肾小管损伤在急性肾损伤向慢性肾病转变中的作用

白小梅综述，乔 晞审校

0 引 言

急性肾损伤(acute kidney injury，AKI)是一种常见的临床综合征，是由多种病因在各种环境的共同作用下导致的，其主要原因包括肾缺血、休克、败血症和肾毒性物质等[1]。过去认为AKI后肾组织结构能够完全恢复，但近年来的研究发现，AKI后即使肾功能完全恢复，也可能遗留慢性肾病理损害，导致慢性肾病(chronic kidney disease，CKD)[2]。研究显示，AKI之后CKD的患病率高达40%[3]。AKI是CKD的独立危险因素，AKI之后发生CKD和终末期肾病(end stage renal disease，ESRD)的风险比(hazard ratio，HR)显著增加。有研究将AKI分期，轻、中、重度，分别对应急性肾损伤网络工作小组分期的1期、2期、3期。发现轻度AKI后发生CKD的HR为2.0(95% CI 1.4～2.8)、中度为3.3(95% CI 1.7～6.2)、重度为28.2(95%CI 21.1～37.5)；发生ESRD的的HR分别为：轻度2.3(95% CI 1.7～3.3)、中度5.0(95% CI 2.6～9.8)、重度8.0(95% CI 1.3～48.6)。可见AKI越重，之后发生CKD及ESRD的机率越高[4]。AKI早期可造成严重的肾小管损伤、细胞凋亡和炎性细胞浸润，引起永久性的肾纤维化[5]。肾纤维化是所有肾损伤导致ESRD的共同途径，其特征性病理改变为肾小管萎缩、肾小管上皮细胞凋亡、大量炎性细胞浸润和肌成纤维细胞活化并导致细胞外基质(extracellular matrix，ECM)过度堆积，最终取代正常肾结构[6]。此外亦有肾小球毛细血管内皮细胞、肾小球系膜细胞异常凋亡，造成肾血流较少，肾小球滤过率下降，可进展为CKD[7]。研究显示，AKI和CKD是两个紧密联系的综合症[8]。近年来发现AKI后肾小管损伤是导致CKD的中心环节，但具体机制目前尚不完全清楚[9]。本文就肾小管损伤在AKI向CKD转变中的作用进行论述。

1 肾小管损伤在AKI向CKD转变中的作用机制

肾小管损伤可能是AKI导致CKD的重要机制。而肾小管损伤可能与细胞去分化、炎性细胞浸润、缺氧与血管密度下降、线粒体功能障碍与氧化应激、G2/M细胞周期阻滞、自噬等有关。

1.1细胞去分化AKI时多种细胞和结构损伤，近端肾小管上皮细胞由于代谢活性高，易受到损伤。近端肾小管上皮细胞损伤可导致细胞去分化，其特征是细胞形态发生明显变化，包括刷状缘丧失、细胞体积减小、线粒体数量减少。在许多情况下，近端肾小管损伤可以完全修复，不会出现明显的长期结构损伤。然而，一些患者会发生适应不良性修复，一部分细胞损伤不能恢复，从而导致持续的纤维化并进展到CKD[10]。

细胞去分化是上皮细胞的主要修复机制。AKI后部分近端肾小管损伤无法修复的机制尚不清楚，在中度至重度AKI后，有少数近端肾小管上皮细胞存在持续性损伤和去分化，这些细胞持续高表达肾损伤分子-1(kidney injury molecule 1，Kim-1)[1,10]。Kim-1是一种磷脂酰丝氨酸受体，在健康肾中是检测不到的，但在肾小管损伤后，其高表达于受损后再生的近端肾小管上皮细胞。Kim-1通过吞噬凋亡细胞和碎片，促进肾单位修复和组织重塑[11-12]。有研究发现AKI后持续高表达的Kim-1可促进间质纤维化。持续高表达的Kim-1促进促炎细胞因子分泌、肾小管管周炎症和间质纤维化[10-11]。受损的肾小管上皮细胞细胞周期阻滞于G2/M期，导致纤维化生长因子，如转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)和结缔组织生长因子(connective tissue growth factor，CTGF)分泌增加[2,13]。当肾发生再次损伤时，表达Kim-1的去分化细胞的数量会增加，导致近端肾小管结构完整性和功能丧失，进展为CKD[10]。

1.2炎性细胞浸润研究表明，AKI时有多种炎性细胞浸润，如巨噬细胞、NK细胞、NKT细胞、肥大细胞、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞、T细胞等。浸润的炎性细胞特别是巨噬细胞在AKI向CKD转变的过程中起重要作用[3,14]。由于表面抗原和极化状态的差异，巨噬细胞可能以M1、M2两种亚型存在，不同亚型可能对刺激的反应不同[15]。M1巨噬细胞在AKI早期具有促炎作用，介导肾损害。相比之下，M2巨噬细胞通常通过促进肾小管上皮细胞增殖和修复以及诱导纤维化的适应不良性修复来促使AKI后肾组织重塑[16]。在AKI向CKD转化过程中，MI巨噬细胞产生促纤维化生长因子，如TGF-β1。TGF-β1可以由近端肾小管上皮细胞通过单核细胞与肾小管上皮细胞表面表达的细胞间黏附分子-1( intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)直接接触产生[4-5,17]。细胞间黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1)是介导细胞与细胞、细胞与ECM之间黏附重要生物分子，亦是诱导炎性细胞向肾间质浸润的主要黏附分子。正常上皮细胞可以低水平表达ICAM-1，在AKI时，M1巨噬细胞亦分泌炎症因子，如肿瘤坏死因子，当受到炎症因子的刺激后，肾小管上皮细胞高表达ICAM-1[18]。肾TGF-β1水平的升高也可通过促进近端肾小管上皮细胞-间充质转分化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)和(或)成纤维细胞活化造成ECM的形成和积累[17]。

1.3缺氧与血管密度减少肾组织缺氧在AKI向CKD转变的病理生理过程中起着关键作用。30%～50%的肾缺血再灌注损伤后存在肾小管管周毛细血管密度降低，这种血管密度的降低被认为是导致肾组织缺氧、肾小管萎缩和间质纤维化的原因[19]。研究表明，AKI后毛细血管密度降低可引起局部缺氧，缺氧可反过来引起肾小管上皮细胞损伤及周围成纤维细胞活化，致ECM异常沉积；肾损伤亦可引起炎性细胞浸润，分泌细胞因子，最终导致肾小管间质纤维化[1]。间质纤维化增加了毛细血管和肾小管上皮细胞之间的距离，导致氧扩散效率降低；同时受损的肾小管上皮细胞失去分化能力，分泌血管内皮生长因子减少，影响毛细血管生成，加重缺氧，形成恶性循环，促进CKD进展[20]。

1.4线粒体功能障碍与氧化应激线粒体参与能量和自由基生成以及各种信号通路的传导，在代谢活跃的器官如脑、心脏、肾和肌肉中尤为重要。在肾中，特别是肾小管上皮细胞中，线粒体每日消耗的能量约占身体总消耗量的7%[21]。线粒体可维持细胞氧化还原和能量稳态，是细胞内氧化应激的主要来源。然而，受损的线粒体可产生大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)，诱发氧化应激，间接损伤肾小管上皮细胞。线粒体功能障碍的肾表现主要为近端肾小管功能障碍、肾小管间质性疾病[16, 22]。在AKI时，持续的线粒体功能障碍诱导持续细胞损伤，可导致纤维化和CKD的进展[8,23]。

氧化应激在CKD的发展过程中发挥重要作用，表现为ROS的产生与抗氧化之间的不平衡[24]。线粒体功能障碍导致氧化应激[25]。ROS是指化学性质活泼、含有氧功能基团的化合物，由于其存在未配对电子而具有很高的化学反应活性。一定水平的ROS对于维持机体正常的生理功能具有重要意义，而过量的ROS则会对机体造成损伤。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶是机体ROS生成的主要酶类，在哺乳动物中，已证实的NADPH氧化酶有7个亚型，分别是Nox1、Nox2、Nox3、Nox4、Nox5、Duox1 和Duox2。Nox1、Nox2和Nox4 在肾表达，其中Nox4主要存在于肾小管上皮细胞，是肾纤维化时ROS的主要来源[26]。此外，Nox1和Nox2 也能催化产生ROS。ROS可直接或间接促使炎性细胞浸润，并诱导促炎细胞因子和趋化因子的表达，导致成纤维细胞的活化和积聚[27]。

1.5G2/M细胞周期阻滞研究表明，AKI的恢复以肾小管上皮细胞的再生为特征[26]。然而,严重的损伤会伴有适应不良性修复，无论其病因(缺血性、肾毒性物质或梗阻)如何，均可导致肾小管上皮细胞细胞周期阻滞于G2/M期，造成向成纤维细胞转化和活化，诱导其产生促纤维因子TGF-β1和CTGF，导致肾小管间质纤维化[28-29]。

1.6自噬自噬是一种细胞防御机制。从功能上讲，自噬是通过清除受损的蛋白质和细胞器来维持细胞内稳态的重要机制[27, 30]。自噬包括5个主要步骤：①隔离膜或噬菌体的形成；②中间自体吞噬泡的形成；③成熟自噬体的封闭；④自噬体与溶酶体融合；⑤自噬体的终止或降解[26]。AKI时，肾小管细胞自噬迅速激活。在机制上，近端肾小管上皮细胞的自噬可能通过激活肾小管细胞凋亡、间质炎性细胞浸润，引起CTGF、TGF-β等促纤维化因子表达增加，从而促进纤维化[31]。

2 肾小管损伤在AKI向CKD转变的信号通路

信号通路指细胞接受外界信号，通过一整套特定机制，将细胞外信号转导为细胞内信号，最终调节指定基因的表达，引起细胞的应答反应。在细胞中各种信号转导分子相互识别、相互作用，将信号进行转化和传递，构成信号转导通路。细胞去分化、炎性细胞浸润、G2/M细胞周期阻滞、自噬均可激活TGF-β信号通路，而炎性细胞浸润、线粒体功能障碍与氧化应激可激活Wnt信号通路[9,13,17, 28-29,32]。研究显示，TGF-β信号通路起主导作用，可以诱导肾小管上皮细胞转化为肌成纤维细胞，激活Wnt/β-catenin信号通路[33]。

2.1TGF-β信号通路TGF-β信号通路可调节多种细胞功能，包括细胞增殖、分化、凋亡、各种类型的细胞黏附、迁移和ECM的产生[34]。在CKD中，TGF-β信号通路被激活，诱导细胞产生ECM，导致肾小球硬化和肾小管间质纤维化[16, 35]。然而，TGF-β信号在AKI中的作用是矛盾的，可能与其在AKI的不同阶段、对于不同类型的细胞具有多种病理生理功能有关[36-37]。一些早期研究报道显示，AKI时TGF-β信号短暂激活，可能促进损伤的肾小管上皮细胞发生凋亡和成纤维细胞的增殖[10,36]。与之形成鲜明对比的是，最近的研究表明TGF-β是一种损伤因子，通过抑制TGF-β信号通路可减少肾小管损伤。TGF-β活化早期可能刺激间质细胞增殖，但TGF-β持续高表达通过自噬介导的肾小管上皮细胞分解，导致肾小管上皮细胞变性。因此，AKI后期TGF-β信号的持续升高具有损伤作用[16]。

哺乳动物的TGF-β有3种亚型，分别为TGF-β1、TGF-β2及TGF-β3，其中TGF-β1是促进纤维化的关键细胞因子[35]。TGF-β1促进多种细胞如肾小管上皮细胞、毛细血管内皮细胞和肾小球系膜细胞转化为间充质成纤维细胞，表达平滑肌肌动蛋白(alpha-smooth muscle actin，α-SMA)，并产生大量ECM成分。大量研究表明，α-SMA的丰度与肾纤维化的严重程度密切相关，并预示着肾功能的下降。TGF-β1抑制肾小管上皮细胞E-钙黏蛋白(E-cadherin)的表达，E-cadherin是一种跨膜糖蛋白，能维持上皮细胞的极性。E-cadherin表达的减少是肾小管EMT的早期变化[6]。EMT是发生肾纤维化的关键步骤和机制，在肾纤维化过程中约30%的肌成纤维细胞是通过EMT生成的[36]。

2.2Wnt信号通路Wnt信号也参与了AKI向CKD的转变[38]。小鼠模型实验发现Wnt配体存在于小鼠胚胎早期，在肾发生中起重要作用。一旦肾发育完成，Wnt配体表达减少，典型的Wnt信号通路受到抑制。然而，在损伤过程中，上皮细胞和间质细胞均表达Wnt信号[10, 21, 42]。研究发现，在没有其它损伤的情况下，诱导近端肾小管特异性表达Wnt1足以诱导间质纤维化。在体外近端肾小管上皮细胞可分泌Wnt1配体，在损伤的肾中增加。Wnt1通过激活经典Wnt信号通路，促进肌成纤维细胞增殖诱导间质纤维化[38]。在AKI中，Wnt信号通路是促使肾小管上皮细胞增殖和修复所必需的，而慢性过表达Wnt可诱导间质纤维化和肌成纤维细胞增殖，可能导致AKI向CKD转变[10]。另一方面，有研究证实Wnt/β-Catenin信号通路的持续激活在AKI向CKD进展中起决定性作用[39]。Wnt/β-Catenin激活水平与AKI的严重程度相关，持续Wnt/β-Catenin激活，加速从AKI到CKD进展[40]。

3 结 语

综上所述，AKI是全球性的公共卫生问题，大量的临床和实验研究证实，AKI可以转变为CKD，可将AKI和CKD看作是一个连续的疾病过程。虽然越来越多的证据显示肾小管损伤是AKI向CKD转变重要机制，但尚有具体的损伤通路仍未完全阐明，故目前尚缺乏AKI向CKD转变有效预防及治疗手段，因此需深入研究肾小管上皮细胞的损伤途径，早期采取干预措施保护肾小管上皮细胞，可能阻断AKI向CKD进展，改善AKI预后。