肾脏系膜细胞内葡萄糖转运蛋白1与糖尿病肾病

朴圣月，程艳丽，刘婷婷，许钟镐

(吉林大学第一医院 肾病内科,吉林 长春130021)

糖尿病肾病(DN)是糖尿病最严重的微血管并发症之一，是西方国家导致终末期肾病的最主要原因,也是我国慢性肾脏病的首要病因之一。DN的主要特点为大量细胞外基质蛋白在肾小球系膜区沉积和系膜细胞(MC)肥大，肾小球及肾小管基底膜增厚，以及肾小管间质纤维化，最终造成肾小球硬化。高血糖可以促进DN的进展，并且会直接导致肾小球内葡萄糖浓度升高。葡萄糖转运蛋1(GLUT1)可以调节MC葡萄糖的浓度，并进一步激活下游的细胞因子及信号传导通路。在DN的进展中众多细胞因子及信号传导通路都会被激活，并且参与疾病进展。而这些被公认在糖尿病发生发展过程中起到重要作用的细胞因子及信号传导通路大部分与GLUT1相互作用，进而参与DN的进展。因此，GLUT1可能成为治疗DN的新治疗靶点。

1 GLUT1在DN进展中的作用

DN作为糖尿病微血管病变之一，是由长期高血糖水平引起的肾脏内多种细胞功能紊乱，导致其发生、发展，最终引起肾衰竭[1]。1993年对于糖尿病控制及并发症研究中发现，高血糖在糖尿病并发症发展中起着决定性作用，控制血糖成为预防DN的主要措施[2]。在随后的报道中发现，胰腺移植患者虽然长期维持良好的血糖水平，但仍可进展为DN[3]。目前体外及体内MC实验及已证实：MC摄取葡萄糖主要依靠GLUT1实现，糖尿病持续高血糖状态或其他因素，造成MC上GLUT1功能状态的改变，导致MC内摄入过多的糖分，进而造成MC肥大、细胞外基质增多、肾小球基底膜增厚、肾小球纤维化，进而产生蛋白尿[4]。可见，GLUT1的功能异常是DN发生、发展的关键因素。

2 肾脏中GLUT的分布

自20世纪70年代起第一个GLUT被Hinkle等[5]从红细胞膜纯化后，迄今为止共发现14种GLUT在人体内表达。GLUT是葡萄糖由细胞外易化扩散至细胞内的转运载体，对细胞中葡萄糖新陈代谢活动起着至关重要的作用。研究表明肾脏组织可见GLUTI1-GLUT5分布，肾小球内主要以GLUT1、GLUT4分布为主[4]，体内外实验均已证实肾小球MC及其基质内的GLUT主要以GLUT1表达为主[6，7]，且实验已经证实 GLUT1是MC摄取及利用葡萄糖的限速步骤[6]。

3 GLUT1与DN发病机制

自1977年Kasahar和Hinkle第一次从人红细胞膜中纯化出GLUT1蛋白以来，开辟了研究GLUT的新纪元。2014年颜宁等[9]首次揭示了人源GLUT1晶体结构，初步探究了GLUT1的功能及相关疾病的致病机制。在糖尿病或高血糖的大鼠、小鼠的整个肾小球及MC内可见GLUT1的表达升高[2-4]，刘志红等[10]的研究发现DN患者肾小球及MC内GLUT1的表达也升高。在糖尿病或高血糖状态下,会造成MC膜上GLUT1表达的升高，MC上GLUT1的高表达造成过量葡萄糖向细胞内转运，细胞内过载的葡萄糖会激活相关信号通路，进而增加细胞外基质蛋白产物，且已证实MC上GLUT1的过表达是造成细胞外基质增多的主要因素。高表达GLUT1的转基因MC即使是在生理葡萄糖浓度下，仍然表现出与高糖刺激MC类似的细胞表型的变化[11]。由此可见DN中MC病理变化与葡萄糖浓度及渗透压无关，与GLUT1的表达密切相关。

4 DN时参与GLUT1调节的细胞因子

4.1 血管紧张素-Ⅱ

血管紧张素-Ⅱ(Ang-Ⅱ)主要是通过血管紧张素受体1(AT1)来发挥血管活性的细胞因子，而AT1 作为G蛋白偶联受体，参与多种细胞内的信号传导通路，并在肾脏血液动力学及新陈代谢调节中起到重要作用，通过调节人MC内GLUT1基因的表达，增加葡萄糖的摄取[12]。研究表明Ang-Ⅱ可在多个层面上调节GLUT1的表达。通过G蛋白，AT1可以激活包括二酰基甘油(DAG)、活化氧(ROS)在内的第二信使[13]。DAG也是葡萄糖代谢的产物之一，同时可以通过蛋白激酶C(PKC)信号通路调节基因表达。而DAG的产生可以通过PKC通路增加GLUT1基因的表达[14]。而GLUT1的增加强化了MC对葡萄糖的摄取利用，造成更多的DAG，进而形成强化的循环，最终导致系膜基质的大量沉积并且促进肾小球硬化的发展[15]。Ang-Ⅱ可以通过表皮生长因子(EGFR)激活GLUT1的表达[16]，同时也可以诱导ERK信号通路，而这一通路被认为与GLUT1的基因表达和蛋白翻译有着密切联系[17]。在大鼠体内实验中应用ACEI及ARB后发现可以抑制肾脏皮质GLUT1的表达及MC对葡萄糖的摄取[18]。

4.2 转化生长因子-β1

转化生长因子-β1(TGF-β1)被认为是DN的主要致病因子。TGF-β主要有5种异构体，TGF-β1-5，人体内目前只发现前3种，并且在Yu[19]等的研究中已经证实肾脏内主要以TFG-β1表达为主，同时TGF-β2、TGF-β3部分功能的表达似乎依赖于TGF-β1水平的上调实现，表明TGF-β1或是最重要的致病因子。在DN肾小球模型下的MC，高葡萄糖浓度培养的MC，或动物体内MC，均可见TGF-β1表达升高，而升高的TGF-β1可刺激GLUT1的过表达，继而造成MC对葡萄糖的摄取增加，增强新陈代谢，致使系膜基质累积大量代谢产物。葡萄糖、TGF-β1、GLUT1三者组成的正反馈循环[20]。糖尿病患者体内分离出的人MC内可见GLUT1表达升高，并伴有葡萄糖摄取率的升高，这与高糖状态中培养的大鼠MC的实验数据一致[10,21]。TGF-β1可直接参与DN肾小球硬化及肾小管间质纤维化[22]。TFG-β的活化与众多因素有关， TGF-β1也可以通过非Smad 依赖的信号通路和激活促分裂原激活蛋白激酶(MAPK)调节细胞增殖[23]。TGF-β1通过激活MAPK可能诱导GLUT1合成[24,25]。MAPK激活GLUT1，进而增加葡萄糖运输，增加DAG的生成及PKC的活化。PKC的增加会进一步刺激TGF-β1的合成，DAG-PKC通过这种方式扩大了TGF-β1与GLUT1之间的循环通路的表达[26]。一项随机双盲临床实验中发现，给予DN患者抗TGF-β1抗体治疗后并不能延缓DN的进展[27]。介于多种细胞因子对GLUT1具有调节作用，可能单纯阻断TGF-β1并不能最终影响GLUT1的表达。

4.3 结缔组织生长因子

结缔组织生长因子(CTGF)是前硬化因子并且是CCN基因家族的成员。CTGF可以被TGF-β诱导，促进基质蛋白的合成，而基质蛋白在肾小球硬化的发生发展中起到重要的媒介作用。CTGF基因和蛋白在纤维化组织表达中增加，在糖尿病大鼠中已经证明，CTGF基因表达水平会升高[28]。高浓度葡萄糖可以通过TGF-β依赖的信号通路提高MC内CTGF的表达[29,30]。这预示着GLUT1或参与上述反应过程。这些数据显示GLUT1和CTGF之间通过TGF-β依赖的途径的潜在扩增循环。

5 DN时GLUT1参与的相关信号通路

5.1 ERK1/2 MAPK通路

Haneda等[31]的研究发现在慢性GLUT1过表达的大鼠系膜细胞(MCGT1)内，MCGT1内细胞外信号调节激酶(ERK)/促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路并没有被激活。然而这与Heilig等的实验结论完全相反，在高浓度葡萄糖体外培养的MC及从糖尿病大鼠体内分离出的肾小球的急性期应答，均可见ERK1/2信号通路被激活，且ERK1/2激活与GLUT1表达呈现出时间的一致性[32]。这可能因为Haneda等的研究中使用的细胞系是长期培养，因而错过了早期MCGT1细胞内ERK1/2被激活。DN进展过程中，MC中GLUT1与ERK/MAPK信号通路的确切关系需要进一步证实。

5.2 GFAT和己糖胺通路

6-磷酸-果糖酰基转移酶(GFAT)是催化己糖胺通路(HBP)的第一步，也是限速步骤[33]。HBP通路可以调节TGF-β及纤维蛋白MC内的表达，并且与DN进展有关[34,35]。在1998年Kolm-Litty等[36]的研究中发现，高葡萄糖浓度培养的MC内可见HBP的激活，并且会提高TGF-β及纤维蛋白的表达[34]，且在 MCGT1观察到同样现象[37]。但是这与Heilig等[6]早年的研究相反，他的实验MCGT1内未见HBP的激活。而这些数据再次提示，DN初期及慢性进展过程中细胞内外葡萄糖对MC的表型具有不同的影响。

5.3 活性氧(ROS)

近年的研究发现活性氧(ROS)在糖尿病进展中起到重要作用。葡萄糖自氧化、新陈代谢以及糖基化的终产物，被认为是糖尿病发生的重要机制，而这些机制与ROS在细胞内生成，并活化相关致病通路有关[38]。ROS可激活醛糖还原酶，引导DAG，激活PKC,诱导晚期糖基化终产物的形成，并且激活转录因子核因子-κB(NF-κB)[35]。长期过表达GLUT1 的MCGT1内，即使MC外基质不断累积，ROS并不增加[6]，提示 ROS对于MC基质的积累并不起绝对作用。而随后Ha 等[35]的研究中得出了不同的结论，短期MC在高葡萄糖浓度培养下，可诱导ROS的产生，并且进而造成MC基质的堆积。这两篇报道得出了完全相反的结论，可能与MC内GLUT1的过表达持续时间有关，表明DN初始阶段与慢性阶段对MC表型影响的机制不同有关。

6 总结与展望

综上，GLUT1可能与众多细胞因子及信号通路协同作用，以正反馈的方式，介导DN的发展。明确GLUT1在上述与DN发生发展相关的细胞因子及信号通路中的确切作用，可能会为DN的治疗及管理提供新的启发，并为减缓这种疾病的发展提供策略。目前临床上对于应用ACEI/ARB药物治疗DN存在较大争议，虽然 RAS 阻滞剂对降蛋白尿有效，但其不良反应(高钾血症、急性肾损伤及心血管事件增加)和并不降低终末期肾病发生率的特性。探究GLUT1与Ang-Ⅱ在DN急性期及慢性期不同致病机制，有望发掘ACEI/ARB药物在DN个体化、精准化治疗中的巨大潜能。