細(xì)胞自噬在糖尿病腎病發(fā)病中的作用及分子機(jī)制

陳新田，代麗霞，朱燕亭，李振江

(1.西安醫(yī)學(xué)院，陜西 西安 710021；2.陜西省人民醫(yī)院 腎病血透中心，陜西 西安 710068)

0 引言

糖尿病腎病(diabetic nephropathy, DN)是糖尿病特發(fā)性全身微血管病變在腎臟中的表現(xiàn)，是糖尿病最常見的并發(fā)癥之一。全球約有3.47億糖尿病患者[1]，其中約25%-40%將發(fā)展為DN[2]。糖尿病腎病若未能及時有效診治，將進(jìn)行性的損害患者腎功能，最終將進(jìn)展至終末期腎病(end stage renal disease, ESRD)[3]，危及患者生命安全[4]。DN 是導(dǎo)致終末期腎病的重要因素之一。DN早期主要表現(xiàn)為腎小球高濾過和微量白蛋白尿，隨疾病進(jìn)行性發(fā)展腎小球濾過率逐漸下降、腎臟纖維化進(jìn)行性加重，引起正常腎臟組織結(jié)構(gòu)破壞、血供減少、腎臟功能喪失，最終導(dǎo)致終末期腎臟病。DN的病理特征主要包括：腎小球基底膜增厚、系膜基質(zhì)沉積、腎小球硬化、腎小管硬化、腎間質(zhì)纖維化和腎血管硬化。腎小球是腎臟濾過功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，是慢性腎臟病最易損害的部位。腎小球病變又常引起小管間質(zhì)的損害，最終導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的腎臟病變[5-6]。目前對糖尿病腎病的治療包括控制血壓和血糖水平及抑制腎素血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin system，RAS)，以減少或消除蛋白尿[7-9]。雖然這些策略對糖尿病腎病的治療有一定效果，但效果遠(yuǎn)不能令人滿意。目前認(rèn)為，細(xì)胞自噬與糖尿病腎病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。自噬的存在或激活在DN中有保護(hù)作用，但自噬活性異常會導(dǎo)致腎小球及腎小管損傷，參與DN發(fā)病[10]。因此，本文就細(xì)胞自噬的特點(diǎn)及其與糖尿病腎病的關(guān)系做一綜述。

1 自噬的概述

“自噬”一詞起源于希臘語，意思是“自我吞噬”，50多年前由克里斯汀·德·迪夫首次提出，主要是基于觀察到的灌注胰腺激素胰高血糖素的大鼠肝臟內(nèi)溶酶體，線粒體和其他細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的降解?！白允伞笔且环N在各種細(xì)胞中普遍存在的細(xì)胞降解過程，主要指在某些生理或應(yīng)激條件下細(xì)胞內(nèi)錯誤折疊的蛋白質(zhì)或其他受損的細(xì)胞器以囊泡的形式運(yùn)送到溶酶體，通過溶酶體降解和循環(huán)，以維持細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)。根據(jù)細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)到溶酶體內(nèi)的途徑不同，自噬可分為三類：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬[11]。巨噬細(xì)胞自噬又稱自噬，廣泛存在于細(xì)胞降解/再循環(huán)系統(tǒng)中，自噬過程可簡單分為幾個步驟：自噬的誘導(dǎo)、自噬體的形成、囊泡的融合、自噬體的分解[12]。自噬參與分解代謝及受損細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和細(xì)胞器的降解，以維持正常和疾病狀態(tài)下的細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞完整性[13]，在調(diào)整包括免疫、炎癥、對壓力的適應(yīng)[14]、發(fā)育和衰老、代謝和神經(jīng)退行性疾病[15]以及癌癥等病理生理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[16-18]。自噬對于維持細(xì)胞的代謝穩(wěn)態(tài)是不可或缺的[19]。研究發(fā)現(xiàn)，自噬可以有效地調(diào)節(jié)線粒體的呼吸，以達(dá)到細(xì)胞所需的正常ATP水平[20]，表明自噬對于維持細(xì)胞能量代謝至關(guān)重要。細(xì)胞內(nèi)氨基酸缺乏6h后，溶酶體將通過降解蛋白質(zhì)產(chǎn)生氨基酸，以達(dá)到能量代謝平衡[21]。否則，自噬將通過mTOR途徑影響蛋白質(zhì)的合成[22-23]。此外，自噬在控制包括膽固醇和硬脂酸在內(nèi)的脂質(zhì)代謝中亦發(fā)揮重要作用[24]。隨著年齡的增長，機(jī)體抗氧化防御能力、自噬活性下降導(dǎo)致機(jī)體代謝失衡，致使軟骨修復(fù)能力降低[25]。研究表明，衰老導(dǎo)致軟骨細(xì)胞自噬減少。研究表明，自噬的減少增加了糖尿病患者軟骨退化的風(fēng)險[26]。此外，自噬還參與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，自噬活性降低可減少肺腫瘤細(xì)胞增殖和腫瘤負(fù)擔(dān)[27]。另外，當(dāng)p53為野生型時，由Beclin1的單等位基因缺失引起的自噬活性降低抑制了乳腺腫瘤發(fā)生[28]。這表明自噬活性降低抑制了遺傳性乳腺癌腫瘤發(fā)生。黑色素瘤具有高水平的基礎(chǔ)自噬體，提示自噬活性增加促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。此外，自噬體水平較高的黑色素瘤患者存活率較低[29]。自噬活性升高起促進(jìn)作用的另一種癌癥是結(jié)直腸癌。自噬活性升高促進(jìn)由Apc缺失的小鼠腸癌的發(fā)生和發(fā)展[30]。此外，自噬與DN的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切。糖尿病時自噬活性降低，使得腎臟細(xì)胞易受到相關(guān)代謝應(yīng)激的損傷，因此調(diào)節(jié)自噬可能成為治療DN新的靶點(diǎn)。

2 腎臟細(xì)胞的自噬

幾種常見的腎臟損傷已被證明會導(dǎo)致自噬的改變，包括缺血、毒性損傷和炎癥。失調(diào)、過度和有缺陷的自噬都與多種疾病狀態(tài)有關(guān)。例如，過度的自噬有助于腎細(xì)胞癌中惡性細(xì)胞集落的擴(kuò)張[31-32]；腎缺血導(dǎo)致的自噬不足，促進(jìn)細(xì)胞死亡[33-35]；和失調(diào)的自噬導(dǎo)致慢性炎癥、自身免疫性疾病，并改變腎內(nèi)炎癥環(huán)境，潛在地防止免疫細(xì)胞浸潤[36-37]。而隨著DN的流行，其與自噬之間的關(guān)系近年來受到了廣泛關(guān)注。研究人員發(fā)現(xiàn)，在一項小樣本研究[38]中，發(fā)現(xiàn)糖尿病腎病患者的腎組織中Atg5、Atg8、beclin1和LC3 mRNA水平顯著降低，表明某些腎固有細(xì)胞的自噬活性下降，糖尿病腎病在抑制自噬誘導(dǎo)中起作用。然而，自噬可能在引起的腎臟病理變化中所起的作用，還有待進(jìn)一步驗證。

(1)足細(xì)胞自噬

在正常的生理條件下，足細(xì)胞顯示出高水平的自噬(較其他腎細(xì)胞)，表明自噬在非應(yīng)激條件下保持足細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用[39]，這導(dǎo)致對足細(xì)胞自噬的進(jìn)一步研究。足細(xì)胞自噬主要負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)和細(xì)胞器降解，隨后調(diào)節(jié)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，其功能障礙被認(rèn)為是足細(xì)胞損傷的重要誘導(dǎo)因素[40-41]。糖尿病腎病中mTOR通路的過度激活在足細(xì)胞損傷和腎小球濾過率下降的過程中起著關(guān)鍵作用[42]。多項臨床研究證實(shí)，糖尿病腎病患者足細(xì)胞足突消失，這種足細(xì)胞損傷伴有腎小球濾過功能異常[43-45]。以往的研究表明，糖尿病患者存在足細(xì)胞自噬功能不全并伴有大量蛋白尿，足細(xì)胞自噬受損加重了糖尿病腎病患者的蛋白尿，這些研究表明足細(xì)胞自噬在糖尿病腎病發(fā)病機(jī)制中的重要性[46-48]。據(jù)報道，梓醇可改善腎功能和蛋白尿，這與糖尿病腎病足細(xì)胞損傷密切相關(guān)[49]。有證據(jù)表明，在糖尿病腎病動物模型中，梓醇治療通過穩(wěn)定足細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)和挽救糖尿病腎病足細(xì)胞自噬而改善足細(xì)胞損傷。因此，增強(qiáng)足細(xì)胞的自噬是糖尿病腎病的潛在治療策略[48,50]。

(2)腎小管上皮細(xì)胞自噬

基礎(chǔ)條件下的管狀上皮細(xì)胞顯示出低水平的自噬。在1型糖尿病患者和2型糖尿病患者的近端腎小管細(xì)胞中觀察到p62蛋白的積累和mTORC1的過度激活，表明自噬[51]的缺乏。另外，一個重要的發(fā)現(xiàn)是，在糖尿病腎臟模型中，mTOR在近端和遠(yuǎn)端小管被激活，并下調(diào)腺苷酸激活的蛋白激酶途徑，導(dǎo)致自噬抑制[52]。此外，長期暴露于高葡萄糖水平在體外誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞凋亡和自噬[53]。這并不出人意料，因為在糖尿病腎臟中，活性氧生成和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激都升高，這兩者都可以上調(diào)自噬。自噬也是通過調(diào)節(jié)脂肪酸β氧化[54]在管狀細(xì)胞中由脂毒性誘導(dǎo)的。一系列研究表明，自噬的誘導(dǎo)在保護(hù)腎小管細(xì)胞(尤其是近端腎小管細(xì)胞)免受包括缺血[55-57]在內(nèi)的許多應(yīng)激中起著重要作用。大量證據(jù)表明自噬受損參與糖尿病腎病的發(fā)病機(jī)制，表明自噬激活可能是一種潛在的治療糖尿病腎病的方法。

(3)腎小球系膜細(xì)胞自噬

系膜細(xì)胞在糖尿病腎病進(jìn)展中起重要作用。系膜細(xì)胞負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)腎小球濾過，吞噬凋亡細(xì)胞，維持腎小球毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)以及腎內(nèi)系膜基質(zhì)穩(wěn)態(tài)[58]。在糖尿病腎病患者中，由AGEs或其他糖尿病腎病損傷因素引起的系膜基質(zhì)擴(kuò)張是腎功能障礙的重要機(jī)制之一[59-60]。據(jù)報道，LC3-Ⅱ的表達(dá)在用高葡萄糖處理的糖尿病腎臟或系膜細(xì)胞的切片中顯著增加，并且系膜細(xì)胞自噬實(shí)際上在糖尿病條件下被激活[61]。而自噬在系膜細(xì)胞中增強(qiáng)，可能是減少細(xì)胞外基質(zhì)沉積和減輕炎癥的原因。然而，在疾病中，自噬可能在糖尿病動物模型和長期高糖條件下培養(yǎng)的系膜細(xì)胞中被抑制。一些研究結(jié)果表明，在腎系膜細(xì)胞中用30mmol/L的葡萄糖誘導(dǎo)48h后，自溶體的數(shù)量和LC3-Ⅱ/I比值下降；表明長期高糖刺激抑制自噬[62]。也有研究表明高糖可以下調(diào)FBW7的表達(dá)，激活mTOR信號，降低腎系膜細(xì)胞自噬水平。因此，相對而言，系膜細(xì)胞的自噬活性是所有腎細(xì)胞類型中最有爭議的。

(4)腎小球內(nèi)皮細(xì)胞自噬

內(nèi)皮功能障礙與人類糖尿病腎病相關(guān)，[63]然而，自噬并沒有報道影響內(nèi)皮細(xì)胞。目前，大量證據(jù)支持糖尿病內(nèi)皮功能的維持在限制糖尿病腎病進(jìn)展中的作用。以前很少有研究探討糖尿病條件下自噬在腎小球內(nèi)皮細(xì)胞中的作用。據(jù)報道，高葡萄糖降低Atg5、Atg7、Atg3的表達(dá)，從而降低LC3B/A比率，從而抑制自噬誘導(dǎo)。有研究表明，腎小球內(nèi)皮細(xì)胞自噬最常見的成分是骨形態(tài)發(fā)生蛋白和激活素受體膜結(jié)合抑制劑(BAMBI)，其表達(dá)在人和小鼠DN67模型中都受到抑制。由于BAMBI被自噬體和自溶體過程[64]降解，BAMBI的過度降解可能是由糖尿病腎病中的自噬激活引起的。將來需要進(jìn)一步的研究來解釋自噬在體內(nèi)內(nèi)皮功能中的復(fù)雜作用。

3 展望未來

目前對糖尿病腎病的治療包括控制血壓和血糖水平，以及抑制腎素血管緊張素系統(tǒng)(RAS)，以減少或消除蛋白尿[65-67]。雖然這些策略對糖尿病腎病的治療有一定效果，但效果遠(yuǎn)不令人滿意，許多患者的腎功能逐漸下降，導(dǎo)致ESRD。因此，確定新的有效治療目標(biāo)是預(yù)防和控制ESRD病的首要任務(wù)。而目前大量證據(jù)表明自噬受損參與糖尿病腎病的發(fā)病機(jī)制，表明自噬可能是一種潛在的治療糖尿病腎病的方法。相信隨著細(xì)胞自噬在糖尿病腎病研究的進(jìn)一步深入，以細(xì)胞自噬為切入點(diǎn)的診療方案必將對糖尿病腎病的治療產(chǎn)生有益影響。