糖尿病肾小管病研究进展

熊煜欣，杨 莹

（云南大学附属医院内分泌科，云南昆明 650021）

糖尿病肾病（diabetic kidney disease，DKD）是糖尿病引起的一种严重慢性微血管并发症，已成为全球范围内慢性肾病（chronic kidney disease，CKD）和终末期肾病（end-stage renal disease，ESRD）的主要原因[1-2]。大约30%的1 型或40%的2 型糖尿病患者在糖尿病多年后会进展为DKD[3]，但在出现明显临床表现之前，目前仍无明确有效的方法来预测哪些患者会受到影响。因此，迫切需要更好地了解DKD 的发病机制及相关的分子途径，并及早识别有风险的患者，制定针对性的防治方案。传统的观念认为，DKD 的病变主要表现为尿蛋白的升高，这与肾小球病变（包括肾小球系膜细胞和足细胞）密切相关，但流行病学显示，仍有20%～70%的糖尿病患者并不出现尿蛋白异常却有肾功能不全，即正常白蛋白尿糖尿病肾病（normoalbuminuric diabetic kidney disease，NADKD）；并且在糖尿病患者肾组织活检中发现，肾小管间质病变比肾小球结构改变更严重，同时常伴有明显的肾脏肥大[4-6]。早期糖尿病患者的尿液中可以检测到一些近端肾小管细胞损伤的标志物，而此时肾小球没有明显损伤，说明近端肾小管损伤也是一种早期病变，并不完全继发于肾小球损伤，其病变甚至可能早于肾脏微血管病变[7]。上述结果提示，肾小管病变在DKD 的发生和发展中也起着非常重要的作用[8-9]。本文就血糖、补体、生物标志物和线粒体在糖尿病肾小管病的作用机制研究和相关治疗靶点进行综述。

1 高血糖和DT

葡萄糖进入近端肾小管细胞是不依赖于胰岛素的，这使得近端肾小管细胞在糖尿病情况下对高血糖特别敏感。当暴露于高葡萄糖浓度时，近端肾小管细胞无法充分降低葡萄糖转运率以防止细胞内葡萄糖发生过度变化。高血糖不仅从基底外侧暴露肾小管结构，而且增加肾小球滤过的葡萄糖量，从而增加肾小管葡萄糖负荷、暴露和重吸收，并通过多元醇途径导致肾近端小管细胞IV型胶原蛋白和纤连蛋白的积累，形成损伤[10-11]。这也解释了肾脏葡萄糖转运和处理在糖尿病中的调节作用的重要性。针对此所开发的治疗策略-SGLT2 受体抑制剂（SGLT2i），可通过抑制近端肾小管对葡萄糖的重吸收、促进尿糖排泄而降低血糖，并在多个大型临床研究中证实具有不同程度降低肾脏复合终点（eGFR 较基线降低≥50%或血清肌酐倍增、ESRD、因肾脏或心血管病死亡）风险以及减少尿蛋白肌酐比（Urinary albumin-tocreatinine ratio，UACR）[12-14]，从而起到改善和延缓DKD 的作用。此外，高葡萄糖可引发细胞自噬功能受损，这对DKD 的进展无疑是不利的。最近的研究结果表明，SGLT2i 在改善近端小管的氧合作用的同时，可抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1）的表达，增强酮分解和自噬[15]。

在高葡萄糖状态下，一方面可介导活性氧（Reactive oxygen species，ROS）产生和聚晚期糖基化终末产物（Advanced glycation end products，AGEs）积聚，导致DNA 损伤，进而导致肾小球足细胞和肾小管上皮细胞过早衰老[16-17]。另一方面，AGEs与其受体的结合后，可通过激活核因子-kappaB（NF-κB）、TGF-β 等信号通路，介导氧化应激和炎症的持续激活[18-19]。这也是DKD 进展的重要因素之一。高血糖导致的AGEs 积聚还可激活的肾内RAAS 系统，使肾细胞中肾素和血管紧张素的水平增加[20]。血管紧张素II（AngII）的增加可在体外和体内引起肾小管上皮细胞坏死性凋亡，进而升高参与血管紧张素转换酶诱导的细胞死亡的调节因子Fas 和FasL 的水平。使用AngII 和FasL 抑制剂进行药理学抑制可抑制体外和体内由AngII 介导的肾小管上皮细胞过度死亡，进而减轻DT 损伤[21]。

作为一个独立的危险因素，高血糖本身可直接导致急性肾小管坏死、肾小管细胞凋亡、上皮细胞间质转化和细胞外基质沉积。与糖尿病肾小球改变平行，肾小管基底膜（Tubular basement membrane，TBM）宽度增加是糖尿病肾脏最早的结构改变之一，即使在正常白蛋白尿的患者中也是如此，TBM 可能比GBM 增厚更能反映DKD 的严重程度[22-24]。而肾小球鲍曼囊和近端肾小管之间的关键连接处存在异常是导致71%的尿蛋白阳性的1 型糖尿病患者的一个主要病理改变[25]。来自White 等[26]的研究发现，有26%的2 型糖尿病患者也存在这种病理改变，且这种异常的程度与肌酐清除率呈负相关。随着DKD 的进展，肾小管萎缩、管周毛细血管疏松和间质纤维化成为了肾小管间质的主要病理改变，最终，在DKD 的晚期，肾小管间质和肾小球的改变形成肾纤维化[27-28]。

2 补体和DT

尽管 DKD 通常不被视为免疫调节疾病，但越来越多的临床和实验研究证据表明，全身和局部肾脏炎症在 DKD 的发生和发展中起着至关重要的作用，激活先天免疫的免疫细胞和常驻肾细胞已被证明是DKD 的关键介质[29-30]。因此，补体系统作为先天免疫系统的一部分发挥作用，补体途径的不适当激活对肾脏有有害影响。

肾脏是合成大部分补体级联激活成分的场所[31]。有研究者提出，肾小球更容易受到循环补体成分的伤害，而肾小管损伤通常是局部补体合成的结果，特别是通过补体C3[32]。C3a 和C5a 是补体级联反应的主要效应分子，通过结合和激活它们的G 蛋白偶联受体C3aR 和C5aR1，释放促炎信号，促进细胞去分化、增殖和迁移[33]。C3aR 在正常人肾脏的肾小球上皮细胞和近端肾小管细胞中表达，但在肾小球系膜或肾小球内皮细胞中不表达[34]。C5aR1 在系膜细胞、足细胞和近端肾小管上皮细胞中表达[35]。C3a 和 C5a 可以通过上调它们各自的受体C3aR 和C5aR1，以及人近端肾小管细胞中的TGF-b/CTGF 通路，诱导肾小管上皮-肌成纤维细胞转分化[36]。Susztak 及其同事对44 个显微解剖的人类肾脏样本进行了微阵列分析，并提供了人类DKD 基因表达变化目录。他们在DKD 肾小管中鉴定出了1 831 个探针组。肾小管分析将补体系统确定为最显着调节的途径之一[37]。最近的研究发现，肾小管损伤和间质浸润细胞浸润与尿中补体C3a、C5a 和C5b-9 的增加以及2 型糖尿病中晚期DKD 病变相关[38]。这些发现表明补体系统在DT 的发展和进展中具有重要作用。

甘露糖结合凝集素（Mannose-binding lectin，MBL）是天然免疫系统中的一种关键的模式识别分子，位于凝集素途径的上游，参与了糖尿病肾病的发生[39]。Li 等[40]的一项研究显示，DKD 患者的血清和尿MBL 的水平高于没有肾损伤的糖尿病患者，并且尿MBL 水平与尿蛋白水平相关。Cai等[41]的随访研究发现，DKD 患者血清MBL 水平升高是DKD 进展为ESRD 的一个独立危险因素。Huang 等[42]研究发现，包括MBL 在内的多个补体成分主要在2 型糖尿病大鼠肾病组肾小管部位的表达明显高于非糖尿病和糖尿病组，且非糖尿病和糖尿病组之间无显著差异；同时，24 h 尿蛋白排泄量与MBL、MASP-2、B 因子和C5b-9 表达呈正相关，该结果提示与肾小管部位相关的补体系统激活与DKD 的进展有关。

3 生物标志物与DT

β2 微球蛋白是肾小管受损的常用生物标志物，但其水平往往在肾小球发生实质性损伤后才明显[43]。而肾损伤分子-1（kidney injury molecule-1，KIM-1）在肾脏急性损伤后，主要由损伤后再生的去分化近端小管上皮细胞过表达，可对肾脏特别是肾小管的急性损伤提供重要的预测[44]，但对于慢性病程的DKD 来说，并不是最好的选择。

有研究发现，C 型凝集素同源蛋白Laylin，在肾小球肾炎的肾小管上皮细胞中高表达，并参与了肿瘤坏死因子-α 诱导的小鼠肾小管上皮细胞间充质转化（Epithelial-mesenchymal transition，EMT）[45]。另一项研究发现，尿组织蛋白酶D 与糖尿病患者肾小管间质损伤有关，同时，在小鼠近端肾小管上皮细胞中，AGEs 可增加组织蛋白酶D 活性及炎症和肾小管损伤标志物[46]。Clara细胞16-kDa 蛋白（CC16）是一种由支气管细胞分泌的蛋白，其经肾小球滤过，然后在近端肾小管细胞中分解代谢，CC16/肌酐比值的异常可很好的预测肾小管功能，并且与年龄相关[47-48]。尿-肝型脂肪酸结合蛋白（urinary liver-type fatty acidbinding protein，u-LFABP）则是一个15 kDa 的蛋白质，主要负责调节包括近端小管以及肝脏的脂肪酸转移。一项横断面研究发现[49]，在1 型糖尿病患者中，u-LFABP 的升高先于微量白蛋白尿的发展，因此，u-LFABP 浓度升高被认为是糖尿病肾病进展的预测标志。进一步对165 名无白蛋白尿的1 型糖尿病患者的随访研究证实，高水平的u-LFABP 能够独立于尿白蛋白排泄率，预测1 型糖尿病患者肾病和全因死亡率的发生和发展[50]。来自日本的针对2 型糖尿病肾病患者12 a 的随访研究发现，u-LFABP 的升高亦可成为预测无明显蛋白尿的2 型糖尿病患者的心肾终点的指标[51]。N-乙酰-β-D 氨基葡萄糖苷酶（N-acetyl-beta-Dglucosaminidase，NAG）也被认为是与DKD 相关的小管损伤标志物。这种生物标志物以其高分子量而闻名，不能被肾小球过滤；因此，作为近端肾小管损伤的结果，NAG 在肾小管腔中被释放[52]。队列研究发现，尿NAG 排泄增加均先于蛋白尿，是蛋白漏出前DKD 的良好预测因子，且不论在1型糖尿病还是2 型糖尿病患者中，尿NAG 的增加与动脉粥样硬化病变相关[53-55]。此外，Yang 等[56]的研究发现，在Ⅱ-Ⅲ期的DKD2 型糖尿病患者以及db/db 小鼠肾脏近端肾小管腔内可发现脂质沉积，且尿中脂肪分化相关蛋白表达与尿NAG 呈正相关，这从另一方面提示，改善异位脂质积聚可能成为DT 治疗的新靶点。中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（neutrophil gelatinaseassociated lipocalin，NGAL）被认为是一种非常有潜力的急性肾损伤标志物，对于2 型糖尿病患者而言，尿NGAL 可能是一个监测短期肾功能损害特别是肾小管损伤的早期标志物，并且其水平升高与血脂异常和糖尿病控制不良相关[57-58]。近期的研究发现，与非DKD 的2 型糖尿病患者相比，DKD 患者的尿NGAL/肌酐比值明显增高，提示该指标可作为2 型糖尿病患者发生DKD 的独立危险因素[59]。

4 线粒体损伤与DT

肾脏近曲小管细胞中的线粒体是调节糖尿病状态下氧化应激和缺氧损伤的关键细胞器，其功能失调可能加速早期糖尿病肾小管病变的发生[60]。在DKD 中，肾脏耗氧量的增加导致皮质和髓质缺氧，而低氧的病理生理状态对几乎需要完全依赖氧化来完成代谢活动的近端肾小管来说无疑是灾难性的，这会导致三羧酸循环和ATP 产生减少[61-62]。这当中，负责有氧能量产生的线粒体结构和功能的异常在糖尿病肾小管损伤中起到了关键作用。例如，Coughlan 等[63]在先前针对糖尿病大鼠的研究中发现，在糖尿病大鼠成模后4 周，近端小管上皮细胞线粒体发生断裂且ATP 生成受损，但此时尿蛋白排泄率或肾小球形态没有明显变化，提示近端肾小管线粒体功能异常可能是肾脏疾病更早期的表现。此外，来自Jiang 等[64]的代谢组学研究结果表明，与非DKD 患者相比，DKD 患者的线粒体DNA（mtDNA）拷贝数减少，损伤增加；且线粒体断裂特别的存在于肾小管中，并非存在于足细胞中；受损的mtDNA 和片段化线粒体的累积导致ROS 生成增加、细胞凋亡激活以及小管中线粒体膜电位的丧失。也有研究显示[65]，在db/db 小鼠模型中mtDNA 的表达是上调的，提示糖尿病肾脏中线粒体生物合成是增加而不是减少。这种生物合成的增加可能是对糖尿病状态下缺氧和氧化应激诱导的线粒体损伤的一种代偿反应，类似于2 型糖尿病相关的高胰岛素血症。

另外，在糖尿病状态下，氧化应激增加，ROS 生成增多，ROS 与DKD 的发生和发展关系密切[66]。线粒体作为糖尿病中ROS 的主要来源之一，参与了糖尿病微血管并发症的发生[67]。研究发现[68]，糖尿病大鼠肾脏近曲小管细胞中Sirt3介导的线粒体抗氧化酶活性降低与NAD+/NADH比值下降和CD38 过表达相关，而敲低CD38 后，可改善高糖条件下HK-2 细胞中Sirt3 活性和NAD+/NADH 比值，从而改善线粒体抗氧化机能。此外，通过改善糖尿病状态下肾脏营养传感器PGC-1α 的表达，可以减少糖尿病肾脏小管线粒体的断裂、ROS 生成增加和细胞凋亡，并可恢复线粒体质量，有助于减少STZ 诱导的糖尿病小鼠肾小管的氧化应激[69]。在最近的研究中发现，低氧状态增加糖尿病患者循环血中的ROS 水平，而这种情况在非糖尿病患者中并未出现；同时，在糖尿病肾病小鼠肾脏中，高葡萄糖通过HIF 脯氨酸-羟化酶依赖机制抑制缺氧诱导因子-1，进而导致肾脏线粒体ROS 产生增加，造成肾脏损伤[70]。因此，维持肾小管线粒体氧化水平的正常可作为防治DKD 病理变化的另一治疗思路。除了抑制氧化应激外，减少线粒体分裂也是改善DT 的另一治疗思路。DKD 患者的线粒体分裂过度，而通过使用SGLT2i 恩格列净，可以逆转糖尿病小鼠肾脏及高糖状态下HK-2 细胞中磷酸甘油酸变位酶-5（PGAM5）的表达增加以及动力蛋白相关蛋白1的活性降低，从而减轻线粒体分裂，改善DT 的损伤，延缓DKD 发展[71]。

5 小结

DT 作为DKD 的早期重要启动因素，越来越备受关注。延缓DKD 的发生及进展是治疗糖尿病的主要目标之一，而以肾小管上皮细胞SGLT2i为代表的降糖药物，在降低肾脏疾病终点事件上所取得的显著疗效，也间接的证明了DT 在DKD病程中所起到的重要作用。进一步了解高血糖如何影响肾小管的形态、功能、相关分子机制和信号通路，以发现早期病变，充分而全面的揭示DT 对DKD 进展的作用，对DKD 预防有着巨大的理论和实践意义。当然，这需要对糖尿病肾脏近端小管进行更为深入和特异的研究及测量，并通过在不同实验室使用不同的动物模型进行肾小管病变的研究来不断实现。