转化生长因子-β在糖尿病微血管病变发病中作用的机制研究进展

贾哲，杨文文，杨雅昊，秦胜花

(1桂林医学院，广西桂林 541001；2桂林市人民医院)

转化生长因子-β(TGF-β)是由两条12.5 kda多肽链以二硫键结合组成的二聚体[1]，共有5种亚型，开始在机体细胞中以无活性形式存在。TGF-β超家族包括配体、受体、信号转导分子等，TGF-β和BMPs是两个较为主要的配体。目前已知的TGF-β超家族受体有三种，Ⅰ型和Ⅱ型受体因富含丝氨酸/苏氨酸激酶的胞内区而直接参与信号的转导，Ⅲ型受体因不含上述激酶活性区而通过调节TGF-β与TβR-Ⅱ的结合而间接参与信号的传导。Smad依赖和非Smad依赖信号通路是TGF-β超家族所涉及的两条重要信号传导通路，Smads可将信号由胞外传导至细胞核，其为TGF-β下游的至关重要的反应蛋白[2]；Smads有Smad1、Smad2、Smad3、Smad4、Smad5、Smad6、Smad7、Smad8，按照功能可分为受体调节Smad(R-Smad)、共同介质Smad(co-Smad)和抑制Smad(I-Smad)[3]。糖尿病是以机体长期处于高血糖状态为特征的全身慢性代谢性疾病。糖尿病本身并不可怕，可怕的是糖尿病病变。糖尿病病变包括糖尿病微血管病变[糖尿病肾病(DN)、糖尿病视网膜病变(DR)、糖尿病足(DF)]、大血管病变、神经病变。糖尿病微血管病变可能与机体长期高糖状态所造成的细胞缺氧、氧化应激、血管内皮损伤有关。而TGF-β作为一种具有多项功能及调节作用的因子，广泛参与多种组织细胞的氧化应激、免疫、新生血管的形成、纤维化修复过程。因此，综述转化生长因子-β在糖尿病微血管病变发病(DN、DR、DF)中的作用机制 ，将会为糖尿病微血管病变的防治提供更多分子靶点，为糖尿病微血管病变的新药研究提供更新思路，进而减缓糖尿病患者的经济压力，改善糖尿病患者的生存质量。

1 TGF-β在DN发病中作用机制

数据显示，我国已成为糖尿病大国，而DN已成为糖尿病进展过程中较常见并治疗困难的糖尿病微血管病变之一。在西方国家，DN已成为慢性肾脏病及终末期肾病的主要原因。DN发病机制复杂，并不十分清楚，资料显示主要有肾脏血管血流动力学改变、细胞因子、氧化应激、糖脂代谢异常、自噬[4]。DN早期肾小球改变的特点是系膜细胞肥大、系膜基质增生、肾小球基底膜增厚，最终足突融合消失[5]。肥大的系膜细胞可分泌胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白等，这些蛋白统称细胞外系膜蛋白，被分泌并沉积在肾小球细胞外导致肾小球硬化、纤维化。肾小球硬化及纤维化是DN晚期主要病理改变。

TGF-β在肾小球、肾小管以及间质中都有广泛的分布。相关研究证明，TGF-β1已被公认为是具有致纤维化的细胞因子。无论是在纤维化的心肌、肺脏、肝脏及肾脏，TGF-β1均呈现为高表达，同样抑制TGF-β1的表达，上述纤维化过程可以达到逆转[6]。纵观各种器官纤维化过程，细胞外基质蛋白(ECM)的沉着聚集起着重要作用。TGF-β1可通过促进ECM的生成并抑制其降解而使ECM过度沉积至纤维化。TGF-β1可从转录水平直接诱导胶原Ⅰ、纤连蛋白等ECM的合成，使用TGF-β1的中和抗体、修饰素(Decorin)或反义寡核苷酸能减少如细胞外基质蛋白、Ⅳ型胶原蛋白基因的表达[7,8]。TGF-β1也可通过影响肾脏固有细胞包括肾小球上皮细胞及内皮细胞损伤间接致肾纤维化和DN发生和恶化。Meng等[9]利用RNA测序技术，肾小管上皮细胞被TGF-β1刺激后，其基因转录差异表达。相关研究报道，在DN早期，肾小球滤过率增高，肾小球毛细血管内压及滤过膜通透性增加，牵张系膜，进而损伤血管内皮细胞，加重系膜扩张，一方面通过代偿机制促进系膜细胞肥大、系膜基质增生、肾小球基底膜增厚，ECM沉积；另一方面系膜在受到牵张作用后，TGF-β1的表达显著升高，与此同时，上皮细胞有关其凋亡的指数也升高，进而炎性浸润进一步蔓延发展[10]。通过参与肾脏细胞的增殖、分化，TGF-β可参与炎症和免疫反应，其中它可以使炎症因子表达而促进炎症反应，而免疫反应得到抑制[11]。TGF-β1本身对DN的影响外，TGF-β1/Smad信号通路在DN发展过程中也具有重要作用；TGF-β1/Smad信号通路传导的基本构成已在本文开篇进行了叙述。在肾小管上皮细胞中表达一种单向跨膜蛋白质Klotho，其可直接结合TGF-βIIR阻断TGF-β信号的启动，进而抑制肾纤维化[12]。TGF-β1活性抑制剂LY2382770、R-268712、Fresolimumad在梗阻性肾病大鼠模型及DN患者中取得一定的疗效[13,14]。Smad3是TGF-β下游调节蛋白，其在DN中广泛参与。上述结论在DN小鼠模型中得到证实[15]。Smad7作为I-Smad蛋白，其可通过竞争性地与TβRⅠ结合，反馈性抑制Smad2、3磷酸化并且抑制白介素-1β和肿瘤坏死因子α诱导的NF-κB炎症信号通路从而干预或阻止肾脏纤维化过程[16]。另外相关实验表明，TGF-β信号通路还可以通过与JNK 信号通路之间交互作用调节DN肾小球硬化[17]。

2 TGF-β在DR中作用机制

DR主要病理改变是视网膜微血管损害，病因为长期的糖尿病史。在青、中年致盲性疾病中，DR位居第一位。DR可分为Ⅰ～Ⅵ 6期，临床又以是否发生新生血管为标志，将其分为非增生性糖尿病视网膜病变(NPDR)和增生性糖尿病视网膜病变(PDR)两大类，其中Ⅰ～Ⅲ期属于NPDR，Ⅳ～Ⅵ期属于PDR。PDR又可分为两种类型，其中一种以视网膜新生血管为主，也称红色花边型PDR，另一种是以纤维血管膜或纤维膜为主，也称胶质增生型PDR。目前，DR的发病可能与炎症反应及纤维化、组织缺血缺氧、细胞增生与凋亡失衡有关。TGFβ1是具有多功能、双向调控的细胞因子，它在细胞增殖、炎症反应、损伤修复及纤维化中均有参与[18]。罗大卫等通过测定糖尿病、NPDR、PDR以及健康非糖尿病者的血清TGF-β水平，发现糖尿病患者TGF-β水平显著高于健康者，PDR患者血清TGF-β水平显著高于NPDR、NDR患者[19]。而王劲松等[20]也证实，DR患者血清TGF-β水平明显高于NPDR患者。单俊杰[21]的研究证实，TGF2β1水平随DR病情进展而升高。

TGF-β广泛存在于眼组织中，包括结膜、睫状体、晶状体上皮、视网膜血管等。眼组织中TGF-β大多由视网膜色素上皮细胞(RPE)产生，且以TGF-β2为主。研究证明，无论在NPDR期还是在PDR均有重要的参与。血-视网膜屏障是视网膜内循环过程中的最重要屏障，而视网膜毛细血管是视网膜血-视网膜屏障的重要组成部分。内皮细胞、周细胞、基底膜共同组成了视网膜毛细血管。NPDR期病理生理基础主要有选择性视网膜微血管周细胞的数量上减少和基底膜累积。Senstein等证实，周细胞分泌的TGF-β可抑制内皮细胞增殖。而在DR早期周细胞的选择性丢失造成了内皮细胞失常时的增殖。从这个层面说起，TGF-β对早期糖尿病视网膜有一定的保护作用[21]。新生血管的形成则是PDR期的主要病理生理基础，相关研究证明，TGF-β可能通过以下机制促进PDR的形成及发展：①生长调控作用：TGF-β可以促进RPE、巨嗜细胞、纤维细胞异常增生。RPE可生成BFGF、VEGF等新生微血管形成的重要促进因子。纤维细胞可促进Ⅰ型、Ⅳ型、Ⅴ型胶原蛋白及膜型蛋白的增生。②细胞外基质：TGF-β可直接促进纤维连接蛋白(FN)、胶原蛋白细胞外基质的增多，抑制包括纤溶酶原、胶原酶原、基质酶原等酶原激活物的产生，抑制蛋白水解酶生成，使细胞外基质成分生成生成大于分解，从而造成细胞外基质沉积。③趋化和黏附作用：Mita等发现，TGF-β活化FN的启动子，促进FN同胶原基质间互相黏附；TGF-β是单核细胞、巨噬细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞有效的趋化因子，这些细胞能释放vEGF等新生血管生长因子。④免疫调节：TGF-β1表达于各种免疫细胞如巨噬细胞、树突状细胞、淋巴细胞等，并通过自分泌或旁分泌形式调节这些细胞的增殖、分化和激活，并且可以调节黏附分子的表达，进而促进其参与的炎性细胞的趋化。除TGF-β1自身在DR形成中发挥作用，TGF-β/Smad 信号通路也起着重要作用。Saika等发现，在基因敲出Smad3的实验小鼠小鼠模型中，未检测到Ⅳ型胶原蛋白、FN蛋白、α-平滑肌肌动蛋白及细胞外基质蛋白。且在增殖性玻璃体视网膜病(PVR)的Smad7过度表达的小鼠视网膜色素细胞内，Ⅰ型胶原和α-平滑肌肌动蛋白的表达均较正常组降低；由此可见，Smad3可促进DR的形成，而Smad7对DR具有保护作用。研究TGF-β及其TGF-β/Smad信号传导通路将会为未来DR的防御与治疗提供新的思路。

3 TGF-β在DF中作用机制

DF是糖尿病微血管病变之一，是在不同程度末梢血管障碍合并神经病变以及感染等共同作用形成的糖尿病慢性严重病变。当DF发展到一定程度，则需要通过截肢来挽救患者生命，给糖尿病患者及家庭造成身体、精神经济负担。而DF患者慢性创伤迁延不愈成为了防治DF的难题。以往研究证明，通过再生医疗技术(MEBT/MEBO)可能促进了糖尿病患者DF溃疡的愈合，其原因考虑与动态调节TGF-β1、Smad3蛋白分子的表达水平有关。相关实验表明，在治疗DF过程中，负压封闭引流实验组相比传统药物清创对照组，其足创伤面积，时间降低，肉芽组织增生增多，且实验组创面肉芽组织中TGF-β1含量高于对照组。研究[22,23]发现，在慢性难愈合创面中TGF-β1表达及功能均存在异常，TGF-βRⅠ及TGF-βRⅡ表达明显下降，且敏感性也随之降低，从而导致创面愈合困难。在TGF-β1联合臭氧治疗DF的实验中发现，联合组较单臭氧组创口面积减少，将编码TGF-β1的DNA质粒给糖尿病鼠创面行皮内注射，结果显示细胞的增殖速度加快，创面的愈合速度较对照组快[24]。以上研究均说明，TGF-β及其受体表达参与DF创面损伤的修复过程。

DF创面的修复是个复杂的过程，主要包括以下三个主要方面：炎性细胞的迁徙、新生血管的形成以及ECM的重构。目前相关研究表明，TGF-β及其受体在上述三个过程中均有重要的参与：①炎性细胞的迁徙：炎性细胞的迁徙是TGF-β1正反馈释放的的关键途径。当DF出现溃破时，血管内皮细胞破坏，血小板释放TGF-β1，TGF-β1进一步趋化包括中性粒细胞、淋巴细胞、吞噬细胞等炎性细胞向创面处聚集，而这些炎性细胞自身又能释放多的TGF-β1。炎性细胞及其释放炎性因子对创面早期愈合发挥重要作用。梁清月等[25]研究显示，DF 溃疡患者下肢组织中TGF-β1呈低水平。②新生血管的形成：TGF-β1可促进血管新生[26]。TGF-β可促进VEGF、PDGF、Egr-1等促进新生血管形成。③ECM的重构：TGF-β1是成纤维细胞的最强趋化因子，能诱导成纤维细胞向肌成纤维细胞转化，诱导ECM的重构，引起创面纤维化及创面收缩愈合；基质金属蛋白酶/组织金属蛋白抑制酶调控ECM的合成与降解。TGF-β1通过促进TIMPs的释放，抑制MMPs的酶解活性，促进ECM的合成[27]。而在瘢痕愈合晚期，TGF-β3则通过抑制TGF-β1的过表达，从而避免瘢痕的过度形成。

综上所述，TGF-β及其相关信号通路可能通过诱导炎症趋化、调节免疫、促进细胞外基质增殖、新生血管增殖及形成、致纤维化过程促进DN、DR的发生发展；而相反，在DF患者中，TGF-β却呈现出低表达现象，外源性给予TGF-β及联合其他传统疗法如臭氧可促进DF患者伤口愈合。在未来，寻找TGF-β及其信号通路有效的活性抑制剂将会为DR、DN的防治提供新的思路，而因TGF-β在DF不同时期所产生的相反的表达结果，决定TGF-β外源类似物及抑制物在DF中的运用局限及谨慎性。总之，TGF-β及其通路因其在体内的广泛表达及多功能性，也决定其局限性，其在DN、DR、DF的不同时期的临床防治及运用中还需要更多的实验数据支撑及探索。