高糖高脂对肾小球细胞影响的研究进展

周素娴

糖尿病肾病(DN)是导致慢性肾衰竭的常见原因，是糖尿病的微血管并发症之一。高血糖是DN发生的危险因素。糖、脂代谢紊乱可引起DN的发生、发展，这与高糖、高脂对肾脏固有细胞的影响有关，肾脏固有细胞主要由肾小球毛细血管内皮细胞(GEnC)、肾小球系膜细胞、足细胞、肾小管上皮细胞和间质成纤维细胞组成。本文就高血糖及其代谢产物的特点以及糖、脂代谢紊乱对肾脏固有细胞的影响的研究进展进行阐述。

一、高血糖及其代谢产物的特点

高血糖能致蛋白质分子交联为糖基化终末产物(AGE)，AGE会造成组织细胞和蛋白质功能的损伤。多元醇代谢通路(PP)活化也是高血糖损害组织结构的重要原因，会造成细胞肿胀和坏死。另外，高血糖会导致肾小球细胞蛋白激酶C(PKC)以及葡萄糖转运蛋白(GLUT)表达升高，从而引发DN。

1.AGE

晚期AGE是一大类结构非常复杂的物质，是非酶糖基化反应(Mailland反应)的终末产物，可通过多种途径造成组织细胞的损伤。血糖增高时，蛋白质分子中的还原性氨基可与葡萄糖等还原糖分子中的醛基结合形成醛亚胺，反应迅速且高度可逆，其形成的数量取决于葡萄糖的浓度。数日后醛亚胺再发生Amadori重排反应，形成性质较为稳定的醛胺类产物。此后醛胺类产物再经过脱水和重排反应形成羰基化合物。糖化蛋白质分子与未糖化蛋白质分子，及糖化蛋白分子之间可通过酮胺化合物以共价键结合，导致蛋白质分子逐渐交联、变大，最终成为结构复杂的AGE，AGE及其蛋白加成产物稳定且不可逆。长期的高血糖可促进AGE的形成，AGE在体内积聚，可与体内的各种细胞、蛋白质结合，并造成组织细胞和蛋白质功能的损伤，而以往的大量研究发现，AGE可在肾脏中检出。体内细胞的表面可表达晚期糖化终产物受体(RAGE)，研究发现，AGE可与Jurkat细胞表面的RAGE结合，通过P38丝裂素活化蛋白激酶(MAPK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)信号通路等途径，促进细胞分泌TNF-α等细胞因子[1]。在高血糖下，血管内皮细胞可大量表达RAGE抗原[2]。

2.PP

山梨醇脱氢酶 (SDH) 和醛糖还原酶(AR)在PP中扮演了重要角色。人体内包括肾脏在内的多种组织细胞均富含AR，且高糖情况下，AR活性增强。在AR作用下，葡萄糖还原为山梨醇，再经SDH作用，氧化成果糖。此途径需消耗还原型辅酶Ⅰ及氧化型辅酶Ⅰ。葡萄糖主要由磷酸戊糖途径和糖酵解分解代谢。在某些组织如血管、肾脏、神经组织中，仅有约少于3%的葡萄糖可经山梨醇途径代谢，而高血糖可加速该代谢过程，致PP活化，高血糖损害组织结构的各种因素中，PP活化占据重要地位，其结果为山梨醇、果糖积聚在组织，进而造成细胞肿胀和坏死。同时，细胞内山梨醇积聚，组织对肌醇摄取减少，细胞膜钠-钾-三磷酸腺苷酶活性降低，能量供应下降，导致细胞变性、坏死。高血糖情况下,葡萄糖不需要依赖胰岛素即可进入细胞，醛糖合成增加，大量实验证实，使用醛糖还原酶抑制剂可延缓DN的发生发展[3]。

3.PKC

经典型和新型PKC的内源性激活物包括二酰基甘油(DAG)。高糖情况下，PP的激活可增强DAG-PKC通路的活性，而研究发现，高糖可通过升高细胞内磷脂酶C活性、激活磷脂酶D、及通过从头合成途径等路径使细胞和组织内DAG水平明显升高[4-5]。高糖情况下，内皮细胞分泌内皮素-1、PKC-δ、PKC-β2及PKC-β1增多，内皮细胞内皮型一氧化氮合酶(eNOS)的活性下降，一氧化氮合成减少，同时内皮细胞转化生长因子-β1(TGF-β1)增加[6-8]。高糖主要通过激活PKC对靶细胞产生以上作用。高糖情况下，肾小球细胞PKC的表达升高，从而通过上述一系列作用引发DN[9]。

4.GLUT

GLUT广泛分布于体内各种组织，是分布在细胞膜上的转运载体蛋白质，主要功能是把葡萄糖从细胞外转运到细胞内。GLUT1的主要作用是维持基础状态下组织细胞的糖摄取。研究发现，高血糖情况下，细胞GLUT1的mRNA表达增加[10]。另有研究显示，转染后过度表达GLUT1的系膜细胞，在正常培养条件下，细胞的糖摄入明显增加，细胞体积增大，细胞外基质(ECM)合成增加[10]，同时可通过PKC及PP，促进系膜细胞分泌TGF-β1[10]。GLUT1可通过多个环节参与DN的发病。

二、糖尿病的脂代谢紊乱

糖尿病患者常伴有高甘油三酯血症，LDL-C增高，而HDL-C降低。甘油三酯水平升高主要是体内胰岛素对其合成和分解代谢不平衡的结果。LDL-C增高是由于受到非酶糖化和氧化应激的影响，使其清除减慢所致。糖尿病时，HDL-C减低主要原因是载脂蛋白A-Ⅰ(apoA-Ⅰ)分解速率增加，同时HDL-C的非酶糖化使其分解加速[11]。高脂血症可产生多方面的肾损害作用，包括激活肾素-血管紧张素系统(RAS)、损害GEnC，同时导致肾小球系膜细胞的增生和系膜基质的扩张，并促发炎症反应，最终导致肾损害[12]。

三、糖、脂代谢紊乱对肾脏固有细胞的影响

糖、脂代谢紊乱会对肾脏固有细胞产生不良影响，这与DN的发生、发展息息相关。例如异常的糖、脂代谢产物首先损害GEnC，使其分泌细胞因子增加，并发生形态和细胞骨架的改变，加重炎症反应；糖、脂代谢紊乱亦能刺激系膜细胞使其肥大、增殖，ECM合成增加，降解下降,导致肾小球纤维化；高血糖会加速足细胞的凋亡，也使胶原产生增多，造成肾小球基底膜增厚；另外，高糖、高脂可直接或间接激活肾小管上皮细胞的RAS系统，促进肾纤维化的发生；高血糖也使肾脏间质成纤维细胞被激活，加速肾间质纤维化。

1.GEnC

GEnC首先接触血液中的各种成分，在过滤血浆中有形成分和大分子物质时，具有“阻拦”和“截留”功能。在糖尿病时，异常的代谢产物首先损害GEnC。GEnC损伤后可引起基底膜和系膜病变。研究发现，2型糖尿病患者血清RAGE水平升高，并与肾损害的程度存在相关性[13]。AGEs与GEnC 的RAGE结合，使GEnC分泌细胞因子如TGF-β1、TNF-α等增加，而且GEnC的形态和细胞骨架亦发生改变，毛细血管通透性升高，蛋白在血管壁沉积，血管基底膜增厚变硬[14]。有研究还发现GEnC受到脂肪酸影响后会发生凋亡[15]。糖尿病时，游离脂肪酸(FFA)水平增高，FFA作用于内皮细胞后，内皮细胞eNOS表达减少，一氧化氮合成减少，造成超氧阴离子释放增加，同时GEnC一氧化氮依赖性的血管舒张反应受损[16-17]。软脂酸可促进内皮细胞合成和分泌IL-6等细胞因子，加重局部的炎症反应[18]。

2.肾小球系膜细胞

肾小球系膜细胞的功能包括:①分泌细胞因子；②分泌系膜基质、胶原纤维或基质样物质，以修复和更新基底膜；③具有平滑肌细胞的结构和功能；④分别在前列腺素E2和血管紧张素Ⅱ的作用下，通过系膜细胞的舒张和收缩，使细胞之间的间隙发生变化，影响血浆和大分子物质在肾小球内的移动。在高糖培养下，系膜细胞增殖、肥大，AR活性升高，ECM生成增多[19-20]。高糖可激活一系列炎症级联反应，激活核因子κB，增加人单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)在肾脏中的表达，趋化单核细胞进入肾小球，促进炎症反应在肾小球中的扩大[21]。

在正常状况下，肾脏通过系膜细胞合成和降解ECM，使ECM保持动态平衡。基质金属蛋白酶(MMP)家族是ECM的主要降解酶系统，AGE和高糖可使系膜细胞MMPs家族的mRNA和蛋白表达及活性下降，ECM降解减少，导致ECM积聚[22-23]。系膜细胞表面有脂蛋白受体，LDL与脂蛋白结合后可使系膜细胞功能发生紊乱。系膜细胞经脂蛋白作用后表达多种细胞因子，包括血小板活化因子(PAF)、血小板源性生长因子(PDGF)和TGF-β1，而PAF可以自分泌方式刺激系膜细胞增殖和ECM合成，并使系膜细胞向泡沫细胞转化，释放细胞因子及生长因子[20]。糖、脂代谢紊乱刺激系膜细胞肥大、增殖，ECM合成增加，降解下降,导致肾小球纤维化。

3.足细胞

足细胞是高度分化的多突状细胞，为肾小囊的脏层上皮细胞。足细胞受损脱落后，数目下降，残留的足细胞代偿性肥大、足突增宽，滤过屏障通透性增加，蛋白滤出。高糖培养下，足细胞凋亡增加[24]。高糖、高脂可促进足细胞TGF-β和血管内皮生长因子(VEGF)的表达，同时增多的TGF-β又可诱导足细胞表达VEGF，导致胶原产生增多，造成肾小球基底膜增厚[25]。

4.肾小管上皮细胞

肾小管上皮细胞是肾小球固有细胞中的一员，其主要功能为浓缩、稀释尿液，在维持电解质、酸碱平衡等方面起重要作用。肾脏纤维化的一个重要的病理基础就是肾小管上皮细胞转分化(TEMT)。研究发现高血糖可引起TEMT，炎性因子和细胞因子可由转分化后的肾小管上皮细胞释放，趋化炎症细胞，造成肾间质的炎性反应[26]。表型转化后的肾小管上皮细胞同时可释放一系列致纤维化细胞因子，包括PDGF、生长因子、TGF-β等，引起成纤维细胞增生，进一步参与肾脏损害。高糖、高脂可直接或间接激活肾小管上皮细胞的RAS系统，促进肾纤维化的发生[27]。

5.间质成纤维细胞

间质成纤维细胞在肾脏的主要功能为分泌细胞外基质。病理证实，早期DN可发生局部肾小管间质的纤维化，肾小管间质病变在DN的发展中起着重要的作用[28]。肾脏间质成纤维细胞被高糖激活后，成为肌成纤维细胞，并分泌难以降解的胶原蛋白Ⅰ、Ⅲ等，加速肾间质纤维化[29]。肾小管上皮细胞的转分化在肾纤维化中起重要作用，血脂紊乱可诱导肾小管上皮细胞转分化。王瑞等[30]研究发现氧化的LDL可通过浓度依赖性诱导肾小管上皮细胞血凝素样氧化LDL受体1表达和活性氧生成，使细胞发生转分化。

四、总 结

在人体内，细胞与细胞、细胞与ECM是密切接触的，肾小球内皮细胞、系膜细胞、上皮细胞、肾小管上皮细胞和间质成纤维细胞通过基底膜相连，共同生活在同一环境当中，在细胞间信号不断交换、动态平衡的机体功能活动中相互作用。肾脏的固有细胞在受到高糖和高脂作用后，形态和功能发生不同的变化，分泌不同的细胞因子，导致肾小球局部的损伤反应不断扩大，最终导致DN的发生、发展。

[1] 游捷，朱明理，彭伟，等.AGEs通过RAGE促进Jurkat细胞分泌肿瘤坏死因子-α.中国免疫学杂志，2012，27：594-598.

[2] Han D, Yamamoto Y, Munesue S, et al. Induction of receptor for advanced glycation end products by insufficient leptin action triggers pancreatic β-cell failure in type 2 diabetes.Genes Cells， 2013,18:302-314.

[3] Tang WH, Martin KA, Hwa J.Aldose reductase, oxidative stress, and diabetic mellitus.Front Pharmacol,2012,9:1-8.

[4] Menne J, Shushakova N, Bartels J,et al.Dual inhibition of classical protein kinase C-α and protein kinase C-β isoforms protects against experimental murine diabetic nephropathy.Diabetes,2013,62:1167-1174

[5] Sun YM, Su Y, Li J,et al.Recent advances in understanding the biochemical and molecular mechanism of diabetic nephropathy. Biochem Biophys Res Commun, 2013,433:359-361.

[6] Kuruppu S, Tochon-Danguy N, Smith AI.Role of Protein Kinase C in Endothelin Converting Enzyme-1 trafficking and shedding from endothelial cells.Biochem Biophys Res Commun,2010,398:173-177.

[7] Madonna R, Montebello E, Lazzerini G, et al.NA+/H+exchanger 1-and aquaporin-1-dependent hyperosmolarity changes decrease nitric oxide production and induce VCAM-1 expression in endothelial cells exposed to high glucose.Int J Immunopathol Pharmacol, 2010,23:755-765.

[8] Menne J, Shushakova N, Bartels J, et al.Dual inhibition of classical protein kinase C-α and protein kinase C-β isoforms protects against experimental murine diabetic nephropathy.Diabetes,2013,62:1167-1174.

[9] 孙兰,刘瑞霞,王圆圆，等. 中药复方对糖尿病大鼠肾小管PKCα和ERK1/2表达的影响. 时珍国医国药, 2012,23:916-919.

[10] 任蕾, 刘聪, 金实, 等.高血糖对大鼠肾皮质葡萄糖转运蛋白1 mRNA表达的影响. 实用检验医师杂志, 2013,5:19-22.

[11] Beltrán-Sánchez H, Harhay MO, Harhay MM, et al. Prevalence and trends of metabolic syndrome in the adult u.s. Population, 1999-2010.J Am Coll Cardiol, 2013,62:697-703.

[12] 李燕云，唐伟.非诺贝特在治疗糖尿病肾病中的作用的研究进展.中华临床医师杂志(电子版)，2013,7：2595-2597.

[13] Zeyada R, Osman NA. Increased serum level of soluble receptor for advanced glycation end products (sRAGE) in type 2 diabetic patients with nephropathy. Comp Clin Pathol, 2013,22: 845-849.

[14] Quan HY, Kim do Y, Chung SH.Korean red ginseng extract alleviates advanced glycation end product-mediated renal injury.J Ginseng Res，2013,37:187-193.

[15] Harvey KA, Walker CL, Pavlina TM, et al. Long-chain saturated fatty acids induce pro-inflammatory responses and impact endothelial cell growth.Clin Nutr，2010，29:492-500.

[16] Kim F, Tysseling KA, Rice J, et al. Free fatty acid impairment of nitric oxide production in endothelial cells is mediated by IKK beta. Arterioscler Thromb Vasc, 2005,25:989-994.

[17] Esenabhalu VE, Schaeffer G, Graier WF. Free fatty acid overload attenuates Ca2+signaling and NO production in endothelial cells. Antioxid Redox Signal, 2003,5: 147-153.

[18] Staiger H, Staiger K, Stefan N, et al. Palmitate-induced interleukin-6 expression in human coronary artery endothelial cells.Diabetes, 2004,53:3209-3216.

[19] Jiang Q1, Liu P, Wu X, et al. Berberine attenuates lipopolysaccharide-induced extracelluar matrix accumulation and inflammation in rat mesangial cells: involvement of NF-κB signaling pathway. Mol Cell Endocrinol,2011,331:34-40.

[20] 周素娴，雷闽湘，赵晋晋，等. 高糖高溶血磷脂胆碱环境下血小板活化因子在内皮细胞与系膜细胞相互关系中的作用.中国糖尿病杂志,2010,18:591-593.

[21] 杨李,张宜,刁波. 芪莲汤颗粒剂对实验性糖尿病肾病大鼠肾组织NF-κB及MCP-1表达的影响. 华南国防医学杂志,2011,25:48-51.

[22] 赵辉，胡晓晶，柳方娥,等. EPA、DHA对脂多糖刺激大鼠系膜细胞表达MMPs、TIMPs及TGF-β1的影响. 中国生化药物杂志, 2012, 33: 221-224.

[23] Liu DX, Liu XM, Su Y,et al. Renal expression of proto-oncogene Ets-1 on matrix remodeling in experimental diabetic nephropathy. Acta Histochem, 2011,113:527-533.

[24] Liu BC, Song X, Lu XY, et al.High glucose induces podocyte apoptosis by stimulating TRPC6 via elevation of reactive oxygen species.Biochim Biophys Acta， 2013,1833:1434-1442.

[25] Saito D, Maeshima Y, Nasu T,et al.Amelioration of renal alterations in obese type 2 diabetic mice by vasohibin-1, a negative feedback regulator of angiogenesis.Am J Physiol Renal Physiol，2011,300:F873-886.

[26] 林琳,朱伟平,郑晶，等. 三七总皂苷对高糖诱导的肾小管上皮细胞转分化的研究.时珍国医国药，2013,24:2053-2054.

[27] Zhou L, Xue H, Yuan P, et al. Angiotensin AT1 receptor activationmediates high glucose-induced epithelial mesenchymal transition inrenal proximal tubular cells. Clin Exp Pharmacol Physiol, 2010,37:e152-157.

[28] 张树华，孙冬梅，马琳，等. 糖尿病大鼠肾脏纤维化与CTGF表达的相关性.中国循证心血管医学杂志，2013,5:190-193.

[29] 曹罗元，黄宝英，富显果，等. 波动性高糖对肾小管上皮细胞Wnt/β-catenin信号途径的影响.中国细胞生物学学报，2012,34:690-694.

[30] 王瑞，丁国华，梁伟，等.辛伐他汀下调LOX-1表达和ROS生成抑制ox-LDL诱导肾小管上皮细胞转分化.中国药师，2013,16:938-940.