线粒体脂肪酸β氧化缺陷在慢性肾脏病肾小管损伤发病和治疗中的研究进展

刘静，江蕾，曹红娣

南京医科大学第二附属医院肾脏病中心，南京210003

肾脏作为体内具有高代谢率的器官之一，任何原因导致的肾脏结构和功能损伤均伴有能量代谢异常，可导致细胞缺氧、线粒体功能障碍和氧化磷酸化受损。脂肪酸是肾小管上皮细胞（TECs）中产生能量代谢途径的基本底物。脂肪酸β 氧化（FAO）是维持肾小管结构和功能的关键能量代谢方式。胞外脂肪酸以白蛋白相关的内吞或CD36 分子介导的转运进入细胞，胞内甘油三酯经脂肪酶催化和胞膜磷脂经磷脂酶A2（PLA2）催化可产生脂肪酸，经肉碱棕榈酰基转移酶1（CPT1）和CPT2的肉碱穿梭机制，以脂酰辅酶A 的形式转运至线粒体，继之进行β 氧化，经脱氢、氧化等步骤生成乙酰辅酶A 进入三羧酸循环。此过程受过氧化物酶体增殖激活受体（PPARα）和固醇调节元件结合蛋白（SREBP）的转录调控［1］。SREBP 主要促进脂肪酸、磷脂和甘油三酯的合成。PPARα 的调控范围较广，涉及几乎所有的脂肪酸转运和β 氧化的酶。生理状态下，脂肪酸的摄取、氧化和合成呈现动态平衡从而避免细胞内脂质的堆积。正常分化细胞主要依赖线粒体氧化磷酸化供能，而多数癌细胞则依赖糖酵解的方式为自身代谢供能，被称为瓦伯格效应。由于糖酵解产生三磷酸腺苷（ATP）的效率较低，每个葡萄糖分子只产生两个ATP，这一结果似乎并不合理。但后来有研究认为，这种对于有氧糖酵解的依赖是基于细胞对新的生物量如磷脂、核苷酸和氨基酸的需要［2］。同样，作为高能量需求的细胞，正常情况下TECs 高度依赖于FAO 驱动的氧化磷酸化以满足其能量需求，很少进行糖酵解；但在应激环境中，TECs的代谢过程发生改变，FAO 缺陷，而糖酵解过程增强［3］。仅从代偿性能量和抗氧化应激损伤的角度上来看，这种能量代谢重编程是TECs 适应病理环境的一种保护机制，也是肾小管再生的标志。然而，如果不能纠正这种能量代谢，会影响TECs的修复，导致上皮-间质转化（EMT）和间质纤维化，促进慢性肾脏病（CKD）发展［4-5］。现就线粒体FAO 缺陷在CKD 肾小管损伤发病和治疗中的研究进展综述如下。

1 线粒体FAO缺陷参与肾小管损伤的机制

在应激条件下，TECs中FAO缺陷不仅导致能量产生受损，还会促进肾脏脂质堆积和纤维化。短期的FAO 缺陷，强化的糖酵解可以弥补能量消耗，对肾脏起到保护作用。然而，长期FAO 缺陷，TECs 不能恢复正常能量代谢可能影响肾脏修复，从而导致CKD 进展。FAO 缺陷参与肾小管损伤的机制主要体现在以下几个方面。

1.1 诱导炎症反应 肾小管上皮细胞脂肪酸蓄积及异位脂质沉积主要是由于FAO 缺陷，蓄积的脂肪酸可激活肾小管细胞的氧化应激和内质网应激，促进细胞释放趋化因子，诱导炎症细胞浸润，甚至导致细胞凋亡。高脂饮食喂养32 周的大鼠肾脏模型中有明显的慢性炎性改变、高活性氧自由基（ROS）水平和肾小球纤维化［6］，这一过程或与炎症过程中高水平非酯化脂肪酸（NEFA）激活促炎反应途径并增加ROS 的产生有关［7-8］。肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）和单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）的过度表达，继而诱使免疫细胞进入细胞损伤部位，导致更多的细胞死亡，形成肾小管损伤和炎症之间的环路。此外，脂肪酸转运蛋白CD36 于肾近端和远端小管上皮细胞、足细胞、系膜细胞、微血管内皮细胞和间质巨噬细胞高表达。最近一项研究［9］发现，脂肪酸转运蛋白CD36 过表达促进高糖诱导的TECs 中NLRP3 炎症小体活化和IL-1β 分泌，抑制了线粒体FAO 并刺激了线粒体ROS 的产生，从而降低细胞氧化NEFA 的能力，进一步导致脂肪堆积和胰岛素抵抗［10］。因此，TECs 不仅是炎症反应的“受害者”，而且是炎症反应的“积极参与者”。 TECs 不仅分泌炎症因子，还可激活肾间质免疫细胞，参与持续的肾脏炎症反应。由此可见，恢复TECs的正常代谢可能比干预单个下游炎症事件更有效。

1.2 加重脂质蓄积 脂类在非脂肪组织中的沉积导致细胞功能障碍和坏死，称为脂毒性［11］。脂质动态平衡主要依赖于脂质摄入、合成和流出之间的平衡。然而，最近一项研究报告显示，由于FAO 关闭，TECs 中游离脂肪酸的利用减少促进了肾脏中的脂质堆积和纤维化［12］。肾小管全基因组分析显示，在小鼠和人类肾间质纤维化模型中，许多重要的线粒体酶和脂肪酸氧化调节因子表达降低，如PPARα 和PPARγ［13］。PPARα 作为转录因子调节基因的表达，是一组核受体蛋白，在调节细胞分化、发育和代谢等方面发挥作用。PPARα 主要在代谢活跃的细胞中表达，通过调节脂肪酸转位酶CD36 来刺激细胞对脂肪酸的摄取，导致小管细胞中脂质沉积增加。同时，在近端小管上皮细胞中抑制FAO 会导致ATP 耗竭，进而发生细胞凋亡、去分化和细胞内脂质沉积。低水平的FAO 与TECs 的细胞内脂质积聚密切相关，主要表现为Perilipin 2阳性脂滴数量的增加以及以胆固醇、磷脂和鞘磷脂积聚为特征的脂质谱。而再灌流晚期动物的游离胆固醇、酯化胆固醇和总甘油三酯水平也高于正常对照组，刺激细胞膜甘油三酯和磷脂酰胆碱可释放脂质自由基，导致细胞损伤［14］。因此，脂代谢紊乱既可以是肾功能障碍的后果，也可以是其原因，二者形成恶性循环。同样，高脂饮食或棕榈酸超载引起的脂肪堆积也会加速细胞死亡、肾脏炎症和纤维化［15-16］。HARRIS 等［17］也证实，过量的棕榈酸在肾小管周围毛细血管模型中可诱导内质网应激。在编码胆绿素还原酶A（BVRA）基因缺失的动物模型中也观察到了小鼠近端肾小管细胞脂质堆积和毒性，这可能与线粒体呼吸和β 氧化受损介导的肾小管凋亡有关［18］，提示脂毒性可通过激活炎症反应，促进纤维化。总之，纠正TECs 中的FAO 紊乱或是降低脂毒性是延缓CKD 进展的潜在策略。

1.3 促进肾脏纤维化 肾小管间质纤维化是 CKD主要的组织病理特征，但肾纤维化的具体机制尚不完全清楚。肌成纤维细胞分泌大量胞外基质，管周毛细血管稀疏、间质缺氧、管周细胞脱落、TECs损伤和细胞周期停滞都是导致肾纤维化的原因。小管上皮细胞损伤和异常修复是CKD 发病和肾脏纤维化的中心事件。TECs 中低水平的FAO 是导致肾间质纤维化的一个重要因素，FAO 缺陷引起的代谢限制导致TECs的异常修复，向纤维化表型转化［19］。多项动物模型和肾纤维化患者研究结果［4，13］提示为应对FAO 缺陷TECs 导致的能量生成障碍，存活的TECs可以进行表型转换，包括细胞骨架重建和细胞外基质积聚，与FAO 相关的关键调节因子和酶在TECs中的表达显著降低。值得关注的是，FAO在TECs中的缺陷也导致了与年龄相关的肾脏纤维化。在大鼠衰老过程中，随着脂质在TEC 中的沉积，PPARα 的表达显著减少，PPARα 敲除小鼠表现出较低的FAO途径水平、过度的脂肪堆积和严重的纤维化表型［20］。miR-21 已被证明调节代谢途径［21-22］。miR-21通过下调PPAR-α 促进肾小管损伤和纤维化，使TEC 的脂质代谢发生改变。抑制miR-21 可以减少TGF-β1诱导的纤维化和炎症，保持肾小管结构的完整性，这是由于PPAR-α/维甲酸X 受体活性增强和线粒体功能改善所致。此外，一项用乙莫克舍（CPT-1 抑制剂）处理的棕榈酸（PA）刺激的PTCs 的研究证实出现了更高的细胞死亡、分化和细胞内脂质积累。他们发现这些PTC 经历了分裂表型转变，表达了更多的间充质基因，如α-SMA、波形蛋白、COL1a1和COL3a1。TGF-β1抑制脂肪酸氧化中的限速酶CPT1 的表达，从而降低脂肪酸代谢，而三种肾纤维化模型（UUO、叶酸诱导的肾病和腺嘌呤所致肾损伤）中，肾小管CPT1 过表达后均可通过恢复氧化磷酸化和线粒体质量来减轻肾纤维化、炎症反应和上皮细胞损伤［13］。TECs引起的FAO减少，导致糖酵解增加。FAO 的减少而不是脂滴的细胞内积聚，是叶酸诱导肾病小鼠肾小管间质纤维化发展的关键决定因素。叶酸诱导的肾纤维化小鼠肾脏的转录分析表明，与对照小鼠相比，参与FAO 和氧化磷酸化的基因下调［13，23］，纤维化小鼠肾脏中甘油三酯积累。这些发现在糖尿病和CKD 患者的肾活检样本中得到证实。然而，在肾特异性表达CD36 的小鼠模型中，TECs中高水平的甘油三酯和长链脂肪酸水平不足以诱导肾纤维化。这一发现可能表明TECs 中脂肪酸利用率的降低与肾纤维化的发生更相关。总而言之，FAO 可维持TECs 的细胞形态和功能，受抑的FAO 强烈促进了CKD 的肾脏纤维化。恢复TECs 中的FAO可能是预防肾纤维化的治疗目标。

2 与FAO缺陷相关的CKD治疗策略

线粒体FAO 紊乱能够触发肾脏损伤导致CKD，反之保护线粒体，可能是潜在的CKD 药物靶点。多种针对线粒体和纠正能量代谢失衡的化合物已被证实可以减少肾脏损伤和防止CKD的进展。

2.1 针对线粒体功能障碍的CKD 治疗 线粒体通过生物发生和线粒体自噬的过程不断更新。PGC-1α是一种在肾脏中高度表达的共转录调节因子，可驱动线粒体生物合成［24］。缺血和顺铂诱导的AKI期间PGC1α 表达的缺失与肾功能紊乱和线粒体异常相关，包括NAD+合成减少。IRI 后PGC1α 的诱导可增加NAD+水平并减轻小管损伤［25］。研究结果提示，PGC-1α 是AKI 期间调节代谢恢复的重要因素。PPARγ 激动剂吡格列酮可激活 PGC-1α 并改善与年龄相关的肾损伤。β2肾上腺素能受体激动剂福莫特罗可刺激小管上皮细胞中的PGC-1α表达和线粒体呼吸。缺血性损伤后给予福莫特罗可上调PGC-1α恢复线粒体蛋白表达和呼吸，从而加速线粒体和肾功能的恢复［26-27］。目前针对线粒体的抗氧化剂的研究较多。SS 肽是一种具有细胞通透性的四肽，选择性地以线粒体为靶标，但集中在线粒体内膜（IMM）上，而不是穿透到线粒体基质中。这些多肽可与心磷脂选择性地相互作用，促进电子转移，防止细胞色素C转化为过氧化物酶，抑制心磷脂过氧化，从而抑制细胞凋亡、炎症和NLRP3炎症小体激活。SS-31已在AKI模型中进行了广泛的研究，其可保护内皮细胞线粒体减轻毛细血管损伤，同时维持肾脏能量平衡，减少细胞凋亡，并降低血清肌酐和尿素氮［28］。有证据表明SS-31 可以修复CKD 模型中受损的线粒体，恢复线粒体结构，且终止SS-31 治疗6 个月后，肾脏仍受到保护，这表明恢复线粒体生物能量可以提供长期保护［29］。

2.2 针对FAO 缺陷的CKD 治疗 PPARα 在小管和系膜细胞中高度表达，调节CPT1表达和脂肪酸氧化。研究表明，小剂量PPARα 激动剂氯贝特预处理可预防急性肾小管损伤，这可能与FAO 维持、减少细胞内脂质堆积以及减轻疾病发展因素，包括氧化应激、细胞凋亡和NF-κB 激活有关［30］。而非诺贝特也表现出相似的效果，通过调节内皮型一氧化氮合酶（eNOS）的表达来减轻IR/I引起的肾功能障碍［31］。在叶酸诱导的肾损伤模型中，在叶酸注射前给予非诺贝特可显著增加FAO 相关酶Acox1、Acox 2 以及CPT1、CPT2 的表达，同时减轻肾细胞凋亡、肾脏损伤和纤维化［30］。另一项研究表明，非诺贝特还通过抑制NF-κB 和TGF-β 信号通路，可减轻糖尿病肾病模型中的尿白蛋白排泄和间质纤维化［32-33］。尽管有明确的证据表明，贝特类药物和他汀类药物联合使用可以预防糖尿病患者的心血管疾病。然而，由于非诺贝特可导致血清肌酐的快速升高，其在治疗糖尿病肾病中的临床应用尚不确定。脂质的摄取、合成和降解受一系列转录因子的调节，这些转录因子涉及PPAR、SREBPs、法尼醇X受体（FXR）和CCAAT增强子结合蛋白（C/EBPα）等，它们的基因表达也受一些特定的miRNA 控制，这些miRNA 的表达在肾纤维化期间发生变化［34-35］。因此，未来以脂质代谢相关的酶、转运体、转录因子或miRNA 为靶点，人工调节肾脏脂质代谢，有望成为预防或治疗肾纤维化新的治疗策略。

综上所述，脂肪酸β 氧化与肾小管损伤关系密切，由于缺氧、线粒体功能障碍和信号感知途径障碍，急性期内TECs发生了能量代谢重编程，糖酵解增强以承担能量供应功能。然而，长期的能量代谢重编程可通过增强炎症反应、脂质堆积和纤维化来干扰肾脏结局。尽管恢复TECs的FAO缺陷为肾脏疾病的治疗干预提供了一个有前景的策略，但现有的研究只集中在肾小管细胞，在AKI期间其他肾脏细胞是否经历代谢变化很大程度上仍尚不清楚，如足细胞、内皮细胞和间充质细胞。同时，由于一些不利和非靶点的影响，针对线粒体和能量代谢的化合物在临床上的应用一直受到限制。因此，我们期待着进一步的研究能够开发出更具前景的防治CKD的新策略。