因子信號轉導途徑的激活是細胞因子產生的關鍵，兩者均可通過調節(jié)刺激黏附分子和促炎因子的表達加快DKD的進程[24-25]。

5 氧化應激

高血糖可誘導有毒中間體的生成，ROS則是最重要的中間體之一。ROS在多種細胞的增殖、分化、凋亡和免疫防御等生理過程中發(fā)揮了重要作用。ROS的蓄積和超氧化物的生成是高血糖時發(fā)生DKD的重要原因，易導致ESRD[26]。黃嘌呤氧化酶、細胞色素P450、脫偶聯(lián)的內皮型一氧化氮合酶、線粒體呼吸鏈和NADPH氧化酶均在ROS合成過程中發(fā)揮重要作用，其中線粒體功能障礙和NADPH氧化酶最重要[27-28]。在生理條件下，腎臟中的黃嘌呤氧化酶可通過嘌呤代謝途徑產生難以檢測的ROS。Eid等[29]的研究表明，細胞色素P450(尤其是細胞色素4A)可通過激活NADPH氧化酶誘導ROS的產生，引起糖尿病小鼠的腎臟細胞損傷和死亡。脫偶聯(lián)的內皮型一氧化氮合酶可促進ROS的生成，同時誘導內皮細胞對一氧化氮利用度下降，而一氧化氮的蓄積可導致內皮細胞功能障礙并破壞濾過膜功能[30]。此外，糖尿病患者的線粒體底物氧化增強，線粒體膜電位隨之增強，電子通過線粒體電子傳輸鏈轉移并導致超氧化物產生。在生理條件下，大多數(shù)NADPH氧化酶的構成活性較低，但糖尿病時NADPH氧化酶的活性被激活。所有的NADPH氧化酶亞型均是跨膜蛋白，可將NADPH上的電子轉移至整個生物膜，隨即將氧分子還原為超氧化物O2-，該途徑生成的超氧化物超過了體內超氧化物歧化酶的處理能力，導致超氧化物在腎臟蓄積。此外，高血糖狀態(tài)下的腎臟局部炎癥反應加強，炎癥因子大量釋放，ROS生成增多，ROS蓄積使線粒體功能受損，進一步增強了氧化應激反應，炎癥細胞大量增加并釋放大量細胞因子，進一步加重了DKD患者的腎臟組織局部炎癥。研究顯示，氧化應激還可損傷胰島β細胞，由于胰島β細胞內超氧化物歧化酶水平較低，較易受到ROS的影響[31]。ROS可通過直接破壞胰島β細胞的DNA和蛋白質來促進細胞凋亡，還可作為信號分子參與調節(jié)胰島素分泌，從而間接抑制胰島β細胞的功能，導致糖代謝紊亂的進一步加重[32]。此外，ROS還可通過多種途徑誘導內皮細胞和足細胞的損傷及凋亡而導致功能障礙，腎小球濾過膜的結構隨之破壞并最終引起腎損傷，導致蛋白尿產生。

6 腎小球的病理改變及細胞損傷

DKD的發(fā)病機制較復雜，遺傳因素、血流動力學效應、糖脂代謝紊亂、氧化應激和炎癥反應的共同作用可誘導腎小球結構的改變和功能的損傷，其中以內皮細胞功能障礙、GBM增厚、系膜擴張、足細胞損傷為主。腎小球的病理改變及細胞損傷可直接影響腎小球的濾過功能，導致蛋白尿。

6.1內皮細胞功能障礙 以血管通透性增加、炎癥細胞浸潤及血管張力失調為特征的系統(tǒng)性內皮細胞功能障礙是糖尿病微血管和大血管并發(fā)癥的重要致病機制之一。腎小球內皮細胞是構成腎小球濾過膜的重要部分，其功能障礙可致微血管通透性改變及白蛋白異常濾過，臨床表現(xiàn)為微量白蛋白尿。因此，微量白蛋白尿是衡量系統(tǒng)性內皮細胞功能障礙的重要指標之一。腎小球內皮細胞表面的某些蛋白聚糖和糖蛋白與可溶性分子結合并形成網狀結構，腎小球內皮細胞表面的窗孔被帶負電荷的糖萼覆蓋，糖萼通過網狀結構與腎小球內皮細胞相連。而糖萼內硫酸乙酰肝素、硫酸軟骨素、硫酸皮膚素、硫酸角質素和透明質酸等組分的丟失可增加腎小球內皮細胞的通透性。高血糖可能通過誘導ROS的產生和蓄積干擾硫酸乙酰肝素的生成，進而破壞糖萼組分，最終導致微量白蛋白尿的生成。此外，高血糖能誘導下調血栓調節(jié)蛋白和活化蛋白C的表達，并進一步加重內皮細胞功能障礙[33]。局部炎癥反應和ROS蓄積還可直接造成內皮細胞的損傷和凋亡，并影響其功能。

6.2GBM增厚和腎小球系膜擴張 正常人體內的GBM主要由Ⅳ型膠原蛋白、層粘連蛋白、內皮細胞和蛋白多糖等構成，而系膜基質主要由膠原蛋白、纖連蛋白和層粘連蛋白等構成。DKD患者GBM中Ⅳ型膠原蛋白和系膜基質中纖連蛋白的表達明顯增加[34]。DKD早期即存在GBM增厚，且GBM增厚與內皮細胞和足細胞產生的ECM異常轉換和修飾有關。高血糖水平下，足細胞能夠大量合成并釋放Ⅳ型膠原蛋白的α3鏈和α5鏈。此外，在高血糖水平的刺激下，內皮細胞恢復了對Ⅳ型膠原蛋白α1鏈和蛋白多糖的合成。轉化生長因子-β和血管內皮生長因子等細胞因子在高血糖誘導下被大量釋放，直接刺激腎小球系膜細胞增殖并產生ECM[35]。然而，人體內腎小球基質的合成及降解往往處于平衡狀態(tài)，其降解主要依靠基質金屬蛋白酶，而基質金屬蛋白酶抑制劑可與基質金屬蛋白酶結合并抑制其酶活性[36]。高血糖可下調基質金屬蛋白酶的信使RNA水平，并上調基質金屬蛋白酶抑制劑的信使RNA水平，以減緩腎小球基質蛋白的降解；基質金屬蛋白酶合成增加和降解抑制使腎小球基質大量沉積，并最終導致GBM增厚和腎小球系膜基質的擴張；GBM增厚伴隨電荷和結構的變化，并導致蛋白尿的產生；腎小球系膜的擴張使其緊貼腎小球毛細血管，使濾過表面積減小、管腔變窄，從而引起腎小球高血壓、蛋白尿和濾過功能減退。

6.3足細胞損傷 糖尿病還能誘發(fā)足細胞損傷，其典型特征為細胞肥大和足細胞丟失。2型糖尿病患者足細胞數(shù)量的減少與蛋白尿和GFR降低密切相關[37]。目前認為，足細胞丟失的潛在機制可能為葡萄糖和轉化生長因子-β直接誘導的足細胞凋亡，或整聯(lián)蛋白α3β1表達的喪失[38]。此外，裂隙隔膜的結構穩(wěn)定對維持腎小球濾過功能起重要作用。腎病蛋白是一種重要的足細胞蛋白，不僅參與細胞內信號的傳導，還直接參與裂隙隔膜的構成，腎病蛋白的缺乏可損害裂隙隔膜的完整性并導致尿白蛋白排泄增加。高血糖可通過上調蛋白激酶Cα增強β-抑制蛋白與腎病蛋白的相互作用，并增強細胞對腎病蛋白的胞吞作用，導致腎病蛋白水平下降，破壞裂隙隔膜[39]。此外，高血糖還可通過下調CD2AP以及上調CIN85改變腎病蛋白和其他裂隙隔膜成分的翻譯后修飾，引起泛素化反應，使細胞對腎病蛋白的胞吞作用增強[40]。除影響裂隙隔膜結構的完整性外，糖尿病患者腎病蛋白表達降低還能阻礙足細胞內胰島素的信號轉導并加重DKD[41]。高血糖引起的ROS蓄積還可直接誘導足細胞凋亡，導致足細胞丟失。存活的足細胞通過改變形狀和大小以覆蓋裸露的GBM部分，但此補償機制只有細胞數(shù)量維持在一定水平時才能發(fā)揮作用。除氧化應激和細胞凋亡外，機械力引起的足細胞與GBM脫離也可導致足細胞丟失，腎小球超濾引起腎小球性高血壓和腎小球肥大，繼而引起GBM表面積擴大，導致足細胞脫落。在動物模型中，足細胞丟失超過20%便會導致不可逆的腎小球損傷，主要表現(xiàn)為蛋白尿、腎小球硬化、腎小管間質纖維化和ESRD[42]。

7 小 結

糖尿病可導致全身微血管病變，DKD是最常見最主要的微血管并發(fā)癥，已成為新發(fā)ESRD的主要原因。DKD的發(fā)病因素及發(fā)病機制錯綜復雜，同時涉及多種細胞和多種信號通路的激活。遺傳因素、血流動力學效應、炎癥反應、代謝紊亂、氧化應激和腎小球的病理改變及細胞損傷等在DKD的發(fā)病過程中發(fā)揮著至關重要的作用，它們共同作用導致了DKD的發(fā)生和發(fā)展。鈉-葡萄糖協(xié)同轉運蛋白2是近年來DKD治療的研究重點，鈉-葡萄糖協(xié)同轉運蛋白2抑制劑能有效改善腎小球超濾并減緩DKD進程。此外，腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)阻斷劑的使用在調控血壓的同時也降低了高血壓患者白蛋白尿的發(fā)生率，但目前仍然缺乏臨床治療DKD的特效藥，且DKD的發(fā)病機制和治療方式仍需更深入的研究。