能量代謝在慢性腎臟病中的研究進展

張學娟,車若琛,丁桂霞

(南京醫科大學附屬兒童醫院腎內科，南京 210008)

慢性腎臟病是一種嚴重危害人類健康和生命安全的常見腎臟疾病，近年來患病率逐年上升，已成為全球關注的公共衛生問題之一。目前我國約有1.2億慢性腎臟病患者，占人口總數的10.8%[1]。隨著人們生活水平的升高，能量代謝相關疾病的發病率也逐年增高，關于能量代謝在疾病中的作用也成為研究的熱點。近年來，能量代謝在慢性腎臟病的作用逐漸引起研究者的關注。糖尿病腎病是慢性腎臟病的常見分型。研究發現，在鏈佐星(streptozotocin，STZ)誘導的糖尿病大鼠的腎臟內發現線粒體融合蛋白2的表達下降，線粒體鈣蛋白酶10的信使RNA(message RNA，mRNA)和蛋白水平的表達也明顯降低[2-3]。高血糖誘導的氧化應激和晚期糖基化終末產物可誘導炎癥細胞因子產生，加速糖尿病腎病進展[4]。Zhang等[5]發現，高糖通過上調近端小管上皮細胞Bim蛋白的表達誘導細胞凋亡。研究表明，高糖降低了腎臟組織葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的活性，導致還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸供應不足，從而導致活性氧類(reactive oxygen species，ROS)積累，加重了糖尿病腎病[6-7]。現就糖代謝、脂質代謝等能量代謝與慢性腎臟病的關系進行綜述，探討能量代謝在慢性腎臟病中的作用，以期為慢性腎臟病的防治提供新的思路。

1 能量代謝與慢性腎臟病的發病機制

1.1糖代謝與慢性腎臟病的發病機制 腎臟是高能耗器官，糖代謝非常旺盛，腎臟通過糖異生、葡萄糖利用以及再吸收腎小球濾液中的葡萄糖在葡萄糖穩態中發揮重要作用。經過一夜的禁食，20%～25%的葡萄糖通過糖異生作用從腎臟釋放到血液循環中，腎臟會利用其中的10%[8]。機體攝入葡萄糖后，腎臟糖異生作用也會增加。腎臟每日過濾大約180 g葡萄糖，幾乎所有這些葡萄糖都被重新吸收到循環系統中[8]。高血糖與腎臟病密切相關，高糖會改變腎臟的能量代謝，高糖培養的足細胞線粒體蛋白減少，氧化磷酸化受到嚴重影響[9]。一方面，在呼吸鏈水平，復合物Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的關鍵成分減少，二磷酸腺苷磷酸化的關鍵成分如ATP合酶和線粒體磷酸鹽載體減少，復合物Ⅲ和Ⅳ的活性也降低；另一方面，高糖條件下5種糖酵解酶的含量增加[9]。以上均影響了足細胞的能量代謝，加重了糖尿病腎病。在糖尿病腎病中，長期高血糖可引起炎癥反應、氧化應激、細胞凋亡、自噬激活等。

1.1.1糖代謝誘發的炎癥反應 研究表明，炎癥誘發的免疫反應是慢性腎臟病的共同致病機制，其中不僅涉及循環和局部炎癥細胞浸潤及炎癥因子的瀑布式反應，包括足細胞、系膜細胞在內的腎臟固有細胞也參與其中[4]。研究發現，高糖可刺激炎癥反應關鍵通路核因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)抑制蛋白激酶復合體、NF-κB抑制蛋白、NF-κB二聚體表達，從而刺激細胞因子分泌[10]。另一方面，高糖可誘導腎臟固有細胞產生ROS，從而激活核苷酸結合寡聚化結構域樣受體3炎癥小體[11-12]。檢測到細胞壓力后，核苷酸結合寡聚化結構域受體蛋白3開始與凋亡相關斑點樣蛋白和胱天蛋白酶-1(caspase-1)結合，導致caspase-1活化，白細胞介素(interleukin，IL)-1β和IL-18成熟，促進炎癥細胞募集[13]，加重糖尿病腎病。此外，腎細胞如足細胞、內皮細胞或系膜細胞也能分泌促炎細胞因子，從而加重糖尿病腎病[11-14]。

1.1.2糖代謝誘導ROS產生 ROS可引發線粒體功能障礙、腎臟細胞外基質(extracellular matrix，ECM)沉積，腎小球系膜增生和腎小管間質纖維化。高糖可直接誘導腎小球系膜細胞和腎小管上皮細胞產生ROS，還可通過晚期糖基化終末產物和細胞因子間接誘導細胞內ROS的產生。Lee等[15]研究表明，蛋白激酶C參與了高糖誘導的系膜細胞ROS的生成過程，還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶系統和線粒體代謝也參與其中。過量ROS的生成對線粒體DNA有害，可導致電子傳遞鏈功能受損，ATP合成減少，線粒體功能障礙，腎小球系膜細胞和腎小管上皮細胞損傷甚至凋亡[16]。Lee等[17]的研究表明，ROS介導高糖誘導的纖溶酶原激活物抑制劑在糖尿病腎臟系膜細胞中的表達上調，抑制系膜細胞纖溶酶活性，ECM降解減少，導致ECM重構。ROS也可誘導腎小管上皮-間充質轉化，導致糖尿病腎小管間質纖維化，進而加重糖尿病腎病的進展[18-20]。

1.1.3糖代謝引起細胞凋亡 細胞凋亡是為維持內環境穩定，由基因控制的細胞自主有序的死亡，其在慢性腎臟病的發生發展中發揮了一定的作用。Wang等[6]用高糖培養足細胞發現，與正常水平葡萄糖培養的足細胞相比，高糖培養的足細胞中葡萄糖-6-磷酸脫氫酶蛋白表達明顯降低，活化的caspase-3也增加，機制涉及泛素蛋白酶體途徑，即高糖可通過泛素蛋白酶體途徑促進葡萄糖-6-磷酸脫氫酶蛋白降解，增加足細胞凋亡[21]。足細胞在維持腎小球濾過屏障中起關鍵作用，足細胞凋亡導致的細胞形態、功能異常可使濾過屏障受損，從而導致大量蛋白尿，加速糖尿病腎病進展。Khera等[22]研究表明，高糖可增加系膜細胞的凋亡，系膜細胞在維持腎小球毛細血管叢結構和功能方面發揮著重要作用，為毛細血管袢提供結構支持，并通過收縮性調節腎小球濾過，系膜細胞的凋亡與白蛋白排泄率直接相關，其間接加速了糖尿病腎病的進展[23]。

1.1.4糖代謝引發線粒體自噬 在糖尿病腎病動物的腎組織中可見大量線粒體碎片蓄積，提示在糖尿病腎病中異常線粒體的清除可能存在缺陷[24-26]。線粒體鈣蛋白酶10是一種Ca2+依賴性的半胱氨酸蛋白酶。在STZ誘導的糖尿病早期大鼠模型中，STZ注射后線粒體鈣蛋白酶10的基因和蛋白表達水平降低[3]，腎皮質中線粒體自噬調節因子PTEN誘導激酶1的表達上調，通過轉染線粒體鈣蛋白酶10的小干擾RNA使線粒體融合減少、線粒體分裂及線粒體自噬增多，表明糖尿病早期線粒體的自噬活性可能是升高的，線粒體鈣蛋白酶10能夠負向調控線粒體自噬，但是給予胰島素注射的糖尿病大鼠未見PTEN誘導激酶1的上調，說明線粒體自噬可能由高糖環境誘導[3,27]。在糖尿病腎病小鼠的腎小管上皮細胞中PTEN誘導激酶1蛋白的表達水平卻明顯下調，同時線粒體碎片增多[28]，推測可能是異常線粒體清除機制紊亂的后果。有學者推測，糖尿病早期機體為清除功能異常的線粒體，線粒體自噬活性代償性升高，但隨著糖尿病腎病的進展，異常線粒體的量超過代償能力，線粒體自噬活性下降，受損的線粒體無法及時被清除，最后導致細胞死亡[27]。

1.2脂質代謝與慢性腎臟病的發病機制 除糖代謝外，腎臟脂質代謝也非常旺盛，其中線粒體脂肪酸β氧化是腎臟ATP的主要來源[29]。脂質代謝與慢性腎臟病密切相關，慢性腎臟病患者在腎功能不全早期即存在血脂異常，且血脂異常往往隨著腎功能的惡化而加重。慢性腎臟病的血脂異常主要表現為三酰甘油水平升高、高密度脂蛋白水平降低以及低密度脂蛋白水平變化[30]。對糖尿病腎病患者的腎組織進行分析發現，參與脂質攝取的通路顯著上調，支持脂肪酸β氧化的酶表達降低[31]。不被線粒體氧化的過量脂肪酸被酯化并沉積為脂滴，脂肪酸攝取增加和脂肪酸氧化降低可導致糖尿病腎臟三酰甘油和中性脂質積累。膽固醇攝取增加和膽固醇外排減少可導致糖尿病腎病膽固醇積累。肥胖相關腎病的一個顯著特征是足細胞、系膜細胞和近端小管上皮細胞中脂泡的積累，提示脂質代謝異常和脂毒性可能是腎臟功能障礙的主要原因。細胞內脂質積累可引起氧化應激、內質網應激、細胞骨架改變等[29,32-33]。

1.2.1脂質代謝誘導的炎癥反應 糖尿病腎病中很多促炎反應涉及NF-κB的激活。各種信號通路通過降解NF-κB抑制蛋白活化NF-κB，活化的NF-κB 進入細胞核并與其相關的DNA結合以誘導促炎靶基因(細胞因子、趨化因子、白細胞黏附分子、細胞受體以及生長因子)轉錄，提示炎癥反應在糖尿病腎病的發生和發展過程中發揮重要作用[34]。Martínez-García等[33]發現，與空白對照組足細胞相比，用高濃度軟脂酸處理的足細胞炎癥反應介質單核細胞趨化蛋白1、IL-6、腫瘤壞死因子-α等的mRNA 水平均顯著升高。NF-κB是控制炎癥相關蛋白轉錄的主要轉錄因子，分析足細胞細胞核中軟脂酸對p65 NF-κB轉錄的影響發現，與空白對照組的足細胞相比，高濃度軟脂酸處理的足細胞細胞核內p65 NF-κB增加。以上研究表明，軟脂酸處理足細胞增加了炎癥反應，導致足細胞功能障礙，而足細胞是構成和維持腎小球濾過屏障的關鍵細胞，從而加重了蛋白尿，促進了糖尿病腎病及脂質相關性腎病的進展。

1.2.2脂質代謝引發自噬 自噬是細胞對代謝應激和環境變化的一種適應性反應，通過溶酶體途徑可將細胞質內中受損的蛋白質和細胞器降解或去除，以維持細胞的穩態。Jiang等[35]研究表明，高脂增加了足細胞自噬相關蛋白的表達，誘導了足細胞自噬，增加了足細胞凋亡。Yamamoto等[36]研究發現，高脂飲食導致近端腎小管細胞內溶酶體增大，磷脂堆積，經軟脂酸處理的分離的近端腎小管細胞中，自噬降解活性隨著溶酶體酸化受損和脂質過度積累而逐漸停滯。與非肥胖患者相比，肥胖患者腎臟中溶酶體增大，磷脂含量增加，自噬通量受損，導致機體更易損傷[36]。

1.2.3脂質代謝引起內質網應激 蛋白質在分子伴侶的協助下進行折疊，只有正確折疊的蛋白質才可以被轉運至高爾基體。在此過程中，內質網對細胞外環境的改變非常敏感，其功能紊亂會導致蛋白質錯誤折疊、未折疊蛋白在腔內大量積聚及Ca2+平衡狀態紊亂，即內質網應激[37]。Xu等[38]研究表明，軟脂酸酯破壞細胞質和細胞器內Ca2+的穩態，對足細胞中內質網應激和細胞毒性的發展至關重要，足細胞內穩態的擾動可導致糖尿病腎病濾過屏障功能惡化。此外，軟脂酸酯還可誘導不同細胞的內質網應激，尤其是胰島β細胞，軟脂酸鹽誘導的內質網應激導致胰島素分泌缺陷，導致2型糖尿病進展[39]。

2 能量代謝與慢性腎臟病的治療

2.1干預糖代謝的治療 線粒體ROS的過量產生與線粒體功能障礙有關，線粒體功能障礙最終導致細胞損傷和腎臟疾病進展[40]，糖尿病db/db小鼠線粒體中的氧化應激增強[41]。MitoTempo是一種在線粒體中積累的模擬超氧化物歧化酶的線粒體靶向抗氧化劑，能降低葡萄糖誘導的足細胞線粒體中的ROS，并同時降低核苷酸結合寡聚化結構域受體蛋白3水平和IL-1β的激活[42-43]。Shahzad等[44]使用MitoTempo治療糖尿病C57BL/6小鼠發現，與磷酸鹽緩沖鹽處理組相比，MitoTempo處理組小鼠的糖尿病腎病和炎癥小體活化指數降低。以上研究說明線粒體靶向抗氧化劑MitoTempo有望成為治療糖尿病腎病的一種藥物。

小檗堿是從中藥黃連中分離出的一種異喹啉生物堿，也叫黃連素，具有強效的抗菌、抗炎和抗氧化活性，可增加癌細胞對抗腫瘤試劑的敏感性。Jin等[45]發現，小檗堿通過促進AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)激活，增強了足細胞自噬，并保護足細胞免受高糖誘導的損傷,可能是小檗堿抗糖尿病腎病作用機制之一，可能有助于設計新的干預糖尿病腎病的方法。

Sirt6是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性高度保守的去乙酰化酶家族成員，具有多種酶活性，包括去乙酰化和核糖基化。Fan等[46]發現，轉染Sirt6質粒可顯著減輕高糖誘導的線粒體缺陷，Sirt6過表達可同時減輕高糖誘導的足細胞凋亡和氧化應激，增加AMPK磷酸化，即Sirt6通過激活AMPK通路保護足細胞線粒體，發揮抗凋亡作用。這為糖尿病腎病的治療提供了新的見解。

2.2干預脂質代謝的治療 有些藥物可以調節脂質水平，可權衡利弊適當選擇使用。他汀類藥物中除強化蛋白尿和加速腎臟疾病進展的瑞舒伐他汀外，其他通常對慢性腎臟病進展有延緩作用，但只能用于高膽固醇血癥患者。貝特類主要對高密度脂蛋白產生特定影響，可降低三酰甘油水平，升高高密度脂蛋白水平，并減少致命的可能性和非致死性心肌梗死患者輕度到中度慢性腎病[47]。高劑量煙酸能顯著升高高密度脂蛋白膽固醇水平和降低三酰甘油水平，然而煙酸耐受性差及其不良反應限制了其在慢性腎臟病人群中的應用[48]。

硫氧還蛋白互作蛋白(thioredoxin-interacting protein,TXNIP)是一種多功能蛋白質，可以調節線粒體氧化磷酸化、脂肪酸β氧化、炎癥反應、細胞凋亡等過程。Du等[49]對HK-2細胞進行研究發現，TXNIP 的下調抑制了高糖介導的脂質積累以及乙酰輔酶A羧化酶、脂肪酸合成酶等的表達，故TXNIP可能是糖尿病腎病的潛在治療靶點。

血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)具有多種生物學功能，其中VEGF-B可通過調節內皮脂肪酸的胞外轉運控制脂質積累。Falkevall等[50]研究發現，糖尿病腎病小鼠抑制VEGF-B信號可以降低腎脂毒性，使足細胞對胰島素信號重新敏感，抑制糖尿病腎病相關病理的發展，防止腎功能障礙。糖尿病腎病患者VEGF-B的水平升高，提示拮抗VEGF-B可能是治療糖尿病腎病的一種新方法。

AMPK是一種重要的能量傳感器，在脂質代謝中起重要作用。Szeto等[31]證明，AMPK的激活可降低脂肪酸合成，增加線粒體對脂肪酸的吸收和氧化，高脂飲食可降低包括腎臟在內的多種組織的AMPK活性，AMPK活化與使用AMPK激活劑治療可預防腎小球病變和腎小管間質纖維化，也能減少管狀細胞的脂質積累。

3 小 結

能量代謝參與了慢性腎臟病的發病過程，涉及的分子機制錯綜復雜，已有干預能量代謝過程的措施可通過減輕蛋白尿、改善腎小球硬化、預防腎小管間質纖維化，從而保護腎臟功能，為慢性腎臟病的治療提供新的途徑。但目前的研究資料相對有限，其機制也尚未完全明確。因此，有關能量代謝在慢性腎臟病中的分子機制及作用特點仍有待進一步研究，尋找與其調節相關的抑制性或激活性底物，發掘其在疾病早期診斷與治療等方面的價值，是當前及未來很有前景的課題。