糖尿病肾脏病的发病机制研究进展

陈伍，赵胜，周向军，程帆

(武汉大学人民医院泌尿外科，武汉 430000)

糖尿病是一种由多因素导致的以慢性高血糖为特征的代谢性疾病，其慢性并发症主要是微血管病变和大血管病变。糖尿病肾脏病(diabetic kidney disease，DKD)是糖尿病最常见、最严重的微血管并发症之一，严重影响患者的生存和预后。DKD的概念由美国国家肾脏基金会于2007年首次提出[1]，该疾病进程一般始于尿蛋白排泄率升高，随后逐渐发展为严重的蛋白尿、肾小球滤过率(glomerular filtration rate，GFR)降低，最终发展为终末期肾病(end-stage renal disease，ESRD)。在病理变化上，DKD主要表现为肾小球基膜(glomerular basement membrane，GBM)增厚、肾小球系膜扩张及足细胞损伤。近年来，通过对高血糖、高血压和血脂异常等疾病的管理，DKD的发病率逐渐趋于稳定，但受影响患者的绝对数仍在增加，DKD也成为新发ESRD的主要病因[2]。我国是糖尿病患者最多的国家之一[3]，DKD发病率呈逐年上升趋势，需要接受透析和肾脏移植治疗的ESRD患者也日益增多。目前普遍认为DKD的发生和发展主要与遗传因素、血流动力学效应、炎症反应、糖脂代谢紊乱、氧化应激和肾小球的病理改变及细胞损伤等有关。现就DKD的发病机制和研究进展予以综述。

1 遗传因素

遗传因素是DKD的重要发病因素之一。全球有大量的糖尿病患者，但并非所有糖尿病患者均发展为DKD，表明遗传易感性与DKD密切相关[4]。此外，DKD的家族聚集性也证实了遗传因素在其发病过程中的重要作用。全基因组关联研究指出，特定位点的遗传变异与DKD患病风险具有统计学意义上的正相关性[5]，其中染色体3q、6p、7p、7q、10q、18q、19q和22q均与DKD显著相关。目前已发表的全基因组关联研究包括糖尿病肾脏遗传学、糖尿病肾病的家庭调查、国际肾病遗传学研究，其中国际肾病遗传学研究在第4号染色体ALL-1融合基因4/脆弱X智力低下蛋白2家族成员3中发现了一个与ESRD相关的内含子单核苷酸多态性(rs7583877)，其人群归因危险度为3.5%～10%[5]。慢性肾脏病遗传学联盟发现了超过25个具有全基因组意义的位点[6-7]。此外，许多基因(如吞噬和细胞运动蛋白1、血管紧张素转换酶)、浆细胞瘤转化迁移基因1、半胱氨酸-tRNA合成酶、乙酰辅酶A羧化酶β、肌肽酶1、内皮型一氧化氮合酶、超氧化物歧化酶1、促红细胞生成素、骨形态发生蛋白拮抗剂1均是DKD的易感基因，其中血管紧张素转换酶基因与DKD的关联研究最多。研究表明，DKD风险的增加可能与多个具有较小效应的基因遗传有关[8]。

2 血流动力学效应

血流动力学效应在DKD发展过程中起重要的调节作用。高血糖使通过肾小球滤过屏障的葡萄糖增加，导致近端肾小管对葡萄糖的过度再吸收。葡萄糖转运蛋白的表达增加和近端肾小管细胞的能量依赖型转运过程的大量增加共同促进了葡萄糖的过度再吸收，这种变化极大地增加了肾皮质和髓质的需氧量，诱发了肾脏的相对缺血，并增加了中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白和肾损伤分子1等细胞应激标志物的表达[9-10]。近端肾小管负荷的增加导致近端肾小管肥大和伸长扩张，肾脏肥大[10]。近端肾小管处的钠-葡萄糖协同转运蛋白2在重吸收葡萄糖的同时转运大量的钠，使远端肾小管和致密斑处的氯化钠浓度降低，随后感受到钠离子浓度降低的致密斑通过球管反馈扩张入球小动脉，诱导颗粒细胞分泌肾素，并通过血管紧张素家族的相继激活生成血管紧张素Ⅱ，选择性收缩出球小动脉，上述血流动力学效应使GFR持续升高，引起肾小球超滤和肾小球高血压。随着肾小球肥大的进行性发展，肾小球内压力有所下降，但肾小球超滤持续存在[10-11]。在临床治疗中，积极调控高血压对DKD的治疗十分重要。高血压作为糖尿病的独立危险因素之一，在DKD发生发展过程中起重要作用，两者相互影响可促使GFR的进行性下降。

3 糖脂代谢紊乱

高血糖是DKD发病的重要介导因素。葡萄糖代谢紊乱所产生的许多代谢产物在DKD的发展过程中起重要调节作用。治疗糖尿病并发症的试验表明，严格的血糖控制能使1型糖尿病患者DKD的发生率降低50%以上，可能与高血糖水平导致肾小球系膜细胞损伤并诱导其凋亡有关[12]。

3.1高血糖促使己糖胺途径增强 体内葡萄糖通过糖酵解途径、三羧酸循环和氧化磷酸化产生的ATP给机体供能。在高血糖状态下，内皮细胞、系膜细胞和足细胞中的葡萄糖氧化途径被破坏，使葡萄糖向脂肪酸和酮类等替代生物能源转换，并导致细胞损伤[13]。同时，近端肾小管中糖酵解途径、葡萄糖有氧和无氧代谢均有所增加，己糖胺途径显著增强[14]，在此途径中，6-磷酸果糖从糖酵解途径中转移，在6-磷酸果糖酰基转移酶的作用下生成6-磷酸葡萄糖胺，并最终转化为二磷酸尿嘧啶N-乙酰氨基葡萄糖；其中，葡萄糖胺使细胞内ATP水平降低，从而抑制胰岛素信号转导通路上游各靶点的磷酸化激活，进而抑制胰岛素效应并加重代谢紊乱。

3.2高血糖导致多元醇途径增强 多元醇通路由醛糖还原酶和山梨糖醇脱氢酶共同催化完成，其中醛糖还原酶是该途径的限速酶。醛糖还原酶将还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)转化为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的过程中将葡萄糖还原为山梨糖醇。正常情况下，醛糖还原酶对葡萄糖亲和力较低，多元醇途径处于低代谢率状态。在高血糖情况下，醛糖还原酶对葡萄糖的亲和力升高，多元醇途径被激活并代谢产生大量山梨醇。由于肾脏细胞对山梨醇的通透性较差，其氧化产物果糖不易代谢，致使细胞内渗透压急剧上升，最终导致肾脏细胞水肿及损伤并影响生理功能，从而进一步加重肾损伤。

3.3高血糖致晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products，AGEs)增加 AGEs是体内高糖状态下蛋白质、脂肪及核酸与还原糖之间发生非酶性催化反应的终末产物，能促进转化生长因子-β的释放，刺激胶原基质成分合成，导致GBM增厚，从而影响滤过膜功能，最终导致GFR的进行性改变以及肾小球功能的丧失。此外，AGEs与其受体的相互作用在DKD的发病机制中具有重要作用。AGEs受体是一种多配体受体，广泛存在于平滑肌细胞、巨噬细胞、内皮细胞和星形胶质细胞。高血糖时，AGEs与巨噬细胞上AGEs受体结合导致氧化应激反应和核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)激活，NF-κB调控白细胞介素(interleukin，IL)-1α、IL-6和肿瘤坏死因子-α等细胞因子的释放并激活炎症反应，进而加剧肾脏细胞损伤。此外，NF-κB还能促进内皮素1、血管内皮生长因子的表达和释放，这些细胞因子能介导血管内皮细胞的损伤和组织细胞的凋亡，进而加重肾小球功能的损伤[15]。一项对长期糖尿病患者(病程>50年)的研究发现，非DKD患者的肾小球丙酮酸激酶水平高于DKD患者，表明维持葡萄糖氧化对于预防足细胞和肾小球损伤具有重要作用[16]。

3.4脂质代谢异常参与DKD的发展 脂质代谢异常可通过多种途径参与DKD的发展过程，糖尿病患者肾脏脂质的蓄积和脂肪酸氧化的改变是DKD进展过程的重要环节。高脂血症会增加白蛋白的脂肪酸含量，白蛋白结合的长链饱和脂肪酸可能在肾小管损伤中发挥重要作用[17]。肾小管上皮细胞通过CD36转运蛋白摄取长链脂肪酸，而糖尿病患者的CD36表达上调，进一步加重了脂肪酸蓄积，蓄积的脂肪酸通过激活p38促分裂原活化的蛋白激酶通路诱导肾小管上皮细胞凋亡。此外，有研究表明，与白蛋白结合的非酯化脂肪酸数量的增加会导致线粒体功能障碍和过氧化物的产生，最终诱导肾小管上皮细胞的凋亡[18]。除脂肪酸摄取增加外，肾脏内脂质合成增加也是脂质积累的重要原因。固醇调节元件结合蛋白(sterol-regulatory element binding proteins，SREBPs)负责调节胆固醇的合成、摄取以及脂肪酸的生物合成。哺乳动物的SREBPs由固醇调节元件结合转录因子-1和固醇调节元件结合转录因子-2共同编码，高血糖时SREBP1信使RNA的表达显著增加，肾脏三酰甘油水平显著升高，进一步加重了脂质代谢紊乱和肾脏的脂质蓄积。肾小球脂质沉积还可刺激细胞外基质(extracellular matrix，ECM)蓄积，并最终导致肾小球硬化和肾功能进行性损伤。

4 炎症反应

DKD被普遍认为是一种炎症反应性疾病，且炎症水平随病程进展而加重，最终导致肾小球硬化。有研究表明，肾脏的炎症标志物与蛋白尿、ECM沉积以及GFR进行性下降相关[19-20]。DKD早期，白细胞大量聚集在肾小球和肾小管间质中，炎症细胞浸润和炎症因子大量释放在DKD的发展进程中起重要作用。

炎症相关基因和途径的激活及持续表达在DKD的发展过程中起关键作用。由于组织损伤，炎症细胞大量聚集于肾脏组织，大量炎症细胞及其产物[如细胞因子、趋化因子、激活的补体和活性氧类(reactive oxygen species，ROS)]诱导了DKD的产生。在肾小球超滤及肾纤维化存在的情况下，敲除Rag1小鼠并未出现糖尿病相关蛋白尿[21]。此外，趋化因子受体抑制剂可减轻2型糖尿病和慢性肾脏病患者的蛋白尿[22]。糖尿病大鼠模型肾脏炎症细胞的聚集程度与肾功能下降密切相关，抑制炎症细胞的募集可明显减轻肾脏损伤[23]。由此可见，抑制肾脏炎症细胞聚集可有效预防蛋白尿的产生并减轻肾脏损伤。炎症因子在DKD发展过程中起关键作用。在DKD中，趋化因子5、IL-6、肿瘤坏死因子-α和单核细胞趋化因子-1等细胞因子的表达均有所增加。IL-6和肿瘤坏死因子-α的大量释放增强了肾脏的局部炎症反应，促进了系膜细胞的增生，导致ECM的沉积加快并加重了肾脏损伤。敲除或抑制单核细胞趋化因子-1能有效延缓DKD进展。NF-κB和Janus激酶-信号转导及转录激活因子信号转导途径的激活是细胞因子产生的关键，两者均可通过调节刺激黏附分子和促炎因子的表达加快DKD的进程[24-25]。

5 氧化应激

高血糖可诱导有毒中间体的生成，ROS则是最重要的中间体之一。ROS在多种细胞的增殖、分化、凋亡和免疫防御等生理过程中发挥了重要作用。ROS的蓄积和超氧化物的生成是高血糖时发生DKD的重要原因，易导致ESRD[26]。黄嘌呤氧化酶、细胞色素P450、脱偶联的内皮型一氧化氮合酶、线粒体呼吸链和NADPH氧化酶均在ROS合成过程中发挥重要作用，其中线粒体功能障碍和NADPH氧化酶最重要[27-28]。在生理条件下，肾脏中的黄嘌呤氧化酶可通过嘌呤代谢途径产生难以检测的ROS。Eid等[29]的研究表明，细胞色素P450(尤其是细胞色素4A)可通过激活NADPH氧化酶诱导ROS的产生，引起糖尿病小鼠的肾脏细胞损伤和死亡。脱偶联的内皮型一氧化氮合酶可促进ROS的生成，同时诱导内皮细胞对一氧化氮利用度下降，而一氧化氮的蓄积可导致内皮细胞功能障碍并破坏滤过膜功能[30]。此外，糖尿病患者的线粒体底物氧化增强，线粒体膜电位随之增强，电子通过线粒体电子传输链转移并导致超氧化物产生。在生理条件下，大多数NADPH氧化酶的构成活性较低，但糖尿病时NADPH氧化酶的活性被激活。所有的NADPH氧化酶亚型均是跨膜蛋白，可将NADPH上的电子转移至整个生物膜，随即将氧分子还原为超氧化物O2-，该途径生成的超氧化物超过了体内超氧化物歧化酶的处理能力，导致超氧化物在肾脏蓄积。此外，高血糖状态下的肾脏局部炎症反应加强，炎症因子大量释放，ROS生成增多，ROS蓄积使线粒体功能受损，进一步增强了氧化应激反应，炎症细胞大量增加并释放大量细胞因子，进一步加重了DKD患者的肾脏组织局部炎症。研究显示，氧化应激还可损伤胰岛β细胞，由于胰岛β细胞内超氧化物歧化酶水平较低，较易受到ROS的影响[31]。ROS可通过直接破坏胰岛β细胞的DNA和蛋白质来促进细胞凋亡，还可作为信号分子参与调节胰岛素分泌，从而间接抑制胰岛β细胞的功能，导致糖代谢紊乱的进一步加重[32]。此外，ROS还可通过多种途径诱导内皮细胞和足细胞的损伤及凋亡而导致功能障碍，肾小球滤过膜的结构随之破坏并最终引起肾损伤，导致蛋白尿产生。

6 肾小球的病理改变及细胞损伤

DKD的发病机制较复杂，遗传因素、血流动力学效应、糖脂代谢紊乱、氧化应激和炎症反应的共同作用可诱导肾小球结构的改变和功能的损伤，其中以内皮细胞功能障碍、GBM增厚、系膜扩张、足细胞损伤为主。肾小球的病理改变及细胞损伤可直接影响肾小球的滤过功能，导致蛋白尿。

6.1内皮细胞功能障碍 以血管通透性增加、炎症细胞浸润及血管张力失调为特征的系统性内皮细胞功能障碍是糖尿病微血管和大血管并发症的重要致病机制之一。肾小球内皮细胞是构成肾小球滤过膜的重要部分，其功能障碍可致微血管通透性改变及白蛋白异常滤过，临床表现为微量白蛋白尿。因此，微量白蛋白尿是衡量系统性内皮细胞功能障碍的重要指标之一。肾小球内皮细胞表面的某些蛋白聚糖和糖蛋白与可溶性分子结合并形成网状结构，肾小球内皮细胞表面的窗孔被带负电荷的糖萼覆盖，糖萼通过网状结构与肾小球内皮细胞相连。而糖萼内硫酸乙酰肝素、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸角质素和透明质酸等组分的丢失可增加肾小球内皮细胞的通透性。高血糖可能通过诱导ROS的产生和蓄积干扰硫酸乙酰肝素的生成，进而破坏糖萼组分，最终导致微量白蛋白尿的生成。此外，高血糖能诱导下调血栓调节蛋白和活化蛋白C的表达，并进一步加重内皮细胞功能障碍[33]。局部炎症反应和ROS蓄积还可直接造成内皮细胞的损伤和凋亡，并影响其功能。

6.2GBM增厚和肾小球系膜扩张 正常人体内的GBM主要由Ⅳ型胶原蛋白、层粘连蛋白、内皮细胞和蛋白多糖等构成，而系膜基质主要由胶原蛋白、纤连蛋白和层粘连蛋白等构成。DKD患者GBM中Ⅳ型胶原蛋白和系膜基质中纤连蛋白的表达明显增加[34]。DKD早期即存在GBM增厚，且GBM增厚与内皮细胞和足细胞产生的ECM异常转换和修饰有关。高血糖水平下，足细胞能够大量合成并释放Ⅳ型胶原蛋白的α3链和α5链。此外，在高血糖水平的刺激下，内皮细胞恢复了对Ⅳ型胶原蛋白α1链和蛋白多糖的合成。转化生长因子-β和血管内皮生长因子等细胞因子在高血糖诱导下被大量释放，直接刺激肾小球系膜细胞增殖并产生ECM[35]。然而，人体内肾小球基质的合成及降解往往处于平衡状态，其降解主要依靠基质金属蛋白酶，而基质金属蛋白酶抑制剂可与基质金属蛋白酶结合并抑制其酶活性[36]。高血糖可下调基质金属蛋白酶的信使RNA水平，并上调基质金属蛋白酶抑制剂的信使RNA水平，以减缓肾小球基质蛋白的降解；基质金属蛋白酶合成增加和降解抑制使肾小球基质大量沉积，并最终导致GBM增厚和肾小球系膜基质的扩张；GBM增厚伴随电荷和结构的变化，并导致蛋白尿的产生；肾小球系膜的扩张使其紧贴肾小球毛细血管，使滤过表面积减小、管腔变窄，从而引起肾小球高血压、蛋白尿和滤过功能减退。

6.3足细胞损伤 糖尿病还能诱发足细胞损伤，其典型特征为细胞肥大和足细胞丢失。2型糖尿病患者足细胞数量的减少与蛋白尿和GFR降低密切相关[37]。目前认为，足细胞丢失的潜在机制可能为葡萄糖和转化生长因子-β直接诱导的足细胞凋亡，或整联蛋白α3β1表达的丧失[38]。此外，裂隙隔膜的结构稳定对维持肾小球滤过功能起重要作用。肾病蛋白是一种重要的足细胞蛋白，不仅参与细胞内信号的传导，还直接参与裂隙隔膜的构成，肾病蛋白的缺乏可损害裂隙隔膜的完整性并导致尿白蛋白排泄增加。高血糖可通过上调蛋白激酶Cα增强β-抑制蛋白与肾病蛋白的相互作用，并增强细胞对肾病蛋白的胞吞作用，导致肾病蛋白水平下降，破坏裂隙隔膜[39]。此外，高血糖还可通过下调CD2AP以及上调CIN85改变肾病蛋白和其他裂隙隔膜成分的翻译后修饰，引起泛素化反应，使细胞对肾病蛋白的胞吞作用增强[40]。除影响裂隙隔膜结构的完整性外，糖尿病患者肾病蛋白表达降低还能阻碍足细胞内胰岛素的信号转导并加重DKD[41]。高血糖引起的ROS蓄积还可直接诱导足细胞凋亡，导致足细胞丢失。存活的足细胞通过改变形状和大小以覆盖裸露的GBM部分，但此补偿机制只有细胞数量维持在一定水平时才能发挥作用。除氧化应激和细胞凋亡外，机械力引起的足细胞与GBM脱离也可导致足细胞丢失，肾小球超滤引起肾小球性高血压和肾小球肥大，继而引起GBM表面积扩大，导致足细胞脱落。在动物模型中，足细胞丢失超过20%便会导致不可逆的肾小球损伤，主要表现为蛋白尿、肾小球硬化、肾小管间质纤维化和ESRD[42]。

7 小 结

糖尿病可导致全身微血管病变，DKD是最常见最主要的微血管并发症，已成为新发ESRD的主要原因。DKD的发病因素及发病机制错综复杂，同时涉及多种细胞和多种信号通路的激活。遗传因素、血流动力学效应、炎症反应、代谢紊乱、氧化应激和肾小球的病理改变及细胞损伤等在DKD的发病过程中发挥着至关重要的作用，它们共同作用导致了DKD的发生和发展。钠-葡萄糖协同转运蛋白2是近年来DKD治疗的研究重点，钠-葡萄糖协同转运蛋白2抑制剂能有效改善肾小球超滤并减缓DKD进程。此外，肾素-血管紧张素-醛固酮系统阻断剂的使用在调控血压的同时也降低了高血压患者白蛋白尿的发生率，但目前仍然缺乏临床治疗DKD的特效药，且DKD的发病机制和治疗方式仍需更深入的研究。