mTOR在糖尿病肾病中的研究进展

2020-03-05于柏松刘冰

广东医学 2020年2期

于柏松，刘冰

河北省人民医院肾内科(河北石家庄 050055)

糖尿病在全球发病率正逐年升高，2017年全球糖尿病患者达4.51亿，预计2045年达到6.93亿[1]，作为糖尿病并发症之一的糖尿病肾病也逐年升高，并成为终末期肾病的首要原因，同时增加了透析的发生率及病死率，因此研究糖尿病肾病发病机制势在必行。近年来，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mallalian target of rapamycin，mTOR)逐渐成为了研究热点。mTOR包括mTORC1和mTORC2，位于多个信号通路核心地位，参与多种生理病理过程，生理过程包括细胞增殖、分化、代谢和存活[2]；病理过程如诱导炎症、氧化应激等，可致多种肾脏疾病发生，如糖尿病肾病、肾病综合征等[3]。本文就mTOR在糖尿病肾病中的研究进展进行综述。

1 mTOR概述

Heitman等[4]于1991年在酵母菌中发现雷帕霉素靶蛋白(TOR)，包括雷帕霉素靶蛋白1(TOR1)和雷帕霉素靶蛋白2(TOR2)，Brown等[5]于1994年在哺乳动物中克隆出同源基因哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)。mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白酶，是磷脂酰肌醇相关蛋白(phosphatiday linositol kinase associated kinase，PIKK)家族中的成员，包含两种不同蛋白复合物，分别为mTORC1、mTORC2[2]。mTORC1上游信号分别为P13K-Akt-TSC1/2-Rheb-mTORC1[6-7]、AMPK-TSC1/2-mTORC1[8-9]；下游信号为p70S6K、4E-BP1[10]。mTORC1在糖、氨基酸和生长因子等营养物质作用下，可调节细胞生长、增殖，并促进蛋白质、脂质、细胞器等合成代谢，抑制自噬等分解代谢[11]；然而，mTORC2上游信号调节因子较少，某些激活mTORC1的生长因子也可激活mTORC2[12]，下游信号为Akt和蛋白激酶Cα等[13]，主要参与细胞骨架重排、细胞存活等过程[11]。mTORC1是一种对于雷帕霉素敏感的蛋白酶复合物，mTORC2对于雷帕霉素不敏感，但长期作用敏感性也会提高[14]。

2 糖尿病肾病的病理特点

国外学者[15-18]研究发现，糖尿病肾病病理特点主要是足细胞增生与损伤、系膜细胞过度增生肥大、肾小球基底膜增厚；Xu等[19]研究发现糖尿病肾病病理特点还包括脂质沉积和上皮-间充质转化(EMT)。上述病理变化共同导致肾脏肥大、肾脏纤维化、肾小球滤过率下降和蛋白尿的形成。

3 mTOR导致糖尿病肾病的相关发病机制

3.1 自噬自噬是细胞吞噬自身细胞质蛋白或细胞器并将其包裹进入囊泡，与溶酶体融合形成自噬溶酶体，随后降解其所包裹的内容物的过程，实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新。Yang等[20]发现在营养及能量过剩时，自噬下调，尽管在短期内自噬下调是有益的，但是缺乏自噬最终导致细胞损伤，更进一步，造成代谢相关性疾病的发生；研究表明[19],将HK-2细胞(一种被人乳头瘤病毒16型E6/E7转导永生化的近端小管细胞系)分别培养在低葡萄糖(5.5 mmol/L)和高葡萄糖(30 mmol/L)中，研究发现，培养在30 mmol/L的高糖环境下，自噬下调，加速脂质沉积和EMT的进展，而实验发现雷帕霉素(mTOR抑制剂)通过抑制mTOR激活自噬延缓了脂质沉积和EMT，改善了糖尿病肾病的病理变化。因此证实了mTOR通过抑制自噬促进糖尿病肾病发生与发展。

3.2 氧化应激氧化应激是孕育糖尿病微血管并发症的共同土壤，也是激活糖尿病肾病相关信号通路的关键介质之一。同时，氧化应激是活性氧(ROS)与抗氧化剂之间平衡被打破时的表现，而糖尿病肾病是一类以 ROS 生成过多为特征的疾病[21]。Lu等[22]为了研究mTOR在氧化应激导致的糖尿病肾病中发挥的作用，进行了体外系膜细胞研究和体内动物实验研究。在体外，将鼠的系膜细胞暴露在30 mmol/L的高糖环境下，发现超氧化物岐化酶(SOD)和谷胱甘肽(GSH)下调，还原型辅酶I(NADPH，多种细胞氧化应激的主要来源)和丙二醛(MDA，一种脂质过氧化的终末产物，可作为氧化应激的标志物)上调，氧化应激和肾小球系膜细胞凋亡的发生，将mTOR抑制剂雷帕霉素加入高糖的实验组，SOD和GSH上调，NADPH和MDA下调，减少了氧化应激和肾小球系膜细胞凋亡的发生；在体内进行的动物实验研究，把18只小鼠分为3组，每组6只，分别给予盐水、链脲佐菌素(诱导1型糖尿病)、链脲佐菌素与雷帕霉素，发现了与体外进行的系膜细胞研究一致的结果。由此推论mTOR在促进氧化应激进而诱导糖尿病肾病的发生与发展中发挥重要作用。

3.3 炎症反应炎症与糖尿病肾病相辅相成，参与糖尿病肾病的发生与发展。mTOR信号通路是机体内重要信号通路之一，参与调节炎症反应。激活mTOR信号通路可以刺激缺氧诱导因子1α的堆积，进而促进血管内皮生长因子(VEGF)的分泌及表达[23]，VEGF通过p13k-Akt-mTOR促进蛋白质合成进而促进细胞肥大，加速糖尿病肾病的进展[24]。在炎症及组织损伤中，C反应蛋白(CRP)是一种急性期反应蛋白。You等[25]进行体内和体外研究，体内实验是将雄性小鼠分为两大组，第1组为过量表达CRP的糖尿病组和血糖正常组，第2组为正常表达CRP的糖尿病组和血糖正常组，过量表达CRP的糖尿病组发展更高的血糖和蛋白尿，伴随着系膜基质的沉积、肾小球基底膜增厚、肾脏炎症和纤维化的病理改变，正常水平CRP的糖尿病小鼠上述指标仅轻度升高；同时发现CRP促进糖尿病肾病的发生与CD32b-Smad3-mTOR信号通路有关，为证实CRP促进糖尿病肾病的发生是否与CD32b-Smad3-mTOR信号通路有关，进行体外研究，将人近端肾小管细胞放在无血清的DMEM中，其中在加入CRP之前分别加入CD32抑制剂、Smad3抑制剂、mTOR抑制剂，当分别加入抑制剂后，CRP下调，结果表明CRP通过CD32b-Smad3-mTOR信号通路促进炎症发生，同时发现mTOR是CRP促进糖尿病肾病的中心机制。以上共同说明mTOR参与炎症促进糖尿病肾病发生与发展。

3.4 病理改变研究发现[26]，在1型糖尿病或2型糖尿病小鼠中可以观察到，mTOR下游PS6K1和4EBPs磷酸化增加，蛋白质合成增加，系膜基质堆积和肾脏肥大。足细胞是肾小球基底膜的组成成分，高糖环境中，mTORC1过度激活导致足细胞纤维化和分离，出现蛋白尿；mTORC1过度激活还可导致肾小球基底膜增厚、肾小球硬化等。用雷帕霉素治疗后，可减轻上述病理改变，但是当重度足细胞受损伴有肾小球硬化时，用雷帕霉素治疗不能逆转上述病理变化，所以缓解mTOR引起的糖尿病肾病的病理变化有一定阈值，当超过该阈值时，雷帕霉素的保护作用将受到限制[15]。由此可见，mTOR直接参与病理改变促进糖尿病肾病发生与发展。

4 相关基因的调控

4.1 AMP激活的蛋白激酶(AMP-Activated Protein Kinase，AMPK) 异源三聚体蛋白AMPK，在调节细胞能量平衡及代谢中扮演至关重要的作用。在细胞能量平衡方面，ATP抑制AMPK而ADP可激活AMPK；在代谢方面，AMPK可以抑制细胞增殖，抑制胆固醇和脂肪酸合成，而且与内分泌调节有关，包括糖尿病及其并发症，上文提到AMPK是mTORC1的上游信号，AMPK通过抑制mTORC1从而激活自噬，在糖尿病肾病中发挥肾脏保护作用[27]。Luo等[28]进行肾成纤维细胞系在高糖环境中的研究，结果表明AMPK下调，mTOR上调；当AMPK上调时抑制mTOR，减少Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型胶原纤维的沉积尤其是Ⅳ型胶原纤维，进而减少细胞外基质的形成，减轻肾脏纤维化。研究表明二甲双胍[29]和黄连素[30]通过激活AMPK进而抑制mTOR激活，起到保护肾脏作用。以上共同说明AMPK可通过抑制mTOR减慢糖尿病肾病进展。

4.2 Tribbles 同系物3(Tribbles homolog 3，TRB3) 糖尿病肾中的内质网压力升高，减少内质网压力可以提高肾脏细胞功能。TRB3是内质网压力相关的一种蛋白，在患有糖尿病肾病的小鼠中可以观察到TRB3水平的上调。Borsting等[31]进行了动物实验研究，将小鼠分为两组，分别为缺失TRB3基因的1型糖尿病组和未缺失TRB3基因的1型糖尿病组，结果表明当TRB3缺失时，内质网压力升高和炎症因子IL-6水平的上调，促进蛋白尿和炎症的发生；另外观察到TRB3发挥上述作用是通过抑制mTORC2/Akt来实现的。因此，TRB3抑制mTOR延缓糖尿病肾病的发生与发展。

4.3 硫氧还蛋白交互蛋白(Thioredoxin interacting protein，TXNIP) TXNIP抑制硫氧还蛋白，促进氧化应激。Song等[32]进行动物实验研究，分为缺失TXNIP基因小鼠组和野生型小鼠组，分别给予链脲佐菌素诱导糖尿病，观察到缺失TXNIP基因组，蛋白尿、肌酐和尿素氮没有升高，足细胞表型改变和足细胞丢失也没有发生，抑制了氧化应激，并且抑制了mTOR表达。因此考虑通过抑制TXNIP可以阻断mTOR信号通路进而延缓了糖尿病肾病的进展。Huang等[33]进行动物实验研究，链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠模型，分别给予TXNIP DNA酶及杂乱的DNA酶的干预，给予TXNIP DNA酶的小鼠发现了抑制mTOR信号通路，显著减少了细胞外基质的沉积和增加了自噬；给予杂乱的DNA酶的小鼠未观察到上述变化。综上，可以通过抑制TXNIP抑制mTOR延缓糖尿病肾病的进展。

5 mTOR抑制剂

5.1 雷帕霉素大量研究证实，雷帕霉素能够直接抑制mTOR[15, 34-35]。Lloberas等[17]进行动物实验研究，分为4组，分别为糖尿病组、糖尿病加西罗莫司组、糖尿病加胰岛素植入物维持正常血糖组、正常血糖组，结果显示糖尿病加西罗莫司组和糖尿病加胰岛素植入物维持正常血糖组减少尿蛋白，并且西罗莫司组抑制了mTOR激活。研究表明[36]在糖尿病肾病中，雷帕霉素通过抑制mTOR 减轻足细胞损害、延缓肾小球肥大等，发挥改善糖尿病肾病的病理变化、减少蛋白尿的形成和抗炎的作用。

5.2 噻唑烷二酮类药物 Flaquer等[37]进行动物实验研究，将42只SD大鼠注射链脲佐菌素诱导糖尿病，然后将小鼠分为4组，分别为正常血糖组、糖尿病加西罗莫司组、糖尿病加过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(Peroxisome proliferator-activated receptor-γ，PPARγ)激动剂噻唑烷二酮类药物罗格列酮组、糖尿病加西罗莫司和罗格列酮组，观察到西罗莫司抑制mTORC1信号通路，罗格列酮加强催化亚基蛋白磷酸酶2A(the catalytic subunit of protein phosphatase 2A，PP2Ac)和下调了mTORC1下游信号p70S6K，两种药物可减轻系膜扩张和肾脏肥大，减少尿蛋白的形成，二者联合具有肾脏保护作用；张从新等[38]进行研究，将雄性SD大鼠分为4组，分别为正常血糖组、糖尿病组、糖尿病加雷帕霉素组、糖尿病加罗格列酮组，结果发现，给予雷帕霉素和罗格列酮组可防止大鼠体重减轻，改善糖尿病肾病的病理变化，并且结果显示罗格列酮在改善肾脏病理结构方面优于雷帕霉素。

5.3 螺内酯 Li等[39]研究发现，机械应力损害足细胞黏附能力，促进早期糖尿病肾病的进展。将人类条件永生化足细胞暴露于机械应力，观察到足细胞自噬减少，整合蛋白β1、LC3、Atg5下调，并且异常激活p13k/Akt/mTOR。将螺内酯加入暴露于机械应力的人类条件永生化足细胞中，发现螺内酯可逆转上述过程，并减轻了机械应力导致的足细胞黏附能力的受损，延缓早期糖尿病肾病的发展。

5.4 黄葵胶囊 Wu等[40]进行体内和体外研究，体内研究为：将雄性SD大鼠分为3组，第1组为血糖正常组，第2组为糖尿病组，第3组为糖尿病加黄葵胶囊组，研究发现黄葵胶囊组抑制Akt/mTOR/p70S6K信号通路，改善了尿微量白蛋白、体重和血清白蛋白，同时改善了肾小球肥大、肾小球基底膜增厚和轻度系膜扩张等病理改变；体外进行的实验研究，将鼠的系膜细胞放入高糖环境中，给予金丝桃(一种黄葵胶囊生物活性成分)，并且与给予雷帕霉素组进行比较，观察到二者可抑制AKT/mTOR/P70S6K信号通路。通过体内及体外研究发现，黄葵胶囊有助于减慢早期糖尿病肾病的进展。

5.5 黄芪甲苷(AS-IV) renalase是一种肾脏分泌蛋白，主要表达于近端肾小管上皮细胞，在足细胞和系膜细胞也有少量表达。renalase的合成、分泌和代谢与糖尿病肾病密切相关。韩鹏勋等[41]进行小鼠实验研究，将8周龄雄性C57BL/6J小鼠分为3组，第1组为链脲佐菌素诱导的1型糖尿病组，第2组为注射AS-IV的1型糖尿病组，第3组为正常血糖组，研究发现，与正常血糖组比较，1型糖尿病组血糖、尿糖明显升高，尿蛋白排泄率和足细胞融合均增加，肾小管损伤指标尿NAG、尿NGAL增加，并且提高了renalase-Akt-mTOR表达，而注射AS-IV的1型糖尿病组，上述指标均较1型糖尿病组下降。因此，AS-IV可通过抑制renalase-Akt-mTOR减慢糖尿病肾病的发展。