慢性肾脏病诱导骨骼肌萎缩的发病机制

王嘉琳 综述 袁伟杰 审校

Kalantar-Zadeh等［1］研究发现18%～75%的慢性肾脏病(CKD)患者伴难纠正的进行性营养不良，国际肾脏营养和代谢协会已将肾性营养不良命名为蛋白-能量消耗(PEW)［2］，PEW可增加CKD患者感染风险，危害心血管健康，增加临床并发症和死亡风险，严重影响患者预后。据统计约25%的血液透析患者伴严重 PEW，其年死亡率为 30%［3］。北美Fresenius医疗中心的数据显示，将白蛋白从35 g/L增至40 g/L，可减少20 000d的住院天数，预测可挽救接近1400例透析患者生命，并节省3600万美元的医疗保障费用［4］。

正常成人细胞内蛋白转化率为3.5～4.5 g/(kg·d)［5］，为每日摄入量的 3 倍，即蛋白水解率的轻度升高也会严重影响机体蛋白代谢平衡，导致蛋白储存减少。PEW临床主要表现为骨骼肌萎缩，我们研究显示CKD 3～5期伴有PEW的患者均存在不同程度的骨骼肌萎缩。CKD诱导骨骼肌萎缩的有效治疗方法有赖于对发病机制的深入了解，本文将对其潜在发病机制进行探讨。

蛋白摄入减少

CKD患者常见厌食，蛋白摄入减少，蛋白质合成降低，导致肌萎缩。除了尿毒症毒素积聚、促炎症因子浸润，激素代谢紊乱也是导致CKD患者食欲减退的重要因素。CKD时外周循环leptin水平可随肾小球滤过率(GFR)下降而逐渐升高。Cheung等［6］研究发现阻断黑皮4受体可抑制CKD大鼠leptin信号，缓解CKD相关厌食症状，增加食物摄入，改善机体生长发育。此外，生长素(ghrelin)水平变化也与CKD患者食欲减退有着密切联系。循环中ghrelin主要以酰基化和去酰基化两种形式存在，前者(＜10%)可促进生长激素分泌，增加食欲，调节能量代谢;后者则抑制食欲，与胰岛素抵抗呈正相关，消耗机体能量。Yoshimoto等［7］发现与正常人相比，CKD患者血浆去酰基化ghrelin水平显著升高，增加患者厌食和PEW的发生风险。由此可见，CKD患者蛋白摄入减少可导致机体负氮平衡，蛋白储存下降，进而诱发肌萎缩发生。

蛋白代谢异常

蛋白降解通路异常活化促进蛋白代谢

ATP依赖性泛素-蛋白酶体系(UPS)的活化CKD诱导骨骼肌萎缩中UPS的参与已被广泛认可，其是骨骼肌蛋白降解的主要途径。泛素为热休克蛋白，几乎存在于所有细胞中。UPS的活化至少需要三种酶，即泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3。在ATP介导下，这三种酶可将5个泛素分子连接成泛素链，后将其与目的蛋白相结合，形成的复合物可被26S蛋白酶体降解为小分子肽释放出来，并被快速水解为氨基酸转运到细胞外。进一步研究显示，肌萎缩中两种E3连接酶肌萎缩Fbox-1(MAFbx-1，也称 atrogin-1)和肌环指蛋白 1(MuRF-1)呈高度表达，为泛素-蛋白酶体活化的标志物，在上调肌肉降解过程中发挥特异性作用，降低泛素-蛋白酶体活性则可明显减少蛋白丢失［8］。

CKD诱导肌萎缩的研究还观察到溶酶体组织蛋白酶和钙依赖蛋白酶的表达上调，然而，分别抑制肌肉中溶酶体蛋白酶和钙依赖蛋白酶表达，并未出现蛋白分解速率的显著变化，表明其在肌原纤维蛋白降解中可能不起主要作用。

胰岛素/胰岛素样生长因子1(IGF-1)/磷脂酰肌醇激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号通路受损

胰岛素/IGF-1是保护肌肉蛋白代谢的关键调节因子。生理范围内的血浆胰岛素水平的轻度升高可抑制肌肉蛋白降解。CKD患者代谢性酸中毒、血管紧张素Ⅱ或炎症因子表达增高等因素均可导致胰岛素/IGF-1信号受损，增加骨骼肌萎缩的发生风险。进一步研究发现，发生胰岛素缺乏或胰岛素抵抗的CKD动物模型可减少PI3K磷酸化，使下游效应因子Akt活化减弱，从而通过叉头转录因子(FOXOs)机制上调Atrogin-1/MAFbx和MuRF1表达，使UPS系统活化，肌肉蛋白降解增加。其中FOXO3可作为调节 Atrogin-1/MAFbx表达的关键因子，增加FOXO3磷酸化可下调Atrogin-1/MAFbx表达，减少肌萎缩发生风险。Lee等［9］研究显示，肌肉中PI3K磷酸化的减少也可活化促凋亡因子Bax，激活半胱天冬酶3(caspase-3)和UPS系统，增加蛋白降解。目前已有研究表明噻唑烷二酮类药物(PPAR激动剂)的应用，可改善Ⅱ型糖尿病患者营养状态和生存率［10］。

骨骼肌卫星细胞功能障碍是胰岛素/IGF-1信号通路受损导致肌萎缩的另一个重要途径。卫星细胞位于肌纤维基底层，在肌肉受到损伤时开始增生、分化以修补损伤，维持肌肉体积。CKD时IGF-1信号受损导致骨骼肌的再生修复能力下降，卫星细胞生肌分化因子(MyoD)和肌细胞生成素(myogenin)的表达降低，提示细胞的增生和分化能力被抑制，进而出现肌萎缩［11］。

肌抑素(myostatin)信号活化 myostatin为转化生长因子β(TGF-β)家族分泌蛋白，主要表达于骨骼肌中(心肌和脂肪组织中其表达水平较低)，以肌抑素原(promyostatin)形式存在，即myostatin非共价键结合前肽分子，形成非活化复合物，可被蛋白水解酶激活，活化后游离的myostatin与肌肉细胞膜上高亲和力的活化素ⅡB型受体(ActRIIB)结合，可导致丝氨酸激酶活化素样受体激酶4(ALK4)或ALK5活化，一方面可减少Akt磷酸化，通过FOXO机制上调atrogin-1/MAFbx和MuRF1表达，激活UPS活化;另一方面可磷酸化Smad 2/3，后与Smad 4结合形成异二聚体，转运到细胞核，下调MyoD、生肌决定因子5(myf-5)和myogenin等骨骼肌卫星细胞增生分化基因表达［12］。而Smad 6/7则可竞争结合活化素Ⅰ型受体，抑制myostatin信号通路，同时Smad7还可阻止Smad 2/3与Smad 4形成复合物及转运至细胞核。

遗传学研究显示，与野生型老鼠相比，myostatin基因突变老鼠的骨骼肌纤维数量和体积明显增加［13］，同样myostatin突变功能缺失的患者也表现出骨骼肌肥大。提示myostatin的缺乏可导致骨骼肌纤维增生，改善机体活动能力。进一步研究发现，给予myostatin或activin A可使老鼠肌肉体积下降30%。此外，CKD或恶液质患者骨骼肌中的myostatin 表达也增加［14，15］。由此说明，myostatin 的表达水平可影响骨骼肌体积和功能。

代谢性酸中毒促进肌肉蛋白降解 随着肾功能减退，代谢性酸中毒发生风险显著增加。当肾功能下降到正常25%以下时，可出现低碳酸氢盐血症，而血浆碳酸氢盐浓度＜20 mmol/L时则可上调泛素-蛋白酶系的基因转录，促进肌肉蛋白的降解。此外，代谢性酸中毒还可活化支链酮酸脱氢酶，显著增加CKD患者血清和肌肉组织中支链氨基酸的降解。Stein等［16］将200例伴代谢性酸中毒的腹膜透析患者随机分配至35 mmol/L乳酸盐透析液或40 mmol/L的乳酸盐透析液组，随访一年发现两组患者血清HCO－3水平升高，四肢肌肉体积增加，平均一年内体重增加2 kg。Pickering等［17］也对伴有代谢性酸中毒的腹膜透析患者进行研究，结果发现其血清碳酸氢盐浓度增加可改善其营养状态，减少血浆支链氨基酸降解，减低肌肉组织泛素mRNA表达，抑制泛素-蛋白酶体系活化。由此可见，代谢性酸中毒通过激活UPS系统、活化支链酮酸脱氢酶来增加CKD患者肌肉蛋白降解，促进肌萎缩的发生。而代谢性酸中毒的及时纠正则可明显改善机体蛋白储存。目前推荐碱治疗纠正代谢性酸中毒应使血浆碳酸氢盐浓度 ＞22 mmol/L［18］。

激素代谢紊乱与蛋白代谢

血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)水平升高 CKD患者普遍存在AngⅡ表达增加。长期高水平AngⅡ可通过激活叉头转录因子、caspase-3和UPS通路增加蛋白降解率，同时还通过抑制IGF-1通路减少蛋白合成［19］。AngⅡ主要通过Ⅰ型受体发挥生物学效应，但成熟骨骼肌中几乎不表达AngⅡ受体。Zhang等［20］研究发现，AngⅡ可通过上调 IL-6/SAA1(血清淀粉样蛋白A1)，激活SOC83(细胞因子信号抑制剂)，从而降低IRS-1表达，激活E3泛素连接酶活化UPS系统，增加蛋白降解［20］。此外，AngⅡ还可通过上调蛋白磷酸酶2Cα降低肌肉中AMPK磷酸化，增加骨骼肌能量消耗，从而活化UPS系统，促进肌肉蛋白降解［21］。

糖皮质激素分泌增加 另一个参与肌萎缩发生的细胞内信号是糖皮质激素。高糖皮质激素水平增加肌萎缩的发生风险，不仅与其促进胰岛素抵抗、减少蛋白合成有关，同时还可增强UPS系统活化，增加肌肉蛋白降解。此外，CKD患者皮质醇的半衰期达正常人两倍，因此，高糖皮质激素水平的持续时间将会延长，进一步加剧蛋白分解代谢的程度。我们研究显示，CKD患者口服糖皮质激素治疗后其血清IGF-1水平可呈时间依赖性降低，使PI3K/Akt信号受损，进而减少肌肉蛋白的合成［22］。Sandri等［23］研究表明，予以高剂量糖皮质激素后，机体UPS系统活性增强，肌肉蛋白的降解增加;而采用切除肾上腺以阻断糖皮质激素分泌或应用肾上腺受体抑制剂的方式，则可降低由酸中毒、胰岛素缺乏等因素导致的肌肉UPS活化。由此说明，糖皮质激素也参与骨骼肌蛋白的降解过程，但其机制尚不明确，还需进一步实验研究加以探讨。

血清睾丸激素水平降低 既往研究已证实男性激素与蛋白合成相关。睾丸激素可刺激生肌细胞和骨骼肌卫星细胞增生，促进肌损伤修复。有研究报道每周注射100mg诺龙，持续24周，四肢肌肉体积可增加为原来的2倍［24］。然而，超过60%并发肌萎缩的CKD男性患者，其血浆睾丸激素水平较无肌萎缩的CKD男性患者显著降低［25］。低水平睾丸激素可使IGF-1信号受损，同时增加myostatin表达，导致肌肉合成减少，分解增加，出现肌萎缩［26］。由此可见，血清低睾丸激素水平下降在CKD诱导肌萎缩中也起着不可忽视的作用。

炎症因子浸润与蛋白降解 氧化应激、肾清除率降低等因素可导致CKD患者促炎症细胞因子，如TNF-α、IL-6，IL-1β、IFN-γ等水平升高，进而增加PEW发生风险。CKD中TNF-α水平升高可激活IKKβ/NFkβ/MuRF1信号通路，上调肌肉蛋白降解，同时抑制骨骼肌卫星细胞分化因子MyoD表达，进而导致肌萎缩发生。此外，IL-6的增加可抑制CKD患者食欲，控制肌肉、肝脏蛋白转运，同时还可与SAA1共同作用降低IRS-1表达，激活E3泛素连接酶 MuRF1，增加蛋白降解［20］。

小结:CKD患者普遍存在骨骼肌萎缩现象，使其生活质量降低，预后不佳。除了摄入食物减少外，IGF-1/PI3K/Akt信号通路受损、UPS系统活化、循环中炎症因子水平升高及代谢性酸中毒、激素代谢紊乱和myostatin表达增加等因素均可增加肌肉蛋白降解，减少蛋白合成，最终导致肌萎缩;但其中部分作用机制尚未阐明，还需大量实验研究深入探索，以寻找切实有效的干预靶点，达到最终改善CKD患者临床预后的目的。

1 Kalantar-Zadeh K，Ikizler TA，Block G，et al.Malnutritioninflammation complex syndrome in dialysis patients:causes and consequences.Am JKidney Dis，2003，42(5):864-881.

2 Fouque D，Kalantar-Zadeh K，Kopple J，et al.A proposed nomenclature and diagnostic criteria for protein-energy wasting in acute and chronic kidney disease.Kidney Int，2008，73:391-398.

3 Combe C，Chauveau P，Laville M，et al.Influence of nutritional factors and hemodialysis adequacy on the survival of 1，610 French patients.Am JKidney Dis，2001，37(1 Suppl 2):S81-S88.

4 Lacson E Jr，Ikizler TA，Lazarus JM，et al.Potential impact of nutritional intervention on end-stage renal disease hospitalization，death，and treatment costs.J Ren Nutr，2007，17(6):363-371.

5 Mitch WE，Goldberg AL.Mechanisms of muscle wasting:The role of the ubiquitin-proteasome pathway.N Engl J Med，1996，335(25):1897-1905.

6 Cheung W，Yu PX，Little BM.Role of leptin and melanocortin signaling in uremia-associated cachexia.JClin Invest，2005，115(6):1659-1665.

7 Yoshimoto A，Mori K，Sugawara A，et al.Associations between plasma ghrelin levels and body composition in end-stage renal disease:a longitudinal study.Plasma ghrelin and desacyl ghrelin concentration in renal failure.J Am Soc Nephrol，2002，13(11):2748-2752.

8 Cohen S，Brault JJ，Gygi SP，et al.During muscle atrophy，thick，but not thin，filament components are degraded by MuRF1-dependent ubiquitylation.J Cell Bio，2009，185(6):1083-1095.

9 Lee SW，Dai G，Hu Z，et al.Regulation of muscle protein degradation:coordinated control of apoptotic and ubiquitin-proteasome systems by phosphatidylinositol 3 kinase.J Am Soc Nephrol，2004，15(6):1537-1545.

10 Brunelli SM，Thadhani R，Ikizler TA，et al.Thiazolidinedione use is associated with better survival in hemodialysis patients with noninsulin dependent diabetes.Kidney Int，2009，75(9):961-968.

11 Wang XH，Du J，Klein JD，et al.Exercise ameliorates chronic kidney disease-induced defects in muscle protein metabolism and progenitor cell function.Kidney Int，2009，76(7):751-759.

12 Lee SJ.Genetic analysis of the role of proteolysis in the activation of latent myostatin.PLoSOne，2008，3(2):e1628.

13 McPherron AC，Lawler AM，Lee SJ.Regulation of skeletal muscle mass in mice by a new TGF-beta superfamily member.Nature，1997，387(6628):83-90.

14 Zhou X，Wang JL，Lu J，et al.Reversal of cancer cachexia and muscle wasting by ActRIIB antagonism leads to prolonged survival.Cell，2010，142(4):531-543.

15 Zhang L，Rajan V，Lin E，et al.Pharmacological inhibition of myostatin suppresses systemic inflammation and muscle atrophy in mice with chronic kidney disease.FASEB J，2011，25(5):1653-1663.

16 Stein A，Moorhouse J，Iles-Smith H，et al.Role of an improvement in acid-base status and nutrition in CAPD patients.Kidney Int，1997，52(4):1089-1095.

17 Pickering WP，Price SR，Bircher G，et al.Serum bicarbonate and the ubiquitin-proteasome system in muscle.Kidney Int，2002，61(4):1286-1292.

18 National Kidney Foundation.K/DOQI clinical practice guidelines for bone metabolism and disease in chronic kidney disease.Am J Kidney Dis，2003，42(4 Suppl 3):S1-S201.

19 Rajan V，Mitch WE.Ubiquitin，proteasomes and proteolytic mechanisms activated by kidney disease.Biochim Biophys Acta，2008，1782(12):795-799.

20 Zhang LP，Du J，Hu Z，et al.IL-6 and serum amyloid A synergy mediates angiotensin II-induced muscle wasting.J Am Soc Nephrol，2009，20(3):604-612.

21 Tabony AM，Yoshida T，Galvez S，et al.Angiotensin II upregualted protein phosphatase 2Cαand inhibits AMPK-activated protein kinase signaling and energy balance leading to skeletal muscle wasting.Hypertension，2011，58(4):643-649.

22 王 玲，袁伟杰，谷立杰，等.糖皮质激素诱导胰岛素样生长因子1降低对原发性肾病综合征患者骨代谢的影响.中华肾脏病杂志，2011，27(2):82-86.

23 Sandri M，Sandri C，Gilbert A，et al.Foxo transcription factors induce the atrophy-related ubiquitin ligase atrogin-1 and cause skeletal muscle atrophy.Cell，2004，117(3):399-412.

24 Macdonald JH，Marcora SM，Jibani MM，et al.Nandrolone decanoate as anabolic therapy in chronic kidney disease:a randomized phase II dose-finding study.Nephron Clin Pract，2007，106:c125-135.

25 Leavey SF，Weitzel WF.Endocrine abnormalities in chronic renal failure.Endocrinol Metab Clin North Am，2002，31(1):107-119.

26 Sun DF，Chen Y，Rabkin R.Work-induced changes in skeletal muscle IGF-1 and myostatin gene expression in uremia.Kidney Int，2006，70(3):453-459.