Smad1蛋白在糖尿病腎病中的應(yīng)用與研究進展

李夢， 田少江

湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬人民醫(yī)院腎病內(nèi)科(湖北十堰 442000)

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一組人體代謝疾病，是由遺傳和環(huán)境因素的相互作用而引起的以血糖升高為主要表現(xiàn)的綜合征。隨著各國經(jīng)濟快速發(fā)展、人們生活水平提高及人口老齡化的加速，糖尿病的患病率在世界范圍內(nèi)迅速增長。據(jù)2017年國際糖尿病聯(lián)盟(International Diabetes Federation,IDF)統(tǒng)計全球有4.25億人患有糖尿病，如果不加以控制，估計到2045年會增加到6.29億，中國約有842 993例患者死于糖尿病，其中33.8%的患者年齡<60歲[1]。目前，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，糖尿病的患病率、殘疾率和病死率逐漸增加，已成為僅次于于癌癥和心血管疾病的第三大慢性非傳染性疾病[2]。糖尿病腎病(diabetic nephropathy)是糖尿病患者常見的微血管特異性并發(fā)癥，糖尿病腎病發(fā)病率亦呈上升趨勢，已成為導(dǎo)致終末期腎臟病的第二大病因，僅次于各種腎小球腎炎[3-4]，同時糖尿病腎病也會增加患心腦血管疾病的風(fēng)險[5]，IDF全球調(diào)查顯示2/3的2型糖尿病患者伴有心血管疾病危險因素或經(jīng)歷過心血管事件[6]。至今，糖尿病腎病的發(fā)生、發(fā)展是導(dǎo)致人類的發(fā)病率和病死率增加以及生活質(zhì)量嚴重受損的巨大臨床問題。隨著腎活檢的廣泛開展，研究發(fā)現(xiàn)臨床上出現(xiàn)尿蛋白或腎功能異常的糖尿病患者并不一定患有糖尿病腎病，部分患者可能與糖尿病疾病本身無關(guān)，而是在糖尿病基礎(chǔ)上發(fā)生其他原發(fā)或繼發(fā)的腎臟病變即非糖尿病腎病(non-diabetic renal diseases,NDRD)[7-8]。在臨床工作中，我們了解到糖尿病腎病的發(fā)生和發(fā)展過程幾乎是不可逆，而非糖尿病腎病通常是可逆的，甚至可以治愈。因此，糖尿病腎病的早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷和早期治療在臨床上至關(guān)重要。早期糖尿病腎病往往缺乏明顯的臨床表現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)臨床癥狀時，其腎損傷已進入中晚期，臨床中缺乏有效治療方法，且不能阻止其發(fā)展，最終只能進入終末期。因此，如何早期診斷糖尿病腎病是臨床實踐中的一大難題。在多數(shù)情況下，腎臟病病理活檢并不一定能找到特征性的病理改變[9]，而常規(guī)相關(guān)檢查敏感性低，難以發(fā)現(xiàn)早期腎損害，因此，尋找敏感性和特異性均可的非侵入性診斷是臨床腎病學(xué)的發(fā)展方向，隨著糖尿病腎病患者的增加，有必要建立反映可預(yù)測和治療效果的非侵入性標記物。隨著研究者人員不斷的探索，發(fā)現(xiàn)尿液中Smad1蛋白可以作為糖尿病腎病早期診斷的指標之一[10-11]，甚至比尿白蛋白出現(xiàn)得早，本文就尿液及血液的Smad1在糖尿病腎病中的作用作一綜述。

1 糖尿病腎病發(fā)病機制

糖尿病腎病腎損傷的發(fā)生、發(fā)展過程比較復(fù)雜，尚未研究透徹。目前普遍認為，主要由多種因素包括高血糖、微循環(huán)障礙(血流動力學(xué)異常、血液流變學(xué)異常、微血管病變)、糖代謝紊亂(糖基化終末產(chǎn)物的形成、蛋白激酶C活性增高、多元醇通路的激活)、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、細胞因子的激活等[12-13]，各因素間又彼此影響、相互制約，在糖尿病腎病發(fā)生、發(fā)展中起著重要作用[14]。而糖尿病腎病發(fā)展為終末期腎病是一個極其復(fù)雜而又漫長的過程，長期處于高濾過和高灌注狀態(tài)下，導(dǎo)致腎臟微血管病變及血流動力學(xué)紊亂，腎小球毛細血管基底膜增厚，系膜擴張、足細胞損傷，通透性下降，有效濾過面積減少，直至腎小球硬化。

糖尿病腎病病理變化主要表現(xiàn)為腎小球肥大、系膜細胞增生、足細胞數(shù)目改變(數(shù)量減少或密度降低)、基底膜增厚、腎小管上皮上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)變(epithelial-mesenchymal transition,EMT)和細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)進行性積聚，最終導(dǎo)致腎小球硬化、腎小管萎縮和間質(zhì)纖維化[15]。

2 足細胞損傷與糖尿病腎病

腎小球濾過屏障主要由毛細血管內(nèi)皮細胞、腎小球基底膜和足細胞(腎小球臟層上皮細胞)共同組成的三道防線。足細胞[16]是位于腎小球基底膜外側(cè)的高度特異性終末分化細胞，是腎小球濾膜的最后一道屏障，參與抗腎小球基底膜的代謝平衡，可清除腎小囊腔內(nèi)的大分子物質(zhì)，合成血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothe-lial growth factor，VEGF)及正常的腎小球基底膜，能夠調(diào)節(jié)腎小球通透性及濾過性，維持腎小球內(nèi)皮細胞的功能穩(wěn)定性及毛細血管袢的空間結(jié)構(gòu)等過程[17]。同時，足細胞還可以分泌多種物質(zhì)：如趨化因子、補體和補體的調(diào)節(jié)蛋白、共刺激分子等，并能夠表達Toll樣受體、細胞因子等。正常情況下，足細胞在各種適度應(yīng)激和病理因素刺激下，能夠保持適應(yīng)性的動態(tài)平衡，但過度的應(yīng)激會導(dǎo)致其發(fā)生復(fù)雜的生物學(xué)變化，包括細胞完整性缺失和細胞代謝失調(diào)[18]。在腎臟病變中，足細胞數(shù)量及密度的降低與多種細胞因子有關(guān)，包括結(jié)締組織生長因子(connective tissue growth factor,CTGF)、轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor,TGF)-β、骨橋蛋白(osteopontin,OPN)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7(bone morphogenetic protein-7,BMP-7)等[19-20]。

至今，足細胞損傷機制尚未完全闡明，目前研究發(fā)現(xiàn)足細胞損傷致其超微結(jié)構(gòu)及功能改變是發(fā)生蛋白尿及腎小球硬化的關(guān)鍵，其機制主要包括自噬、Notch信號通路、TGF-β/smad、核因子-κB(NF-κB)信號通路、氧化應(yīng)激及細胞因子激活等多個方面相互作用引起[21]。足細胞功能障礙、丟失，主要通過血流動力學(xué)改變、免疫性損失、毒素積累、活性氧基團增加、藥物、細胞因子、趨化因子、病毒感染、代謝等多種機制相互作用而導(dǎo)致大量蛋白尿的出現(xiàn)，加速腎臟功能的損害[22]。石格等[23]通過中藥干預(yù)體內(nèi)外對DN模型鼠足細胞病變或高糖誘導(dǎo)的足細胞損傷中發(fā)現(xiàn)在糖尿病腎病的發(fā)展過程中，腎小球及其球內(nèi)各種固有細胞發(fā)生了形態(tài)上和功能上的改變，其中足細胞損傷與蛋白尿密切相關(guān)。其他研究者在糖尿病患者及動物模型中都發(fā)現(xiàn)足細胞損傷與腎功能及腎纖維化之間有著密切的關(guān)系[24-25]。通過學(xué)者們不斷的研究和臨床經(jīng)驗的總結(jié)，已經(jīng)證實了蛋白尿不僅是糖尿病腎病發(fā)生、發(fā)展的核心指標，還是糖尿病腎病進展的獨立危險因素，與糖尿病腎病的病情嚴重程度及進展密切相關(guān)。

作為腎小球濾過屏障的最后一道防線，足細胞的脫落、受損、凋亡或EMT是導(dǎo)致糖尿病腎病發(fā)生進行性腎小球硬化和腎纖維化的關(guān)鍵因素[26]。早期研究發(fā)現(xiàn)糖尿病腎病大鼠早期即出現(xiàn)足細胞數(shù)減少、足突增寬,隨著病變加重,這種變化愈明顯[27]。張利等[28]研究發(fā)現(xiàn)在高血糖環(huán)境下，終末期糖基化產(chǎn)物(AGEs)及其受體RAGE在足細胞中表達增強，AGEs的累積可以引起腎小球肥大、基底膜增厚、系膜基質(zhì)增生以及產(chǎn)生蛋白尿。相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)1型和2型糖尿病腎病患者都出現(xiàn)足細胞數(shù)量的減少，且與蛋白尿程度以及疾病進展程度呈正相關(guān)[29]。CTGF可加劇高糖環(huán)境下引起的足細胞損傷，在促進足細胞上皮EMT過程中發(fā)揮重要作用[30]。韓雪鴻等[31-32]通過研究，再次證明了TGF-β是腎臟病變中致纖維化最強的細胞因子，TGF-β參與信號通路中最終可形成低聚體復(fù)合物，并激活核內(nèi)ECM成分如各種類型的膠原蛋白Col-Ⅰ、Col-Ⅳ等啟動子，從而增加ECM合成，導(dǎo)致腎纖維化，還可通過Smads 或 MAPKs等通路參與糖尿病腎病足細胞損傷[33]。綜上所述，足細胞病變不僅導(dǎo)致大量蛋白尿的發(fā)生,而且還與進行性腎小球硬化和腎纖維化的發(fā)生有關(guān)。因此，研究對足細胞損傷機制對糖尿病腎病的早期診斷具有重要意義。

3 Smad1蛋白與足細胞損傷

Smad蛋白家族[34]是一類細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)蛋白，可將TGF-β家族信號從受體傳導(dǎo)到細胞內(nèi)核，并在多種細胞類型中發(fā)揮重要作用，如調(diào)節(jié)細胞的生長、分化、凋亡，合成基質(zhì)等，同時也參與調(diào)節(jié)組織修復(fù)和免疫調(diào)節(jié)。前期研究[35]表明，Smads蛋白家族在腎臟、心肌、腹膜和肺等多種器官的纖維化過程中起著重要作用。

Smad1蛋白屬于受體激活型，磷酸化后具有活性，已有相關(guān)研究表明細胞內(nèi)激活Smad1的膜蛋白最主要的是骨結(jié)合蛋白-7(BMP-7)[36]，BMP-7屬于TGF-β超家族中的一員，在腎病發(fā)展過程中起極為重要的保護作用，可以降低腎小球TGF-β1的表達，減少足細胞脫落[37]；能夠逆轉(zhuǎn)糖尿病腎病造成的腎臟肥大，改善腎小球濾過率，減少足細胞的丟失[38]；并且可阻斷TGF-β信號通路，進一步發(fā)揮延緩腎臟纖維化的作用。

諸多研究已經(jīng)證實Smad1蛋白是TGF-β1下游信號傳導(dǎo)因子，在糖尿病腎病發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用，可誘導(dǎo)足細胞線粒體NADPH氧化酶增加，抑制線粒體功能，誘導(dǎo)肥大、形狀畸形，導(dǎo)致凋亡，最終可直接導(dǎo)致腎小球硬化[39]。

研究發(fā)現(xiàn)糖尿病腎病患者和小鼠模型纖維化的腎臟中普遍存在TGF-β表達的上調(diào)[40]，TGF-β1/Smad信號通路的激活可以上調(diào)ECM中各種成分的表達，其中Ⅳ型膠原是ECM的主要成分，同時是系膜基質(zhì)擴張的重要組成物質(zhì)，而Smad1作為Ⅳ型膠原中α1和α2的轉(zhuǎn)錄因子，可增強其表達，因此Smad1在糖尿病腎病系膜基質(zhì)擴張中發(fā)揮著重要作用[41]。Smad1蛋白可以通過調(diào)控TGF-β1、 BMP-7及BMP-4表達水平影響足細胞功能，在動物模型研究[42]中發(fā)現(xiàn)，糖尿病腎病早期階段小鼠尿液中既有Smad1的升高，腎小球Smad1的表達水平和尿 Smad1的含量與系膜ECM的沉積及腎小球硬化程度密切正相關(guān)，且Samd1在正常人和大鼠中不表達，同時也發(fā)現(xiàn)AngⅡ可以通過調(diào)節(jié)Src和Smad1來調(diào)控系膜基質(zhì)擴張的發(fā)展，證明了Smad1在糖尿病腎病中的作用。通過免疫組化和免疫印跡發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠腎小球系膜基質(zhì)擴張越明顯，腎小球及尿液中Smad1的含量均增加[43]。葉迅等[44]研究發(fā)現(xiàn)高糖可通過TGF-β/Smad信號途徑誘導(dǎo)足細胞發(fā)生表型轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致糖尿病腎病患者出現(xiàn)微量蛋白尿。

所以，我們認為Smad1水平可預(yù)測糖尿病腎病系膜的擴張程度及腎小球硬化程度,可以用于判斷糖尿病腎病病情進展程度。

4 展望

由于Smad1在尿液中的含量很低，除在糖尿病動物模型及臨床研究中用 ELISA 測定尿中濃度外，目前尚無在其他類型腎病動物及臨床研究中的文獻報道，血液中是否存在Smad1蛋白目前尚無研究。綜上所述，Smad1蛋白在糖尿病腎病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，特別是參與足細胞損傷、腎纖維化、腎硬化的過程，那么是否可以通過檢測血清及尿液中的Smad1蛋白來診斷早期糖尿病腎病，同時抑制它作用途經(jīng)可能成為阻止糖尿病腎病發(fā)展及治療的新靶點、新方向。