糖尿病腎病足細胞損傷機制研究進展

殷洪波，于　攀，李　杰

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是一種慢性能量代謝障礙綜合征。糖尿病腎病(diabetic nephropathy, DN)是DM微血管病變中的主要并發癥，無論1型還是2型DM，有20%～30%的患者最終會發展到DN。DN的主要臨床表現為蛋白尿、高血壓及進行性腎功能損傷，是導致終末期腎病(end-stage renal disease, ESRD)的主要原因之一[1-3]。研究證實，足細胞損傷是DN進展的核心事件[4]。在DN早期，就會出現足細胞足突消失、融合，隨著DN的進展，損傷積累可導致足細胞凋亡與脫落、腎小球基底膜破壞、大量蛋白尿產生，促進DN向ESRD發展[5-6]。因此，研究足細胞損傷機制，對于DN的治療至關重要。本文就目前DN中足細胞損傷的相關因素和涉及的分子機制做一綜述。

1　氧化應激與足細胞損傷

大量研究表明，活性氧(reactive oxygen species, ROS)和氧化應激導致的慢性炎癥在DN發展過程中發揮著至關重要的作用[7]。在高糖的刺激下，晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products, AGEs)逐漸增多，且AGEs難以降解，易于在細胞內大量聚積[8]。在AGEs產生過程中，會釋放大量的ROS，使機體處于氧化應激狀態[9]。同時，AGEs也可與細胞表面特異性受體結合，進一步促進細胞內ROS的產生。在大量的ROS成員中，對人體危害最大的是超氧陰離子以及后續產生的羥自由基和過氧亞硝酸陰離子，后兩者具有超強的氧化能力，能快速使脂質過氧化及多種氨基酸(如酪氨酸)硝基化，還能損傷DNA導致基因突變、細胞周期停滯、細胞凋亡、壞死，使器官逐漸喪失功能，而人體內缺乏對羥自由基和過氧亞硝酸陰離子的天然有效清除機制[10-11]。

足細胞，即腎小球臟層上皮細胞，屬于終末分化細胞，需要大量的能量來維持細胞功能。ROS可損傷足細胞線粒體功能，導致足細胞功能障礙，進而啟動后續的細胞骨架破壞、細胞融合，甚至細胞凋亡過程[11]。在這一過程中，又有大量ROS產生。研究表明，在高糖環境下，足細胞內ROS活化可引起足細胞功能紊亂及尿白蛋白排泄率增加，而抑制氧化酶可降低蛋白尿并減輕腎小球硬化[12]。

2　線粒體功能障礙與足細胞損傷

線粒體是重要的能量代謝場所，線粒體氧化磷酸化是一個高效的產能過程，這個過程中可產生大量ROS[13]。線粒體功能障礙包括3個方面：①線粒體呼吸鏈氧化磷酸化導致產能減少。②線粒體內ROS生成增加，在正常情況下，人體產生和消除ROS的速度基本平衡，體內產生的ROS會被快速清除；而DM患者體內的高血糖以及AGEs產生的大量ROS會損傷線粒體，從而導致線粒體功能障礙，同時通過激活GSK3β、P38-MAPK信號通路，啟動內源性凋亡，導致足細胞減少；此外，激活GSK3β信號通路也可破壞肌動蛋白和細胞骨架的完整性，導致足細胞收縮和足突融合，最終導致蛋白尿和腎小球硬化，使DN惡化[14]。③線粒體DNA受損或突變，線粒體DNA突變引起的疾病稱為線粒體病，包括線粒體肌病、腦病、乳酸酸中毒和腦卒中等[15]。有研究認為，線粒體基因突變與線粒體自噬能力降低密切相關，還發現DN腎小球足細胞線粒體自噬能力明顯降低，均表明線粒體功能障礙參與了DN足細胞損傷，然而具體調控機制尚待進一步研究[13]。

3　胰島素信號途徑紊亂與足細胞損傷

足細胞作為腎小球濾過膜的主要組成部分，也是胰島素敏感細胞[16]。有研究顯示，一種與維系腎小球濾過屏障密切相關的特異表達于足細胞的蛋白Nephrin，在足細胞對胰島素敏感性反應中起重要作用。在Nephrin正常狀態下，胰島素通過葡萄糖轉運體GLuT1和GLuT4作用于足細胞，而這一過程則需要足細胞骨架蛋白actin參與，具體機制尚不明確[17]。相關研究還發現，胰島素缺乏或者胰島素抵抗都可引起足細胞骨架蛋白破壞，從而導致尿蛋白產生[18]。然而，胰島素缺乏或胰島素抵抗是否參與了導致足細胞線粒體功能障礙的過程，目前尚不清楚。

此外，研究還發現無論1型還是2型DM，機體經過一段時間的高血糖刺激后，即使血糖和胰島素水平恢復正常，高血糖引起的代謝紊亂也不能恢復到之前正常狀態時的水平，稱之為代謝記憶[19]。最近有研究發現，高糖誘導下，足細胞中蛋白絡氨酸磷酸酶SHP-1激活，即使血糖恢復正常，SHP-1的表達仍然不能下降到正常水平；這是因為在高糖刺激下，SHP-1啟動子的H3組蛋白被乙酰化和甲基化，導致SHP-1持續高表達；而SHP-1能夠抑制足細胞中胰島素受體表達，導致足細胞對胰島素的敏感性降低，進而導致足細胞能量供應障礙，從而激活ROS系統，損傷線粒體功能，引起后續足細胞損傷[20]。

4　炎癥與足細胞損傷

由于胰島素信號途徑紊亂以及線粒體損傷，導致足細胞能量供應障礙、ROS產生增加，進而促進了足細胞中炎性因子的大量產生。1991年Cavallo MG等人首次發現2型DM患者血清中有炎性因子：白介素-1β(IL-1β)和IL-18，這一發現開啟了對DN和DM患者微炎癥狀態研究的序幕[21]。經過20余年對微炎癥狀態的研究發現，在高糖的刺激下，機體會產生單核細胞趨化蛋白，這種蛋白可造成多種炎性細胞(如巨噬細胞、淋巴細胞、腎臟固有細胞等)參與，通過多種途徑(如MAPK、JAK-STA、AGEs、NF-κb等)激活炎性因子、趨化因子、黏附因子等，進而發揮相應的促炎作用，形成惡性循環，不斷造成腎臟損傷[22-23]。

在眾多的炎性因子中，炎癥小體是一個大家族，可負責細胞內的免疫和炎癥過程。在炎癥小體各家族成員中，NALP3炎癥小體研究得最廣泛、最清楚，其參與了多種慢性腎臟病的進展[24]。在鏈脲佐菌素誘導伴有高脂血癥的DM大鼠模型中，NALP3炎癥小體的3個成分表達均升高，由其活化產生的IL-1β和IL-18也增加，并最終導致嚴重腎損傷[25]。IL-1β是具有多種生理活性的重要細胞因子，在腎臟主要由足細胞產生，在足細胞損傷和修復中起重要作用[26]。IL-18是一種前炎性因子，能夠促進多種炎性因子的產生[27]。研究表明，IL-18參與了DN的進展，然而具體機制尚不清楚[11]。

5　自噬與足細胞損傷

自噬是真核生物對細胞內物質進行周轉的重要過程。細胞在受到刺激或饑餓時，自噬就會發生，其目的是去除有害蛋白聚集、去除受損細胞器、滿足增加的能量需求。細胞內有功能障礙的線粒體或不需要的線粒體會通過選擇性或非選擇性自噬被清除，這種選擇性清除線粒體的自噬過程被稱為線粒體自噬[28]。線粒體自噬是清除損傷線粒體、減少ROS的主要途徑[29]。同時，由于足細胞是終末分化細胞，缺乏有絲分裂和自我更新能力，以致線粒體自噬成為保護足細胞的主要機制。有研究發現，通過多種途徑抑制線粒體自噬，會加重DM小鼠的足細胞損傷[30]。

相關研究表明，足細胞線粒體自噬受到多種機制調控，其中最重要的有3條通路：①SIRT1信號通路：SIRT1是近年來發現的煙酰胺腺嘌呤核苷酸依賴的第Ⅲ類組蛋白去乙酰化酶類；大量的證據已經表明，SIRT1通過增強自噬、穩定線粒體等途徑，在多種腎臟疾病中具有保護作用[31]。②mTOR信號通路：mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其與不同的蛋白結合形成兩個功能不同的復合體，分別為mTORC1和mTORC2；其中，mTORC1是一種雷帕霉素敏感蛋白激酶復合體，主要參與細胞生長、增殖、凋亡等過程的調節，被認為是自噬的負性調控因子；研究發現，足細胞特異性mTORC1激活可導致非DM小鼠出現多種DN的特征性病理表現，如系膜擴張、腎小球基底膜增厚、足細胞丟失以及蛋白尿。③AMPK信號通路：AMPK作為自噬的調節器也被認為參與了DN的發病機制；AMPK的活性主要受細胞內AMP/ATP的精密調控，當胞內能量呈低水平時，AMPK被激活，并通過直接控制ULK1磷酸化和抑制mTORC1活性這兩個獨立的機制來激活自噬[32]。還有實驗證明，AMPK激活劑白藜蘆醇可恢復鏈脲佐菌素誘導DN的AMPK活性、減少蛋白尿、改善高血糖和腎功能障礙、減輕腎臟肥大[33]。

此外，除了上述3條主要途徑外，還有一些重要分子參與了線粒體自噬的調控。FOXO3a是FOXO家族的主要成員，在細胞氧化應激中發揮調控作用。研究表明，FOXO3a乙酰化具有促進細胞凋亡的作用，而FOXO3a去乙酰化則上調自噬、抑制細胞凋亡、促進細胞存活。在腎臟足細胞中，FOXO3a如何發揮作用，尚待進一步研究[34]。

6展望

隨著人們生活水平的提高，DM以及DN成為威脅人類健康的重要疾病。研究DN的早期治療方法，對于延緩疾病的發展至關重要。最近有研究發現，通過模擬節食的療法：4 d低能量飲食，3 d正常飲食，7 d為1個周期，11個周期后，DM小鼠模型胰腺β細胞功能以及血糖水平完全恢復正常，這一研究結果為DM和DN的研究開拓出新的空間[35]。通過模擬節食療法，DM小鼠體內多個在胚胎發育過程中發揮重要作用的基因被重新激活，促進了胰腺細胞的恢復。在未來，也許通過增強細胞自噬、激活胚胎發育的某些關鍵基因，可以有效地治療DM和DN。

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