糖尿病肾病发生发展机制

刘泽惠，桑晓红

(新疆医科大学第一附属医院肾病科，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

糖尿病(diabetes milieus，DM)现如今较为常见，糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN)是其微血管并发症之一。DN早期可以导致肾小球上皮细胞肥大、出入球小动脉透明样变性及细胞外基质累积过剩，造成肾小球、肾小管损伤，临床上可表现为持续蛋白尿及肾小球滤过率持续下降，部分患者可出现贫血现象，伴或不伴有水肿和高血压，甚至出现体液潴留，肾功能持续下降，最终导致终末期肾病[1]。糖尿病肾病的发生发展机制比较复杂，大多数学者广泛认为糖代谢紊乱以及血流动力学影响是导致肾脏损伤的最主要原因[2]。

1 糖代谢紊乱

1.1 糖基化终末产物的生成

糖基化终末产物(advanced glycation end products，AGEs)主要经肾脏清除，高糖环境可以诱发机体产生过多的AGEs，改变蛋白质的结构和功能，引起细胞损伤，其主要机制包括AGEs 通过分子间共价键在胶原蛋白等大型基质蛋白上积累，增加胶原蛋白的硬度，降低热稳定性，并引起对金属蛋白酶(met alloproteinase，MMP)消耗的抗性[3]。使肾小球基底膜糖化，电荷消失，从而导致DN，这种现象在肾脏表现为肾小球系膜外基质增加[4]，AGEs 的水平与患者发生糖尿病并发症的概率和严重程度呈正相关[5]；另一方面可以与肾小球内皮细胞上的AGEs 特异性受体结合，如RAGE(RAGE 是参与炎症反应的免疫球蛋白受体超家族成员[6]，诱导白细胞介素(IL)-1等炎性因子表达增强，进而使得基膜糖化，电荷丧失，改变细胞功能，引起尿蛋白增多，最终导致肾脏的损害[7]。此外，RAGE 与糖尿病诱导的肾细胞线粒体超氧化物的形成有关[8]，细胞内蛋白的糖基化是由细胞内葡萄糖降解产物的升高或早期糖基化产物的分解导致中间产物(如乙二醛或甲基乙二醛)的形成而启动，随后重排和分裂反应导致了AGEs 的生成。生理状态下，这些反应的发生是缓慢的，然而在高糖状态下，加速了AGEs 的形成[9]。

1.2 多元醇代谢通路的活化

多元醇通路的限速酶是醛醣还原酶(aldose reductase，AR)。AR 的活性在正常血糖条件下活性较低，几乎没有，血糖持续升高，对AR 的刺激，可致其活性增高。当细胞处于高糖状态时，活化了山梨醇通路，在醛糖还原酶消耗辅酶NADPH的作用下，将葡萄糖还原为山梨醇，随后氧化为果糖[10]。山梨醇及果糖在细胞内沉积，引起细胞内渗透压的升高，导致细胞水肿，从而使得细胞功能障碍，引起肾小管及肾小球功能减退，最终发展为肾小球硬化。

1.3 蛋白激酶C 活性升高

蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)在组织和细胞中存在，由12 个亚型组成，在第二信使的作用下，成为膜结合的酶，参与各类生化反应，如信号转导、基因表达等[11]。PKC 通路的激活与糖尿病和胰岛素抵抗状态下视网膜、心血管和肾脏的众多异常有重要关系[12]。DM 激活PKC 的最主要物质是高血糖、AGEs 和血管紧张素II[13]。PKC 可通过以下4 种途径促进DN 的发生：(1)PKC 通过上调生长因子的表达，增加了纤维蛋白及IV 型胶原酶的表达使细胞外基质扩张，促进DN 的发生；(2)PKC 通过增加血管内皮细胞生长因子的表达，使肾小球毛细血管的通透性增加，导致大量蛋白质的外流，细胞外基质大量蓄积蛋白质，导致肾小球硬化，并出现蛋白尿，最终形成DN；(3)PKC 促进了NADPH 氧化酶的形成，使机体发生氧化应激，推动了DN 的发展；(4)PKC 的过度活化，导致AGEs的生成增加，促进DN 发展[14]。

2 血流动力学的影响

肾脏血流动力学改变是DN 早期的重要病理生理学特点。肾脏长期处于高滤过状态，跨毛细血管壁压力增高，使系膜扩张，上皮细胞足突融合，产生致密小滴，毛细血管静水压升高，故肾小球高滤过在糖尿病肾病的发病机制中起重要的作用[15]。许多细胞因子如生长因子、胰高血糖素、胰岛素、血管紧张素II(AngII)等都参与了肾脏高滤过状态的形成。肾小球毛细血管可因此增加内皮细胞细胞间粘附分子(Intercellular adhesion molecule，ICAM-1)表达，并与时间强度呈正比关系，ICAM-1 是一种跨膜蛋白，ICAM-1 与炎性反应呈正相关，肾小球毛细血管压的增高通过内皮细胞产生ICAM-1 的增多显示，产生肾脏炎性反应，导致DN 的加速发展[16]。由于高压状态，蛋白滤过与压力成正相关，蛋白沉积于系膜区和肾小球基底膜，促进基质增生，形成恶性循环，造成弥漫性肾小球硬化。

3 脂质代谢紊乱

DN 早期的脂质代谢紊乱主要表现在甘油三酯及胆固醇的升高，终末期可出现极低密度脂蛋白、胆固醇明显高于正常值[17]。根据相关研究表明，DN 病人的血脂异常能加重蛋白尿的严重程度[18]。脂质代谢紊乱导致肾小球损伤的机制较为复杂，大体可分为以下几种机制：①脂质大量沉积于肾小球细胞，氧化脂质可损伤肾小球上皮细胞，增加基底膜通透性，从而引起蛋白尿的发生；②脂质还可以导致系膜细胞弥漫性增生，系膜基质合成增加，系膜增宽，趋化形成炎症细胞，发生炎症反应，导致肾小球损伤，引起糖尿病肾病的发生。

4 细胞因子的参与

目前认为DN 的发病机制与各种细胞因子有密切关系。Navarro 等研究显示糖尿病肾病时肾组织内炎性细胞因子等表达增加与肾脏损害程度相关[19]。

4.1 转化生长因子(TGF-β1)

TGF-β 由多种细胞分泌，TGF-β 信号通过TGF-β I 型和II 型受体传递。TGF-β 与II 型受体结合，可激活I 型受体，I 型受体磷酸化后，可以激活Smad 家族成员(Smad2 和Smad3)[20]。激活的Smads 与独特的co-Smad、Smad4 形成低聚体，并迅速转移到细胞核中调控靶基因的表达[21]，参与多种生物学进程的调节。TGF-β1 具有很强的致纤维化作用，被认为对系膜细胞肥大的发育和细胞外基质(ECM)蛋白的产生至关重要的促硬化因子，该因子不仅刺激ECM 成分的基因表达，促进ECM 合成，而且抑制基质金属蛋白酶(MMPs)的合成，MMPs 可降解ECM，并刺激金属蛋白酶抑制剂(TIMP)的产生。因此，TGF-β 是糖尿病肾病中ECM 产生和降解失衡的主要决定因素之一[22]。Ziyadeh 等人的研究中发现[23]，利用中和抗体长期治疗证实TGF-β 抑制剂可改善T2DM 模型小鼠的系膜扩张和肾小球硬化。但是这些保护作用与蛋白尿的显著减少没有关联，这表明肾小球的病理是由多种作用于不同细胞类型的因素所驱动的。相关研究表明[24],TGF-β1 还可调节自噬，进而促进肾纤维化，例如DKD。也有研究表明[25]高糖环境下，肾的部分功能丧失，引发大量TNF-α 的生成，最终加剧肾脏损害。

4.2 血管内皮生长因子(VEGF)

高糖环境可以促进血管紧张素转换酶基因表达，增加VEGF 的表达。VEGF 可以引起血管的病变，其生物学特性包括：①增加血管通透性：VEGF 可以使得肾小球内皮细胞、肾小球基底膜和足细胞这三种屏障成分在DN 中都发生改变，导致肾小球的结构性改变和大分子的渗透性增加[9]。从而增加蛋白的滤过[26]；②对肾脏肥大的作用：VEGF 对肾小管肥大以及内皮细胞增殖中起到关键作用；③生成并维持病理性的新生血管：在糖尿病肾病的早期，VEGF 的表达与新生血管的形成呈正相关。高水平的VEGF 导致内皮细胞过度增殖，刺激巨噬细胞趋化，以及系膜或血管平滑肌细胞激活。

4.3 肿瘤坏死因子(tumornecrosisfactor-α，TNF-α)

TNF-α 主要参与机体正常炎症反应和免疫反应，属于炎症因子，在肾脏固有细胞中也能合成表达，被认为是导致DN的中介物质，尤其对微血管的病变起到关键作用。在近端肾小管上皮细胞中，TNF-α 的水平与肾脏损伤呈正相关，其机制主要是通过减少血流量，降低滤过率和增加毛细血管壁的通透性[27]。

5 氧化应激

氧化应激指的是机体在受到有害刺激时，氧化系统导致组织细胞的损伤。氧化应激与糖尿病肾病的发生机制具有一定的相关性。引起DKD 肾损伤的机制主要有以下几点：①对肾血流动力学的影响：AGEs 可以与系膜细胞上的RAGE 结合在一起，可通过增加活性氧(reactive oxygen species，ROS)的生成(活性氧包括自由基，如超氧阴离子(·O2-)，羟基阴离子(·OH-)，过氧(·RO2) 和非自由基)，介导AngII 的产生明显增加。ROS 的形成是葡萄糖诱导细胞毒性的主要机制之一，它可导致重要大分子的氧化(如蛋白质和DNA)。这表明在DM 状态下，ROS 可通过AngII 参与肾小球内高压的形成。②氧化应激可产生大量的自由基，加剧机体的氧化反应，破坏细胞膜的结构和功能，破坏线粒体，引起DNA 的损伤，导致机体的整体损伤[28]。③氧化应激还可以激活PKC、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)以及蛋白酪氨酸激酶(PTK)等相关蛋白酶，引起相关细胞因子的表达，促进了DN 进展。大量临床研究表明，通过使用NADPH 氧化酶抑制剂可有效减少氧化应激反应，从而减少了蛋白尿的发生，同时避免发展为肾小球硬化，减缓了DN 的发展进程。此外，线粒体产生ATP 向细胞提供能量，线粒体受损导致细胞内ATP 产生不足，破坏了ROS的动态平衡，特别是·O2-的产生，已被认为是糖尿病并发症的主要起始事件[29]。

6 内质网应激内质网应激(endoplasmicreticulumstress，ERS)

是指内质网在有害刺激下，错误的合成蛋白质，导致内质网功能障碍[30]。DKD 发生时，高糖状态、氧化应激等都有可能引发ERS，在DKD 患者中发挥作用。ERS 干预肾脏细胞的凋亡，被认为是DKD 发展的重要因素，相关研究表明，高糖状态下，促进了足细胞的凋亡[31]。但研究表明[32]，ERS 可能通过引起ROS 失衡导致氧化应激反应致肾损伤。

7 自噬细胞

自噬是对细胞内物质进行高度保守分解代谢的过程，对维持细胞稳态起着关键性作用，参与生物的发育、生长等。细胞自噬主要有三种形式，包括巨自噬(目前研究较为多见)、微自噬和分子伴侣介导的自噬。自噬活动受营养状态、细胞内压力以及激素的调节[33]。在DKD 患者中可以发现肾小球细胞和肾小管细胞的自噬功能失调[34]，表明自噬可能参与了DN 的发展，但其机制尚未完全阐明。

8 外泌体

外泌体(Exosomes)是一种起源于真核细胞的小囊泡，是细胞主动分泌的脂质双分子层[35]。多种细胞均可分泌外泌体，其通过生物信息分子，调节细胞活性。根据相关研究表明，外泌体miR-145 可作为早期诊断糖尿病肾病的潜在指标[36]。

8.1 脂肪组织

巨噬细胞(ATM)中RNA 脂肪组织主要由2 大类：棕色脂肪和白色脂肪，主要作用是保持能量稳态。根据相关研究表明[37]，ATM 中的miRNA 导致了胰岛素敏感性的降低，引起了2 型糖尿病的发生，且这些miRNA 可由其他代谢组织(肝脏、肾脏、胰腺、骨骼肌等)释放和吸收。

8.2 代谢性跨越沟通(MCT)

脂肪组织巨噬细胞与肾脏固有细胞进行MCT，影响肾脏固有细胞。根据相关研究表明[38]，在2 型糖尿病肾病中，棕色脂肪可以通过分泌miRNA 进行MCT，引起肾脏的病理学改变。

8.3 “外泌体”的核心载体作用在DKD 患者中，巨噬细胞与肾脏固有细胞进行MCT 的核心载体，参与各种生理学改变(细胞凋亡、炎症反应等)，对生理状态的维持、疾病的发展机制具有重要的作用。外泌体参与肾小球系膜细胞损伤，在高糖的环境下，抑制了外泌体分泌量，外泌体源性的miR-145 表达过度，使得TGF-β1 表达增加，导致了肾小球基底膜增厚、肾小管间质纤维化及表皮生长因子受体下调，引起肾脏的损伤。与此同时，外泌体还参与肾小球足细胞的损伤，在DN 发展中起到关键作用。

9 遗传学因素

DN 是一种具有明显遗传因倾向的多基因疾病，可能与血管紧张素转化酶基因、血管紧张素转换原基因等有关[39]，其发生发展具有明显的种族差异以及家族聚集性。值得注意的是，PKCβ1 基因的遗传变异与T2DM 患者终末期肾脏疾病的发展有关[40]。

10 讨论与展望

DKD 的发生发展是由生理因素、遗传因素、环境因素共同作用所导致的。随着糖尿病患者数量的大幅增加，DN 的患病率也不断上涨。糖尿病肾病为难治愈型疾病，如不及时治疗，DN 发展到终末期肾病，病情难以控制，只能通过透析或是肾移植的方式来延缓病情的发展。所以糖尿病肾病的防治对于世界人群健康具有至关重要的作用。