细胞自噬在糖尿病肾病发病中的作用及分子机制

陈新田，代丽霞，朱燕亭，李振江

(1.西安医学院，陕西 西安 710021；2.陕西省人民医院 肾病血透中心，陕西 西安 710068)

0 引言

糖尿病肾病(diabetic nephropathy, DN)是糖尿病特发性全身微血管病变在肾脏中的表现，是糖尿病最常见的并发症之一。全球约有3.47亿糖尿病患者[1]，其中约25%-40%将发展为DN[2]。糖尿病肾病若未能及时有效诊治，将进行性的损害患者肾功能，最终将进展至终末期肾病(end stage renal disease, ESRD)[3]，危及患者生命安全[4]。DN 是导致终末期肾病的重要因素之一。DN早期主要表现为肾小球高滤过和微量白蛋白尿，随疾病进行性发展肾小球滤过率逐渐下降、肾脏纤维化进行性加重，引起正常肾脏组织结构破坏、血供减少、肾脏功能丧失，最终导致终末期肾脏病。DN的病理特征主要包括：肾小球基底膜增厚、系膜基质沉积、肾小球硬化、肾小管硬化、肾间质纤维化和肾血管硬化。肾小球是肾脏滤过功能的结构基础，是慢性肾脏病最易损害的部位。肾小球病变又常引起小管间质的损害，最终导致不可逆转的肾脏病变[5-6]。目前对糖尿病肾病的治疗包括控制血压和血糖水平及抑制肾素血管紧张素系统(renin-angiotensin system，RAS)，以减少或消除蛋白尿[7-9]。虽然这些策略对糖尿病肾病的治疗有一定效果，但效果远不能令人满意。目前认为，细胞自噬与糖尿病肾病的发生发展密切相关。自噬的存在或激活在DN中有保护作用，但自噬活性异常会导致肾小球及肾小管损伤，参与DN发病[10]。因此，本文就细胞自噬的特点及其与糖尿病肾病的关系做一综述。

1 自噬的概述

“自噬”一词起源于希腊语，意思是“自我吞噬”，50多年前由克里斯汀·德·迪夫首次提出，主要是基于观察到的灌注胰腺激素胰高血糖素的大鼠肝脏内溶酶体，线粒体和其他细胞内结构的降解。“自噬”是一种在各种细胞中普遍存在的细胞降解过程，主要指在某些生理或应激条件下细胞内错误折叠的蛋白质或其他受损的细胞器以囊泡的形式运送到溶酶体，通过溶酶体降解和循环，以维持细胞内的稳态。根据细胞物质运到溶酶体内的途径不同，自噬可分为三类：巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬[11]。巨噬细胞自噬又称自噬，广泛存在于细胞降解/再循环系统中，自噬过程可简单分为几个步骤：自噬的诱导、自噬体的形成、囊泡的融合、自噬体的分解[12]。自噬参与分解代谢及受损细胞内蛋白质和细胞器的降解，以维持正常和疾病状态下的细胞内稳态和细胞完整性[13]，在调整包括免疫、炎症、对压力的适应[14]、发育和衰老、代谢和神经退行性疾病[15]以及癌症等病理生理过程中发挥关键作用[16-18]。自噬对于维持细胞的代谢稳态是不可或缺的[19]。研究发现，自噬可以有效地调节线粒体的呼吸，以达到细胞所需的正常ATP水平[20]，表明自噬对于维持细胞能量代谢至关重要。细胞内氨基酸缺乏6h后，溶酶体将通过降解蛋白质产生氨基酸，以达到能量代谢平衡[21]。否则，自噬将通过mTOR途径影响蛋白质的合成[22-23]。此外，自噬在控制包括胆固醇和硬脂酸在内的脂质代谢中亦发挥重要作用[24]。随着年龄的增长，机体抗氧化防御能力、自噬活性下降导致机体代谢失衡，致使软骨修复能力降低[25]。研究表明，衰老导致软骨细胞自噬减少。研究表明，自噬的减少增加了糖尿病患者软骨退化的风险[26]。此外，自噬还参与多种疾病的发生、发展。研究发现，自噬活性降低可减少肺肿瘤细胞增殖和肿瘤负担[27]。另外，当p53为野生型时，由Beclin1的单等位基因缺失引起的自噬活性降低抑制了乳腺肿瘤发生[28]。这表明自噬活性降低抑制了遗传性乳腺癌肿瘤发生。黑色素瘤具有高水平的基础自噬体，提示自噬活性增加促进肿瘤的发生。此外，自噬体水平较高的黑色素瘤患者存活率较低[29]。自噬活性升高起促进作用的另一种癌症是结直肠癌。自噬活性升高促进由Apc缺失的小鼠肠癌的发生和发展[30]。此外，自噬与DN的发生发展关系密切。糖尿病时自噬活性降低，使得肾脏细胞易受到相关代谢应激的损伤，因此调节自噬可能成为治疗DN新的靶点。

2 肾脏细胞的自噬

几种常见的肾脏损伤已被证明会导致自噬的改变，包括缺血、毒性损伤和炎症。失调、过度和有缺陷的自噬都与多种疾病状态有关。例如，过度的自噬有助于肾细胞癌中恶性细胞集落的扩张[31-32]；肾缺血导致的自噬不足，促进细胞死亡[33-35]；和失调的自噬导致慢性炎症、自身免疫性疾病，并改变肾内炎症环境，潜在地防止免疫细胞浸润[36-37]。而随着DN的流行，其与自噬之间的关系近年来受到了广泛关注。研究人员发现，在一项小样本研究[38]中，发现糖尿病肾病患者的肾组织中Atg5、Atg8、beclin1和LC3 mRNA水平显著降低，表明某些肾固有细胞的自噬活性下降，糖尿病肾病在抑制自噬诱导中起作用。然而，自噬可能在引起的肾脏病理变化中所起的作用，还有待进一步验证。

(1)足细胞自噬

在正常的生理条件下，足细胞显示出高水平的自噬(较其他肾细胞)，表明自噬在非应激条件下保持足细胞稳态中起关键作用[39]，这导致对足细胞自噬的进一步研究。足细胞自噬主要负责蛋白质和细胞器降解，随后调节细胞稳态，其功能障碍被认为是足细胞损伤的重要诱导因素[40-41]。糖尿病肾病中mTOR通路的过度激活在足细胞损伤和肾小球滤过率下降的过程中起着关键作用[42]。多项临床研究证实，糖尿病肾病患者足细胞足突消失，这种足细胞损伤伴有肾小球滤过功能异常[43-45]。以往的研究表明，糖尿病患者存在足细胞自噬功能不全并伴有大量蛋白尿，足细胞自噬受损加重了糖尿病肾病患者的蛋白尿，这些研究表明足细胞自噬在糖尿病肾病发病机制中的重要性[46-48]。据报道，梓醇可改善肾功能和蛋白尿，这与糖尿病肾病足细胞损伤密切相关[49]。有证据表明，在糖尿病肾病动物模型中，梓醇治疗通过稳定足细胞骨架结构和挽救糖尿病肾病足细胞自噬而改善足细胞损伤。因此，增强足细胞的自噬是糖尿病肾病的潜在治疗策略[48,50]。

(2)肾小管上皮细胞自噬

基础条件下的管状上皮细胞显示出低水平的自噬。在1型糖尿病患者和2型糖尿病患者的近端肾小管细胞中观察到p62蛋白的积累和mTORC1的过度激活，表明自噬[51]的缺乏。另外，一个重要的发现是，在糖尿病肾脏模型中，mTOR在近端和远端小管被激活，并下调腺苷酸激活的蛋白激酶途径，导致自噬抑制[52]。此外，长期暴露于高葡萄糖水平在体外诱导肾小管上皮细胞凋亡和自噬[53]。这并不出人意料，因为在糖尿病肾脏中，活性氧生成和内质网应激都升高，这两者都可以上调自噬。自噬也是通过调节脂肪酸β氧化[54]在管状细胞中由脂毒性诱导的。一系列研究表明，自噬的诱导在保护肾小管细胞(尤其是近端肾小管细胞)免受包括缺血[55-57]在内的许多应激中起着重要作用。大量证据表明自噬受损参与糖尿病肾病的发病机制，表明自噬激活可能是一种潜在的治疗糖尿病肾病的方法。

(3)肾小球系膜细胞自噬

系膜细胞在糖尿病肾病进展中起重要作用。系膜细胞负责调节肾小球滤过，吞噬凋亡细胞，维持肾小球毛细血管结构以及肾内系膜基质稳态[58]。在糖尿病肾病患者中，由AGEs或其他糖尿病肾病损伤因素引起的系膜基质扩张是肾功能障碍的重要机制之一[59-60]。据报道，LC3-Ⅱ的表达在用高葡萄糖处理的糖尿病肾脏或系膜细胞的切片中显著增加，并且系膜细胞自噬实际上在糖尿病条件下被激活[61]。而自噬在系膜细胞中增强，可能是减少细胞外基质沉积和减轻炎症的原因。然而，在疾病中，自噬可能在糖尿病动物模型和长期高糖条件下培养的系膜细胞中被抑制。一些研究结果表明，在肾系膜细胞中用30mmol/L的葡萄糖诱导48h后，自溶体的数量和LC3-Ⅱ/I比值下降；表明长期高糖刺激抑制自噬[62]。也有研究表明高糖可以下调FBW7的表达，激活mTOR信号，降低肾系膜细胞自噬水平。因此，相对而言，系膜细胞的自噬活性是所有肾细胞类型中最有争议的。

(4)肾小球内皮细胞自噬

内皮功能障碍与人类糖尿病肾病相关，[63]然而，自噬并没有报道影响内皮细胞。目前，大量证据支持糖尿病内皮功能的维持在限制糖尿病肾病进展中的作用。以前很少有研究探讨糖尿病条件下自噬在肾小球内皮细胞中的作用。据报道，高葡萄糖降低Atg5、Atg7、Atg3的表达，从而降低LC3B/A比率，从而抑制自噬诱导。有研究表明，肾小球内皮细胞自噬最常见的成分是骨形态发生蛋白和激活素受体膜结合抑制剂(BAMBI)，其表达在人和小鼠DN67模型中都受到抑制。由于BAMBI被自噬体和自溶体过程[64]降解，BAMBI的过度降解可能是由糖尿病肾病中的自噬激活引起的。将来需要进一步的研究来解释自噬在体内内皮功能中的复杂作用。

3 展望未来

目前对糖尿病肾病的治疗包括控制血压和血糖水平，以及抑制肾素血管紧张素系统(RAS)，以减少或消除蛋白尿[65-67]。虽然这些策略对糖尿病肾病的治疗有一定效果，但效果远不令人满意，许多患者的肾功能逐渐下降，导致ESRD。因此，确定新的有效治疗目标是预防和控制ESRD病的首要任务。而目前大量证据表明自噬受损参与糖尿病肾病的发病机制，表明自噬可能是一种潜在的治疗糖尿病肾病的方法。相信随着细胞自噬在糖尿病肾病研究的进一步深入，以细胞自噬为切入点的诊疗方案必将对糖尿病肾病的治疗产生有益影响。