糖尿病腎病發(fā)生發(fā)展機制

劉澤惠，桑曉紅

(新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院腎病科，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

糖尿病(diabetes milieus，DM)現(xiàn)如今較為常見，糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)是其微血管并發(fā)癥之一。DN早期可以導致腎小球上皮細胞肥大、出入球小動脈透明樣變性及細胞外基質累積過剩，造成腎小球、腎小管損傷，臨床上可表現(xiàn)為持續(xù)蛋白尿及腎小球濾過率持續(xù)下降，部分患者可出現(xiàn)貧血現(xiàn)象，伴或不伴有水腫和高血壓，甚至出現(xiàn)體液潴留，腎功能持續(xù)下降，最終導致終末期腎病[1]。糖尿病腎病的發(fā)生發(fā)展機制比較復雜，大多數(shù)學者廣泛認為糖代謝紊亂以及血流動力學影響是導致腎臟損傷的最主要原因[2]。

1 糖代謝紊亂

1.1 糖基化終末產物的生成

糖基化終末產物(advanced glycation end products，AGEs)主要經腎臟清除，高糖環(huán)境可以誘發(fā)機體產生過多的AGEs，改變蛋白質的結構和功能，引起細胞損傷，其主要機制包括AGEs 通過分子間共價鍵在膠原蛋白等大型基質蛋白上積累，增加膠原蛋白的硬度，降低熱穩(wěn)定性，并引起對金屬蛋白酶(met alloproteinase，MMP)消耗的抗性[3]。使腎小球基底膜糖化，電荷消失，從而導致DN，這種現(xiàn)象在腎臟表現(xiàn)為腎小球系膜外基質增加[4]，AGEs 的水平與患者發(fā)生糖尿病并發(fā)癥的概率和嚴重程度呈正相關[5]；另一方面可以與腎小球內皮細胞上的AGEs 特異性受體結合，如RAGE(RAGE 是參與炎癥反應的免疫球蛋白受體超家族成員[6]，誘導白細胞介素(IL)-1等炎性因子表達增強，進而使得基膜糖化，電荷喪失，改變細胞功能，引起尿蛋白增多，最終導致腎臟的損害[7]。此外，RAGE 與糖尿病誘導的腎細胞線粒體超氧化物的形成有關[8]，細胞內蛋白的糖基化是由細胞內葡萄糖降解產物的升高或早期糖基化產物的分解導致中間產物(如乙二醛或甲基乙二醛)的形成而啟動，隨后重排和分裂反應導致了AGEs 的生成。生理狀態(tài)下，這些反應的發(fā)生是緩慢的，然而在高糖狀態(tài)下，加速了AGEs 的形成[9]。

1.2 多元醇代謝通路的活化

多元醇通路的限速酶是醛醣還原酶(aldose reductase，AR)。AR 的活性在正常血糖條件下活性較低，幾乎沒有，血糖持續(xù)升高，對AR 的刺激，可致其活性增高。當細胞處于高糖狀態(tài)時，活化了山梨醇通路，在醛糖還原酶消耗輔酶NADPH的作用下，將葡萄糖還原為山梨醇，隨后氧化為果糖[10]。山梨醇及果糖在細胞內沉積，引起細胞內滲透壓的升高，導致細胞水腫，從而使得細胞功能障礙，引起腎小管及腎小球功能減退，最終發(fā)展為腎小球硬化。

1.3 蛋白激酶C 活性升高

蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)在組織和細胞中存在，由12 個亞型組成，在第二信使的作用下，成為膜結合的酶，參與各類生化反應，如信號轉導、基因表達等[11]。PKC 通路的激活與糖尿病和胰島素抵抗狀態(tài)下視網膜、心血管和腎臟的眾多異常有重要關系[12]。DM 激活PKC 的最主要物質是高血糖、AGEs 和血管緊張素II[13]。PKC 可通過以下4 種途徑促進DN 的發(fā)生：(1)PKC 通過上調生長因子的表達，增加了纖維蛋白及IV 型膠原酶的表達使細胞外基質擴張，促進DN 的發(fā)生；(2)PKC 通過增加血管內皮細胞生長因子的表達，使腎小球毛細血管的通透性增加，導致大量蛋白質的外流，細胞外基質大量蓄積蛋白質，導致腎小球硬化，并出現(xiàn)蛋白尿，最終形成DN；(3)PKC 促進了NADPH 氧化酶的形成，使機體發(fā)生氧化應激，推動了DN 的發(fā)展；(4)PKC 的過度活化，導致AGEs的生成增加，促進DN 發(fā)展[14]。

2 血流動力學的影響

腎臟血流動力學改變是DN 早期的重要病理生理學特點。腎臟長期處于高濾過狀態(tài)，跨毛細血管壁壓力增高，使系膜擴張，上皮細胞足突融合，產生致密小滴，毛細血管靜水壓升高，故腎小球高濾過在糖尿病腎病的發(fā)病機制中起重要的作用[15]。許多細胞因子如生長因子、胰高血糖素、胰島素、血管緊張素II(AngII)等都參與了腎臟高濾過狀態(tài)的形成。腎小球毛細血管可因此增加內皮細胞細胞間粘附分子(Intercellular adhesion molecule，ICAM-1)表達，并與時間強度呈正比關系，ICAM-1 是一種跨膜蛋白，ICAM-1 與炎性反應呈正相關，腎小球毛細血管壓的增高通過內皮細胞產生ICAM-1 的增多顯示，產生腎臟炎性反應，導致DN 的加速發(fā)展[16]。由于高壓狀態(tài)，蛋白濾過與壓力成正相關，蛋白沉積于系膜區(qū)和腎小球基底膜，促進基質增生，形成惡性循環(huán)，造成彌漫性腎小球硬化。

3 脂質代謝紊亂

DN 早期的脂質代謝紊亂主要表現(xiàn)在甘油三酯及膽固醇的升高，終末期可出現(xiàn)極低密度脂蛋白、膽固醇明顯高于正常值[17]。根據相關研究表明，DN 病人的血脂異常能加重蛋白尿的嚴重程度[18]。脂質代謝紊亂導致腎小球損傷的機制較為復雜，大體可分為以下幾種機制：①脂質大量沉積于腎小球細胞，氧化脂質可損傷腎小球上皮細胞，增加基底膜通透性，從而引起蛋白尿的發(fā)生；②脂質還可以導致系膜細胞彌漫性增生，系膜基質合成增加，系膜增寬，趨化形成炎癥細胞，發(fā)生炎癥反應，導致腎小球損傷，引起糖尿病腎病的發(fā)生。

4 細胞因子的參與

目前認為DN 的發(fā)病機制與各種細胞因子有密切關系。Navarro 等研究顯示糖尿病腎病時腎組織內炎性細胞因子等表達增加與腎臟損害程度相關[19]。

4.1 轉化生長因子(TGF-β1)

TGF-β 由多種細胞分泌，TGF-β 信號通過TGF-β I 型和II 型受體傳遞。TGF-β 與II 型受體結合，可激活I 型受體，I 型受體磷酸化后，可以激活Smad 家族成員(Smad2 和Smad3)[20]。激活的Smads 與獨特的co-Smad、Smad4 形成低聚體，并迅速轉移到細胞核中調控靶基因的表達[21]，參與多種生物學進程的調節(jié)。TGF-β1 具有很強的致纖維化作用，被認為對系膜細胞肥大的發(fā)育和細胞外基質(ECM)蛋白的產生至關重要的促硬化因子，該因子不僅刺激ECM 成分的基因表達，促進ECM 合成，而且抑制基質金屬蛋白酶(MMPs)的合成，MMPs 可降解ECM，并刺激金屬蛋白酶抑制劑(TIMP)的產生。因此，TGF-β 是糖尿病腎病中ECM 產生和降解失衡的主要決定因素之一[22]。Ziyadeh 等人的研究中發(fā)現(xiàn)[23]，利用中和抗體長期治療證實TGF-β 抑制劑可改善T2DM 模型小鼠的系膜擴張和腎小球硬化。但是這些保護作用與蛋白尿的顯著減少沒有關聯(lián)，這表明腎小球的病理是由多種作用于不同細胞類型的因素所驅動的。相關研究表明[24],TGF-β1 還可調節(jié)自噬，進而促進腎纖維化，例如DKD。也有研究表明[25]高糖環(huán)境下，腎的部分功能喪失，引發(fā)大量TNF-α 的生成，最終加劇腎臟損害。

4.2 血管內皮生長因子(VEGF)

高糖環(huán)境可以促進血管緊張素轉換酶基因表達，增加VEGF 的表達。VEGF 可以引起血管的病變，其生物學特性包括：①增加血管通透性：VEGF 可以使得腎小球內皮細胞、腎小球基底膜和足細胞這三種屏障成分在DN 中都發(fā)生改變，導致腎小球的結構性改變和大分子的滲透性增加[9]。從而增加蛋白的濾過[26]；②對腎臟肥大的作用：VEGF 對腎小管肥大以及內皮細胞增殖中起到關鍵作用；③生成并維持病理性的新生血管：在糖尿病腎病的早期，VEGF 的表達與新生血管的形成呈正相關。高水平的VEGF 導致內皮細胞過度增殖，刺激巨噬細胞趨化，以及系膜或血管平滑肌細胞激活。

4.3 腫瘤壞死因子(tumornecrosisfactor-α，TNF-α)

TNF-α 主要參與機體正常炎癥反應和免疫反應，屬于炎癥因子，在腎臟固有細胞中也能合成表達，被認為是導致DN的中介物質，尤其對微血管的病變起到關鍵作用。在近端腎小管上皮細胞中，TNF-α 的水平與腎臟損傷呈正相關，其機制主要是通過減少血流量，降低濾過率和增加毛細血管壁的通透性[27]。

5 氧化應激

氧化應激指的是機體在受到有害刺激時，氧化系統(tǒng)導致組織細胞的損傷。氧化應激與糖尿病腎病的發(fā)生機制具有一定的相關性。引起DKD 腎損傷的機制主要有以下幾點：①對腎血流動力學的影響：AGEs 可以與系膜細胞上的RAGE 結合在一起，可通過增加活性氧(reactive oxygen species，ROS)的生成(活性氧包括自由基，如超氧陰離子(·O2-)，羥基陰離子(·OH-)，過氧(·RO2) 和非自由基)，介導AngII 的產生明顯增加。ROS 的形成是葡萄糖誘導細胞毒性的主要機制之一，它可導致重要大分子的氧化(如蛋白質和DNA)。這表明在DM 狀態(tài)下，ROS 可通過AngII 參與腎小球內高壓的形成。②氧化應激可產生大量的自由基，加劇機體的氧化反應，破壞細胞膜的結構和功能，破壞線粒體，引起DNA 的損傷，導致機體的整體損傷[28]。③氧化應激還可以激活PKC、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)以及蛋白酪氨酸激酶(PTK)等相關蛋白酶，引起相關細胞因子的表達，促進了DN 進展。大量臨床研究表明，通過使用NADPH 氧化酶抑制劑可有效減少氧化應激反應，從而減少了蛋白尿的發(fā)生，同時避免發(fā)展為腎小球硬化，減緩了DN 的發(fā)展進程。此外，線粒體產生ATP 向細胞提供能量，線粒體受損導致細胞內ATP 產生不足，破壞了ROS的動態(tài)平衡，特別是·O2-的產生，已被認為是糖尿病并發(fā)癥的主要起始事件[29]。

6 內質網應激內質網應激(endoplasmicreticulumstress，ERS)

是指內質網在有害刺激下，錯誤的合成蛋白質，導致內質網功能障礙[30]。DKD 發(fā)生時，高糖狀態(tài)、氧化應激等都有可能引發(fā)ERS，在DKD 患者中發(fā)揮作用。ERS 干預腎臟細胞的凋亡，被認為是DKD 發(fā)展的重要因素，相關研究表明，高糖狀態(tài)下，促進了足細胞的凋亡[31]。但研究表明[32]，ERS 可能通過引起ROS 失衡導致氧化應激反應致腎損傷。

7 自噬細胞

自噬是對細胞內物質進行高度保守分解代謝的過程，對維持細胞穩(wěn)態(tài)起著關鍵性作用，參與生物的發(fā)育、生長等。細胞自噬主要有三種形式，包括巨自噬(目前研究較為多見)、微自噬和分子伴侶介導的自噬。自噬活動受營養(yǎng)狀態(tài)、細胞內壓力以及激素的調節(jié)[33]。在DKD 患者中可以發(fā)現(xiàn)腎小球細胞和腎小管細胞的自噬功能失調[34]，表明自噬可能參與了DN 的發(fā)展，但其機制尚未完全闡明。

8 外泌體

外泌體(Exosomes)是一種起源于真核細胞的小囊泡，是細胞主動分泌的脂質雙分子層[35]。多種細胞均可分泌外泌體，其通過生物信息分子，調節(jié)細胞活性。根據相關研究表明，外泌體miR-145 可作為早期診斷糖尿病腎病的潛在指標[36]。

8.1 脂肪組織

巨噬細胞(ATM)中RNA 脂肪組織主要由2 大類：棕色脂肪和白色脂肪，主要作用是保持能量穩(wěn)態(tài)。根據相關研究表明[37]，ATM 中的miRNA 導致了胰島素敏感性的降低，引起了2 型糖尿病的發(fā)生，且這些miRNA 可由其他代謝組織(肝臟、腎臟、胰腺、骨骼肌等)釋放和吸收。

8.2 代謝性跨越溝通(MCT)

脂肪組織巨噬細胞與腎臟固有細胞進行MCT，影響腎臟固有細胞。根據相關研究表明[38]，在2 型糖尿病腎病中，棕色脂肪可以通過分泌miRNA 進行MCT，引起腎臟的病理學改變。

8.3 “外泌體”的核心載體作用在DKD 患者中，巨噬細胞與腎臟固有細胞進行MCT 的核心載體，參與各種生理學改變(細胞凋亡、炎癥反應等)，對生理狀態(tài)的維持、疾病的發(fā)展機制具有重要的作用。外泌體參與腎小球系膜細胞損傷，在高糖的環(huán)境下，抑制了外泌體分泌量，外泌體源性的miR-145 表達過度，使得TGF-β1 表達增加，導致了腎小球基底膜增厚、腎小管間質纖維化及表皮生長因子受體下調，引起腎臟的損傷。與此同時，外泌體還參與腎小球足細胞的損傷，在DN 發(fā)展中起到關鍵作用。

9 遺傳學因素

DN 是一種具有明顯遺傳因傾向的多基因疾病，可能與血管緊張素轉化酶基因、血管緊張素轉換原基因等有關[39]，其發(fā)生發(fā)展具有明顯的種族差異以及家族聚集性。值得注意的是，PKCβ1 基因的遺傳變異與T2DM 患者終末期腎臟疾病的發(fā)展有關[40]。

10 討論與展望

DKD 的發(fā)生發(fā)展是由生理因素、遺傳因素、環(huán)境因素共同作用所導致的。隨著糖尿病患者數(shù)量的大幅增加，DN 的患病率也不斷上漲。糖尿病腎病為難治愈型疾病，如不及時治療，DN 發(fā)展到終末期腎病，病情難以控制，只能通過透析或是腎移植的方式來延緩病情的發(fā)展。所以糖尿病腎病的防治對于世界人群健康具有至關重要的作用。