骨形態發生蛋白-7參與糖尿病腎病發病機制的研究進展

張穎超，米焱，王彩麗

糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）是糖尿病的嚴重微血管并發癥，也是引起終末期腎病的首要病因。DN早期臨床特征是微量白蛋白尿，可致腎小球基底膜（glomerular basement membrane，GBM）增厚、腎小球肥大和系膜擴張，進而導致蛋白尿、腎纖維化，最終發展為不可逆轉的終末期腎病［1］。DN的發生是體內多種因素共同作用的結果，但具體發病機制尚未明確。近年來，關于骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）-7 與 DN 的相關研究逐漸成為熱點。BMP-7 是轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）-β 超家族的一員，具有多種生物學功能。BMP-7 參與細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的調控［2］，缺乏BMP-7 可能導致腎小球系膜區ECM沉積，進而破壞腎小球結構，且其表達水平在DN終末期會顯著降低［3］。研究顯示，在高糖誘導的DN小鼠模型中，BMP-7蛋白表達水平下調，而經體外注射BMP-7后，腎小管損傷、間質炎癥細胞浸潤、腎皮質p38 和p44/42 的磷酸化和脂質過氧化明顯減輕［4-5］。本文就BMP-7 及其參與DN的相關機制的最新進展進行綜述。

1 BMPs家族與BMP-7

BMPs 最初由 Urist［6］將脫鈣的皮質骨植入動物肌肉中1～2周后在新發骨的皮質骨提取物中發現，并被證實其可誘導骨、軟骨形成及皮下、肌肉等部位的異位骨形成。BMPs是多功能蛋白質，參與胚胎發育和體內多種細胞的增殖、分化和凋亡的調節并在腫瘤、脂肪，以及腎臟、肝臟等組織器官的發育過程中發揮重要作用［7］。BMP-7 是 TGF-β 超家族中的一員，又稱成骨蛋白1。BMP-7具有誘導骨形成、維持軟骨細胞表型，促進細胞增殖以及ECM蛋白聚糖和Ⅱ型膠原合成的能力，且在多種人類腫瘤中異常表達，參與調控癌細胞的增殖、侵襲和遷移［8］。BMP-7 參與胰島形態發生，在正常腎臟中高度表達，而在DN 患者腎組織中表達水平下調，因此其在維持腎臟正常發育過程中發揮重要作用［9］。已有研究表明，BMP-7 可抑制高糖誘導的DN 大鼠腎組織上皮-間質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）和系膜區ECM沉積，減輕腎小管間質纖維化，同時緩解高血糖狀態，減輕炎癥壞死和細胞凋亡［10-11］。BMP-7在腎小球足細胞和近端小管中的過表達可防止DN足細胞流失，減少足細胞凋亡并保護細胞骨架纖維，減輕蛋白尿［12］。另外，BMP-7 在腎臟組織中的表達水平與腎小球濾過率呈正相關，當腎臟組織受損或腎功能受損時，BMP-7 表達減少［13］。

2 BMP-7與TGF-β/Smads信號通路

2.1 TGF-β/Smads 信號通路 TGF-β 同樣是 TGF家族的一個重要成員，其不僅在炎癥反應、組織修復和細胞發育等方面發揮作用，而且在細胞的生長、分化和免疫調節中也起重要作用。DN進展過程中，腎臟纖維化是其重要的病理特征，而TGF-β1 作為TGF-β 的一種，是誘導腎臟纖維化發生的關鍵因素［14］。在TGF-β/Smads 信號通路中，TGF-β1 首先結合Ⅰ型和Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸受體，于質膜激活受體相關的Smad 主要蛋白基因Smad2和Smad3，隨后結合Smad4并進入細胞核，進一步調控TGF-β1基因的轉錄，從而調控DN的腎纖維化，因此消除TGF-β的促腎纖維化作用是治療DN的關鍵［15］。Smad蛋白是BMP-7下游信號分子，具有集合管細胞和腎元祖細胞的功能，還可參與BMP-7誘導的后腎間質細胞增殖和鈣黏蛋白11（cadherin 11，CDH1）的表達［16］。

2.2 BMP-7與TGF-β/Smads信號通路在DN中的相互作用 BMP-7 高表達能夠顯著抑制TGF-β/Smad信號通路［17-18］。因此，提高BMP-7 的表達水平可拮抗由 TGF-β 引起的 DN 腎臟纖維化。Wang 等［19］研究發現，BMP-7 的表達水平隨著DN 的進展而逐漸降低，注射外源性人重組BMP-7 可通過促進與Smurf2、Arkadia 無關的基因的轉錄，上調SnoN（Skirelated novel protein N）mRNA 及其蛋白在腎小管上皮細胞中的表達水平，從而抑制TGF-β/Smads 信號通路，延緩DN 進展及腎臟纖維化。彭偉［20］研究發現，在DN腎纖維化過程中，BMP-7可通過上調SnoN蛋白表達水平來削弱TGF-β1 的纖維化效應，機制為BMP-7通過激活經典的Smad1/5信號通路來上調SnoNmRNA及其蛋白表達水平，從而抑制高糖誘導的DN 小鼠腎小管上皮細胞向間充質細胞轉化及ECM 的沉積；另外，給予糖尿病小鼠外源性BMP-7可以顯著改善腎功能，活化腎組織Smad1/5 蛋白表達，增加SnoNmRNA 表達，降低SnoNmRNA 的泛素化水平，進而恢復SnoN蛋白表達水平，減輕DN的腎纖維化病變。腎小管上皮細胞中發生EMT 以及ECM 沉積對于DN 的發病至關重要，但是潛在機制尚不明確。Liu 等［21］研究發現，BMP-7 可通過調節miR-21/Smad7信號傳導，從而減輕DN的腎纖維化，即在注射了BMP-7過表達質粒的DN 小鼠模型中，miR-21表達水平顯著下調而Smad7表達水平上調，同時 EMT 和 ECM 積累明顯減輕。John 等［22］研究發現，在 DN 患者中血清 BMP-7 水平與 TGF-β 的表達水平呈負相關，非DN 患者血清BMP-7 表達水平高于 DN 患者；而 DN 患者血清中 TGF-β 水平高于非DN 患者。這些研究表明，BMP-7有望作為DN 的治療靶點，這為開發新的DN治療藥物和方案提供了理論基礎。

3 BMP-7與PI3K/Akt信號通路

3.1 PI3K/Akt 信號通路 在DN 的發生和發展中，有TGF-β1、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）等多種炎性因子和免疫因子參與，Smad2/3信號被激活的同時，PI3K/Akt信號通路也同樣發揮了部分作用。PI3K是一種脂質激酶，可通過產生第二信使三磷酸肌醇（PIP3）而調節Akt 轉位至質膜發揮作用。糖尿病條件下腎小管細胞PI3K/Akt信號通路被激活，促進EMT并且降低脂質代謝水平［23］。近期研究發現，抑制PI3K/Akt 信號通路能夠抵抗高糖誘導的人近端腎小管上皮細胞（HK-2 細胞）的凋亡和自噬［24］。PI3K/Akt信號的激活可誘發腎臟系統炎癥反應。炎癥發生過程的核心調節因子蛋白酶激活受體-2（PAR-2）可通過PI3K/Akt/mTOR信號通路抑制腎小管上皮自噬，進而誘導腎小管上皮炎癥形成［25］。在高糖處理的HK2 細胞中，PI3K/Akt 信號通路失活可減輕腎組織ECM積累、腎小管EMT和腎間質纖維化［26］。因此，PI3K/Akt信號通路與DN腎小管上皮細凋亡、腎小管損傷及其纖維化發生關系密切。

3.2 BMP-7 與 PI3K/Akt 信號通路參與對 DN 的調節 多種細胞因子在葡萄糖代謝中起重要作用。Chattopadhyay 等［27］在 2 型糖尿病動物模型中發現，血清BMP-7水平降低，而BMP-7可通過激活PDK1、Akt 以及FoxO1 的磷酸化，增加胰島素敏感組織（如脂肪和肌肉）對葡萄糖的攝取，恢復血糖水平，提示BMP-7 在調節葡萄糖穩態和胰島素抵抗中發揮直接作用。因此，BMP-7是治療糖尿病及其并發癥如DN 的理想候選藥物，其可以增強胰島素信號傳導，從而改善葡萄糖攝取及胰島素抵抗，延緩DN 的進展。Higgins 等［28］在慢性腎臟纖維化的單側輸尿管梗阻（UUO）小鼠模型中發現，腎集合管和管狀上皮細胞中的BMP-7 可通過上調PI3K 的磷酸酶抑制劑PTEN 的表達水平，從而抑制PI3K/Akt 信號通路，減輕腎臟纖維化；同時，膠原蛋白基因和蛋白表達水平升高，抑制Ⅰ型和Ⅱ型膠原蛋白在ECM 的聚積，進一步減輕了腎纖維化。因此，在DN和其他慢性腎臟病的腎纖維化發展過程中，BMP-7可通過抑制PI3K/Akt信號通路而發揮抗腎纖維化的作用。

4 BMP-7與間充質干細胞（MSCs）

4.1 MSCs MSCs 是一種多能分化的成體干細胞，具有分化為不同組織的潛能以及自我更新的能力，MSCs來源廣泛，可從骨髓、脂肪組織、臍帶血等組織中分離提取［29］。MSCs 不僅能有效恢復2 型糖尿病大鼠血糖穩態，減輕胰島素抵抗及炎癥反應，還能減輕高脂血癥并改善心功能，延緩遠期糖尿病并發癥（如DN、肺纖維化、白內障）的進展，且多次靜脈輸注MSCs對2型糖尿病大鼠肝腎功能及T細胞免疫抑制均無明顯毒性作用［30］。除了再生和分化的潛能以外，MSCs 的旁分泌功能亦備受關注，其旁分泌的多種營養因子如外泌體和BMP-7 可通過調節鄰近細胞間的信號傳遞來發揮多種生物學功能［31］。MSCs來源的細胞外囊泡恢復了線粒體轉錄因子A（TFAM）蛋白及TFAM-線粒體DNA 復合體的穩定性，從而逆轉受損腎小管細胞線粒體DNA的缺失和線粒體氧化磷酸化缺陷，減輕急性腎損傷小鼠腎臟損害、線粒體損傷及炎癥反應［32］。在DN 大鼠模型中，受損腎臟組織的臍帶間充質干細胞（UC-MSCs）的募集數量增加，UC-MSCs可顯著改善DN大鼠24 h尿蛋白、肌酐清除率、血肌酐及尿素氮水平，明顯減輕炎癥細胞浸潤和腎間質纖維化，并可分泌表皮生長因子、成纖維細胞生長因子、肝細胞生長因子、血管內皮生長因子等，從而有效改善腎功能，抑制腎臟炎癥和纖維化［33］。

4.2 間充質干細胞源BMP-7 參與DN 的調節作用 既往研究認為，MSCs主要通過旁分泌作用和免疫調節機制修復受損的腎臟。Wang 等［34］研究團隊對1型糖尿病早期DN大鼠左腎動脈注射MSCs后發現，MSCs可顯著減輕DN大鼠腎臟病理改變，阻止腎小球硬化進程，并證實了MSC可通過旁分泌BMP-7來修復足細胞的損傷并促進足細胞再生，減少巨噬細胞在腎臟的積累，提示MSCs 可通過提高BMP-7表達水平而發揮其對巨噬細胞的免疫調控作用，進而修復腎臟纖維化。另有研究發現，BMP-7基因修飾的骨髓間充質干細胞（BM-MSCs）相比單純的BM-MSCs 移植，腎小管上皮細胞細胞凋亡指數和Bax 的表達水平明顯降低，而腎小管上皮細胞增殖指數、Bcl-2 及Bcl-2/Bax 比值明顯升高，表明BMP-7基因修飾的BM-MSCs 能夠更顯著抑制腎小管上皮細胞凋亡并促進其增殖，從而加速損傷腎臟的修復，保護腎臟功能［35］。因此，BMP-7協同MSCs共同延緩了DN進程。

5 結語

DN是體內外多種因素共同作用的結果，其具體發病機制尚未完全明確。目前發現，BMP-7可抑制TGF-β/Smads信號通路和PI3K/Akt信號通路發揮腎臟保護作用，并且能夠協同MSCs 修復腎組織損傷，緩解DN 腎臟的炎癥和纖維化，BMP-7 可作為治療糖尿病腎病的潛在靶點；然而對BMP-7的研究還大多局限于動物實驗和細胞水平。