足細胞能量代謝調(diào)節(jié)因子與糖尿病腎病

李佳容 綜述 謝紅浪 審校

糖尿病腎病(DN)是糖尿病的常見慢性并發(fā)癥之一,足細胞功能障礙、脫落和凋亡是DN發(fā)生蛋白尿并進展的重要原因[1]。研究發(fā)現(xiàn),足細胞主要通過糖酵解供能,而維持線粒體穩(wěn)態(tài)對足細胞正常發(fā)揮生物學(xué)功能具有舉足輕重的作用[2]。糖尿病時,足細胞胰島素敏感度下降,線粒體發(fā)生氧化應(yīng)激,自噬功能減退引起足細胞能量代謝障礙和足細胞損傷。AMP激活的蛋白激酶(AMPK)、沉默信息調(diào)節(jié)因子1(SIRTl)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPAR-γ)共激活因子1α(PGC-1α)是足細胞能量代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,AMPK、SIRT1級聯(lián)激活PGC-1α構(gòu)成AMPK/SIRT1/PGC-1α通路,通過改善足細胞能量代謝,維持線粒體穩(wěn)態(tài)并抑制氧化應(yīng)激,保護DN足細胞[3]。三者亦可各自通過增強自噬、調(diào)節(jié)足細胞相關(guān)蛋白等作用保護DN足細胞。本文簡要介紹足細胞能量代謝調(diào)節(jié)因子對足細胞的保護作用和DN相關(guān)的治療策略。

足細胞相關(guān)能量代謝調(diào)節(jié)因子

PGC-1α是維持線粒體穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,可被多種因子激活,包括SIRT1、AMPK、轉(zhuǎn)錄因子EB(TFEB)、丙酮酸激酶M2(PKM2)、?；撬嵘险{(diào)基因1(Tug1)和肝細胞核因子1α(HNF-1α)等。其中,磷酸化的AMPK和去乙?；腟IRT1是PGC-1α活化的最強激活物,而參與炎癥和纖維化的轉(zhuǎn)錄因子抑制PGC-1α的表達[4]。AMPK/SIRT1/PGC-1α通路層級增強PGC-1α的表達并促進PGC-1α磷酸化,改善足細胞能量代謝,并改善線粒體呼吸鏈功能,增加線粒體密度,從而逆轉(zhuǎn)糖尿病引起的足細胞線粒體功能障礙。

AMPKAMPK是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,是足細胞關(guān)鍵的代謝調(diào)節(jié)器和能量傳感器,由AMP/ATP比值決定其活性,當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)激、低血糖、缺氧、缺血和運動等ATP消耗增加、AMP濃度升高的情況時,AMPK活化,促進足細胞營養(yǎng)吸收并增強其分解代謝[5]。研究發(fā)現(xiàn),AMPK通過改善足細胞能量代謝,抑制氧化應(yīng)激,減少足細胞凋亡,促進足細胞肌動蛋白重塑等方式減輕DN足細胞損傷,延緩DN進展。

改善能量代謝 AMPK通過刺激Rac1激活PAK絲氨酸/蘇氨酸激酶,以依賴瞬時受體電位陽離子通道(TRPC)的方式激活Rho激酶下游靶,促進細胞骨架重組,進而促進胰島素介導(dǎo)的足細胞攝取葡萄糖改善足細胞能量代謝[6]。同時,AMPK通過磷酸化乙酰輔酶A羧化酶(ACC)并增加肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT1)的表達,促進脂肪酸氧化并減少脂質(zhì)沉積,進而改善足細胞能量代謝[7]。

抑制氧化應(yīng)激,減少凋亡 AMPK通過下調(diào)NOX4-NAD(P)H氧化酶亞基,減少培養(yǎng)小鼠足細胞中超氧陰離子的產(chǎn)生,減少高血糖引起的活性氧產(chǎn)生增加,進而減少足細胞的損傷和凋亡[8]。此外,激活A(yù)MPK可抑制高血糖引起的mTOR 信號通路活化,增加足細胞自噬,減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,進而減少高糖誘導(dǎo)的足細胞凋亡,延緩DN進展[9]。

促進肌動蛋白重塑 研究表明,AMPK是足細胞肌動蛋白重塑的主要調(diào)節(jié)因子。閉鎖小帶蛋白1(ZO-1)是一種緊密連接蛋白,在足突的裂隙橫隔膜中高度表達,并將裂隙橫膈蛋白與肌動蛋白細胞骨架聯(lián)系起來,激活A(yù)MPK可恢復(fù)高血糖引起的足細胞中ZO-1的易位,降低足細胞對白蛋白的滲透性[10]。

SIRT1SIRT1是一種依賴NAD+的脫乙酰酶,作為細胞內(nèi)營養(yǎng)感受器,通過監(jiān)測NAD+調(diào)節(jié)足細胞代謝和氧化還原狀態(tài),是細胞衰老的重要調(diào)節(jié)劑。SIRT1通過維持線粒體穩(wěn)態(tài),增強足細胞自噬,減少足細胞凋亡,對DN時受損的足細胞發(fā)揮保護作用。

改善線粒體功能 高血糖誘導(dǎo)足細胞線粒體功能障礙和凋亡通路激活:糖尿病小鼠腎組織中SIRT1、PGC-1α、核呼吸因子1(NRF1)和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(TFAM)的表達隨病程延長而逐漸降低,并伴有線粒體腫脹、線粒體嵴紊亂、消失,足細胞形成空泡[11],此時足細胞線粒體ROS生成增加,線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ和Ⅲ活性降低,線粒體膜電位降低,促凋亡因子細胞色素C(CytC)和第二個線粒體衍生的半胱氨酸蛋白酶激活劑/低等電點凋亡抑制因子(IAP)結(jié)合蛋白(Smac-DIABLO)釋放,含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶3(caspase3)激活,進而促進足細胞凋亡。雷公藤多苷干預(yù)后,SIRT1、PGC-1α、NRF1和TFAM表達上調(diào),進而改善糖尿病小鼠足細胞內(nèi)線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常及足突融合,并通過改善呼吸鏈復(fù)合物活性,提高線粒體膜電位,抑制線粒體凋亡通路的激活,維持線粒體穩(wěn)態(tài),進而減少足細胞凋亡[12]。

增強足細胞自噬 自噬是指分解和回收不必要的或功能失調(diào)的細胞成分,是一個可調(diào)控的過程。足細胞是終末分化細胞,需要高水平的自噬清除細胞內(nèi)受損的細胞器和活性氧等異常物質(zhì)。SIRT1是自噬的正調(diào)節(jié)因子,通過去乙酰化細胞核中的FoxO1和FoxO3以及胞質(zhì)中自噬體膜形成和伸長所必需的自噬相關(guān)蛋白5(ATG5)、ATG7和ATG8來恢復(fù)自噬,激活的SIRT1恢復(fù)了FoxO3的表達,FoxO3正向調(diào)節(jié)Bcl2腺病毒E1B19ku相關(guān)蛋白3(BNIP3)從而增強db/db小鼠足細胞自噬作用[13]。

抑制氧化應(yīng)激,減少凋亡 高血糖通過NADPH氧化酶和線粒體途徑引起足細胞線粒體ROS合成增多,SIRT1抑制這一過程。同時SIRT1抑制促凋亡因子p38促分裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)和半胱天冬酶3的表達,減少足細胞凋亡[14]。此外,激活SIRT1能夠抑制FoxO4的表達,減少 Bcl2L11的表達,減少晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGE)異常積聚誘導(dǎo)的足細胞凋亡,進而保護足細胞[15]。

PGC-1αPGC-1α是線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子,多項研究表明,PGC-1α通過促進線粒體生物合成并調(diào)節(jié)足細胞相關(guān)蛋白,減少DN蛋白尿,延緩DN進展。

促進線粒體生物合成 PGC-1α通過上調(diào)線粒體DNA增殖和關(guān)鍵線粒體轉(zhuǎn)錄因子NRF1/2和TFAM的表達來增加線粒體的生物合成。PGC-1α與PPAR、NRF1/2等轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合促進脂肪酸氧化和調(diào)節(jié)線粒體動力和能量供應(yīng),促進線粒體生物合成,維持線粒體自身穩(wěn)定[3]。研究發(fā)現(xiàn),PGC-1α靶標(biāo)過度表達可保護足細胞免受高血糖介導(dǎo)的呼吸復(fù)合體活性的降低,線粒體膜電位的改變,維持線粒體穩(wěn)態(tài),減少糖尿病小鼠的蛋白尿。

調(diào)節(jié)足細胞相關(guān)蛋白 nephrin是裂隙隔膜的組成成分,同時起到信號分子的作用。上調(diào)PGC-1α可恢復(fù)減弱的nephrin表達進而維持縫隙橫隔膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,并促進nephrin與磷脂酰肌醇3-羥基激酶(PI3K)的P85調(diào)節(jié)亞基結(jié)合,刺激足細胞中依賴于PI3K的AKT信號,增加足細胞的存活率[16]。此外,研究還發(fā)現(xiàn)PGC-1α可能通過恢復(fù)足細胞標(biāo)志蛋白(podocalyxin)正常表達來維持足細胞結(jié)構(gòu)的完整性,延緩DN進展[16]。

DN時足細胞能量調(diào)節(jié)因子變化

糖尿病時持續(xù)的代謝紊亂抑制PGC-1α的活性并干擾下游的信號級聯(lián)[17],導(dǎo)致足細胞線粒體功能紊亂,足細胞相關(guān)蛋白表達減少,引起足細胞損傷,濾過屏障受損,加重DN蛋白尿[18]。

炎癥和纖維化的轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)高血糖通過上調(diào)包括Toll樣受體4(TLR4)和核因子等炎癥相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子來降低PGC-1α表達。隨著PGC-1α表達降低,腎小球關(guān)鍵足細胞基因nephrin、足突蛋白(podocin)等表達減少,裂隙隔膜和足細胞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被破壞,腎小球濾過屏障受損,從而導(dǎo)致蛋白尿[19]。

Tug1下調(diào)Tug1結(jié)合于PGC-1α(PPARGC1A)位點的上游,增強Tug1可以增強PGC-1α的表達,同時Tug1與PGC-1α相互作用進一步增加了PGC-1α的表達[20]。高血糖通過減少Tug1的長鏈非編碼RNA降低了PGC-1α的表達。

PKM2下調(diào)實驗發(fā)現(xiàn),敲除糖酵解相關(guān)因子PKM2的小鼠,其DN癥狀更為嚴(yán)重,同時,PKM2激活劑導(dǎo)致PGC-1α表達增加,并逆轉(zhuǎn)了高血糖誘導(dǎo)的線粒體功能障礙[21]。即高血糖降低足細胞PKM2的表達,引起PGC-1α表達降低,導(dǎo)致足細胞線粒體功能障礙,引起足細胞損傷。

圖1 AMPK、SIRT1、PGC-1α保護DN足細胞的機制及糖尿病對其的影響AMPK:AMP激活的蛋白激酶;SIRT1:沉默信息調(diào)節(jié)因子1;PGC-1α:過氧化物酶體增殖物激活受體共激活因子1α;TLR4:Toll樣受體4;NF:核因子;PKM2:M2型丙酮酸激酶;Tug1:?；撬嵘险{(diào)基因1;紅色虛線為糖尿病對足細胞調(diào)節(jié)因子的改變

治療策略

二甲雙胍二甲雙胍是2型糖尿病患者最佳的初始治療方案,也是各種指南推薦的一線降糖藥。研究發(fā)現(xiàn),二甲雙胍通過足細胞能量代謝調(diào)節(jié)因子發(fā)揮保護DN足細胞的作用。

減輕氧化應(yīng)激 NAD(P)H氧化酶是足細胞中負責(zé)產(chǎn)生ROS的中心酶,高糖環(huán)境下,NAD(P)H氧化酶被過度激活。二甲雙胍降低胞外ATP酶的活性,使細胞外ATP濃度增加,激活嘌呤能P2受體,進而激活A(yù)MPK并抑制NAD(P)H氧化酶,減少ROS的產(chǎn)生,減輕足細胞氧化應(yīng)激[22]。

促進足細胞相關(guān)蛋白正常表達 其一,二甲雙胍使高血糖抑制的nephrin、podocalyxin表達正?；?進而維持足細胞和裂隙隔膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,并提高足細胞存活率;其二,突觸素(synaptophysin)是足細胞中肌動蛋白細胞骨架的基本調(diào)節(jié)器,二甲雙胍恢復(fù)了高糖誘導(dǎo)的Synaptophysin減少,減輕了足突消失。其三,DN時鈣離子通過TRPC6過度進入足細胞可能導(dǎo)致足細胞損傷和凋亡,在培養(yǎng)的足細胞中,二甲雙胍通過激活A(yù)MPK使高糖誘導(dǎo)的TRPC6過度表達下調(diào)[23]。與此相一致的是,有研究表明在具有Dahl鹽敏感背景的鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠中,缺失TRPC6可產(chǎn)生足細胞保護作用。

減輕炎癥反應(yīng) 研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍降低糖尿病大鼠炎癥標(biāo)志物腫瘤壞死因子(TNF-α)和白細胞介素6(IL-6)的表達水平,減輕足細胞炎癥反應(yīng),延緩DN進展。

增強自噬保護足細胞 研究表明,二甲雙胍通過AMPK/SIRT1-FOXO途徑上調(diào)SIRT1導(dǎo)致SIRT1底物FoxO1上調(diào),FoxO1易位到細胞核,增強自噬,減少腎臟的氧化應(yīng)激,減少細胞外基質(zhì)蛋白的表達并改善腎小球濾過屏障功能[24]。然而,上述研究都沒有涉及二甲雙胍是否能增強足細胞的自噬,故二甲雙胍是否增強足細胞自噬,目前尚不明確。

圖2 二甲雙胍對DN足細胞的保護作用[17]TNF-α:腫瘤壞死因子α;IL-6:白細胞介素6;AMPK:AMP激活的蛋白激酶;SIRT1:沉默信息調(diào)節(jié)因子1;TRPC6:瞬時受體電位陽離子通道蛋白6

血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑(ACEI)/血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)受體拮抗劑(ARB)ACEI/ARB可降低蛋白尿, 改善DN患者預(yù)后[25]。研究發(fā)現(xiàn),Ang Ⅱ引起SIRT1 表達失調(diào),并導(dǎo)致SIRT1下游靶標(biāo)的乙酰化。同時,Ang Ⅱ促進p38 MAPK在DN的足細胞中高表達,加重足細胞凋亡。動物實驗表明,奧美沙坦逆轉(zhuǎn)了雄性db/db小鼠SIRT1下調(diào),并抑制p38MAPK在足細胞中的表達,減少了足細胞凋亡[26]。

大黃酸動物實驗發(fā)現(xiàn),腎組織中SIRT1的表達與通過高糖高脂飼養(yǎng)聯(lián)合小劑量鏈脲佐菌素建立 2 型DN大鼠模型24h尿蛋白定量和腎小球體積呈負相關(guān),大黃酸可通過增加腎組織 SIRT1表達,降低蛋白尿并改善糖尿病大鼠腎臟病理損傷[27]。

雷公藤多苷循證醫(yī)學(xué)研究表明,雷公藤多苷能有效降低蛋白尿、血清肌酐和血尿素氮水平。體內(nèi)實驗研究表明,雷公藤提取物通過維持線粒體穩(wěn)態(tài),減輕炎癥反應(yīng)進而改善腎小球肥大和足細胞損傷,延緩DN進展,該作用亦在體外實驗中得到證實。

改善線粒體功能 雷公藤多苷可上調(diào)SIRT1、PGC-1α和TFAM表達,改善線粒體結(jié)構(gòu)和功能,維持線粒體穩(wěn)態(tài);同時,缺氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1)是唯一能在缺氧條件下發(fā)揮生物活性的特異性轉(zhuǎn)錄因子,參與調(diào)節(jié)足細胞氧穩(wěn)態(tài),雷公藤多苷抑制高糖誘導(dǎo)的HIF-1的表達增加,進而減輕線粒體氧耗,抑制足細胞凋亡[28]。

減輕炎癥反應(yīng) 雷公藤多苷抑制TNF-α引起的炎癥因子的黏附、聚集和微血管損傷,并抑制依賴NF-κB途徑的炎癥反應(yīng),進而改善高糖誘導(dǎo)的足細胞遷移,降低足細胞蛋白濾過,保護腎小球濾過屏障。

胃腸道反應(yīng)、肝臟損害、月經(jīng)紊亂、生殖問題、皮膚不良反應(yīng)、血液事件、心血管事件和腎毒性等副反應(yīng),限制了雷公藤在DN的應(yīng)用,因此需要優(yōu)化提取方法,改變其劑型和給藥方式,降低毒性[28]。

潛在治療策略動物研究發(fā)現(xiàn),一些中草藥通過改善足細胞能量代謝,改善線粒體功能,抑制足細胞氧化應(yīng)激等方式,調(diào)節(jié)足細胞線粒體能量代謝,進而保護DN足細胞。

紅景天苷可上調(diào)SIRT1、PGC-1α、nephrin和podocin的表達,減輕鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠腎臟結(jié)構(gòu)和功能的損傷,降低了小鼠尿白蛋白、血尿素氮和血清肌酐[29];小檗堿恢復(fù)了培養(yǎng)足細胞中CPT1的表達,改善足細胞能量代謝,并通過AMPK/PGC-1α途徑增加PGC-1α的表達,改善db/db小鼠和棕櫚酸誘導(dǎo)的足細胞中PGC-1α的降低,進而改善足細胞線粒體功能,減輕足細胞損傷[30];此外白藜蘆醇改進后的選擇性SIRT1激動劑BF175治療6周,可顯著抑制OVE26轉(zhuǎn)基因小鼠(1型糖尿病模型)DN的進展。

小結(jié):AMPK、SIRT1、PGC-1α作為足細胞能量調(diào)節(jié)因子,構(gòu)成AMPK/SIRT1/PGC-1α通路通過調(diào)節(jié)足細胞能量代謝、改善線粒體功能和抑制氧化應(yīng)激等方式保護DN足細胞。三者亦可各自通過增強自噬、調(diào)節(jié)足細胞相關(guān)蛋白等方式抑制足細胞凋亡。在糖尿病時PGC-1α表達受抑制,二甲雙胍、ACEI/ARB、大黃酸和雷公藤多苷等經(jīng)典藥物通過上調(diào)SIRT1等因子的表達,維持線粒體穩(wěn)態(tài),抑制氧化應(yīng)激來延緩DN進展。一些中藥制劑在體外研究中取得結(jié)果,但仍需臨床研究證實。