半乳糖凝集素3在糖尿病肾脏疾病中的研究进展

李 晶 张春秀 蒋红樱 白彝华 贺 婷 李 萌

糖尿病发生率逐年上升，糖尿病肾脏疾病(diabetic kidney disease,DKD)作为糖尿病常见的微血管并发症之一，常进展至终末期肾脏病，需依靠肾脏替代治疗，加重经济负担，严重影响患者生存及生活质量，故早期诊断DKD并及早干预尤为重要。但由于DKD复杂的病因及发病机制，目前对DKD的诊疗方式及效果有限。半乳糖凝集素3(galectin-3,Gal-3)是一种多功能蛋白，在心血管及肿瘤等领域的研究已广泛开展，认为是一种促炎及促纤维化因子，而炎症及纤维化是DKD主要病理表现之一；同时Gal-3是糖基化终产物的受体之一，糖尿病患者Gal-3表达升高，故对Gal-3的深入研究可能为DKD的预防及治疗提供新的思路及依据。

一、Gal-3的结构与功能

凝集素是一类能识别生物膜中复杂的碳水化合物结构的糖蛋白，一种凝集素能专一识别并结合某种糖基。人Gal-3由位于14号染色体的LGALS3基因编码，作为凝集素家族的一员，Gal-3因含有糖识别结合域(carbohydrate recognition domain, CRD)，故对含有β-半乳糖苷残基的糖化合物具有高亲和力[1]。根据其分子结合形式，半乳糖凝集素分为3种类型，即原型、串联重复型和嵌合体型，Gal-3富含脯氨酸-甘氨酸-丙氨酸-酪氨酸的重复基序融合在CRD上,其结构不同于其他半乳糖凝集素，因此Gal-3是唯一的嵌合体型[2]。其独特的结构决定了生物学功能的多样性[3，4]：(1)促进细胞活化与趋化：Gal-3能诱导不同炎性细胞活化与趋化，进一步促进炎性细胞产生炎性细胞因子，参与调控炎性反应。(2)调节细胞黏附：Gal-3通过其羧基端与细胞外基质、细胞表面糖蛋白的β-半乳糖苷残基相结合，调节细胞与细胞间、细胞与基质间的黏附。(3)调控细胞生长与凋亡：Gal-3具有mRNA剪切活性，通过其特殊的CRD端调控细胞的生长与凋亡。(4)调节蛋白表达水平：Gal-3具有糖基化终末产物(advanced glycosylation endproducts，AGEs)受体功能，能与AGEs修饰的相关蛋白结合，调控体内相关蛋白质的表达水平。可见Gal-3在细胞黏附、活化、趋化、生长、凋亡等过程中均起调节作用。

二、Gal-3的表达

1.Gal-3在肾脏的表达：从胚胎时期肾脏形成至肾脏成熟均贯穿Gal-3的表达，有研究在中肾小管、后肾的输尿管芽以及成熟的肾前体中均检测到Gal-3[5]。成熟肾脏中，Gal-3生理状态下仅表达于远端肾小管顶端面，而病理条件下各种刺激可诱导肾小球及肾间质表达Gal-3[6]。Gal-3相对分子质量约35kDa，可经肾小球滤过。Gal-3对肾脏结构与功能的维持极其重要，动物实验表明，Gal-3基因敲除的正常小鼠发展为慢性肾脏病的风险降低[7]。而另一项研究发现，Gal-3基因敲除加速了小鼠DKD的发生，Gal-3基因敲除小鼠肾小球明显硬化，肾小球基膜明显增厚，系膜细胞和基质增多，较野生型DKD小鼠出现更严重的DKD肾脏病理表现以及出现更严重的蛋白尿[8]。可见Gal-3可以发挥相反的作用，其参与组织修复或促进肾脏损伤似乎取决于潜在的病因学，需要进一步的机制研究。

2.糖代谢与Gal-3表达：葡萄糖与其他还原糖与血浆中的脂质、蛋白质、核酸发生非酶促反应，形成AGEs，高糖环境下AGEs水平升高，而AGEs积累可增加并诱导AGE受体表达,Gal-3作为AGE受体之一，高糖环境下Gal-3表达水平随AGEs升高而升高[9]。一项小鼠实验表明，Gal-3的过度表达增强了2型糖尿病小鼠胰岛β细胞的凋亡和胰岛炎症[10]。另有研究表明，Gal-3表达不足同样能增加糖尿病的发生风险，Gal-3基因缺失导致前脂肪细胞的终末分化受损、脂肪组织成熟缺陷，直接影响葡萄糖稳态以及胰岛素敏感度，这意味着有缺陷的脂肪生成是胰岛素抵抗和糖尿病易感性的核心机制之一[11,12]。可见，糖尿病的发生与Gal-3的表达相互影响，糖代谢异常可导致Gal-3表达上调，同时Gal-3诱导胰岛素抵抗进一步加重糖代谢异常。

三、Gal-3参与DKD 的发生、发展

1.机制研究

(1)Gal-3参与巨噬细胞介导的炎性反应及肾间质纤维化：肾脏炎症及纤维化是DKD发展的重要环节之一，巨噬细胞(macrophage，MΦ)是介导炎性反应的主要细胞，MΦ按细胞表面分子的不同分为M1和M2两个表型，M1与M2型MΦ可在同一部位同时出现并相互转化，二者比例与DKD发展相关。M1型通过经典途径活化，可分泌炎性细胞因子，主要在炎症早期发挥促炎作用；M2型通过替代途径活化，分泌抗炎性细胞因子及多种生长因子[13,14]。正常肾脏组织常驻的MΦ含量少，发生糖尿病时：(1)在高糖及AGEs刺激以及Gal-3诱导下，单核细胞浸润迁移至肾组织，分化为MΦ，主要为M1型，M1型MΦ启动肾组织炎性反应，进一步活化M2型，以抑制炎症过度反应并修复损伤组织[15,16]。(2)Gal-3随AGEs增加而增加，Gal-3具有趋化特性，除诱导单核细胞趋化外，可募集并选择性活化M2型 MΦ，一方面促进抗炎性细胞因子的释放以减轻肾脏炎性反应[9]；另一方面M2型MΦ可合成并分泌包括转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)的多种生长因子，Gal-3通过调控TGF-β激活肌成纤维细胞以及上皮细胞-间充质细胞转分化，促进肾纤维化[17～19]。(3)M2型MΦ可进一步分泌Gal-3，使Gal-3表达水平上调，形成Gal-3反馈环路[20]。可见，高糖条件下Gal-3可通过参与MΦ介导的炎症及肾间质纤维化反应而影响DKD。

(2)Gal-3调控高糖下肾小球系膜细胞的增殖：肾小球系膜病变是DKD最突出的病理改变之一，在病程早期就存在肾小球系膜细胞(mesangial cells，MCs)增殖。不同研究均表明，Gal-3影响MCs的高增殖状态。一项用实时定量PCR检测Gal-3在正常小鼠、DKD小鼠肾脏组织以及高低糖条件下MCs中的表达研究结果显示，Gal-3在DKD小鼠肾脏组织中表达较正常小鼠显著升高，且高糖条件下MCs中Gal-3的表达明显高于低糖条件[21]；Gal-3过表达后，MCs增殖能力明显提高，且磷酸化丝裂原细胞外激酶(mitogen extracellular kinase, Mek)表达上调，而MCs增殖能力和磷酸化Mek表达在小干扰RNA(small interfering RNA，siRNA)沉默Gal-3后明显下调。可见Gal-3可能通过调控Mek磷酸化影响MCs的增殖。近年来，长链非编码RNA(long non-coding RNA, lncRNA)成为研究热点，越来越多的证据表明，lncRNA参与了DKD的病理生理过程[22，23]。而Pan等[24]的研究进一步证实，Gal-3可通过直接与分布在MCs胞质的核糖核酸酶P RNA组分H1(ribonuclease P RNA component H1，lncRNA Rpph1)相互作用而激活胞外信号调节激酶(extracellular regulated protein kinases，Mek/Erk)信号途径，促进糖尿病鼠肾脏MCs增殖和促炎性细胞因子肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)和单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)表达。lncRNA Rpph1对Mek/Erk信号通路激活的影响可以通过下调Gal-3得到挽救，Mek特异性抑制剂U0126可阻断Gal-3或lncRNA Rpph1对MCs增殖的影响。Gal-3与lncRNA的调控可能为肾脏MCs的增殖及DKD的诊疗提供新的思路。

2.临床研究：目前Gal-3在临床中的研究主要集中于心血管疾病以及肿瘤学方面，在糖尿病特别是DKD中的研究相对较少。但目前少量的临床研究显示，血清Gal-3与DKD的发生及进展相关，在DKD早期诊断及预后预测方面具有一定价值[25～27]。一项前瞻性研究纳入1320例基线肾小球滤过率≥30ml/(min·1.73 m2)的2型糖尿病患者，以非糖尿病者为对照组，检测血清Gal-3并进行随访，在随访期间血清肌酐翻倍和(或)开始肾脏替代治疗、基线检查时正常或微量白蛋白尿患者进展为大量白蛋白尿为转归结局。结果显示，2型糖尿病患者血清Gal-3水平显著高于非糖尿病对照组。在整个糖尿病队列中，平均随访9年后，Gal-3与血清肌酐加倍(HR=1.19，95% CI:1.14～1.24，P<0.001)和偶发大量白蛋白尿(HR=1.20，95% CI:1.12～1.30，P<0.001)独立相关，Gal-3水平在最高四分位的个体有4倍的肾功能丧失风险和3倍的大蛋白尿发生风险[26]。另一项前瞻性研究纳入正常白蛋白尿、微量白蛋白尿和大量白蛋白尿的2型糖尿病患者各100例，结果显示，大量白蛋白尿患者的Gal-3平均水平显著高于微量白蛋白尿患者，微量白蛋白尿患者的Gal-3平均水平显著高于正常白蛋白尿患者，且Gal-3是2型糖尿病患者进展为微量白蛋白尿、大量白蛋白尿、透析和死亡的重要预测因子[27]。Gal-3的全身水平是否反映了Gal-3在肾脏中的表达仍有待确定, 因为Gal-3可能来源于其他器官和组织，如心脏和脂肪组织，同时部分Gal-3也会被肝脏和肾脏清除。Kikuchi等[28]研究证明，在DKD患者的肾活检标本中，在肾小球中发现Gal-3阳性细胞，并且Gal-3阳性细胞与肾小管中巨噬细胞总数的比例也显著增加。综上所述，Gal-3与肾功能进展、白蛋白尿水平、肾脏替代治疗、死亡风险呈正相关趋势，可见Gal-3在DKD疾病进展评估与预测方面具有一定价值。虽然上述动物实验表明Gal-3在糖尿病肾脏病变中表现出双重效应，Gal-3可起肾脏保护作用，但目前临床研究均未提示Gal-3在DKD中的保护作用，期待有多中心、前瞻性、大样本量的临床研究进一步探讨。

综上所述，Gal-3作为一种多功能蛋白，通过多种途径作用于肾脏不同细胞，在DKD的发生、发展中发挥重要的病理生理作用。Gal-3有望作为生物学标志物纳入临床常规检测，并有望作为靶点为DKD的诊疗提供新思路。目前DKD的诊断除了肾脏活检，主要依靠尿微量白蛋白以及血肌酐的检测，但尿微量白蛋白以及血肌酐的升高往往具有诊断滞后性。目前Gal-3在DKD诊断方面研究较少，Gal-3在早期诊断上是否更具有敏感度和特异性，以尽早实施干预，尚需动物实验及临床研究予以进一步探讨。