糖尿病肾病肾小管上皮细胞脂质代谢紊乱的研究进展

李攀红，蒲涛，于泓

遵义医科大学第一附属医院肾病风湿科，贵州 遵义 563000

糖尿病(DM)是一种日益严重的世界性流行疾病。国际糖尿病联盟(IDF)委员会最新发布的全球糖尿病地图(IDF Diabetes Atlas)(第9版)报告指出，2019年全球约4.63亿20～79岁成人患糖尿病(相当于11个人中有1人患糖尿病)；预计到2030年糖尿病患者会达到5.784亿；预计到2045年糖尿病患者会达到7.002亿[1]。糖尿病肾病(DN、DKD)是糖尿病常见的微血管并发症之一，随着糖尿病患者的增加，糖尿病肾病的患病率将持续上升，并且现已成为全世界终末期肾脏病(ESRD)主要的原因[2]。因此探究DN 的发病机制，从而得到有效的治疗方法，变得尤为重要。DN 肾脏损伤的发病机制复杂，涉及有炎症、间质纤维化、肾小管萎缩、脂质代谢异常(脂毒性)等[3-4]。DN是糖尿病重要的慢性微血管并发症之一，越来越多的证据表明脂质异常在DN的发展中起着重要的作用。其中肾小管上皮细胞对脂质的摄取、生成、氧化代谢障碍在引起DN脂质代谢紊乱中起着重要作用。

1 糖尿病肾病肾小管上皮细胞脂质沉积

自从VIRCHOW于1858年首次提出脂质与肾脏疾病之间的联系以来，现在越来越多的证据表明异常的脂质代谢和肾脏脂质的堆积在DN的发病机理中起着重要作用。在一项包含了34例诊断为DN的人肾脏病理组织研究中发现，肾小管上皮细胞中有大量脂质积累，肾小球和肾小管间质中均存在明显的脂质蓄积[3]。同时有研究进一步发现，在2型DN患者和db/db小鼠的肾小管细胞中脂质异常沉积，而且体外研究进一步表明高糖(HG)诱导培养的肾小管上皮细胞中检测到明显脂滴[4]。越来越多的证据表明，肾脏中的脂质沉积在实验动物以及DN 的发病机制中起着重要作用。已经提出，增加的脂质蓄积诱导细胞脂毒性，进一步促进肾脏纤维化发展[4]，虽然DN 的特征是肾小球的功能和结构改变，但目前研究表明肾小管内的病变更能预测肾功能及其预后[5]。因此进一步探索DN 肾脏中脂质蓄积的机制至关重要。

2 脂质摄入异常

CD36是脂肪酸转运蛋白之一，在人DN患肾肾小管上皮细胞CD36表达显着升高[3]。细胞表面CD36表达的增加增强了脂肪酸(FA)的摄取。肾CD36表达水平在DN患者中较高并且具有改变肾功能和脂质积累的影响，从而加剧肾脏损害并加速疾病进展。体内研究发现高血糖症可能选择性地诱导人DN肾脏近端小管中CD36 mRNA 和蛋白的上调[6]。糖尿病诱导的CD36 表达与人DN 中肾近端小管细胞(Proximal tubular cell，PTC)的凋亡密切相关，表明CD36 可能通过介导人DN 中的PTC 进行性凋亡，在肾小管萎缩和间质纤维化中起关键作用。在实验模型[7]中，拮抗剂阻断或CD36 的基因敲除可以防止肾脏损伤，这表明CD36可能是治疗DN的新靶标。

3 脂质代谢异常

3.1 脂质合成异常-甾醇调节元件结合蛋白(sterol regulatory-element binding proteins，SREBPs)[23]SREBPs(一种转录因子家族)通过调节肾脂质沉积与糖尿病性肾病有关。据报道[9]已鉴定出三种SREBP 亚型，即SREBP-1a、SREBP-1c 和SREBP-2。SREBP-1 和SREBP-2 分别与脂肪酸、甘油三酯和胆固醇合成相关。SREBPs 在DM1 与DM2 肾病小鼠病理中均增加。研究表明，在肾脏过表达SREBP-1a 的转基因小鼠中，在没有高血糖或血脂异常的情况下，肾脏中SREBP-1a 的表达增加会引起脂质蓄积，并且转化生长因子-β(transforming growth factor-beta，TGF-β)、纤溶酶原激活物抑制剂-1(plasminogen activator inhibitor 1，PAI-1)和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表达增加，其导致肾肥大，细胞外基质蛋白积聚，蛋白尿[8]。相反，在SREBP-1c 基因敲除小鼠中，高饱和脂肪饮食诱导的TGF-β，PAI-1和VEGF肾表达以及Ⅳ型胶原蛋白和纤连蛋白的细胞外基质蛋白生成被阻。脂质积累是由FA合成增加引起的，其与SREBP-1 的表达和活性增加。在肾脏[8]中SREBP1 可以诱导TGF-β转录活性，通过具有TGF-β/Smad3信号传导的正反馈环和防止TGF-β受体的外体降解来调节TGF-β活性。另外，在肾脏中，SREBP1通过与纤维化相关基因(即TGF-β)的启动子区域结合，充当促纤维化信号转导的激活剂。因此，SREBP过度表达导致FA 合成增加造成脂质积累模拟了肾病过程。但是，最近有报道显示人糖尿病肾病患肾病理中SREBP-1a、SREBP-1c 基因表达降低[3]。此矛盾的情况，可能为随着DM进展，DN肾脏不同时期SREBP表达的有差异导致。糖尿病肾病早期阶段SREBP 表达增加促进肾脂质合成增多，随着糖尿病肾病的进展SREBP表达降低，肾脂质合成减少。但具体的机制有待进一步研究。

3.2 脂肪酸氧化代谢异常-肾小管上皮细胞脂肪酸β氧化(fatty acid β-oxidation，FAO)障碍 肾脏是一个高能量需求器官，肾脏中约60%的能量来自FA代谢[9]。肾小管上皮细胞几乎完全依赖FA作为其能量来源[4]。FAO是FA 分解代谢的主要途径，也是肾ATP产生的主要来源。由于高能量需求和相对较小的糖酵解能力，FAO对于近端肾小管细胞尤为重要[10]。因此，肾小管上皮细胞将FAO所产的能用作其能量来源。研究表明，DN患者肾脏FAO能力减弱[4]。此外，实验研究表明，在肾小管上皮细胞中抑制FAO 会导致能量(ATP)耗竭，细胞死亡，去分化和细胞内脂质沉积，以及观察到纤维化表型产生[3-4,11]。相反，通过恢复脂肪酸代谢可使小鼠免受肾小管间质纤维化的影响。从而表明了新陈代谢途径失调是患病肾脏中最主要的表现。由此可知，DN肾脏中病理性脂质积累是由脂肪酸氧化减少引起的，这与DN 的发展密切相关。因此，探索DN 肾小管上皮细胞FAO异常的机制显得十分重要。

3.2.1 AMP 激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK) AMPK是一种异源三聚体蛋白，由α1/2、β1/2和γ1/2/3亚基组成[12]。AMPK 的酶活性依赖于α亚基Thr172的磷酸化。AMPK是在真核细胞中普遍表达的能量平衡的关键调节剂，在维持代谢反应所需的细胞稳态过程的合成和分解代谢程序之间保持平衡方面具有关键作用。AMPK 在脂质代谢中起主要作用，AMPK的激活减少了FA的合成，增加了线粒体对FA的吸收和氧化[11]。AMPK激活分解代谢途径，抑制合成代谢途径，正常化脂质、葡萄糖，并且通过在许多代谢综合征相关的疾病磷酸化多种底物还原能量稳态[11，13]。据报道，AMPK在肾脏中大量表达，并且在DN中表达及活性均降低[3-4]。AMPK活性降低可导致线粒体功能降低，降低脂肪酸氧化过程，进一步导致脂质沉积。实验证据表明，在DM2 中AMPK 激活可以减弱脂毒性，减少活性氧物质、炎症介质的生成和纠正细胞功能障碍[14]。

AMPK 的几个下游效应因子有助于线粒体生物发生的调控，但尚无单一底物介导大部分效应。AMPK 推动细胞使其脂质存储。这可以通过刺激脂肪甘油三酸酯脂肪酶之类的脂肪酶来从甘油三酸酯库中释放出FA来实现[15]。然后将游离FA导入线粒体进行β氧化。FA需要依赖于酰基转移酶的运输系统进入线粒体中。有趣的是，肉碱棕榈酰基转移酶I(carnitine palmitoyl transferase 1，CPT1)活性似乎受AMPK活性调节。事实上，丙二酰-CoA 由乙酰辅酶A 羧化酶(Acetyl-CoA carboxylase，ACC)产生，是CPT1 的强效抑制剂[16]。激活AMPK 后，AMPK 通过抑制ACC1和ACC2 的磷酸化导致ACC 失活，减少了丙二酰-CoA 的产生。ACC 失活还抑制3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A(3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A，HMG-CoA)还原酶的磷酸化(3-羟基-3-甲基-戊二酰辅酶A 还原酶，3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase，HMGCR)，HMGCR是催化胆固醇合成的限速步骤。这不仅抑制了FA 合成，而且刺激FA 进入线粒体的β氧化作用增加。值得一提的是，Cerivastatin作为一种合成的HMG-CoA 还原酶抑制剂，可以通过抑制NF-κB，细胞间黏附分子(intercellular cell adhesion molecule，ICAM)和巨噬细胞浸润而显示出对大鼠DN 具有肾脏保护作用[16]。此外，有研究表明，ACC1和ACC2均参与脂质稳态的调节[20]。总之，通过AMPK-ACC-丙二酰-CoA轴[18]，活化的AMPK对ACC的特异性抑制将减轻丙二酰-CoA对CPT1的抑制，从而减轻脂质生成和增加FAO。越来越多的证据表明，各种组织中的AMPK激活可以帮助实现代谢稳态，并随后改善葡萄糖和脂质分布。AMPK 激活在几种已知的和新的激活剂的背景下的作用，这些激活剂可以通过预防肾纤维化，细胞外基质蓄积，凋亡和肾脏炎症来治疗DN[11-12]。AMPK 通过各种组织中的靶标(ACC，HMGR)抑制脂肪生成并增强脂肪酸氧化。这提高了AMPK激活作为优化DN中脂质代谢的治疗靶点的潜力。

3.2.2 过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptors，PPARs) PPARs[19]有三种同工型，即PPAR-α、PPAR-β/δ和PPAR-γ，均在肾脏中表达，并且均为配体激活的转录因子。PPARα主要在近端肾小管和髓质升支中表达，PPAR-β/δ在肾皮质和髓质中均等表达，并且所有肾单位中均普遍表达，PPAR-γ在髓质集合管中表达丰富。FA 是内源性PPARs配体，这三种受体均被FA激活，然后通过直接结合并调节控制FA代谢各个方面的特定基因的转录，因此被认为是脂质储存和分解代谢的重要调节剂[20]。在人DN肾脏病理中PPARs表达降低[3-4]。

3.2.2.1 PPARα FAO中的大多数酶受PPARα调节，PPARα是参与脂质平衡的最重要转录因子家族之一[21]。对PPARα-null 小鼠的研究证实[22]了PPARα在近端肾小管FAO 中起关键作用。参与FAO 过程的三种酶，包括酰基辅酶A 氧化酶，烯酰辅酶A 水合酶/脱氢酶多功能酶，以及酮基-酰基-CoA 硫解酶，均通过与这些基因的启动子区域中的过氧化物酶体增殖物应答元件(PPRE)位点结合而直接受PPARα调控[23]。FAO 限速步骤之一是FA 进入线粒体，此过程由酰基转移酶依赖性的转运系统控制。其中涉及的CPT I，是PPARα的直接靶基因[20]。线粒体中产生的乙酰基辅酶A被转化为酮体，主要是乙酰乙酸酯和β-羟基丁酸酯，是脑、肾皮质等组织的重要能源。负责产生酮体的主要酶是线粒体羟甲基-CoA(mHMG-CoA)合酶，它直接由PPARα激活。有研究还发现，近端肾小管PPARα通过减少上皮TGF-β和细胞外基质蛋白(包括胶原蛋白1，纤连蛋白，α平滑肌肌动蛋白)的产生，减轻单侧输尿管阻塞引起的肾纤维化和炎症[24]。PPARα激动剂经常用于治疗高脂血症，可降低血浆中甘油三酯和胆固醇的含量，是一类广泛使用的称为贝特类的药物，其中主要包括非诺贝特[25]。研究发现，非诺贝特不仅通过抑制肥胖小鼠中的SREBP1来防止肾脂质蓄积[26]，还通过激活PPARα降低DN 大鼠NF-KB ，p65，PAI-1 和ICAM-1 等促炎因子表达，抑制NF-κB 的促炎途径，显着改善脂质分布，并防止肾小管间质纤维化和间质巨噬细胞浸润，提供了肾脏保护作用[27]。PPARα表达及活性的降低减弱了细胞FAO，进一步导致FA的聚集和炎症的发生，最终导致肾纤维化。

3.2.2.2 PPARβ/δ 在肝细胞研究中发现，PPAR β/δ激活剂能引起的FAO增加可能是由于AMPK的激活所致。此外，在小鼠骨骼肌中PPARβ/δ的过度表达可促进PPARβ/δ与AMPK 之间的相互作用，从而增强葡萄糖摄取，FAO 和胰岛素敏感性[28]。PPARβ/δ在肾中大量表达，由此可以推测，其在肾中同样具有类似作用。在糖尿病大鼠的肾脏缺血/再灌注体内模型[31]中，给予选择性PPARβ/δ激动剂GW0742 可减轻肾功能不全、白细胞浸润，并减少IL-6 和肿瘤坏死因子-α(Tumor necrosis factorα，TNF-α)。针对PPARβ/δ的研究大多集中于内皮功能障碍和炎症方面，对于肾脏方面涉及到脂肪酸氧化代谢研究较少，有待于未来对此的进一步研究。

3.2.2.3 PPARγ 另外，在一些具有部分缺乏PPARγ功能的鼠模型[30]中，通过高脂饮食(HFD)可以引起肾损伤、全身代谢异常、肾脏脂质蓄积和肾脏脂质代谢变化减弱等。并且，研究还发现PPAR-γ的激活还能抑制促炎途径，包括抑制炎症因子分泌。噻唑烷二酮(TZD)类药是PPAR-γ受体激动剂，如吡格列酮，可以通过抗炎、减少脂质沉积的作用对脂质毒性和氧化应激引起的肾小管损伤具有良好保护的作用[19]。研究表明，PPAR-γ通过调节脂肪酸转运蛋白，脂肪酸结合蛋白和CPT1[31]的表达水平来调节FA 的运输，氧化和分解过程。同时，TZD 通过激活PPAR-γ受体可以降低NF-κB活性，并且有效抑制ICAM-1和血管细胞黏附分子1(vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1)的表达水平，抑制糖尿病大鼠中NF-κB激活介导的炎症作用，对肾脏损伤具有保护作用[32]。此外，活化的PPAR-γ可以抑制TNF-α、IL-1、IL-4 和IL-6 的产生，具有抗炎作用[33]。大量的数据表明TZD 具有直接的肾脏保护作用。这些作用很可能是通过预防糖尿病引起的肾脏炎症、脂质代谢紊乱而发挥的。

PPARs作为脂肪酸衍生物的传感器和控制参与脂质和能量代谢的重要代谢途径，PPARs 有值得注意的生物学功能。肾脏通过PPARs 调节肾脏FAO 在调节肾脏能量利用中发挥重要作用。PPARs表达及活性的减低，减弱了脂肪酸氧化作用，导致脂质异常沉积，细胞炎症，进一步导致细胞功能障碍。相反，通过使PPARs 激活刺激脂肪酸氧化，为糖尿病肾病异常脂质沉积提供了一种潜在的治疗方法。

3.2.3 过氧化物酶体增殖物激活的受体γ共激活因子1 α (peroxisome proliferator activated receptor gamma coactivator 1 alpha，PGC-1α) PGC-1α[4]是一种关键的转录因子，可调节线粒体的生物发生以及FAO途径中几乎所有限速酶的表达。PGC-1α-PPARα轴支配着包括肾脏在内的多种组织中FAO 基因的转录和调控，可能被作为CKD的治疗靶标。编码线粒体脂肪酸氧化过程的蛋白质基因由PPARα调控，其可以受PGC-1α调节激活[34]。研究表明，肾PGC-1α在糖尿病性肾病发病机制中具有重要作用，研究中发现患有DN的患者的肾脏活检组织肾小管中，PGC-1α mRNA表达的降低[4]。TGF-β1是最强大的纤维化细胞因子之一，TGF-β1的作用与Smad3 有关。他们发现TGF-β1在体外导致Smad3依赖性抑制PGC-1α转录。最近有团队研究报道蛋白肝激酶B1(AMPK的调节子)的近端肾小管表达有助于保护PGC-1α的表达[35]。该团队还发现HES1(Notch1信号的下游靶标)直接与PGC-1α启动子区域结合，从而对其转录产生负调控，是肾脏纤维化有效调节剂[36]。此外，在体外或在肾小管特异性Notch1 的体内模型中，PGC-1α的过表达降低了肾纤维化的发展。

4 DN共同通路-转化生长因子β(transforming growth factor-beta，TGF-β)

众所周知，与所有肾脏疾病的进展一样，DN的进展速度与皮质间质纤维化程度相关。临床数据表明，在肾脏疾病患者的肾脏标本及尿液中，TGF-β1含量明显上升，且与肾脏纤维化程度呈明显正相关[37]。因为，TGF-β1的升高可诱导肾皮质小管间质损伤和胶原沉积。早前就有实验表明，TGF-β1和Ⅰ型胶原可单独及共同诱导PTC呈不可逆和完全性的间充质转化[38]。吡非尼酮[39](一种合成小分子物质)是一种新型的抗纤维化剂，可以预防甚至逆转细胞外基质在多个器官中的蓄积，如肺纤维化。吡非尼酮可以通过抑制TGF-β来减少胶原沉积及其mRNA水平，从而改善小鼠输尿管梗阻纤维化模型的肾功能和纤维化。有研究已将TGF-β确立为肾纤维化的主要调节剂[40]。除了肾纤维化，TGF-β还调节许多其他生物学过程，例如细胞凋亡，增殖，分化和免疫反应。故而，直接靶向TGF-β可能会产生不利影响。因此，必须探索TGF-β诱导肾纤维化的分子和细胞机制，这可能会提供新的治疗策略。

TGF-β诱导的肾纤维化和EMT既包括Smad依赖性途径，涉及Smad2、Smad3 和Smad7 (正信号通过Smad2/3的激活，负信号通过Smad7的负反馈机制)，又包括Smad非依赖性途径，包括JNK，p38，ERK和PI3K/Akt的激活[40]。在TGF-β1/Smad信号的背景下，Smad3被证实是致病的。因为Smad3的缺失抑制了几乎所有病因诱导的肾纤维化，包括梗阻性[41]、糖尿病性[41]和高血压性[42]肾病。Smad3 是肾纤维化中TGF-β1信号级联的下游调节因子之一。尽管Smad3 是响应许多纤维原性介质的关键转录因子，但靶向Smad3仍可能会通过削弱免疫力而引起自身免疫性疾病。因此，应通过靶向负责纤维化的Smad3 下游效应基因来实现特异性抑制TGF-β1介导的组织纤维化的替代方法[41]。因此，Smads失衡可能是TGF-β驱动肾纤维化的关键，而进一步寻找其下游信号途径可能为治疗提供新的策略。

5 总结

肾小管上皮细胞是肾脏能量代谢的中心。在人DM及DN肾脏肾小管上皮细胞CD36表达显着升高，增加了FA 摄取。SREBPs 参与脂质的生成，在DM 患者肾脏中，其表达及活性增高。DN 患者肾脏中此基因表达及活性减低，脂质生成减低。推测可能为随着DM 的进展，逐渐导致DN，其中脂质生成基因的表达会逐渐下降。在DN小管上皮细胞中参与脂肪酸氧化的AMPK、PPARs、PGC-1α表达及活性降低，其有可能是通过PPAR-AMPK-PGC-1α[43]途径导致细胞能量失衡，脂肪酸代谢降低，进而增加恶性循环中的脂质过剩[44]。在肾小管上皮细胞中过多的脂质沉积损害正常细胞信号，促进细胞凋亡和炎性介质的产生，导致细胞功能障碍或脂肪毒性，这可能导致DN 的发病机制[45]。综上所述，DN肾小管上皮细胞FA摄取增加、利用减少，导致脂质异常沉积，进一步导致细胞功能障碍，促炎因子产生，最终通过TGF-β1/Smad信号途径导致肾纤维化可能为DN的发生机制。