Smad1蛋白在糖尿病肾病中的应用与研究进展

李梦， 田少江

湖北医药学院附属人民医院肾病内科(湖北十堰 442000)

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一组人体代谢疾病，是由遗传和环境因素的相互作用而引起的以血糖升高为主要表现的综合征。随着各国经济快速发展、人们生活水平提高及人口老龄化的加速，糖尿病的患病率在世界范围内迅速增长。据2017年国际糖尿病联盟(International Diabetes Federation,IDF)统计全球有4.25亿人患有糖尿病，如果不加以控制，估计到2045年会增加到6.29亿，中国约有842 993例患者死于糖尿病，其中33.8%的患者年龄<60岁[1]。目前，根据相关统计数据显示，糖尿病的患病率、残疾率和病死率逐渐增加，已成为仅次于于癌症和心血管疾病的第三大慢性非传染性疾病[2]。糖尿病肾病(diabetic nephropathy)是糖尿病患者常见的微血管特异性并发症，糖尿病肾病发病率亦呈上升趋势，已成为导致终末期肾脏病的第二大病因，仅次于各种肾小球肾炎[3-4]，同时糖尿病肾病也会增加患心脑血管疾病的风险[5]，IDF全球调查显示2/3的2型糖尿病患者伴有心血管疾病危险因素或经历过心血管事件[6]。至今，糖尿病肾病的发生、发展是导致人类的发病率和病死率增加以及生活质量严重受损的巨大临床问题。随着肾活检的广泛开展，研究发现临床上出现尿蛋白或肾功能异常的糖尿病患者并不一定患有糖尿病肾病，部分患者可能与糖尿病疾病本身无关，而是在糖尿病基础上发生其他原发或继发的肾脏病变即非糖尿病肾病(non-diabetic renal diseases,NDRD)[7-8]。在临床工作中，我们了解到糖尿病肾病的发生和发展过程几乎是不可逆，而非糖尿病肾病通常是可逆的，甚至可以治愈。因此，糖尿病肾病的早期发现、早期诊断和早期治疗在临床上至关重要。早期糖尿病肾病往往缺乏明显的临床表现，当出现临床症状时，其肾损伤已进入中晚期，临床中缺乏有效治疗方法，且不能阻止其发展，最终只能进入终末期。因此，如何早期诊断糖尿病肾病是临床实践中的一大难题。在多数情况下，肾脏病病理活检并不一定能找到特征性的病理改变[9]，而常规相关检查敏感性低，难以发现早期肾损害，因此，寻找敏感性和特异性均可的非侵入性诊断是临床肾病学的发展方向，随着糖尿病肾病患者的增加，有必要建立反映可预测和治疗效果的非侵入性标记物。随着研究者人员不断的探索，发现尿液中Smad1蛋白可以作为糖尿病肾病早期诊断的指标之一[10-11]，甚至比尿白蛋白出现得早，本文就尿液及血液的Smad1在糖尿病肾病中的作用作一综述。

1 糖尿病肾病发病机制

糖尿病肾病肾损伤的发生、发展过程比较复杂，尚未研究透彻。目前普遍认为，主要由多种因素包括高血糖、微循环障碍(血流动力学异常、血液流变学异常、微血管病变)、糖代谢紊乱(糖基化终末产物的形成、蛋白激酶C活性增高、多元醇通路的激活)、氧化应激、炎症反应、细胞因子的激活等[12-13]，各因素间又彼此影响、相互制约，在糖尿病肾病发生、发展中起着重要作用[14]。而糖尿病肾病发展为终末期肾病是一个极其复杂而又漫长的过程，长期处于高滤过和高灌注状态下，导致肾脏微血管病变及血流动力学紊乱，肾小球毛细血管基底膜增厚，系膜扩张、足细胞损伤，通透性下降，有效滤过面积减少，直至肾小球硬化。

糖尿病肾病病理变化主要表现为肾小球肥大、系膜细胞增生、足细胞数目改变(数量减少或密度降低)、基底膜增厚、肾小管上皮上皮间充质转变(epithelial-mesenchymal transition,EMT)和细胞外基质(extracellular matrix,ECM)进行性积聚，最终导致肾小球硬化、肾小管萎缩和间质纤维化[15]。

2 足细胞损伤与糖尿病肾病

肾小球滤过屏障主要由毛细血管内皮细胞、肾小球基底膜和足细胞(肾小球脏层上皮细胞)共同组成的三道防线。足细胞[16]是位于肾小球基底膜外侧的高度特异性终末分化细胞，是肾小球滤膜的最后一道屏障，参与抗肾小球基底膜的代谢平衡，可清除肾小囊腔内的大分子物质，合成血管内皮生长因子(vascular endothe-lial growth factor，VEGF)及正常的肾小球基底膜，能够调节肾小球通透性及滤过性，维持肾小球内皮细胞的功能稳定性及毛细血管袢的空间结构等过程[17]。同时，足细胞还可以分泌多种物质：如趋化因子、补体和补体的调节蛋白、共刺激分子等，并能够表达Toll样受体、细胞因子等。正常情况下，足细胞在各种适度应激和病理因素刺激下，能够保持适应性的动态平衡，但过度的应激会导致其发生复杂的生物学变化，包括细胞完整性缺失和细胞代谢失调[18]。在肾脏病变中，足细胞数量及密度的降低与多种细胞因子有关，包括结缔组织生长因子(connective tissue growth factor,CTGF)、转化生长因子(transforming growth factor,TGF)-β、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)、骨形态发生蛋白-7(bone morphogenetic protein-7,BMP-7)等[19-20]。

至今，足细胞损伤机制尚未完全阐明，目前研究发现足细胞损伤致其超微结构及功能改变是发生蛋白尿及肾小球硬化的关键，其机制主要包括自噬、Notch信号通路、TGF-β/smad、核因子-κB(NF-κB)信号通路、氧化应激及细胞因子激活等多个方面相互作用引起[21]。足细胞功能障碍、丢失，主要通过血流动力学改变、免疫性损失、毒素积累、活性氧基团增加、药物、细胞因子、趋化因子、病毒感染、代谢等多种机制相互作用而导致大量蛋白尿的出现，加速肾脏功能的损害[22]。石格等[23]通过中药干预体内外对DN模型鼠足细胞病变或高糖诱导的足细胞损伤中发现在糖尿病肾病的发展过程中，肾小球及其球内各种固有细胞发生了形态上和功能上的改变，其中足细胞损伤与蛋白尿密切相关。其他研究者在糖尿病患者及动物模型中都发现足细胞损伤与肾功能及肾纤维化之间有着密切的关系[24-25]。通过学者们不断的研究和临床经验的总结，已经证实了蛋白尿不仅是糖尿病肾病发生、发展的核心指标，还是糖尿病肾病进展的独立危险因素，与糖尿病肾病的病情严重程度及进展密切相关。

作为肾小球滤过屏障的最后一道防线，足细胞的脱落、受损、凋亡或EMT是导致糖尿病肾病发生进行性肾小球硬化和肾纤维化的关键因素[26]。早期研究发现糖尿病肾病大鼠早期即出现足细胞数减少、足突增宽,随着病变加重,这种变化愈明显[27]。张利等[28]研究发现在高血糖环境下，终末期糖基化产物(AGEs)及其受体RAGE在足细胞中表达增强，AGEs的累积可以引起肾小球肥大、基底膜增厚、系膜基质增生以及产生蛋白尿。相关研究人员发现1型和2型糖尿病肾病患者都出现足细胞数量的减少，且与蛋白尿程度以及疾病进展程度呈正相关[29]。CTGF可加剧高糖环境下引起的足细胞损伤，在促进足细胞上皮EMT过程中发挥重要作用[30]。韩雪鸿等[31-32]通过研究，再次证明了TGF-β是肾脏病变中致纤维化最强的细胞因子，TGF-β参与信号通路中最终可形成低聚体复合物，并激活核内ECM成分如各种类型的胶原蛋白Col-Ⅰ、Col-Ⅳ等启动子，从而增加ECM合成，导致肾纤维化，还可通过Smads 或 MAPKs等通路参与糖尿病肾病足细胞损伤[33]。综上所述，足细胞病变不仅导致大量蛋白尿的发生,而且还与进行性肾小球硬化和肾纤维化的发生有关。因此，研究对足细胞损伤机制对糖尿病肾病的早期诊断具有重要意义。

3 Smad1蛋白与足细胞损伤

Smad蛋白家族[34]是一类细胞内信号传导蛋白，可将TGF-β家族信号从受体传导到细胞内核，并在多种细胞类型中发挥重要作用，如调节细胞的生长、分化、凋亡，合成基质等，同时也参与调节组织修复和免疫调节。前期研究[35]表明，Smads蛋白家族在肾脏、心肌、腹膜和肺等多种器官的纤维化过程中起着重要作用。

Smad1蛋白属于受体激活型，磷酸化后具有活性，已有相关研究表明细胞内激活Smad1的膜蛋白最主要的是骨结合蛋白-7(BMP-7)[36]，BMP-7属于TGF-β超家族中的一员，在肾病发展过程中起极为重要的保护作用，可以降低肾小球TGF-β1的表达，减少足细胞脱落[37]；能够逆转糖尿病肾病造成的肾脏肥大，改善肾小球滤过率，减少足细胞的丢失[38]；并且可阻断TGF-β信号通路，进一步发挥延缓肾脏纤维化的作用。

诸多研究已经证实Smad1蛋白是TGF-β1下游信号传导因子，在糖尿病肾病发生、发展过程中发挥着重要的作用，可诱导足细胞线粒体NADPH氧化酶增加，抑制线粒体功能，诱导肥大、形状畸形，导致凋亡，最终可直接导致肾小球硬化[39]。

研究发现糖尿病肾病患者和小鼠模型纤维化的肾脏中普遍存在TGF-β表达的上调[40]，TGF-β1/Smad信号通路的激活可以上调ECM中各种成分的表达，其中Ⅳ型胶原是ECM的主要成分，同时是系膜基质扩张的重要组成物质，而Smad1作为Ⅳ型胶原中α1和α2的转录因子，可增强其表达，因此Smad1在糖尿病肾病系膜基质扩张中发挥着重要作用[41]。Smad1蛋白可以通过调控TGF-β1、 BMP-7及BMP-4表达水平影响足细胞功能，在动物模型研究[42]中发现，糖尿病肾病早期阶段小鼠尿液中既有Smad1的升高，肾小球Smad1的表达水平和尿 Smad1的含量与系膜ECM的沉积及肾小球硬化程度密切正相关，且Samd1在正常人和大鼠中不表达，同时也发现AngⅡ可以通过调节Src和Smad1来调控系膜基质扩张的发展，证明了Smad1在糖尿病肾病中的作用。通过免疫组化和免疫印迹发现，糖尿病大鼠肾小球系膜基质扩张越明显，肾小球及尿液中Smad1的含量均增加[43]。叶迅等[44]研究发现高糖可通过TGF-β/Smad信号途径诱导足细胞发生表型转化，导致糖尿病肾病患者出现微量蛋白尿。

所以，我们认为Smad1水平可预测糖尿病肾病系膜的扩张程度及肾小球硬化程度,可以用于判断糖尿病肾病病情进展程度。

4 展望

由于Smad1在尿液中的含量很低，除在糖尿病动物模型及临床研究中用 ELISA 测定尿中浓度外，目前尚无在其他类型肾病动物及临床研究中的文献报道，血液中是否存在Smad1蛋白目前尚无研究。综上所述，Smad1蛋白在糖尿病肾病发生发展中发挥着至关重要的作用，特别是参与足细胞损伤、肾纤维化、肾硬化的过程，那么是否可以通过检测血清及尿液中的Smad1蛋白来诊断早期糖尿病肾病，同时抑制它作用途经可能成为阻止糖尿病肾病发展及治疗的新靶点、新方向。