糖尿病腎病足細胞損傷病理機制及信號通路的研究進展

王晨曦綜述 王子瑞，俞瀾 審校

1.西北民族大學，甘肅 蘭州 730000；

2.甘肅省第二人民醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

足細胞作為一種獨特的上皮細胞，是形成腎小球濾過屏障的一個主要部分。有研究表明：足細胞損傷導致濾過屏障破壞和相關膜蛋白的缺失是糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)產(chǎn)生蛋白尿的中心環(huán)節(jié)[1]。一項對糖尿病腎病患者腎活檢的病理發(fā)現(xiàn)，糖尿病腎病患者足細胞的損傷與引起上皮細胞和支持細胞功能障礙直接關聯(lián)[2]。由于足細胞具有不可再生的特點，當足細胞因各種因素導致不可逆的損傷時，腎小球濾過功能就會出現(xiàn)障礙，隨即引發(fā)一系列的腎功能不全的臨床癥狀。本文概述了足細胞結構和功能受損在糖尿病腎病進展中關鍵作用，著眼于足細胞損傷相關信號通路的研究進展，通過對足細胞損傷的分子生物學機制的綜述，旨在闡明足細胞損傷在糖尿病腎病關鍵作用，也為臨床治療提供參考價值。

1 足細胞概述

1.1 足細胞結構和功能足細胞即腎小囊臟層上皮細胞，是組成腎小球濾過屏障的一個主要部分。腎小球濾過屏障由外向內(nèi)分別由足細胞及足突間的裂孔隔膜、腎小球基底膜(GBM)和有窗孔的內(nèi)皮細胞組成，是血漿蛋白濾過的最后一道屏障(圖1)。當糖尿病患者自身處在高糖狀態(tài)，會導致構成濾過屏障的3層中任一層結構和電荷屏障功能受損，腎小球濾過功能發(fā)生障礙，產(chǎn)生蛋白尿，加快了DN的進展。多項研究證據(jù)也證實上述功能的異?？赡芘c足細胞的損傷相關，也就是說足細胞的結構和功能遭到破壞有可能是糖尿病進展引發(fā)DN的主要因素[3-5]。

圖1 腎小球濾過隙膜蛋白的模式圖Figure1 Pattern of glomerular filtration gap membraneprotein

2 足細胞損傷的病理機制

2.1 足細胞肥大早期DN足細胞肥大的病理機制比較復雜。有研究發(fā)現(xiàn)，腎小球足細胞肥大與DN的進展有關[6]。在此方面，絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)通路、轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)通路以及AngⅡ?qū)ο的せ|(zhì)作用可能存在潛在的靶向價值。高糖刺激下，AngⅡ通過ROS提高激酶ERK1/2和Akt/PKB的蛋白表達來激活TGF-β信號通路，或通過激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)上調(diào)CKI的蛋白表達，導致腎小球足細胞肥大[7]。此外，高糖還通過激活IL-6/Gp130-JAK/STAT3信號通路誘導足細胞肥大(圖2)[8]。在DN早期足細胞肥大仍可代償腎小球的高濾過，這將更有利于更大面積覆蓋GBM的裸露區(qū)域，但因足細胞是終末分化細胞不再增殖的特點，長期高濃度糖環(huán)境，進一步會導致糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)增多在體內(nèi)蓄積，從而激活激活腎素-血管緊張素系統(tǒng)(RAAS)加重足細胞的肥大，與腎小球高濾過壓力相伴行最終導致足細胞損傷。

圖2 高糖上調(diào)TGF-β、mTOR、AngⅡ、AGEs和整合素相關激酶(ILK)通路并激活p27Kip1、MAPK、Akt/PKB和NADPH的表達導致足細胞肥大的模式圖Figure 2 High glucose upregulates TGF-β,mTOR,AngⅡ,AGEs and integrin-related kinase(ILK)pathways and activates the expression of p27Kip1,MAPK,Akt/PKB and NADPH leading to podocytehypertrophy

2.2 足細胞上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)足細胞損傷過程中EMT現(xiàn)象的出現(xiàn)，是足細胞作為骨架分子所構成濾過膜屏障破壞的一種表現(xiàn)。Liu[9]發(fā)現(xiàn)在DN進展過程中，腎臟上皮標志物表達缺失，間充質(zhì)標志物表達上調(diào)，出現(xiàn)了多種類型的腎病表型。Loeffler等[10]也發(fā)現(xiàn)了腎小管上皮細胞和足細胞在發(fā)病的48~72 h暴露于升高的葡萄糖水平或受到其他糖尿病因刺激后，會導致E-cadherin和ZO-1的蛋白質(zhì)表達減少，相反地轉(zhuǎn)化蛋白(如α-SMA和波形蛋白)的表達增加，足細胞足突消失，濾過隙膜處肌動蛋白細胞骨架重排，致使蛋白丟失。而且高糖環(huán)境下足細胞發(fā)生EMT考慮可能與TGF-β/Smad經(jīng)典途徑、Wnt/β-catenin信號通路以及ILK信號通路相關，每條通路之間都構成互作網(wǎng)絡(圖3)。

圖3 高糖激活TGF-β、ILK和Wnt/β-catenin信號通路誘導足細胞EMT的模式圖Figure3 High glucose activation of TGF-β,ILK and Wnt/β-catenin signaling pathways to induce EMT in podocytes

2.2.1 TGF-β/Smad經(jīng)典途徑DN患者高葡萄糖耐量可活化TGF-β的表達，活化后TGF-β首先整合TGF-β受體Ⅱ型(TbRⅡ)和TGF-β受體Ⅰ型(TbRⅠ)，形成配體-受體復合物而導致下游蛋白Smad2和Smad3的磷酸化與Smad4結合在細胞質(zhì)結構域中形成Smad復合物，轉(zhuǎn)移到細胞核導致足細胞EMT[11]。

2.2.2 Wnt/β-catenin蛋白信號通路當Wnt/β-catenin信號被激活，會顯著降低足細胞相關蛋白nephrin的mRNA表達，增加Wnt3a、β-catenin和Snail的mRNA表達。而Snail蛋白基因作為Wnt/β-catenin信號通路的下游靶基因之一，是誘導足細胞EMT的重要轉(zhuǎn)錄因子。Dai等[12]研究發(fā)現(xiàn)DN患者足細胞Wnt1明顯上調(diào)，β-catenin激活，反映Wnt/β-catenin信號通路可能主要是通過促進Snail表達導致足細胞EMT。

2.2.3 ILK信號通路ILK是一種絲氨酸蘇氨酸激酶，通過整合素在跨膜信號轉(zhuǎn)導中發(fā)揮重要作用。ILK結合整合素β1的細胞質(zhì)結構域活化，引起下游分子Akt和GSK-3β的磷酸化，磷酸化的Akt和GSK-3β可以抑制β-catenin蛋白的磷酸化，細胞質(zhì)高濃度β-catenin蛋白將轉(zhuǎn)移到細胞核并與相關轉(zhuǎn)錄因子結合，從而導致Snail蛋白的表達。Kang等[13]發(fā)現(xiàn)小鼠足細胞中ILK的表達是由各種有害刺激物誘導的，包括TGF-β1、高水平葡萄糖、高膽固醇、高血鉀和高血容量等等，這些刺激物也是早期DN患者需要進行干預的危險因素，也是造成并發(fā)癥的不良因素。

2.3 足細胞凋亡正常情況下，引起足細胞促凋亡基因是與抗凋亡基因信號通路共存的，兩者保持動態(tài)平衡，足細胞處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。但是當腎小球密度和數(shù)量減少時，穩(wěn)定狀態(tài)被打破，足細胞促凋亡基因占主導優(yōu)勢，足細胞發(fā)生凋亡。其相關的途徑有以下幾種：TGF-β1信號通路、AngⅡ信號通路、AMPK信號通路、ROS信號通路、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激(ERS)信號通路和其他相關通路(圖4)，若促凋亡基因過度表達時，足細胞相關蛋白nephrin和podocin具有抗凋亡信號轉(zhuǎn)導特性相對變?nèi)酰慵毎l(fā)生凋亡損傷，甚至從組織中剝脫。

圖4 足細胞凋亡相關通路模式圖Figure 4 Schematic diagram of podocyteapoptosis-related pathways

2.3.1 TGF-β1信號通路在高糖狀態(tài)下，TGF-β1途徑活躍并通過介導Smads、mTOR和其他信號途徑參與足細胞凋亡。Das等[14]發(fā)現(xiàn)TGF-β1既可以通過Smad2/3選擇性上調(diào)Nox4 mRNA的轉(zhuǎn)錄，導致足細胞線粒體Nox4蛋白水平升高、氧化應激、線粒體功能障礙和凋亡，又可以通過Erk介導的mTORC1/Nox4軸增強Nox4的翻譯階段，誘導Gremlin蛋白大量產(chǎn)生，從而激活TGF-β/Smad2/3信號通路，誘導凋亡。而編碼Gremlin蛋白的基因也受到高糖高滲透壓環(huán)境的影響，與凋亡相關蛋白(Bcl-2和Bax)相繼被激活，從而導致足細胞凋亡。

2.3.2 AMPK信號通路AMPK信號通路較為復雜，DN患者中的高糖環(huán)境使得AMPK活化能力降低，轉(zhuǎn)導通路中結構蛋白失活，但旁支通路mTOR會被激活加之高糖環(huán)境增加Nox4、Nox1和NADPH氧化酶活性的水平，最終造成足細胞線粒體功能障礙，導致了足細胞的凋亡。Dai等[15]利用這個機制，用一種強抗氧化劑葡萄籽原花青素提取物作用于AMPK-Sirt1-PGC-1α途徑防止高糖誘導的足細胞線粒體功能障礙和凋亡。目前大量研究證實，AMPK通路是可作為一種治療DN進行臨床用藥干預的思路，但其中的信號變化較為復雜，有待更多研究進行探索。

2.3.3 ROS信號通路線粒體是細胞內(nèi)活性氧的重要來源，參與內(nèi)源性凋亡途徑。在DN中過量ROS產(chǎn)生減少足細胞的數(shù)量。Gao等[16]研究發(fā)現(xiàn)：在高糖環(huán)境持續(xù)刺激下，腎組織通過NADPH氧化酶和線粒體途徑快速刺激細胞內(nèi)ROS的生成并導致促凋亡，p38MAPK和Caspase-3的激活以及足細胞的凋亡。在NADPH氧化酶家族成員中，Nox4是DN氧化應激誘導的ROS產(chǎn)生和足細胞凋亡的關鍵酶。Wang等[17]研究也指出，抑制線粒體氧化損傷和細胞色素C的釋放可以消除ROS大量產(chǎn)生對細胞內(nèi)反應的影響，從而阻止足細胞損傷和凋亡信號的傳遞。

2.3.4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激(ERS)信號通路AGEs在DN的發(fā)病機制中起重要作用。AGEs可以上調(diào)足細胞中葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78的表達，誘導ERS，并最終以劑量和時間依賴性的方式導致足細胞凋亡。Lei等[18]研究發(fā)現(xiàn)ERK1/2激活的mTOR導致能量消耗，導致ERS信號傳導觸發(fā)經(jīng)高糖處理后的足細胞發(fā)生凋亡。緊接著，Cao等[19]實驗用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激抑制劑熊去氧膽酸(UDCA)或4-苯基丁酸酯(4-PBA)通過抑制Caspase-3和Caspase-12的激活，在體內(nèi)外阻止高血糖誘導足細胞凋亡獲得成功。DN高糖環(huán)境下通過非酶糖化生成的AGEs增多，其特點是會引起微小血管的損傷，造成嚴重的不良后果。臨床通過對該細胞通路的研究，著眼于ERS通路相關靶點，有利于治療由于大量AGEs積累引起足細胞損傷癥狀較輕的患者，改善預后。

2.3.5 其他信號通路足細胞相關蛋白Nephrin和Podocin具有抗凋亡信號轉(zhuǎn)導特性。在高糖誘導的足細胞中β-arrestin 1/2表達水平上調(diào)，β-arrestin 1/2過度表達抑制nephrin和Podocin蛋白的表達；同時上調(diào)的β-arrestin 1/2還可以促進足細胞中Bax、Caspase-3和p53蛋白表達引起足細胞凋亡。Chen等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在體外經(jīng)高濃度葡萄糖處理的足細胞中，Sam68基因以時間和劑量依賴性方式上調(diào)，高糖環(huán)境增加了足細胞中Bax的表達，降低Bcl-2蛋白的表達，這種作用因Sam68編碼基因被敲除而消失，即結果表明Sam68基因介導的足細胞凋亡，可能通過Bax/Bcl-2信號通路。另外，Gao等[21]研究高糖作用下足細胞的Notch通路上調(diào)，則伴隨著Bcl-2和p53通路的改變導致足細胞凋亡。

2.4 足細胞自噬自噬是指高度保守的細胞內(nèi)蛋白質(zhì)循環(huán)過程，也包括將受損的蛋白質(zhì)和細胞器轉(zhuǎn)移到溶酶體進行降解；根據(jù)細胞內(nèi)底物轉(zhuǎn)運至溶酶體的方式不同，自噬可分為三種類型：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬，足細胞自噬主要是以巨自噬的方式。Liu等[22]研究發(fā)現(xiàn)，即使在正常人體機能情況下，足細胞的自噬是長期處在高水平的，而相比于DN患者中足細胞自噬狀態(tài)明顯不足，原因是DN中持續(xù)高糖狀態(tài)抑制了自噬相關蛋白Beclin-1、Atgl2和LC3-Ⅱ的表達阻止細胞器積累產(chǎn)生的受損蛋白和細胞毒素及時清除，導致不可逆足細胞損傷和功能障礙(圖5)。

圖5 高糖激活mTOR、ROS和VEGF信號通路以及下調(diào)Sirt1、AMPK和Atg12-Atg5信號通路抑制足細胞自噬的模式圖Figure 5 High glucose activates mTOR,ROS and VEGF signaling pathways and down-regulates Sirt1,AMPK and Atg12-Atg5 signaling pathways and inhibitsautophagy in podocytes

2.4.1 mTOR信號通路mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，抑制自噬非常重要；它廣泛存在于真核生物中，與不同的蛋白質(zhì)結合形成兩種不同結構和功能的復合物：mTORC1和mTORC2。其中mTORC1對雷帕霉素敏感，主要參與調(diào)節(jié)細胞生長發(fā)育、增殖、凋亡、代謝、自噬等。Xiao等[23]的研究證明了DN的發(fā)病機制與mTORC1途徑激活有關，此外，實驗還得出雷帕霉素增加表達LC3的足細胞數(shù)量，促進足細胞自噬，改善糖尿病小鼠的腎損傷，提示mTORC1活性在DN足細胞損傷中起著關鍵的調(diào)節(jié)作用。

2.4.2 AMP活化蛋白激酶(AMPK)通路AMPK是一種異源三聚體蛋白質(zhì)，在DN患者的細胞和組織中是一種重要的代謝應激蛋白激酶。AMPK可通過細胞質(zhì)中Ca2+濃度的增加、細胞內(nèi)AMP/ATP比率降低、多種激素、脂肪因子、營養(yǎng)匱乏和細胞因子的刺激而被激活。高糖環(huán)境下，AMPK的磷酸化水平降低，活性受到抑制，AMPK可通過TSC1/2-Rheb信號通路和相關調(diào)節(jié)蛋白的磷酸化抑制mTORC1活性并誘導自噬，還可直接介導Ulkl/2的磷酸化和自噬的誘導。Ding等[24]研究AMPK激活劑白藜蘆醇可以通過恢復鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠AMPK的活性來減輕DN的早期腎損傷，也反映了此通路具有一定的臨床參考意義。

2.4.3 Sirt1信號通路與Atg12-Atg5耦合系統(tǒng)Sirt1是一種NAD+依賴性Ⅲ組蛋白脫乙酰酶，Sirt1與DN的發(fā)生發(fā)展密切相關。在近端小管細胞中，Sirt1通過維持腎小球周圍的煙酰胺單核苷酸濃度和控制足細胞功能來降低糖尿病患者的蛋白尿；但在高血糖的條件下，Sirt1的表達受到抑制，從而增加氧化應激并觸發(fā)足細胞損傷[25]。Atg12-Atg5耦合系統(tǒng)是一類與足細胞自噬密切相關的Atg蛋白，暴露于高糖的足細胞自噬活性顯著降低，其特征是自噬相關蛋白Atg12-Atg5的表達顯著降低，這是G蛋白耦聯(lián)受體細胞內(nèi)信號蛋白中的β-抑制蛋白通過下調(diào)該系統(tǒng)抑制了足細胞自噬，從而導致DN的發(fā)生和發(fā)展。目前已發(fā)現(xiàn)還有多種信號通路參與足細胞自噬的調(diào)控，其中DN與mTOR、AMP活化蛋白激酶(AMPK)、氧化應激、NAD+依賴組蛋白去乙酰化酶Sirt1信號通路、Atg12-ATG5耦合系統(tǒng)和血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)等密切相關。

3 小結

越來越多的研究表明足細胞形態(tài)和功能的改變與DN患者臨床表現(xiàn)關系密切，特別是在DN早期病變中，足細胞損傷造成的功能性異常更為突出。糖尿病足細胞損傷機制復雜，同一信號通路可能既參與了足細胞肥大，又可能在凋亡、自噬等損傷中發(fā)揮作用，不同機制交互影響，為研究帶來很多困難。隨著更多研究的逐步深入，越來越多的足細胞損傷相關的信號通路被探索出來，為進一步的研究提供更深入的思路。