糖尿病肾病足细胞损伤机制研究进展

殷洪波，于　攀，李　杰

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是一种慢性能量代谢障碍综合征。糖尿病肾病(diabetic nephropathy, DN)是DM微血管病变中的主要并发症，无论1型还是2型DM，有20%～30%的患者最终会发展到DN。DN的主要临床表现为蛋白尿、高血压及进行性肾功能损伤，是导致终末期肾病(end-stage renal disease, ESRD)的主要原因之一[1-3]。研究证实，足细胞损伤是DN进展的核心事件[4]。在DN早期，就会出现足细胞足突消失、融合，随着DN的进展，损伤积累可导致足细胞凋亡与脱落、肾小球基底膜破坏、大量蛋白尿产生，促进DN向ESRD发展[5-6]。因此，研究足细胞损伤机制，对于DN的治疗至关重要。本文就目前DN中足细胞损伤的相关因素和涉及的分子机制做一综述。

1　氧化应激与足细胞损伤

大量研究表明，活性氧(reactive oxygen species, ROS)和氧化应激导致的慢性炎症在DN发展过程中发挥着至关重要的作用[7]。在高糖的刺激下，晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products, AGEs)逐渐增多，且AGEs难以降解，易于在细胞内大量聚积[8]。在AGEs产生过程中，会释放大量的ROS，使机体处于氧化应激状态[9]。同时，AGEs也可与细胞表面特异性受体结合，进一步促进细胞内ROS的产生。在大量的ROS成员中，对人体危害最大的是超氧阴离子以及后续产生的羟自由基和过氧亚硝酸阴离子，后两者具有超强的氧化能力，能快速使脂质过氧化及多种氨基酸(如酪氨酸)硝基化，还能损伤DNA导致基因突变、细胞周期停滞、细胞凋亡、坏死，使器官逐渐丧失功能，而人体内缺乏对羟自由基和过氧亚硝酸阴离子的天然有效清除机制[10-11]。

足细胞，即肾小球脏层上皮细胞，属于终末分化细胞，需要大量的能量来维持细胞功能。ROS可损伤足细胞线粒体功能，导致足细胞功能障碍，进而启动后续的细胞骨架破坏、细胞融合，甚至细胞凋亡过程[11]。在这一过程中，又有大量ROS产生。研究表明，在高糖环境下，足细胞内ROS活化可引起足细胞功能紊乱及尿白蛋白排泄率增加，而抑制氧化酶可降低蛋白尿并减轻肾小球硬化[12]。

2　线粒体功能障碍与足细胞损伤

线粒体是重要的能量代谢场所，线粒体氧化磷酸化是一个高效的产能过程，这个过程中可产生大量ROS[13]。线粒体功能障碍包括3个方面：①线粒体呼吸链氧化磷酸化导致产能减少。②线粒体内ROS生成增加，在正常情况下，人体产生和消除ROS的速度基本平衡，体内产生的ROS会被快速清除；而DM患者体内的高血糖以及AGEs产生的大量ROS会损伤线粒体，从而导致线粒体功能障碍，同时通过激活GSK3β、P38-MAPK信号通路，启动内源性凋亡，导致足细胞减少；此外，激活GSK3β信号通路也可破坏肌动蛋白和细胞骨架的完整性，导致足细胞收缩和足突融合，最终导致蛋白尿和肾小球硬化，使DN恶化[14]。③线粒体DNA受损或突变，线粒体DNA突变引起的疾病称为线粒体病，包括线粒体肌病、脑病、乳酸酸中毒和脑卒中等[15]。有研究认为，线粒体基因突变与线粒体自噬能力降低密切相关，还发现DN肾小球足细胞线粒体自噬能力明显降低，均表明线粒体功能障碍参与了DN足细胞损伤，然而具体调控机制尚待进一步研究[13]。

3　胰岛素信号途径紊乱与足细胞损伤

足细胞作为肾小球滤过膜的主要组成部分，也是胰岛素敏感细胞[16]。有研究显示，一种与维系肾小球滤过屏障密切相关的特异表达于足细胞的蛋白Nephrin，在足细胞对胰岛素敏感性反应中起重要作用。在Nephrin正常状态下，胰岛素通过葡萄糖转运体GLuT1和GLuT4作用于足细胞，而这一过程则需要足细胞骨架蛋白actin参与，具体机制尚不明确[17]。相关研究还发现，胰岛素缺乏或者胰岛素抵抗都可引起足细胞骨架蛋白破坏，从而导致尿蛋白产生[18]。然而，胰岛素缺乏或胰岛素抵抗是否参与了导致足细胞线粒体功能障碍的过程，目前尚不清楚。

此外，研究还发现无论1型还是2型DM，机体经过一段时间的高血糖刺激后，即使血糖和胰岛素水平恢复正常，高血糖引起的代谢紊乱也不能恢复到之前正常状态时的水平，称之为代谢记忆[19]。最近有研究发现，高糖诱导下，足细胞中蛋白络氨酸磷酸酶SHP-1激活，即使血糖恢复正常，SHP-1的表达仍然不能下降到正常水平；这是因为在高糖刺激下，SHP-1启动子的H3组蛋白被乙酰化和甲基化，导致SHP-1持续高表达；而SHP-1能够抑制足细胞中胰岛素受体表达，导致足细胞对胰岛素的敏感性降低，进而导致足细胞能量供应障碍，从而激活ROS系统，损伤线粒体功能，引起后续足细胞损伤[20]。

4　炎症与足细胞损伤

由于胰岛素信号途径紊乱以及线粒体损伤，导致足细胞能量供应障碍、ROS产生增加，进而促进了足细胞中炎性因子的大量产生。1991年Cavallo MG等人首次发现2型DM患者血清中有炎性因子：白介素-1β(IL-1β)和IL-18，这一发现开启了对DN和DM患者微炎症状态研究的序幕[21]。经过20余年对微炎症状态的研究发现，在高糖的刺激下，机体会产生单核细胞趋化蛋白，这种蛋白可造成多种炎性细胞(如巨噬细胞、淋巴细胞、肾脏固有细胞等)参与，通过多种途径(如MAPK、JAK-STA、AGEs、NF-κb等)激活炎性因子、趋化因子、黏附因子等，进而发挥相应的促炎作用，形成恶性循环，不断造成肾脏损伤[22-23]。

在众多的炎性因子中，炎症小体是一个大家族，可负责细胞内的免疫和炎症过程。在炎症小体各家族成员中，NALP3炎症小体研究得最广泛、最清楚，其参与了多种慢性肾脏病的进展[24]。在链脲佐菌素诱导伴有高脂血症的DM大鼠模型中，NALP3炎症小体的3个成分表达均升高，由其活化产生的IL-1β和IL-18也增加，并最终导致严重肾损伤[25]。IL-1β是具有多种生理活性的重要细胞因子，在肾脏主要由足细胞产生，在足细胞损伤和修复中起重要作用[26]。IL-18是一种前炎性因子，能够促进多种炎性因子的产生[27]。研究表明，IL-18参与了DN的进展，然而具体机制尚不清楚[11]。

5　自噬与足细胞损伤

自噬是真核生物对细胞内物质进行周转的重要过程。细胞在受到刺激或饥饿时，自噬就会发生，其目的是去除有害蛋白聚集、去除受损细胞器、满足增加的能量需求。细胞内有功能障碍的线粒体或不需要的线粒体会通过选择性或非选择性自噬被清除，这种选择性清除线粒体的自噬过程被称为线粒体自噬[28]。线粒体自噬是清除损伤线粒体、减少ROS的主要途径[29]。同时，由于足细胞是终末分化细胞，缺乏有丝分裂和自我更新能力，以致线粒体自噬成为保护足细胞的主要机制。有研究发现，通过多种途径抑制线粒体自噬，会加重DM小鼠的足细胞损伤[30]。

相关研究表明，足细胞线粒体自噬受到多种机制调控，其中最重要的有3条通路：①SIRT1信号通路：SIRT1是近年来发现的烟酰胺腺嘌呤核苷酸依赖的第Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶类；大量的证据已经表明，SIRT1通过增强自噬、稳定线粒体等途径，在多种肾脏疾病中具有保护作用[31]。②mTOR信号通路：mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，其与不同的蛋白结合形成两个功能不同的复合体，分别为mTORC1和mTORC2；其中，mTORC1是一种雷帕霉素敏感蛋白激酶复合体，主要参与细胞生长、增殖、凋亡等过程的调节，被认为是自噬的负性调控因子；研究发现，足细胞特异性mTORC1激活可导致非DM小鼠出现多种DN的特征性病理表现，如系膜扩张、肾小球基底膜增厚、足细胞丢失以及蛋白尿。③AMPK信号通路：AMPK作为自噬的调节器也被认为参与了DN的发病机制；AMPK的活性主要受细胞内AMP/ATP的精密调控，当胞内能量呈低水平时，AMPK被激活，并通过直接控制ULK1磷酸化和抑制mTORC1活性这两个独立的机制来激活自噬[32]。还有实验证明，AMPK激活剂白藜芦醇可恢复链脲佐菌素诱导DN的AMPK活性、减少蛋白尿、改善高血糖和肾功能障碍、减轻肾脏肥大[33]。

此外，除了上述3条主要途径外，还有一些重要分子参与了线粒体自噬的调控。FOXO3a是FOXO家族的主要成员，在细胞氧化应激中发挥调控作用。研究表明，FOXO3a乙酰化具有促进细胞凋亡的作用，而FOXO3a去乙酰化则上调自噬、抑制细胞凋亡、促进细胞存活。在肾脏足细胞中，FOXO3a如何发挥作用，尚待进一步研究[34]。

6展望

随着人们生活水平的提高，DM以及DN成为威胁人类健康的重要疾病。研究DN的早期治疗方法，对于延缓疾病的发展至关重要。最近有研究发现，通过模拟节食的疗法：4 d低能量饮食，3 d正常饮食，7 d为1个周期，11个周期后，DM小鼠模型胰腺β细胞功能以及血糖水平完全恢复正常，这一研究结果为DM和DN的研究开拓出新的空间[35]。通过模拟节食疗法，DM小鼠体内多个在胚胎发育过程中发挥重要作用的基因被重新激活，促进了胰腺细胞的恢复。在未来，也许通过增强细胞自噬、激活胚胎发育的某些关键基因，可以有效地治疗DM和DN。

[参考文献]

[1]Collins A J, Foley R N, Herzog C,etal. US renal data system 2012 annual data report[J].Am J Kidney Dis, 2013,61(Suppl 1):A7,e1-476.

[2]Shen Y, Cai R, Sun J,etal. Diabetes mellitus as a risk factor for incident chronic kidney disease and end-stage renal disease in women compared with men: a systematic review and meta-analysis[J].Endocrine, 2017,55(1):66-76.

[3]Chan C M, Chim T M, Leung K C,etal. Simultaneous pancreas and kidney transplantation as the standard surgical treatment for diabetes mellitus patients with end-stage renal disease[J].Hong Kong Med J, 2016,22(1):62-69.

[4]Shakeel M. Recent advances in understanding the role of oxidative stress in diabetic neuropathy[J].Diabetes Metab Syndr, 2015,9(4):373-378.

[5]Denhez B, Geraldes P. Regulation of nephrin phosphorylation in diabetes and chronic kidney injury[J].Adv Exp Med Biol, 2017,966:149-161.

[6]Fakhruddin S, Alanazi W, Jackson K E. Diabetes-induced reactive oxygen species: mechanism of their generation and role in renal injury[J].J Diabetes Res, 2017,2017:8379327.

[7]Lopes de Faria J B, Silva K C, Lopes de Faria J M. The contribution of hypertension to diabetic nephropathy and retinopathy: the role of inflammation and oxidative stress[J].Hypertens Res, 2011,34(4):413-422.

[8]Yeh W J, Hsia S M, Lee W H,etal. Polyphenols with antiglycation activity and mechanisms of action: a review of recent findings[J].J Food Drug Anal, 2017,25(1):84-92.

[9]Faria A, Persaud S J. Cardiac oxidative stress in diabetes: Mechanisms and therapeutic potential[J].Pharmacol Ther, 2017,172:50-62.

[10] Hansen L M, Gupta D, Joseph G,etal. The receptor for advanced glycation end products impairs collateral formation in both diabetic and non-diabetic mice[J].Lab Invest, 2017,97(1):34-42.

[11] Bhatti A B, Usman M. Drug targets for oxidative podocyte injury in diabetic nephropathy[J].Cureus, 2015,7(12):e393.

[12] Sun M, Li Y, Bu W,etal. DJC suppresses advanced glycation end products-induced JAK-STAT signaling and ROS in mesangial cells[J].Evid Based Complement Alternat Med, 2017,2017:2942830.

[13] Dan Dunn J, Alvarez L A, Zhang X,etal. Reactive oxygen species and mitochondria: a nexus of cellular homeostasis[J].Redox Biol, 2015,6:472-485.

[14] Wan J, Li P, Liu D W,etal. GSK-3beta inhibitor attenuates urinary albumin excretion in type 2 diabetic db/db mice, and delays epithelial-to-mesenchymal transition in mouse kidneys and podocytes[J].Mol Med Rep, 2016,14(2):1771-1784.

[15] Qi H, Casalena G, Shi S,etal. Glomerular endothelial mitochondrial dysfunction is essential and characteristic of diabetic kidney disease susceptibility[J].Diabetes, 2017,66(3):763-778.

[16] Lay A C, Hurcombe J A, Betin V M S,etal. Prolonged exposure of mouse and human podocytes to insulin induces insulin resistance through lysosomal and proteasomal degradation of the insulin receptor[J].Diabetologia, 2017,60(11):2299-2311.

[17] Wasik A A, Koskelainen S, Hyvonen M E,etal. Ezrin is down-regulated in diabetic kidney glomeruli and regulates actin reorganization and glucose uptake via GLUT1 in cultured podocytes[J].Am J Pathol, 2014,184(6):1727-1739.

[18] Parvanova A I, Trevisan R, Iliev I P,etal. Insulin resistance and microalbuminuria: a cross-sectional, case-control study of 158 patients with type 2 diabetes and different degrees of urinary albumin excretion[J].Diabetes, 2006,55(5):1456-1462.

[19] Guo X, Zhang B F, Chen J,etal. DPP-4 inhibition as a therapeutic strategy to ameliorate diabetic metabolic memory[J].Int J Cardiol, 2017,247:40.

[20] Denhez B, Lizotte F, Guimond M O,etal. Increased SHP-1 protein expression by high glucose levels reduces nephrin phosphorylation in podocytes[J].J Biol Chem, 2015,290(1):350-358.

[21] Cavallo M G, Pozzilli P, Bird C,etal. Cytokines in sera from insulin-dependent diabetic patients at diagnosis[J].Clin Exp Immunol, 1991,86(2):256-259.

[22] Wada J, Makino H. Inflammation and the pathogenesis of diabetic nephropathy[J].Clin Sci：Lond, 2013,124(3):139-152.

[23] Kuo H L, Huang C C, Lin T Y,etal. IL-17 and CD40 ligand synergistically stimulate the chronicity of diabetic nephropathy[J].Nephrol Dial Transplant, 2017[Epub ahead of print].

[24] Gao P, He F F, Tang H,etal. Erratum to "NADPH oxidase-induced NALP3 inflammasome activation is driven by thioredoxin-interacting protein which contributes to podocyte injury in hyperglycemia"[J].J Diabetes Res, 2016,2016:1213892.

[25] Gao P, Meng X F, Su H,etal. Thioredoxin-interacting protein mediates NALP3 inflammasome activation in podocytes during diabetic nephropathy[J].Biochim Biophys Acta, 2014,1843(11):2448-2460.

[26] Bettaieb A, Koike S, Chahed S,etal. Podocyte-specific soluble epoxide hydrolase deficiency in mice attenuates acute kidney injury[J].FEBS J, 2017,284(13):1970-1986.

[27] Yano T, Nozaki Y, Kinoshita K,etal. The pathological role of IL-18Ralpha in renal ischemia/reperfusion injury[J].Lab Invest, 2015,95(1):78-91.

[28] Yamamoto-Nonaka K, Koike M, Asanuma K,etal. Cathepsin D in podocytes is important in the pathogenesis of proteinuria and CKD[J].J Am Soc Nephrol, 2016,27(9):2685-2700.

[29] Gallardo-Montejano V I, Saxena G, Kusminski C M,etal. Nuclear perilipin 5 integrates lipid droplet lipolysis with PGC-1alpha/SIRT1-dependent transcriptional regulation of mitochondrial function[J].Nat Commun, 2016,7:12723.

[30] Li W, Du M, Wang Q,etal. FoxO1 promotes mitophagy in the podocytes of diabetic male mice via the PINK1/Parkin pathway[J].Endocrinology, 2017,158(7):2155-2167.

[31] Cai X, Bao L, Ren J,etal. Grape seed procyanidin B2 protects podocytes from high glucose-induced mitochondrial dysfunction and apoptosis via the AMPK-SIRT1-PGC-1alpha axis in vitro[J].Food Funct, 2016,7(2):805-815.

[32] Lal M A, Young K W, Andag U. Targeting the podocyte to treat glomerular kidney disease[J].Drug Discov Today, 2015,20(10):1228-1234.

[33] Lopez M, Tena-Sempere M. Estradiol effects on hypothalamic AMPK and BAT thermogenesis: a gateway for obesity treatment?[J].Pharmacol Ther, 2017,178:109-122.

[34] Hwang J W, Yao H, Caito S,etal. Redox regulation of SIRT1 in inflammation and cellular senescence[J].Free Radic Biol Med, 2013,61:95-110.

[35] Cheng C W, Villani V, Buono R,etal. Fasting-mimicking diet promotes Ngn3-driven beta-cell regeneration to reverse diabetes[J].Cell, 2017,168(5):775-788,e12.