腎上皮細(xì)胞損傷與腎結(jié)石Randall斑塊形成

楊 雄，靳瀟瀟，何文強(qiáng)

(1.河南中醫(yī)藥大學(xué), 河南 鄭州 450046; 2.河南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院, 河南 鄭州 450003)

泌尿系結(jié)石是一種常見的疾病，晶體物質(zhì)游離或附著在腎乳頭上是結(jié)石形成的基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)全世界結(jié)石的發(fā)病率正在上升[1]。在結(jié)石形成因素里，代謝類相關(guān)疾病被認(rèn)為是結(jié)石形成常見的危險(xiǎn)因素[2]。腎結(jié)石(kidney stones)由有機(jī)物和晶體聚集組成，在尿液相關(guān)物質(zhì)過飽和的情況下形成。草酸鈣是大多數(shù)結(jié)石的主要成分，其中許多是在Randall斑塊(Randall’s plaque)的磷酸鈣基礎(chǔ)上形成的，Randall斑塊存在于腎乳頭細(xì)胞表面。目前腎上皮細(xì)胞損傷與Randall斑塊兩者之間的關(guān)系并沒有研究給予以說明。本文對(duì)近幾年兩者之間關(guān)系的研究現(xiàn)狀展開綜述，以便為草酸鈣結(jié)石的臨床診療提供相應(yīng)的參考。

1 Randall斑塊形成理論

在腎結(jié)石形成機(jī)制一系列學(xué)說中， Randall斑塊學(xué)說目前得到普遍的認(rèn)可。對(duì)患有腎結(jié)石病變的腎乳頭研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)特異性鈣結(jié)石附著在Randall斑塊基礎(chǔ)上形成的[3]， 并證實(shí)了庫(kù)克(Cooke CR)關(guān)于Henle環(huán)(Henle’s loop)基底膜參與Randall斑塊形成的結(jié)論。Henle環(huán)由降支細(xì)段、升支細(xì)段和升支粗段組成，通過逆流倍增和交換機(jī)制從尿液中回收水和溶質(zhì)，降支細(xì)段和升支細(xì)段上皮細(xì)胞較少，細(xì)胞器相對(duì)較少，因而代謝水平低。然而升支粗段上皮細(xì)胞較多，細(xì)胞的代謝活性較強(qiáng)，Henle環(huán)粗大的上升支在腎臟的水和電解質(zhì)處理以及維持酸堿平衡中起著核心作用，并通過鈉鉀泵及Na+-K+-2Cl-同向轉(zhuǎn)運(yùn)體(Na+-K+-2Cl-cotransporter type2，NKCC2)發(fā)揮作用。Henle環(huán)升支粗段通過細(xì)胞旁途徑對(duì)鈣重吸收[4]，新近研究的結(jié)果表明鈣敏感受體(calcium sensing receptor，CaSR)直接調(diào)節(jié)緊密連接蛋白claudin-14和claudin-16的表達(dá)[5]，進(jìn)而促進(jìn)對(duì)鈣的重吸收。Henle環(huán)升支粗段鈣敏感受體及緊密連接蛋白的缺乏，將導(dǎo)致高鈣尿癥和結(jié)石的形成。誘發(fā)Randall斑塊成的兩個(gè)關(guān)鍵因素是尿量和尿液成分，升高的尿鈣刺激磷酸鈣(calcium phosphate，CaP)晶體形成，該晶體破壞腎小管上皮細(xì)胞促進(jìn)腎間質(zhì)內(nèi)聚集形成栓塞和斑塊，或通過尿液排出體外[6]。尿液中草酸鈣結(jié)晶、感染或其他原因引起腎上皮細(xì)胞的損傷，使Randall斑塊暴露于異常尿液的環(huán)境中，導(dǎo)致斑塊表面與尿液中的草酸、鈣離子的結(jié)合，進(jìn)而有利于草酸鈣結(jié)石形成。Randall斑塊是在腎小管上皮細(xì)胞下形成的沉淀物，上皮組織被破壞及晶體的形成是草酸鈣結(jié)石形成的重要一步。隨著時(shí)間的推移，持續(xù)暴露在這種環(huán)境中有助于晶體附著，并促進(jìn)結(jié)石的生長(zhǎng)和保留。

2 腎上皮細(xì)胞成骨樣改變與斑塊

通過對(duì)斑塊形成的臨床和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，血管鈣化與Randall斑塊存在相似性形成機(jī)制。Randall斑塊的形成機(jī)制可能與上皮細(xì)胞的損傷、缺氧、高滲等刺激有關(guān)，從而促進(jìn)腎上皮細(xì)胞向成骨樣細(xì)胞分化[7]。隨著對(duì)尿液成分的深入研究，高草酸尿癥、高鈣尿癥、低檸檬酸尿癥和低焦磷酸尿癥會(huì)造成腎上皮細(xì)胞處于異常環(huán)境中，促使腎上皮細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化。通過對(duì)雄性使用羥基脯氨酸(hydroxy-l-proline，HLP)誘導(dǎo)高草酸尿癥和小管內(nèi)草酸鈣晶體沉積的大鼠模型中[8],對(duì)全基因組分析發(fā)現(xiàn)上皮細(xì)胞脫分化為成骨細(xì)胞的病理改變，發(fā)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(bone morphogenetic proteins 2，BMP2)、相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(related transcription factors 2，RUNX2)、骨橋蛋白(osteopontin，OPN)等相關(guān)因子增加。鑒于以上研究推測(cè)：黏附在腎小管細(xì)胞上的草酸鈣晶體通過骨橋蛋白的參與而結(jié)合到細(xì)胞中，晶體細(xì)胞黏附的刺激損害了管狀細(xì)胞中線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的開放，并產(chǎn)生氧化應(yīng)激、凋亡和骨橋蛋白表達(dá)，從而造成腎上皮細(xì)胞的損傷。將人腎近端小管上皮細(xì)胞暴露于磷酸鈣中[9]，在培養(yǎng)物中也誘導(dǎo)了CaP沉積。這些細(xì)胞聚集形成結(jié)節(jié)，以凋亡細(xì)胞和晶體沉積的形式存在，并表達(dá)一些成骨標(biāo)志物，如RUNX2、骨連接蛋白、骨橋蛋白和堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)。在用草酸鈣處理體外腎上皮細(xì)胞模型和體內(nèi)培養(yǎng)的小鼠腎結(jié)石模型中，骨橋蛋白表達(dá)量的增加與Randall斑塊的形成有密切聯(lián)系[10]。其中一些上調(diào)的基因產(chǎn)物在上皮細(xì)胞成骨樣改變中起作用，包括骨橋蛋白和骨鈣素等物質(zhì)。骨橋蛋白是一種成骨性標(biāo)志蛋白，也具有礦化調(diào)節(jié)劑的作用，在腎結(jié)石的形成中起這重要的作用。它既可以作為晶體成核和生長(zhǎng)的抑制劑，也可以作為鈣化晶體成核的促進(jìn)劑，而且是動(dòng)脈粥樣硬化斑塊、Randall斑塊、結(jié)石和晶體中普遍存在的成分。這些研究進(jìn)一步表明，尿液中草酸，鈣離子可導(dǎo)致腎上皮細(xì)胞的損傷，并促進(jìn)成骨樣相關(guān)因子及蛋白質(zhì)表達(dá)增加，使上皮細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化，有利于腎小管上皮細(xì)胞基底膜形成鈣化晶體和Randall斑塊，為腎結(jié)石的形成提供條件。

3 活性氧和炎性反應(yīng)與斑塊

正常情況下細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在生成活性氧(reactive oxygen species,ROS)的體系和拮抗其生成的抗氧化劑體系，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ROS生成增多，通過生物膜脂質(zhì)過氧化、線粒體功能異常引起細(xì)胞的損傷，ROS的過度產(chǎn)生導(dǎo)致氧化應(yīng)激，這與許多疾病有關(guān)。腎小管液中草酸鈣和磷酸鈣結(jié)晶的增加激活腎上皮細(xì)胞中的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶的產(chǎn)生，NADPH氧化酶與p47phox等6種亞基結(jié)合，形成具有活性的氧化酶復(fù)合體，并促進(jìn)大量活性氧(ROS)向腎小管上皮細(xì)胞的釋放[11]。草酸鈣等物質(zhì)引起細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)也可以通過線粒體膜電位的改變產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞色素C釋放到胞質(zhì)溶膠中并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[12]。在探究條斑紫菜多糖(porphyra yezoensis polysaccharide,PYP)對(duì)草酸鹽誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激介導(dǎo)的腎小管上皮細(xì)胞(HK-2)損傷的修復(fù)作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)PYP降低了草酸鹽介導(dǎo)的乳糖脫氫酶釋放、活性氧生成和細(xì)胞內(nèi)Ca2+的水平、線粒體膜電位的損失，進(jìn)而修復(fù)受損細(xì)胞、抑制晶體黏附和聚集來抑制腎結(jié)石的形成[13]，PYP可作為一種抗氧化劑用來預(yù)防腎上皮細(xì)胞的損傷及結(jié)石的形成。以上研究表明，活性氧參與腎小管上皮細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷，活性氧可以使線粒體膜發(fā)生異常，使跨膜電位降低，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生凋亡。當(dāng)晶體誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞發(fā)生凋亡時(shí)，晶體的黏附力顯著增加促進(jìn)Randall斑塊的形成。因此，草酸鈣晶體誘導(dǎo)的腎小管上皮細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷和凋亡在腎結(jié)石的形成中起著重要的作用。

在使用微陣列和免疫組織學(xué)來比較23例草酸鈣結(jié)石患者(年齡和性別匹配)腎乳頭狀Randall斑塊(renal papillary,RP)、非RP組織及7名對(duì)照組正常乳頭狀組織的基因表達(dá)。透射電鏡顯示RP內(nèi)部和周圍均有OPN和膠原蛋白表達(dá)[14]，RP組織中脂質(zhì)運(yùn)載蛋白-2(lipocalin-2,LCN-2)、白介素-11(interleukin-11,IL-11)、環(huán)加氧酶-1(cyclooxygenase-1,PTGS-1)、谷胱甘肽過氧化物酶-3(glutathione peroxidase-3，GPX3)、單核細(xì)胞向巨噬細(xì)胞分化(monocyte to macrophage differentiation，MMD)上調(diào)，這些基因與激活的絲裂原活化蛋白激酶、Akt/磷脂酰肌醇3激酶通路以及導(dǎo)致腎臟損傷和氧化應(yīng)激的促炎細(xì)胞因子相關(guān)。與正常非斑塊組織相比，Randall斑塊腎組織中免疫細(xì)胞的數(shù)量和細(xì)胞凋亡水平也增加。這些發(fā)現(xiàn)表明腎上皮細(xì)胞發(fā)生炎性反應(yīng)、氧化應(yīng)激和凋亡與CaP晶體的沉積和Randall斑塊的形成有關(guān)。

4 巨噬細(xì)胞與斑塊

尿液中草酸、鈣離子異常是腎結(jié)石發(fā)病的危險(xiǎn)因素，可誘發(fā)腎上皮細(xì)胞的損傷，促進(jìn)管腔內(nèi)晶體的形成，附著的晶體可以通過尿液排出體外，也可以被保留并附著在腎上皮細(xì)胞上。在對(duì)乙二醇致大鼠鈣性腎結(jié)石模型進(jìn)行研究中發(fā)現(xiàn)[15]，小管內(nèi)腎晶體沉積的數(shù)量在第6天達(dá)到峰值，并且在第15天檢測(cè)不到，這一過程解釋了正常腎小管具有晶體清除能力。對(duì)腎結(jié)石患者腎乳頭組織中表達(dá)基因的分析顯示，結(jié)石的形成與炎性巨噬細(xì)胞表型(也稱為M1表型)相關(guān)的基因上調(diào)和抗炎性巨噬細(xì)胞表型(也稱為M2表型)相關(guān)的基因下調(diào)有關(guān)[16]。初期暴露在晶體中會(huì)使巨噬細(xì)胞向抗炎表型分化，抗炎巨噬細(xì)胞通過溶酶體加工吞噬和破壞晶體。然而，長(zhǎng)時(shí)間暴露在晶體中可能會(huì)使巨噬細(xì)胞向促炎表型分化，炎性巨噬細(xì)胞可產(chǎn)生大量ROS,進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞釋放炎性因子，這些反應(yīng)的直接導(dǎo)致了腎小管上皮細(xì)胞的損傷[17]。因此，巨噬細(xì)胞在炎性細(xì)胞因子長(zhǎng)期刺激下，使巨噬細(xì)胞向促炎性巨噬細(xì)胞分化。促炎性巨噬細(xì)胞增加的同時(shí)抗炎性巨噬細(xì)胞的減少將進(jìn)一步維持炎性反應(yīng)微環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)晶體成核和黏附，從而導(dǎo)致Randall斑塊的形成。

5 長(zhǎng)鏈非編碼RNA與Randall斑塊

隨著對(duì)基因組的深入研究，大量的長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，IncRNA)被發(fā)現(xiàn)，IncRNA的突變或失調(diào)與疾病的發(fā)生和發(fā)展有密切的關(guān)系。H19是最早鑒定和最具特征的長(zhǎng)鏈非編碼核糖核酸之一，研究表明H19參與炎性反應(yīng)調(diào)節(jié)并誘導(dǎo)組織損傷[18]。在乙醛酸誘導(dǎo)的草酸鈣腎結(jié)石小鼠模型中，長(zhǎng)鏈非編碼RNA-H19表達(dá)顯著增加，并與HMGB1、TLR4和NF-κB信號(hào)通路表達(dá)炎性反應(yīng)因子呈正相關(guān)[19]，炎性反應(yīng)因子表達(dá)的增加誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激、NADPH氧化酶和腎小管上皮細(xì)胞損傷。H19被認(rèn)為是一種炎性反應(yīng)調(diào)節(jié)劑，在腎小管上皮細(xì)胞損傷及在晶體黏附中其促進(jìn)作用。最近的研究發(fā)現(xiàn)，在一水草酸鈣(calcium oxalate monohydrate，COM)處理的人類近端腎小管上皮細(xì)胞(HK-2)中有9種高表達(dá)的IncRNAs，其中長(zhǎng)鏈非編碼編RNA339(LINC00339)表現(xiàn)出最高的上調(diào)水平[20]，LINC00339在腎結(jié)石的形成中存在潛在作用。用草酸鈣處理人近端腎小管上皮細(xì)胞建立體外腎小管損傷的細(xì)胞模型[21]，發(fā)現(xiàn)LINC00339有miR-22-3p的結(jié)合位點(diǎn)，且NLRP3的mRNA中包含miR-22-3p結(jié)合序列，NLRP3被認(rèn)為是miR-22-3p的靶基因，進(jìn)行熒光素酶報(bào)告分析以驗(yàn)證miR-22-3p結(jié)合LINC00339或NLRP3。LINC00339的表達(dá)水平升高，NLRP3炎性小體促進(jìn)炎性因子增加，進(jìn)一步增加腎小管上皮細(xì)胞損傷。腎上皮細(xì)胞的損傷可誘導(dǎo)炎性反應(yīng)和巨噬細(xì)胞的發(fā)生，進(jìn)而促進(jìn)Randall斑塊的形成。因此，發(fā)現(xiàn)H19、LINC00339可能是腎結(jié)石治療中保護(hù)腎細(xì)胞的有效治療靶點(diǎn)。

6 治療

血脂異常(心血管疾病的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素)的患者患腎結(jié)石的風(fēng)險(xiǎn)很高。他汀類藥物(抗感染和降低膽固醇藥物)與結(jié)石形成風(fēng)險(xiǎn)降低相關(guān)，他汀類藥物通過提高一氧化氮的生物利用度和降低氧化應(yīng)激來保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞，從而降低腎小管上皮細(xì)胞的損傷[22]。另一項(xiàng)研究表明使用他汀類藥物的患者更有可能接受噻嗪類利尿劑治療，噻嗪類藥物作用于遠(yuǎn)端腎小管和近端小管，增加鈣的吸收，從而減少尿鈣的排泄，使鈣鹽在腎小管上的沉積減少[23]。這些藥有可能是未來治療和預(yù)防腎結(jié)石的重要策略之一。

最近一項(xiàng)結(jié)石病的免疫治療發(fā)現(xiàn)[24]，促進(jìn)巨噬細(xì)胞向抗炎表型的極化，將抑制炎性反應(yīng)發(fā)生并減少了草酸鈣晶體沉積。用ASC-J9(一種促進(jìn)雄激素受體降解的藥物)治療高草酸尿大鼠中，與對(duì)照組相比晶體的量明顯減少，雄激素受體通過增加微小核糖核酸miR-185-5p的表達(dá)間接調(diào)節(jié)M2極化因子巨噬細(xì)胞集落刺激因子1(colony-stimulating factor 1，CSF-1)的表達(dá)，miR-185-5p是一種小的非編碼核糖核酸，負(fù)調(diào)節(jié)CSF-1的翻譯[25]。因此ASC-J9作為一種結(jié)石治療藥物可促進(jìn)M2極化并減少腎臟中的晶體沉積。然而此療法僅在大鼠體內(nèi)研究應(yīng)用，還需要長(zhǎng)期臨床試驗(yàn)證明是否對(duì)腎結(jié)石的發(fā)生產(chǎn)生效果。

7 問題與展望

目前對(duì)于Randall斑塊形成的學(xué)說眾多，但是確切的形成機(jī)制尚未明確，而且研究基于對(duì)患者腎結(jié)石的檢查以及動(dòng)物和細(xì)胞培養(yǎng)模型所了解得到的，目前缺乏一種真正代表腎小管上皮細(xì)胞下斑塊的草酸鈣結(jié)石動(dòng)物模型。Randall斑塊與結(jié)石的形成是一個(gè)多步驟過程，其中腎上皮細(xì)胞損傷對(duì)結(jié)石形成具有重要的作用。然而腎上皮細(xì)胞的改變對(duì)Randall斑塊形成的研究是一個(gè)初級(jí)階段，還需要繼續(xù)研究Randall斑塊形成機(jī)制(代謝、基因及相關(guān)信號(hào)通路等方面)及對(duì)各種學(xué)說的驗(yàn)證。以ROS和NLRP3炎性小體相關(guān)信號(hào)通路為靶點(diǎn)介導(dǎo)的氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)作為細(xì)胞的防御機(jī)制，與結(jié)石的聯(lián)系被越來越多的研究所證實(shí)。因此，未來針對(duì)相關(guān)通路和基因進(jìn)行調(diào)控，可能有助于確定治療方案和預(yù)防腎結(jié)石的發(fā)生。