糖尿病腎病的發病機制研究

韓浩川，張 曦

（昆明醫科大學附屬甘美醫院腎內科，云南 昆明 650000）

糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）指由糖尿病引起的慢性腎臟病。隨著世界經濟的發展、人們物質生活的提高，糖尿病患病率不斷提高，據國際糖尿病聯合會（International Diabetes Federation，IDF）估計，2017 年全世界患有糖尿病的人數為4.51億，至2045 年這一數字將增加到6.93 億[1]，而其中有30%～40%的患者會患上糖尿病腎病[2]。糖尿病腎病隨著病情進展最終發展為終末期腎臟病（end stage renal disease，ESRD），需要長期透析或者腎臟移植治療，這將導致巨大的社會經濟負擔。糖尿病腎病的發病機制十分復雜，雖然嚴格控制血糖可以延緩疾病進展，但目前的治療效果仍不理想，因此研究疾病確切的發病機制對患者的預后非常重要。血液動力學和代謝因素是DN 發病的主要原因，除此之外，其他的危險因素如晚期糖基化終產物（advanced glycation end product，AGE）、氧化應激（oxidative stress，OS）等也被認為參與了糖尿病及其相關并發癥的發病機制，目前細胞分子研究探索了包括內質網應激、細胞自噬在內的新領域，并取得了一些新的研究成果，現就近年來糖尿病腎病的發病機制的研究進展進行綜述。

1 糖代謝異常

1.1 多元醇通路 多元醇通路是以煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphae，NADPH）為輔因子，通過醛糖還原酶（aldehyde reductase，AR）將葡萄糖還原為山梨醇，山梨醇再經山梨醇脫氫酶氧化生成果糖，并產生還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）的糖代謝途徑。AR 是該途徑的限速酶，其與葡萄糖反應的親和力受血糖水平影響，在糖尿病患者高血糖狀態下，大量葡萄糖通過活躍的多元醇通路進行代謝[3]。在多元醇通路活化的過程中，山梨醇和果糖的產生及累積、NADPH 的消耗和NADH 的產生均會導致血管內皮功能損傷。山梨醇是多元醇通路產生的有較強極性的產物，無法自由進出細胞。而活躍的多元醇通路導致大量山梨醇產生及蓄積，從而引起細胞滲透性水腫，使細胞膜的結構和功能受損。山梨醇再通過多元醇途徑的第二個反應轉化為果糖，這一途徑導致糖尿病患者氧化還原失衡，并且果糖的積累會引起腎小管間質炎癥和腎損傷[4]。增加的果糖可以通過己糖激酶轉化為果糖-6-磷酸，再通過糖酵解途徑增加丙酮醛和甘油二酯的形成，前兩者分別是AGE 和PKC 途徑的前體[5]。在多元醇途徑的過度活化中，消耗了大量的NADPH，NADPH 是一種重要的輔酶，其在組織和細胞產生內源性還原性谷胱甘肽中起重要作用，因此還原性谷胱甘肽的生成不足影響體內氧化還原失衡[6]。研究發現[7]，AR 抑制劑能減少腎臟炎癥、氧化應激和纖維化損傷，延緩腎功能進展，也間接表明多元醇通路是糖尿病腎病的重要發病機制。

1.2 晚期糖基化終末產物 晚期糖基化終末產物（advanced-glycation end products，AGEs）在高糖狀態下通過一系列非酶性生化反應，蛋白質、脂類 和核酸與葡萄糖生成的異常修飾產物，其在腎臟組織中、腎小管上皮細胞、足細胞和系膜細胞中廣泛存在AGEs 受體[8]。AGEs 的形成可通過3 種機制發生：①非酶糖基化：即葡萄糖在高葡萄糖濃度環境下與蛋白質結合；②酶多元醇途徑：其中山梨醇/果糖來自醛糖還原酶/山梨醇脫氫酶轉化的葡萄糖與蛋白質結合；③糖氧化途徑：葡萄糖的氧化作用導致氧化糖乙二醛和甲基乙二醛與不同的蛋白質發生反應[9]。AGEs 引起的損傷也可以用3 種機制來解釋：①AGEs 通過共價鍵修飾細胞內蛋白質，進而影響其功能；②AGEs 可以修飾細胞外基質蛋白質，進而影響其與其他蛋白質的相互作用；③AGEs 與內皮細胞、系膜細胞和巨噬細胞上的AGE 受體（RAGE）的相互作用，導致各種生長因子和細胞因子（NFκB）的激活，最終增加活性氧（ROS）的產生[4]。AGEs大量增多、堆積，通過與其受體結合從而誘導細胞內信號傳導，產生炎性因子（IL-1、IL-6 及TNF-α）和生長因子（TGF-β1、血管內皮生長因子、血小板來源的生長因子、結締組織生長因子），引起內皮功能障礙、血管壁炎癥和血管的損傷，最后造成腎小球硬化、腎小管間質纖維化等癥狀的發生[10]。

1.3 蛋白激酶C 通路 蛋白激酶C 通路（protein kinase C，PKC）廣泛分布于機體的器官、組織和細胞中，參與了信號轉導途徑、調節細胞功能。在糖尿病患者中PKC 的活化水平明顯升高，最主要的原因是細胞內血糖水平升高時會促進葡萄糖通過糖酵解途徑生成過多的二酰甘油從而激活PKC，除此之外還能通過AGEs 及多元醇通路間接激活PKC。PKC 可上調VGEF、TGF-β1等生長因子表達，使腎小球毛細血管通透性增加，出現大量蛋白尿，并誘導膠原蛋白、纖連蛋白和層黏連蛋白聚集，促進腎纖維化[11]。在DN 大鼠模型，研究發現[12]通過抑制蛋白激酶C途徑可顯著降低尿白蛋白/肌酐比值，減少蛋白尿和細胞外基質的形成，驗證PKC 參與了DN 的發生。另有研究發現[13]，胰高血糖素樣肽-1 能減少蛋白尿、降低腎小球和培養的腎小球微血管內皮細胞的氧化應激，具有保護腎功能的作用，而該作用能被PKC 激活劑所阻斷，表明PKC 與腎小球內皮功能障礙有關。

2 氧化應激

氧化應激是指當機體遭受到有害刺激時，會產生過多的高活性分子如活性氧（reactive oxygen species，ROS），超出機體對氧化物的清除能力，從而引起體內氧化系統與抗氧化防御系統紊亂，最終導致細胞和組織損傷以及相關信號通路發生改變的過程。糖尿病的體外和體內實驗已經證實，代謝（高血糖癥、血脂異常）和血流動力學損傷是糖尿病腎臟氧化應激的兩個主要驅動因素[14]。氧化應激可通過多種途徑，如影響腎素-血管緊張素-醛固酮系統（RAAS）改變血流動力學、激活蛋白激酶C（PKC）途徑產生轉化生長因子-β（TGF-β）及腫瘤壞死因子-1（TNF-1）等，導致腎功能異常和促炎癥或促纖維化組織損傷[15]。Suryavanshi SV 等[16]用Triphala churna治療鏈脲佐菌素誘導的大鼠糖尿病模型，發現治療組氧化應激參數顯著降低，生化和尿液參數改善。另有研究[17]采用右泛醇（dexpan-thenol，Dxp）治療DKD，結果發現Dxp 組與糖尿病組相比氧化應激降低，抗氧化活性增強，組織病理學改變減少，證明了Dxp 可通過改善抗氧化活性改善DKD。這些研究從側面反映了氧化應激在糖尿病腎病進展中發揮著重要作用。

3 內質網應激

內質網應激（endoplasmic reticulum stress，ERS）是指細胞受到內外因素的刺激時，內質網的形態、功能受到破壞后，導致蛋白質未折疊或錯誤折疊并累積，從而使細胞應激性地進入應答措施，以緩解內質網功能障礙的過程。在糖尿病腎病患者中，長期高血糖、糖代謝異常、氧化應激等多種因素都能引發ERS[18]。大量證據表明內質網應激障礙與DN 的發生和發展有關，如研究[19]發現高血糖可部分通過內質網誘導分化小鼠足細胞凋亡，而終末分化的足細胞的丟失導致腎小球濾過屏障的永久性損傷。Lee ES等[20]通過高糖和內質網應激誘導劑培養系膜細胞，引起系膜細胞增殖和細胞外基質過度生成，再通過齊墩果酸治療可使內質網應激減輕及系膜細胞恢復正常。

4 炎癥反應

炎癥的特征是炎性細胞增多，粘附分子、趨化因子和炎性細胞因子表達增加。這些特征在DKD 中常見，越來越多的研究表明，DKD 的發生與先天免疫系統激活及“微炎癥”密切相關。糖尿病模型中炎性細胞因子，如TNF-α、IL-1、IL-6 較非糖尿病模型均呈高表達，且這些增加的炎性細胞因子的表達與糖尿病模型增加的尿蛋白排泄相關[21]。MCP-1/CCL2在DKD 患者腎臟活檢和尿液標本表達水平升高，該趨化因子在腎小管間質巨噬細胞浸潤中起重要作用，導致足細胞損失及消失[22]。核因子是一種調炎癥、免疫反應、細胞分化與凋亡、腫瘤發生基因表達的轉錄因子，主要分布在腎臟的腎小球、腎間質及腎小管的上皮細胞，其在炎性反應中處于中心地位[23]。NF-κB 可被DKD 的蛋白尿激活，從而上調炎癥反應中黏附因子和趨化因子；而DKD 蛋白尿本身也可引起腎小管上皮細胞蛋白負荷，通過非NF-κB 依賴性途徑上調炎癥表達[24]。JAK/ STAT 信號途徑是調節生長、生存、分化及病原抵抗的細胞因子受體系統的重要成分，是一種在細胞外化學信號途徑[25]。在DKD 動物模型和臨床研究中都觀察到JAK/ STAT信號通路在腎小球和腎小管間質細胞中激活增強。在高糖環境中，小球系膜細胞JAK2、STAT1、STAT3、STAT5 的活化及TGF-β 和纖連蛋白的合成導致細胞增殖和系膜細胞細胞外基質蛋白合成[26]，說明炎癥廣泛參與DKD 的發病機制。

5 自噬

自噬是一種高度保守的機制，通過這種機制，真核細胞將可有可無或潛在危險的細胞質材料運送到溶酶體進行降解，維持細胞穩態[27-29]。自噬底物傳遞到溶酶體的三種主要途徑分別為：微自噬、伴侶介導自噬和大自噬[30，31]。在這三種類型中，大自噬是最普遍的。自噬是由主要的營養感受途徑調節的，包括雷帕霉素的機制靶點（MTOR）、AMP 激活蛋白激酶（AMPK）和SIRT1（sirtuin 1）三種途徑[32]。Lenoir O 等[33]通過糖尿病腎病的大鼠模型和體外高糖培養細胞進行對照研究，結果發現自噬可以保持內皮細胞的完整性和足細胞的超微結構以維持腎小球濾過屏障（glomerular filtration barrier，GFB）的穩態，因此自噬在糖尿病期間對腎小球具有保護作用，可維持足細胞完整性，限制腎小球硬化。但在高血糖刺激下，自噬活性受到抑制，最終導致腎功能損傷。Takahashi A 等[34]通過動物模型證明在糖尿病狀態下，腎臟近端小管的通過自噬來抑制AGEs 的積累，并減輕炎癥和纖維化。目前大量研究集中在影響自噬的主要營養感受途徑上，以此為潛在治療糖尿病腎病的新靶點。目前動物模型已經證明應用雷帕霉素、白藜蘆醇、螺內酯等調節自噬可減少尿白蛋白、促進腎功能的改善[35-37]。

6 miRNA 與外泌體

miRNA 是一組由基因組編碼的長度20～23 個核苷酸的非編碼RNA 分子，通過和靶基因mRNA堿基配對引導沉默復合體降解mRNA 或阻礙其翻譯[38，39]。外泌體是由細胞分泌的細胞外囊泡，具有雙層質膜結構，直徑在50～150 nm，表面富含蛋白質、膽固醇、磷脂等，攜帶有多種生物學信息分子如核酸（包括miRNA、lncRNA、mRNA、DNA）、蛋白質、脂質等。外泌體作為一種分子媒介將其包裹的活性分子遞送到靶細胞，在細胞間進行信息傳遞，改變細胞狀態及微環境。近年來，隨著研究的不斷深入，有大量研究報道了外泌體及其miRNA 廣泛存在于腎臟病變中。LV LL 等[40]研究顯示，腎小管上皮細胞外泌體miR-19b-3p 可通過活化巨噬細胞，促進腎小管間質炎癥級聯放大，參與DN 的疾病進展。Liu F 等[41]通過動物模型發現miR-192 通過靶向早期生長反應因子1（Egr1）引起TGF-β1 和FN 蛋白降解，進而影響糖尿病腎病中的腎小管間質纖和DN的進展。Barutta F 等[42]發現尿液外泌體中miR-145和miR-130a 在微量蛋白尿的1 型糖尿病患者中的表達水平顯著高于健康人，動物模型和細胞實驗表明，糖尿病小鼠腎小球中miR-145 含量較健康小鼠升高了9 倍，而尿液中外泌體miR-145 含量升高了2 倍，高糖條件可誘導腎小球系膜細胞高表達miR-145，提示miR-145 可能參與DN 的發生及進展，能反映DN 尿蛋白變化。外泌體其外部膜結構具有保護作用，能避免內容物被蛋白酶、核酸酶水解，且其內特異性蛋白質和RNA 可反映其來源的組織狀態，因此外泌體廣泛地應用于各個領域。Eissa S 等[43]通過對大量DN 患者研究發現，尿蛋白陽性組尿液外泌體中有6 種miRNA 的表達顯著高于尿蛋白陰性組和健康人對照組，此結果與尿沉渣中miRNA 表達量結果相似，提示尿液外泌體中miRNA 的表達情況可以反映尿沉渣miRNA 的表達。這6 種miRNA 中miR-15b、miR-34a、miR-636表達上調最為顯著，進一步通過路徑富集分析結果表明，這3 種miRNA 與細胞的增殖、凋亡以及細胞因子的釋放有關，聯合3 種miRNA 診斷DN 的敏感性可達100%。

7 總結

糖尿病腎病的發病機制復雜，包括代謝紊亂、氧化應激、炎癥、自噬等機制，各種機制之間又相互關聯，共同導致糖尿病腎病的發生發展。目前內質網應激、細胞自噬的細胞分子研究取得了一些新的研究成果，如通過調控mTOR、AMPK、Sirt1 相關因素可以影響自噬并改善DN 的臨床癥狀，提示自噬可能成為DN 的治療靶點。而外泌體因具有分布廣泛易獲取等優點，可以反映來源細胞的結構和功能狀態，進而判斷患者的病情變化，可作為DN 的早期診斷標志因子。相信隨著研究水平的不斷提高，在不久的將來，糖尿病腎病一定會得到更好的治療。