生長(zhǎng)分化因子-15 在腎臟疾病中的研究進(jìn)展

郭小云 綜述，李榮 審校

（天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院腎內(nèi)科，天津300211)

慢性腎臟疾病因其預(yù)后不良以及相關(guān)成本高已成為全球重大的公共衛(wèi)生問(wèn)題之一。在我國(guó)成年人中慢性腎臟疾病的患病率高達(dá)10%左右，且患者死亡率過(guò)高，特別是心血管事件的死亡率居高不下。故早期發(fā)現(xiàn)腎臟疾病，預(yù)防其并發(fā)癥，特別是心血管并發(fā)癥，以及延緩疾病進(jìn)展，預(yù)防終末期腎臟?。‥SRD）具有重要意義。早期識(shí)別腎臟損傷的生物標(biāo)志物有助于延緩腎病進(jìn)展。然而在過(guò)去的20年里，雖然在生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)取得了巨大的進(jìn)步，但只有少數(shù)生物標(biāo)志物廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐[1]。特別是在腎臟病領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐的生物標(biāo)志物更是寥寥無(wú)幾。

生長(zhǎng)分化因子-15（GDF-15）是應(yīng)激反應(yīng)性細(xì)胞因子。GDF-15 水平升高與心血管疾病、腫瘤、肥胖、胰島素抵抗、糖尿病和慢性腎臟疾病的進(jìn)展和預(yù)后有關(guān)[2]。GDF-15 水平不僅作為腎臟損傷的生物標(biāo)志物，還在腎臟中起保護(hù)作用。本文將介紹GDF-15 作為診斷慢性腎臟疾病和判斷預(yù)后的作用及其對(duì)腎臟可能的保護(hù)作用。

1 GDF-15 的生物學(xué)結(jié)構(gòu)特征

GDF-15 是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（TGF-β）/骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）超家族的遠(yuǎn)端成員[3]。GDF-15 最初因發(fā)現(xiàn)可抑制巨噬細(xì)胞因而命名為巨噬細(xì)胞抑制細(xì)胞因子-1（MIC-1）[4-5]。GDF-15 于 1997 年由澳大利亞Bootcov 等[6]在鑒定與巨噬細(xì)胞活化相關(guān)的表達(dá)基因的過(guò)程中，從人U937 單核細(xì)胞株中分離獲得，基因定位于染色體19p13.1-13.2 上，由2 個(gè)外顯子和1 個(gè)內(nèi)含子組成。GDF-15 蛋白全長(zhǎng)35 kD，序列含有7 個(gè)保守的半胱氨酸殘基。成熟GDF-15蛋白在N 末端被切割后長(zhǎng)25 kD，為二硫鍵連接的二聚體分泌蛋白，其循環(huán)水平容易定量測(cè)定[7]。正常生理?xiàng)l件下,GDF-15 主要在胎盤(pán)和前列腺中高度表達(dá)，但也在心臟、胰腺、肝臟、腎臟和結(jié)腸表達(dá)[8]。GDF-15 對(duì)細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激信號(hào)敏感。多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可以調(diào)控內(nèi)源性GDF-15 的表達(dá)、分泌和儲(chǔ)存，病理狀態(tài)下例如缺氧、炎癥、急性組織損傷時(shí)，巨噬細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、心肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞所釋放的細(xì)胞因子如：白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、血管緊張素Ⅱ、巨噬細(xì)胞集落刺激因子（M-CSF）和 IL-2，均可誘導(dǎo)GDF-15 mRNA 的表達(dá)[9-11]。從而調(diào)節(jié)其生理和病理狀態(tài)下的生物功能。

GDF-15 啟動(dòng)子含有2 個(gè)p53 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)氧化應(yīng)激時(shí)，腫瘤抑制蛋白P53 被激活，誘導(dǎo)GDF-15 基因的高表達(dá)，并通過(guò)自分泌或旁分泌的方式作用于巨噬細(xì)胞及病變部位的TGF-β 受體，抑制巨噬細(xì)胞的激活，從而參與調(diào)控多種細(xì)胞功能如增殖、分化、凋亡及細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的形成，且在血漿中GDF-15 蛋白濃度很容易被測(cè)定，故許多研究認(rèn)為GDF-15 是與各種疾病相關(guān)的重要血漿生物標(biāo)志物。研究發(fā)現(xiàn)GDF-15 是全因死亡率的新穎且有力的預(yù)測(cè)因子[12]。GDF-15 水平升高與多種心血管疾?。毙怨诿}綜合征、心力衰竭、動(dòng)脈粥樣硬化等）的診斷、危險(xiǎn)分層和預(yù)后有密切關(guān)系[13-15]，是心血管事件（死亡率、復(fù)發(fā)性心力衰竭、反復(fù)發(fā)作心肌梗死）的強(qiáng)有力的標(biāo)志物[16]。GDF-15 表達(dá)增加還是許多腫瘤包括乳腺癌、結(jié)腸癌、胰腺癌和前列腺癌的一個(gè)特征性的標(biāo)志物。Mullican 等[17]報(bào)道血清GDF-15 還可能是鑒別糖尿病和肥胖胰島素抵抗風(fēng)險(xiǎn)的潛在標(biāo)志物。最近的臨床研究表明，GDF-15還是腎臟損傷的生物標(biāo)志物之一。

2 GDF-15 作為腎臟疾病的生物標(biāo)志物

2.1 GDF-15 與急性腎損傷（AKI） 急性心肌梗死（AMI）患者大多需要接受冠狀動(dòng)脈造影（CAG）或經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療（PCI）。而造影劑引起的AKI 是一種重要且常見(jiàn)的并發(fā)癥。然而造影劑誘發(fā)AKI 的病理生理學(xué)尚不清楚，因此對(duì)于這種疾病的預(yù)防很不成功[18-19]。近期的研究發(fā)現(xiàn)GDF-15 可用于預(yù)測(cè)AMI 患者CAG 或PCI 干預(yù)治療后發(fā)生AKI 的可能性，這對(duì)于預(yù)防AKI 具有重要意義[20]。

在最近的兩項(xiàng)關(guān)于行冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)患者分析中發(fā)現(xiàn)術(shù)前GDF-15 升高與術(shù)后AKI相關(guān)[21-22]。Heringlake 等[23]的研究采用變量的邏輯回歸模型顯示術(shù)前血漿GDF-15 是心臟手術(shù)術(shù)后腎臟發(fā)生AKI 的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。值得注意的是GDF-15 預(yù)測(cè)心臟手術(shù)相關(guān)性急性腎損傷（CSA-AKI）的能力在血肌酐正常的患者中尤為明顯。其風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)潛力主要與預(yù)測(cè)AKI3 期的能力有關(guān)。為此Heringlake 等[24]測(cè)試了克利夫蘭-臨床急性腎功能衰竭（CC-ARF）評(píng)分，這個(gè)分?jǐn)?shù)主要是用于預(yù)測(cè)患者發(fā)展到術(shù)后透析即AKI3 期的可能。當(dāng)CC-ARF得分與GDF-15 結(jié)合使用時(shí)，預(yù)測(cè)AKI 尤其是最嚴(yán)重的術(shù)后腎功能不全階段的AKI-3 能力明顯提高。同時(shí)還有研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)前血漿GDF-15 升高提示發(fā)生術(shù)后AKI 的判別價(jià)值高于目前歐洲心血管手術(shù)危險(xiǎn)因素評(píng)分（EuroSCORE）、氨基末端腦鈉尿肽（NT-proBNP）和腎小球?yàn)V過(guò)率（eGFR）比較評(píng)估的曲線[25]。術(shù)前血漿GDF-15 水平升高還可能反映了臨床無(wú)法察覺(jué)的亞臨床腎損傷。因此，術(shù)前GDF-15水平是一項(xiàng)有價(jià)值的血液檢查，能更好的預(yù)測(cè)心臟手術(shù)后AKI 的發(fā)生。這種新使用的生物標(biāo)志物可用于患者未來(lái)的預(yù)防性治療。

2.2 GDF-15 與糖尿病腎病 糖尿病腎病是一種眾所周知的長(zhǎng)期糖尿病慢性并發(fā)癥。研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病引起的內(nèi)皮功能障礙或損傷可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞釋放一氧化氮（NO），NO 也是增加GDF-15 基因表達(dá)的原因之一[26]。研究發(fā)現(xiàn)血漿GDF-15 水平與2 型糖尿病腎病的mogensen 分期密切相關(guān)，是增加微量白蛋白尿（mAlb）的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。 與mAlb 和估算的腎小球?yàn)V過(guò)率（eGFR）顯著相關(guān)，因此GDF-15 可用于早期診斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)2 型糖尿病腎病[27]。在一項(xiàng)前瞻性觀察分析中，F(xiàn)rimodt 等[28]通過(guò)8 年多的隨訪發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的危險(xiǎn)因素相比，GDF-15 具有獨(dú)立預(yù)測(cè)有和沒(méi)有糖尿病腎病的1 型糖尿病患者的全因死亡率和腎功能下降的能力。另一項(xiàng)451 例1型糖尿病伴大量白蛋白尿患者的研究中 [測(cè)得的平均GFR（76±33）mL/（min·1.72 m2）]發(fā)現(xiàn)，GDF-15 不僅可以預(yù)測(cè)腦血管?。–VD）和全因死亡率，還可以獨(dú)立預(yù)測(cè)CVD 死亡率和發(fā)病率以及腎功能惡化（dGFR）[29]。在一項(xiàng) Framingham 參與進(jìn)行的研究中，糖尿病腎病患者GDF-15 水平與慢性腎臟病和腎功能迅速下降相關(guān)聯(lián)，表明高GDF-15 水平與eGFR 的快速下降有關(guān)[30]。而在另外一項(xiàng)研究中，Lajer 等[31]報(bào)道循環(huán)中GDF-15 升高還與1 型糖尿病合并大量白蛋白尿患者腎功能惡化的預(yù)后顯著相關(guān)。此外Resl 等[32]發(fā)現(xiàn)在2 型糖尿病伴微量白蛋白尿但腎功能正常且無(wú)心臟疾病的患者中，較高濃度的GDF-15能預(yù)測(cè)腎功能下降、心血管事件和全因死亡率。且在患有慢性腎臟病的2 型糖尿病患者中，GDF-15的高表達(dá)還可以預(yù)測(cè)腎臟終點(diǎn)事件（包括血清肌酐水平成倍升高、ESRD 事件或eGFR 持續(xù)下降40%）[33]。在另外一項(xiàng)對(duì)腎功能正常的2 型糖尿病患者的病例對(duì)照研究中發(fā)現(xiàn)，GDF-15 的高表達(dá)還可以預(yù)測(cè)腎臟白蛋白尿的進(jìn)展[34]。并指出微量白蛋白尿可能是增加GDF-15 與腎臟損傷相關(guān)的可能機(jī)制。因此，GDF-15 不僅是糖尿病患者全因死亡率還是其腎功能衰退的重要預(yù)測(cè)指標(biāo)。血漿GDF15 水平可能反映早期腎臟損傷，GDF15 可作為糖尿病患者早期腎損害的生物標(biāo)志物。

2.3 GDF-15 和原發(fā)慢性腎臟病 腎臟疾病進(jìn)展為ESRD 是慢性腎臟病的主要并發(fā)癥。近期研究發(fā)現(xiàn)慢性腎臟病患者的GDF-15 的表達(dá)與腎臟病進(jìn)展（即eGFR 下降30%或ESRD 的發(fā)展）相關(guān)，是獨(dú)立于包括尿微量白蛋白肌酐比值（ACR）在內(nèi)的其他腎臟疾病進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)因素[35-36]。Nair 等[37]表明，在慢性腎臟病的非糖尿病患者中，GDF-15 的高循環(huán)濃度與腎內(nèi)GDF-15 的表達(dá)呈正相關(guān)，并且兩者均提示慢性腎臟病進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)增加。Zimmers 等[38]研究了GDF-15 在氯仿注射液誘導(dǎo)腎損傷模型和5/6 腎切除術(shù)和缺血再灌注后損傷后的模型中發(fā)現(xiàn)，組織中GDF-15 mRNA 增加，而通過(guò)蛋白質(zhì)印跡法檢測(cè)腎和肺中GDF-15 蛋白表達(dá)的水平，發(fā)現(xiàn)GDF15 的組織表達(dá)水平也增加。在一項(xiàng)關(guān)于慢性腎臟病患者的研究中發(fā)現(xiàn)，血漿GDF-15 與腎臟中GDF-15 mRNA 的表達(dá)顯著相關(guān)[39]，循環(huán) GDF-15 與腎內(nèi)GDF-15 的基因表達(dá)以及慢性腎臟病的縱向進(jìn)展相關(guān)。這些研究結(jié)果表明，腎臟GDF-15 mRNA 表達(dá)可以通過(guò)循環(huán)水平反映出來(lái)，循環(huán)中GDF-15 水平提示慢性腎臟疾病的進(jìn)展[40]。而近期一項(xiàng)臨床研究發(fā)現(xiàn)，老年及貧血的慢性腎臟疾病患者血漿GDF-15 水平明顯升高，GDF-15 濃度的變化不僅與初始腎功能有關(guān)，還可以預(yù)測(cè)腎功能進(jìn)展[41]。在一項(xiàng)關(guān)于IgA 腎病血清GDF-15 水平與IgA 腎病患者預(yù)后的研究中還發(fā)現(xiàn)[42]，根據(jù)Kaplan-Meier 生存分析GDF-15 表達(dá)水平高的患者比GDF-15 表達(dá)水平低的患者eGFR 下降更為顯著。GDF-15 可反映IgA 腎病嚴(yán)重程度并預(yù)測(cè)IgA 腎病患者預(yù)后。而在另一項(xiàng)關(guān)于膜性腎病患者的研究發(fā)現(xiàn)高GDF-15 可反映膜性腎病晚期腎臟中的損傷和大量白蛋白尿[43]，而這些因素會(huì)導(dǎo)致膜性腎病疾病進(jìn)展迅速，故得認(rèn)為GDF-15（≥2.15 ng/mL）水平不僅與初始腎功能呈顯著負(fù)相關(guān)，且GDF-15 升高與膜性腎病的進(jìn)展正相關(guān)，并可以預(yù)測(cè)IMN 患者疾病的進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)。因此，GDF-15 是慢性腎臟疾病患者腎臟病進(jìn)展生物標(biāo)志物，GDF-15 的升高還能幫助確定哪些CKD 患者腎臟疾病進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)最高。

3 GDF-15 的腎臟保護(hù)作用

雖然高GDF-15 與嚴(yán)重腎損傷及腎臟疾病的預(yù)后不良有關(guān)，但是GDF-15 也可以預(yù)防腎臟損傷[26-27]。類似的保護(hù)作用已在先前心臟疾病的相關(guān)研究中得到證實(shí)[44]。研究發(fā)現(xiàn)GDF-15 基因敲除小鼠與野生型小鼠相比，心臟梗死面積更大，這支持了GDF-15 激活心臟保護(hù)途徑的假設(shè)[45]。研究還發(fā)現(xiàn)GDF-15 不僅可以抑制c-Jun N 末端激酶、Bcl-2 相關(guān)死亡啟動(dòng)子和表皮生長(zhǎng)因子受體，還可以激活各種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，即Smad、內(nèi)皮型一氧化氮合成酶、磷脂酰肌醇3 激酶和絲氨酸/蘇氨酸激酶，從而抑制TNF-α 和IL-6 合成，發(fā)揮其保護(hù)作用，在腎臟中的GDF-15 也是如此[46]。一項(xiàng)研究表明，GDF-15 介導(dǎo)的絲裂原活化蛋白激酶活化可引起腎小管上皮細(xì)胞增殖[47]，集合管細(xì)胞的縱向增殖依賴GDF-15 的表達(dá)，表明GDF-15 可能通過(guò)增強(qiáng)腎小管修復(fù)來(lái)保持腎小管完整性。此外還有基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)，在GDF-15 缺陷的 1 型和 2 型糖尿病小鼠模型中[48]，GDF-15 的喪失導(dǎo)致尿糖增加，尿量增加，α 平滑肌肌動(dòng)蛋白（α-SMA）染色增加，1 型膠原 mRNA 表達(dá)增加，腎損傷分子-1（KIM-1）表達(dá)增加和炎癥標(biāo)志物表達(dá)增加。在db/db 2 型糖尿病小鼠中，GDF-15 的遺傳缺失小鼠比野生型尿糖和肌酐升高的更加明顯。免疫組化還顯示間質(zhì)α-SMA 染色和小管中的KIM-1 染色增加，表明糖尿病GDF-15 缺陷小鼠比糖尿病野生型小鼠具有顯著的腎小管損傷。提示GDF-15 遺傳缺失的重要靶目標(biāo)是腎小管和間質(zhì)，并且GDF-15 的遺傳缺失還導(dǎo)致α-SMA 和1 型膠原的表達(dá)增加[49]。最近的一項(xiàng)研究使用腎纖維化小鼠模型研究了重組GDF-15 蛋白對(duì)腎纖維化的影響。在單側(cè)輸尿管梗阻（UUO）手術(shù)后，通過(guò)腹膜內(nèi)注射重組GDF-15 蛋白每周兩次處理小鼠。10 d 后，切除腎組織用Masson’s tri-chrome 和Sirius 染色以評(píng)估腎纖維化，并通過(guò)α-SMA 和1 型膠原蛋白染色情況評(píng)估成纖維細(xì)胞的活化程度。結(jié)果提示GDF-15 治療后小鼠腎臟的纖維化和成纖維細(xì)胞活化程度顯著降低。表明GDF15 可能通過(guò)間接途徑調(diào)節(jié)腎臟的α-SMA 和1 型膠原蛋白表達(dá)，從而保護(hù)1 型和2 型糖尿病小鼠的腎間質(zhì)和腎小管并發(fā)揮了抗纖維化作用。證明了GDF-15 在腎臟有保護(hù)作用。此外還有研究證實(shí)GDF-15 不僅可以抑制心肌梗死小鼠中白細(xì)胞-整合素的活化，在早期糖尿病腎臟炎癥中腎臟GDF-15 還可以通過(guò)控制炎性細(xì)胞的聚集來(lái)預(yù)防器官損傷[50]。這些研究顯示腎臟損害可能通過(guò)TNF 和p53 依賴和非依賴性機(jī)制刺激腎內(nèi)GDF-15表達(dá)，然后引發(fā)一系列保護(hù)性反應(yīng)，包括抑制細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的積累、激活腎小管上皮細(xì)胞增殖、預(yù)防炎癥細(xì)胞募集，從而起到保護(hù)腎臟的作用[51]。因此盡管流行病學(xué)研究清楚地證明了高循環(huán)GDF-15 水平明顯與心血管和腎臟疾病之間存在關(guān)聯(lián)，但這與動(dòng)物模型中所發(fā)現(xiàn)的GDF-15 在心臟和腎臟中所起的保護(hù)作用并不矛盾。GDF-15 的上調(diào)可能是機(jī)體對(duì)組織損傷的代償性反應(yīng)。當(dāng)發(fā)生腎臟損害后，腎小球表達(dá)GDF-15 增多，GDF-15 可能是由傳出小動(dòng)脈輸送到管周毛細(xì)血管，以對(duì)腎間質(zhì)和小管發(fā)揮保護(hù)作用。

綜上所述，雖然GDF-15 是心臟手術(shù)治療后腎損傷的預(yù)測(cè)因子，可以預(yù)測(cè)1 型和2 型糖尿病腎病的發(fā)展和預(yù)后，以及檢測(cè)慢性腎臟疾病預(yù)后的生物標(biāo)志物。同時(shí)它也是腎臟保護(hù)因素，對(duì)腎臟起保護(hù)作用。未來(lái)的研究方向除了需要建立適當(dāng)?shù)腉DF-15參考范圍，以確定疾病的嚴(yán)重程度和風(fēng)險(xiǎn)分層疾病。還需進(jìn)一步了解GDF-15 的信號(hào)通路，以便確定GDF-15 是否能夠改善腎臟疾病。