中药抑制NLRP3炎症小体对糖尿病肾病的影响*

刘琪瑶,郭良清

(1.山东中医药大学,山东 济南 250014; 2.山东中医药大学附属医院,山东 济南 250014)

2型糖尿病是一种以血糖升高为主要表现的慢性代谢性疾病,长期代谢紊乱可累及心脏、肾脏、眼、血管和神经等出现并发症。慢性炎症是2型糖尿病的发病机制之一。NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3)炎症小体是一种多蛋白复合物,是最具特征的炎性小体,其分泌的白细胞介素(interleukin, IL)-1β和IL-18促进了2型糖尿病并发症的发生,肾小球硬化和肾小管间质损伤均与其有关。一项荟萃分析[1]显示,中国约有20% 2型糖尿病患者合并糖尿病肾病。糖尿病肾病作为2型糖尿病最常见的微血管并发症之一,表现为持续性蛋白尿和肾功能的进行性下降,是引起终末期肾病(end stage renal disease, ESRD)的重要原因,也是2型糖尿病患者死亡的主要原因之一,其发病、进展与微炎症等多种因素有关。黄芪、姜黄、人参是治疗糖尿病肾病常用的中药,不但能改善血糖水平,而且对肾脏的损伤也具有修复作用。经方真武汤出自《伤寒论》,是温肾健脾之名方,多应用于脾肾阳虚型的糖尿病患者。本文总结分析了中药黄芪、姜黄、人参及真武汤对NLRP3炎症小体通路的干预作用及对糖尿病肾病的调节作用。

1 糖尿病肾病的西医学发病机制及治疗方法

糖尿病肾病的主要损伤部位是肾小球,早期以肾小球高滤过及肥大、系膜扩张、基质成分改变、基底膜增厚为特征,进行期以足细胞损伤导致足细胞足突消失为特征[2]。长期的高血糖状态是引起糖尿病肾病的主要原因,而引起肾脏病理改变的因素是复杂多样的,代谢和血流动力学因素、细胞内信号通路的激活、氧化应激、缺氧、自噬失调和表观遗传变化都可以成为糖尿病肾病发生发展的原因[3]。高血糖使糖尿病患者体内糖基化终末产物水平升高,葡萄糖代谢产物刺激肾小球细胞产生转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1),TGF-β1则会促进系膜细胞外基质(extracelluar matrix,ECM)水平升高,继而导致肾小球硬化和肾小管间质损伤[4]。微炎症是导致糖尿病肾病的关键因素之一。细胞间黏附分子-1能够促进白细胞和内皮细胞的黏附而引起炎性病变,其水平与蛋白尿密切相关;促炎细胞因子肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、IL-1β等通过促进细胞凋亡、坏死和增加内皮细胞通透性来影响糖尿病肾病的发病。故糖尿病肾病患者的血清和尿液中黏附因子、促炎细胞因子的表达均有所升高[5]。内皮功能障碍、ECM过度产生、足细胞异常和肾小管间质纤维化,以及微炎症引发的局部环境失调导致肾脏结构损伤[6],从而出现微量白蛋白尿。此时,患者肾小球的滤过功能尚正常,但若不进行医疗干预,随着病情进展,肾小球的滤过率下降,则会出现大量白蛋白尿,肾脏的排泄功能受到影响,病情加重。西医学治疗糖尿病肾病的方法主要是控制血糖、降低血压和血脂,保护肾功能以防向ESRD进展,减少心血管危险事件以降低病死率[7]。在降糖方面,二肽基肽酶4抑制剂不仅能通过抗炎、抗氧化来保护肾脏,还能抑制TGF-β来抑制肾脏纤维化;钠-葡萄糖协同转运蛋白2抑制剂通过降低血管阻力、减轻体质量、降低肾小球内压来延缓肾小球高滤过的进展,同时减少近端肾小管损伤。在降压方面,主要使用血管紧张素转化酶抑制剂和血管紧张素Ⅱ受体抑制剂来抑制肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin-angiolensin-aldosterone system, RAAS)[8],减少血管的收缩,减轻血管紧张素Ⅱ的促炎和促纤维化作用。

2 中医学对糖尿病肾病的认识

糖尿病肾病多由糖尿病迁延不愈所致微血管病变而成,久病正气已虚,病邪丛生。糖尿病属中医学“消渴”范畴,病机多为肝肾阴虚,阴津亏损,燥热偏盛,日久气阴两虚,阴阳不足。糖尿病肾病则是在此基础上机体更加虚损,产生了更多病理产物。朱琳等[9]从脾不散精角度分析糖尿病肾病的早、中、晚期,认为:脾失健运,无法输布精微充养五脏四肢,精微物质经肾随小便下泻;日久脾病及肾,脾气亏虚而无法运化水湿,肾络受损而无法蒸腾气化,导致水湿停留聚集为痰浊水饮,可表现为肢体的水肿;脾肾气虚,气为血之帅,气虚无力推动血行,从而导致瘀血的形成。故糖尿病肾病患者多有脾肾不足,且生出水湿痰浊、瘀血等病邪。肖遥等[10]基于吕仁和教授提出的微型癥瘕的病机学说,对早期的糖尿病肾病提出了“癥瘕致病,虚实相因”的认识。痰湿瘀血长期停留于络脉,蕴生内热使之凝结胶固成癥瘕积聚,由于入络细小甚微,故称为微型癥瘕。消渴本就因病程日久而出现气血阴阳俱虚,微型癥瘕则会使络脉气血运行不畅,更加损耗气血阴阳,因虚致癥,癥又加重虚的程度,故为虚实相因。

3 NLRP3炎症小体的激活与糖尿病肾病的联系

NLRP3炎症小体是由NLRP3、含有半胱天冬酶募集结构域的凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing,ASC)和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)组成的细胞内蛋白复合体。Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)和核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)通路作为第一个启动信号来诱导NLRP3炎症小体,然后各种病原体相关分子模式和损伤相关分子模式进行下一步的转导[11]。革兰氏阳性杆菌、革兰氏阴性杆菌、病毒和失调的代谢因子都可以是激活NLRP3炎症小体的原因[12],进一步触发K+外流、Ca2+水平变化、Na+内流、Cl-外流、线粒体的活性氧(reactive oxygen species, ROS)产生等,使caspase-1酶活性激活,引起IL-1β和IL-18的分泌,导致细胞的凋亡和焦亡。适当的炎性小体激活对宿主应对外来病原体或组织损伤是有益的,而异常的炎性小体激活可能引发自身炎性疾病、心脏疾病、癌症、神经退行性疾病,以及2型糖尿病等代谢性疾病[13]。有研究[14]发现,2型糖尿病患者外周血单核细胞和巨噬细胞中的NLRP3、ASC、IL-1β及IL-18的信使核糖核酸(messenger RNA,mRNA)和蛋白表达水平升高。IL-1β通过促进胰岛素受体底物-1磷酸化,下调胰岛素诱导的磷酯酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol3-kinase,PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)信号转导通路,从而降低胰岛素敏感性,因胰岛素抵抗而导致血糖的升高[15]。除此之外,IL-1β还会导致Fas受体上调、NF-κB激活、胰岛素β细胞的凋亡和功能障碍[16]。

糖尿病肾病临床主要表现为持续性白蛋白尿和(或)肾小球滤过率的进行性下降[17]。葡萄糖代谢产物不断刺激肾小球细胞产生TGF-β1,继而导致肾小球硬化和肾小管间质损伤。除此之外,炎性细胞因子IL-1、IL-6、IL-18和TNF-α也参与了糖尿病肾病的发生和发展[18]。IL-18是一种强效炎性细胞因子,与肾小管功能障碍的标志尿液中β2-微球蛋白水平显著相关[19]。TGF-β的表达和由TGF-β介导的Smad 2/3磷酸化都是在NLRP3炎症小体的介导下进行的[20],因此,抑制NLRP3炎症小体是延缓肾小球硬化和肾小管间质损伤的一条重要通路。小干扰RNA(small interfering RNA, siRNA)进入细胞后可以与目标mRNA结合,对其进行酶切后使目标蛋白无法表达从而阻止基因表达。研究[21]发现,高糖刺激下的糖尿病肾病大鼠的肾小管上皮细胞在通过特异性siRNA沉默NLRP3基因后,NLRP3、caspase-1、NF-kB、IL-1β、TNF-α均下调,加快肾脏纤维化的成分热休克蛋白、α-平滑肌肌动蛋白、Ⅳ型胶原、波形蛋白的表达均下降,故抑制NLRP3炎症小体的表达可以缓解高糖环境引起的肾小管上皮细胞炎症反应,扭转肾脏的纤维化进程。

4 中药对NLRP3炎症小体的干预

4.1 黄 芪

黄芪是临床常用的中药之一,味甘,性微温,归脾、肺经,具有升阳举陷、健脾补中、托毒生肌、利尿、益卫固表的作用[22]。《医宗必读》[23]载其“补肺气而实皮毛,敛汗托疮,解渴定喘;益胃气而去肤热,止泻,生肌,补虚治痨”。国医大师张大宁治疗糖尿病肾病以补肾扶正为基础,喜重用黄芪,既补中益气,又利水消肿、活血化瘀[24]。黄芪的有效活性成分黄芪多糖、生物碱、葡萄糖醛酸、黄芪皂苷和微量元素硒等使其在免疫系统疾病、心血管疾病、血液疾病等方面发挥了直接和间接的作用[25]。因为黄芪能够提高免疫细胞的数量和吞噬能力,有助于清除衰老、死亡的细胞,所以被称为天然的免疫调节剂[26]。

赵静等[27]研究发现,高糖刺激会诱导小鼠的肾小球系膜细胞SV40发生自噬体减少、肾间质纤维化的病理改变,并且能激活SV40细胞内的NLRP3炎症小体,升高ROS、caspase-1水平,以及炎性细胞因子IL-1β、IL-18、TNF-α、TGF-β1的水平。使用黄芪甲苷干预的糖尿病肾病小鼠不仅自噬现象有所缓解,而且NLRP3、caspase-1、ROS及各种炎性细胞因子水平均下调,说明通过黄芪甲苷对NLRP3炎症小体的抑制可改善肾小球系膜细胞的病理变化,减轻炎症反应,延缓糖尿病肾病的进展。TLR4/NF-κB信号通路作为经典的炎症信号通路不仅参与了炎症的调节,还参与了NLRP3炎症小体的激活,而黄芪甲苷则能降低TLR4/NF-κB的表达[28],说明黄芪甲苷可以通过抑制TLR4/NF-κB信号通路来抑制NLRP3炎症小体的激活。有研究[29]发现,以黄芪为君药的方剂糖肾配方可以下调消皮素D、NLRP3、caspase-1和IL-1β的过表达而减少肾小管上皮细胞焦亡,减轻肾小管上皮损伤。因此,黄芪作为应用于糖尿病肾病最广泛的药物之一,不但能健补脾气、利水消肿、活血化瘀,而且能通过对NLRP3炎症小体的干预来减轻肾脏结构的损伤。

4.2 姜 黄

姜黄味苦、辛,性温,归肝、脾经,具有破血、行血的功效。《本草备要》[30]载其“苦辛,色黄,入脾兼入肝经。理血中之气,下气破血,除风消肿”。姜黄取自姜科植物姜黄的根茎,主要成分为类姜黄素,另外含有姜黄酮、姜烯、龙脑等挥发油。姜黄有降血脂、抗血栓、减轻心肌损伤、保肝利胆、兴奋子宫、抗肿瘤、抗炎、抗氧化等多种药理作用[31]。

姜黄素可以通过TLR4/髓样分化因子(myeloid differentiation factor 88,MyD88)/NF-κB和嘌呤能离子通道型受体7通路抑制NLRP3炎症小体的表达[32]。NF-κB是一种诱导炎症介质的信号通路,姜黄素可以降低NF-κB所介导的炎症因子产物IL-1、IL-6、IL-8、环氧化酶-2、5-赖氨酰氧化酶、巨噬细胞炎性蛋白-1α、TNF-α、黏附分子、趋化受体因子4、C反应蛋白等的表达[33]。除了干预NF-κB信号通路之外,Yin等[34]研究发现,姜黄素不但能抑制巨噬细胞中的脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)启动和NLRP3炎症小体激活途径,而且可以通过抑制体内NLRP3炎症小体来预防高脂肪饮食诱导的胰岛素抵抗和尿酸单钠晶体诱导的腹膜炎症。姜黄素可以改善肾小球系膜基质扩张,下调IV型胶原和纤维连接蛋白的表达。高糖环境中的肾小管上皮细胞HK-2细胞在被姜黄素干预后,NLRP3炎症小体的表达及caspase-1、IL-1β的释放均被抑制[35]。张少华等[36]研究发现,姜黄素可以减弱糖尿病肾病小鼠肾组织损伤和肾脏细胞的凋亡,其分子机制可能与下调p38丝裂原活化蛋白激酶磷酸化水平和TGF-β1表达水平有关。综上所述,姜黄素能够通过干预NLRP3等多种通路有效延缓肾脏的纤维化进程。

4.3 人 参

人参被称为百草之王,《本草纲目》[37]曰其能“补五脏,安精神,定魂魄,止惊悸,除邪气,明目开心益智,久服轻身延年,疗肠胃中冷,心腹鼓痛,胸胁逆满,霍乱吐逆,调中,止消渴,通血脉,破坚积,令人不忘”。人参的活性成分包含人参皂苷、脂肪酸、多糖和矿物油,其药理活性主要来自人参皂苷。Rb1、Rb2、Rc、Rd、Re、Rf和Rg1占人参中总皂苷的90%以上,在生人参根中含量最多[38]。人参皂苷使人参具有抗炎、抗氧化、抗癌的作用,能够治疗心血管疾病、糖尿病、免疫系统疾病[39]。

NIMA相关激酶7(NIMA-related kinase 7, NEK7)是NLRP3炎症小体的一种活性成分,高分子量NEK7-NLRP3复合物的形成是ASC齐聚和ASC斑点形成的前提。研究[40]发现,人参皂苷Gg3可以阻断NEK7-NLRP3相互作用,阻止NLRP3寡聚;此外,人参皂苷Gg3还能通过影响ASC寡聚的上游来抑制NLRP3-ASC相互作用,从而阻断NLRP3炎症小体的激活。糖尿病肾病发展为ESRD的关键病理损害是肾小管间质病变,主要表现为肾小管萎缩、间质单核细胞浸润和肾脏纤维化。人参化合物K是人参的肠道细菌代谢物,可以下调小鼠单侧输尿管梗阻模型的溶酶体、氧化磷酸化、脂肪酸代谢和鞘脂代谢,以及肾素-血管紧张素系统通路,抑制NLRP3炎症小体的激活,显著降低肾组织NLRP3、caspase-1活性、IL-1b蛋白和尿液IL-1b水平[41]。过量的葡萄糖通过还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶途径增加ROS的产生,引起内质网压力,而人参皂苷Rb1和人参化合物K抑制葡萄糖诱导的ROS的产生,从而抑制内质网应激诱导的NLRP3炎症小体激活,还能通过抑制炎症改善胰岛素抵抗[42]。人参皂苷Rg1可以通过抑制小鼠肾组织中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4-NLRP3炎症小体信号传导来减轻暴露于LPS中的肾小球细胞的系膜扩张和系膜基质积累,而且能显著降低肾小球、肾小管细胞中的肾损伤分子-1水平和细胞衰老标志物β-半乳糖苷酶水平[43]。因此,人参皂苷Rg1可以通过干预NLRP3炎症小体来缓解肾脏细胞损伤和细胞衰老。综上所述,人参皂苷及人参化合物K可以改善糖尿病肾病患者的血糖水平,同时通过抑制NLRP3炎症小体来延缓肾脏组织的纤维化进程,减慢向ESRD进展的速度。

4.4 真武汤

真武汤出自《伤寒论》,为张仲景名方之一,既可以治疗“发热,心下悸,头眩,身瞤动,振振欲擗地者”的太阳证,又可以治疗“腹痛,小便不利,四肢沉重疼痛,自下利者,此为有水气”的少阴病[44]。对比真武汤的条文和糖尿病肾病的晚期症状发现,糖尿病肾病进行性加重之后,由于肾组织的损伤和肾小球滤过率的下降,患者会出现小便不利、四肢沉重疼痛等“有水气”的表现。真武汤以补肾温阳的炮附子为君药,以健脾利水的白术、茯苓为臣药,并以温中的生姜、敛阴的白芍为佐药,是治疗脾肾阳虚水泛的基础方。贺梦媛等[45]总结,真武汤的化学成分包括各类乌头碱、白术内酯、茯苓素、芍药苷等,可以通过RASS系统影响血管紧张素Ⅱ而发挥强心作用,减少肾小管、集合管对水、无机盐的重吸收而发挥利尿作用,减轻炎症而发挥改善肾功能的作用。吕正鑫[46]在常规使用西药氯沙坦的基础上加用真武汤加味,发现真武汤加味组患者的肌酐和尿蛋白水平显著低于对照组,并且神疲乏力、肢冷畏寒、少气懒言、肢体水肿、夜尿频多、便溏泄泻的临床症状均明显改善。赵峰等[47]采用真武汤治疗糖尿病肾病痰瘀互结证,发现真武汤可以降低导致肾小球、肾小管肥大的血管内皮细胞生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)水平,并且下调24 h尿蛋白水平,具有良好的临床疗效。已有研究[48]表明,真武汤可以直接抑制NF-kB/NLRP3通路,下调NLRP3、IL-1β、capcase-1的蛋白水平。尹秀花等[49]研究发现,脾肾阳虚型肾炎小鼠模型应用真武汤后血肌酐和血尿素氮水平均下调,猜测其分子机制可能与下调TNF-α、IL-6、VEGF、单核细胞趋化蛋白-1水平有关。多项研究表明,真武汤不但能改善肾功能、缓解患者的临床症状,而且能通过抑制NLRP3炎症小体、发挥抗炎作用来减轻肾脏的损伤程度,因此对于脾肾阳虚水泛证型的糖尿病肾病患者,可以在真武汤的基础上根据患者的临床症状进行加味。

5 小 结

糖尿病肾病一旦进展为ESRD,对患者的生活质量和生存希望将是一种极大的威胁,而肾功能早期损害是可以逆转的,故应对2型糖尿病患者进行肾功能的定期常规监测,在患者出现微量白蛋白尿时尽早有效干预。中医药对于糖尿病肾病可以发挥良好的抗炎疗效,比如黄芪、姜黄、人参能够通过抑制NLRP3炎症小体来减少IL-1β和IL-18的水平,继而改善肾脏组织的炎症环境,有效延缓其纤维化的进程。因此,对于正气已虚、病邪丛生的糖尿病肾病,配伍黄芪、姜黄、人参等中药能发挥大补元气、活血化瘀、利水消肿的功效,从根本上改善患者气血阴阳亏虚、痰湿瘀血凝滞的病理状态。对于水肿明显、脾肾不足的晚期患者可以选择真武汤加味来改善患者的生活质量。综上所述,黄芪、姜黄、人参及真武汤能通过对NLRP3炎症小体的干预来减少肾小管纤维化,肾组织细胞损伤、衰老、凋亡,从而减轻患者的临床症状,可以应用于糖尿病肾病患者的治疗以延缓病情进展,尽可能地扭转向终末期肾病发展的结局。