糖尿病肾脏疾病的发病机制研究进展

赵茜 吴佳丽 黄梓越 李东云 魏丹霞

650000 昆明，云南中医药大学第三附属医院肾内科(赵茜，吴佳丽，黄梓越)；650000 昆明，昆明市中医医院肾内科(李东云，魏丹霞)

糖尿病肾脏疾病(diabetic kidney disease，DKD)是长期高血糖导致肾损害的结果，糖尿病微血管并发症之一， 又称糖尿病性肾小球硬化症，是以进行性白蛋白尿、高血压和进展性肾衰竭为特征的一组临床综合征[1]。流行病学表明，2017年中国糖尿病患者的数量是1.14亿，占全世界患者人数(4.25亿)近四分之一[2]，随着糖尿病健康管理的加强，与糖尿病相关的心血管疾病的发病率已降低，然而，这些健康管理措施对终末期肾病(ESRD)发生率的影响很小。大约30%～40%的Ⅰ型糖尿病(T1DM)和Ⅱ型糖尿病(T2DM)患者发展为DKD，其中约50%可以进展为ESRD[3]。DKD的发病是血液动力学和代谢因素相互作用的结果，在一定的遗传背景以及部分危险因素的共同作用下致病。除了高血压、肥胖等传统危险因素外，其他新发现的危险因素如慢性低水平炎症、晚期糖基化终产物(advanced glycation end product，AGE)、氧化应激(oxidative stress，OxS)和内皮功能障碍等也被认为参与了糖尿病及其相关并发症的发病机制[2]，而细胞分子研究探索了包括代谢记忆和表观遗传学、细胞自噬与凋亡在内的新领域，并取得了一些新的研究成果，虽然，代谢和血流动力学因素仍被认为是引起DKD的主要原因，但其发病率的上升表明需要更深入地了解潜在的分子机制，以确定有效而确切的治疗方法[4]。

一、新型分子发病机制

1.代谢记忆及表观遗传学 最近的研究指出，代谢记忆及表观遗传学在糖尿病和DKD的病理生物学中起着重要作用。对于糖尿病患者而言，虽然可以通过饮食，运动和药物治疗来控制血糖，但许多患者在血糖正常后仍会继续发展包括DKD在内的糖尿病并发症，这表明靶细胞中存在先前葡萄糖暴露的“记忆”，从而导致持久性的血糖损害，我们称该类表现为“代谢记忆”[5]。而表观遗传学最初被定义为“基因与其产物之间的因果相互作用带来表型变化的结果”，表观基因组充当着遗传和环境之间的桥梁，表观遗传密码可以在不改变基础DNA序列的情况下影响基因的表达和功能[6]。高糖通过代谢记忆的持续作用会改变表观遗传状态，因此表观遗传机制很可能在DKD的发病机理中发挥关键作用[7]。组蛋白修饰、DNA甲基化以及NcRNA，统称为表观遗传修饰，其包含了在分化细胞中稳定遗传基因表达原型所需的表观遗传信息。

(1)组蛋白修饰：据报道，组蛋白修饰主要通过赖氨酸乙酰化，赖氨酸甲基化来调节基因表达[8]。组蛋白乙酰化状态由组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase，HATs)和组蛋白脱乙酰基酶(histone deacety lase，HDACs)决定[9]，组蛋白乙酰化，即H3K和H4K的N末端尾巴的乙酰化，是一个可逆的动态的过程[10]，其参与了DKD中miRNA-192的诱导，表观遗传修饰通过组蛋白乙酰化介导miRNAs的调节[11]。与乙酰化相反，组蛋白甲基化更稳定且长期存在。组蛋白甲基化是导致基因激活还是抑制，取决于氨基酸残基和甲基化程度，H3K4me1/2/3和H3K36me2/3是有代表性的转录活性标记，而H3K9me3和H3K27me3是抑制性的转录活性标记[12]，组蛋白甲基化与TGF-b1介导的细胞外基质扩展的基因表达有关，可以通过组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferase，HMT)和组蛋白脱甲基酶(histone demethylase，HDM)的协同作用而进行动态修饰[13]。在与糖尿病相关的体外和体内研究中，已经证明组蛋白甲基化和乙酰化模式随着HATs/HDACs及HMTs在基因启动子处的募集而发生改变。在血糖变化时，组蛋白通过高度乙酰化和增加H3K4me的方式参与特异性胰岛素基因的表达，这与p300HAT和HMT SET7/9的募集有关[14]。

(2)DNA甲基化：改进的DNA甲基化阵列、高通量测序技术和数据分析方法的发展使得出现了更多的针对DKD和CKD人群的表观基因组全关联研究(epigenome-wide association studies，EWAS)[5]，研究显示甲基化水平在全基因组意义上与肾脏纤维化程度相关，与肾脏损伤和功能下降相关的甲基化探针聚集在肾脏调节区，并与基因表达变化相关[15]。2型糖尿病患者伴或不伴糖尿病肾病，其部分基因的DNA甲基化程度不同[16]，研究表明，19种CpG与DKD的发育相关，包括UNC13B附近的一种，UNC13B包含与DKD相关的SNP，其涉及DKD的初始发病机制和高血糖引起的肾小球细胞凋亡[17]；其次，全身性敲除TXNIP基因可改善链脲佐菌素诱导的DN48，该基因持续的低甲基化可能使患者易患DKD[18]；此外，RASALI基因的高度甲基化会增加成纤维细胞中的Ras活化，继而导致组织增殖和纤维化[19]；亦有报告说，在肾小管特异性Sirtuin 1(Sirt1)基因敲除的糖尿病小鼠中，足细胞病变加重，而在SIRT1转基因糖尿病小鼠中，其症状得到改善[20]。这些研究证明了DNA甲基化在调节与DKD相关的基因中的重要性，并为DKD管理提供了可能的治疗靶点。

(3)非编码RNA和miRNA：非编码RNA(NcRNA)是从DNA转录而来的普遍存在不编码蛋白质的内源RNA，microRNA(miRNA)是一类长度为19～24的非编码小分子RNA，其作为一种转录后调控因子在真核生物的基因表达调控中有着非常重要的作用[21]。在与DKD相关的miRNA中，对于miRNA-192研究相对较多，尤其是其与转化生长因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)的关系，是一个里程碑式的研究，后者是DN67的重要介体[22]，miRNA-192可以通过调节其他miRNA来促进肾小球膜细胞TGF-β1的自我调节，并增强p53对TGFb1的应答[23]；在DKD动物模型中，其肾脏组织中miR-192表达增加，而通过抑制miR-192表达(或敲除miR-192)可以减少蛋白尿的排出和肾纤维化程度[24]。相关研究表明，miR21在胰岛素依赖型糖尿病小鼠的肾皮质中显著升高，鉴于其在肾脏纤维化中的病理作用，miR-21已被确定为DKD小鼠模型中的潜在治疗靶点[25]。miR-30在局灶性节段性肾小球硬化患者中表达减少，其可能是足细胞损伤和肾小球疾病的标志物[26]，Zang等人[27]的研究首次证明miR-30b-5p与肾功能受损之间存在关联，但是否与DKD存在联系则尚待进一步研究。

2.细胞自噬及凋亡 胰岛β细胞凋亡在免疫介导的T1DM中起重要作用，是T1DM发病机制的重要环节，但在T2DM中并无太多确切的文献资料，β细胞的凋亡或去分化可能是导致T2DM患者发生相对胰岛素缺陷的机制之一，胰岛素的缺乏可能是由于β细胞功能障碍和/或β细胞质量减少所致。而引起β细胞凋亡的触发因素仍在研究之中，脂质损伤、ER应激、人胰岛淀粉样多肽、高血糖或自噬功能不全均可能导致β细胞死亡或功能障碍[28]。Quan等人[29]的研究表明线粒体内在凋亡途径对细胞因子诱导的β细胞死亡有显著贡献，提示钙调神经磷酸酶介导的Bad Ser136去磷酸化和Bax活性在细胞因子诱导的凋亡中起重要作用。Oshima[30]在进行病毒感染是否能诱导人β细胞去分化的相关研究，并通过实验确认人β细胞中的SOX9靶点是潜在的新的去分化标志物。此外，相关研究证明，长链游离脂肪酸通过c-Jun氨基末端激酶在β细胞凋亡中起重要作用，其本身及其代谢产物也可能促进T2DM的脂细胞凋亡[31]。

3.遗传因素 有研究认为，DKD是一种多基因遗传特异性疾病，遗传因素可通过影响肾脏对环境因素的反应性来增加DKD的易感性[32]，在关于DKD基因的Meta分析[33]中提到，21个遗传变异与晚期DKD相关，3个额外的变异与特定亚群相关。最新研究发现，Klotho基因与糖尿病和DKD有关，该基因突变会导致其转录功能改变，可能会导致代谢紊乱加重[34]；实验证明Klotho基因G-395A位点AA基因型分布增加可能是DKD发病的独立危险因素[35]。

二、传统发病机制

1.血流动力学因素 肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS)是人体调节血压的重要的内分泌系统，在控制血压和维持人体正常肾功能方面都起着重要的作用。该系统包括肾素、血管紧张素原、血管紧张素II、血管紧张素转换酶和醛固酮合成酶等，组织特异性RAAS活化于肾脏是DKD发生的重要机制。RAAS的异常可引起血压升高而导致肾组织缺血缺氧，增强炎性因子的表达，引起单核巨噬细胞的浸润及间质成纤维细胞的增殖及分化，导致肾小球内皮细胞的损伤及小管间质的纤维化[36]。由于RAAS通路在血压调节中的重要作用，已有多项以其为靶点进行DKD治疗的临床研究报道。

2.炎症因素 越来越多的证据表明，糖尿病的发病机制与先天免疫系统的激活和慢性亚临床低度炎症状态的存在密切相关。炎症被认为是DKD重要的发病机制，通过氧化应激、转录因子、转录激活因子(JAK/STAT)途径和炎症细胞因子等因素起作用[37]。

(1)氧化应激(oxidative stress，OxS)：OxS可能是导致DKD发生和发展的主要触发因素。高血糖通过线粒体电子转移链增加活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)促进了组织内氧化应激[38]，同时ROS的过量产生与肾脏代谢途径改变和肾血流动力学紊乱均有关系，ROS对细胞具有高度毒性，过量ROS的产生导致肾脏纤维化和炎症，并通过促进脂质过氧化、DNA损伤和蛋白质修饰，以及线粒体功能障碍而引起显著的组织损伤，这些途径最终导致炎症、纤维化和内皮功能障碍。且由于肾脏内的高血流量，氧化剂状态和抗氧化酶在氧化性肾损伤中起着更为重要的作用。转录因子Nrf2，在细胞抗氧化应答的调节中起重要作用[39]，其可能通过抑制转化TGF-β1抑制糖尿病的肾损害。在体外和体内实验研究中，Nrf2可改善链脲佐菌素诱导的肾损害，与野生型小鼠相比，Nrf2小鼠产生更多的ROS，并遭受更严重的氧化性肾损伤[40]。在Tutun等人[41]用右泛醇(dexpanthenol，Dxp)治疗DKD的实验中，糖尿病组比对照组氧化应激指标升高，抗氧化活性降低，Dxp组比糖尿病组氧化应激降低，抗氧化活性增强，组织病理学改变减少，证明了Dxp可通过改善抗氧化活性改善DKD；Turkmen等人[42]在用葡萄籽提取物在治疗大鼠DKD的实验中也得到了葡萄籽提取物可降低氧化应激和凋亡基因的表达的实验结果，侧面提示抗氧化治疗对DKD具有保护作用。

(2)转录因子与细胞因子：核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是一种转录因子，亦是代表炎症的中心因子，高糖可激活内皮细胞和血管平滑肌细胞、肾近端小管细胞中的NF-κB的活化[43]。在那些可能导致DKD的结构改变和功能异常的因素、分子和作用途径中(如RAAS的激活、糖基化终产物的晚期积累和NADPH依赖的氧化应激等)，NF-κB处于中心地位[44]。DKD中的蛋白尿本身也是NF-κB的激活剂，并且是肾小管细胞重要的促炎刺激物，近端肾小管上皮细胞中的超滤蛋白负荷通过激活NF-κB依赖性和非依赖性途径上调炎症细胞中的趋化因子和黏附分子[45]。细胞因子作为先天免疫应答的一部分，糖尿病中的多种刺激因素均可诱发细胞因子的产生。在肾脏中，血细胞和不同的肾脏细胞均能合成炎性细胞因子，其水平随着肾病的进展而增加，提示炎症因子在DKD的发病机制中起作用[46]。Navarro-González[47]指出细胞因子如IL-1、IL-6、IL-18和TNF-α均参与了DKD的发病过程。Kakkar[48]提到IL-33在细胞核中的确切功能尚未确定，但IL-33可激活转录因子AP-1和NF-κB，因此，IL-33具有细胞内转录调节特性及促炎细胞因子的作用。趋化因子作为细胞因子的亚群，在炎症细胞募集、迁移和相互作用，以及DKD中的细胞黏附、分化和组织损伤中发挥关键作用[49]。多种炎症性趋化因子参与了DKD的发病机制，特别是MCP-1/CCL2、CX-3CL、CCL5/RANTES。DKD患者肾脏活检和尿液中MCP-1/CCL2水平升高，提示其在肾小管间质巨噬细胞浸润中起重要作用。其生物学作用包括足细胞足突消失、足细胞减少伴肾小球基底膜剥脱、裂隙膈膜损伤等[50]。黏附分子在TNFα、NF-κB、血液动力学改变应力中的表达增加。ICAM-1、血管细胞黏附蛋白1、内皮细胞选择性黏附分子和选择素E是促进细胞间结合、黏附和细胞间通信的细胞表面定位因子，参与DKD的发病机制[51]。

(3)信号通路：在DKD的动物模型和临床研究中，已经证实JAK/STAT通路在肾小球和肾小管间质细胞中的激活增强[42]。高糖可刺激细胞内ROS的产生而激活JAK/STAT通路，在肾脏和血管中起作用的是JAK2，而ROS不但增强JAK2的活性，而且是AngⅡ调节JAK2的第二信使，一项对于早期DKD患者的临床研究显示JAK/STAT通路中发现mRNA和JAK2蛋白表达增加，其水平与肾小球滤过率负相关[52]。JAK/STAT通路在负反馈回路中由SOCS家族中的SOCS1-7和CIS控制。JAK/STAT/SOCS通路失调是包括糖尿病在内的癌症、自身免疫和炎症性疾病的发病机制[49]。

3.其他因素 缺血、缺氧及有毒代谢物引起肾组织损伤也是导致DKD的原因。随着DKD的病情进展，肾小球和血管的病变使肾血流量减少，导致髓质缺氧和肾小管功能障碍，同时肾血管舒张性NO减少，亦导致肾组织缺氧，从而产生自由基破坏肾脏组织[53]。缺氧诱导因子的产生可以减轻缺氧状态，但是，高糖可能会干扰缺氧诱导因子的稳定性并促进组织纤维化[54]。研究已证明，睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea，OSA)在糖尿病患者中的患病率很高，并且OSA影响患者的血糖和血压，虽然OSA与DKD之间的尚缺乏有直接性联系的证据，但OSA的间歇性低氧有着和糖尿病血管病变类似发病机制，对OSA的控制有利于降低糖尿病的血管并发症而减轻对肾脏功能的损害[55]。有毒的代谢物，例如高糖血症引起线粒体超负荷，然后产生ROS，进而破坏肾小球足细胞并促进其凋亡，AGEs可导致蛋白质功能障碍，并损害细胞外基质的代谢[56]。

三、小结及展望

DKD是糖尿病患者最重要的合并症之一，亦是发达国家ESRD的主要原因，其早期阶段缺乏特定的临床症状而影响了及时的诊治，且目前没有特效的药物和方法来阻止患者发展为ESRD，由于“代谢记忆”的存在，即便对血糖进行了控制仍无法阻止DKD的进展，所以，针对DKD机制的研究是为了寻找治疗DKD患者新的靶点。除了针对DKD传统发病机制，如损伤因子、生长因子/细胞因子、ROS、炎症和纤维化之间的相互及信号途径的进一步探索研究之外，对于表观遗传学的研究可能是治疗DKD的新的突破口，因此，目前正在开发的几种HDAC、HAT和HMT抑制剂来控制DKD，可能会延缓肾脏纤维化进展，为DKD对的治疗带来新的希望。