Irisin在慢性肾脏病中的作用及机制

刘双，张丽洁，赵占正

(郑州大学第一附属医院肾脏内科，郑州 450052)

慢性肾脏病(chronic kidney disease，CKD)是对全球健康有巨大影响的疾病，流行病学数据显示，2017年全球CKD患者达6.975亿，占世界人口的9.1%[1]。一项横断面调查显示，CKD已成为我国重要的公共卫生问题，我国成年人CKD患病率高达10.8%[2]。CKD严重影响患者的生活质量，给患者、家庭、社会带来巨大的经济负担。CKD晚期合并症增多，如心脑血管疾病、胰岛素抵抗、矿物质-骨异常等，导致死亡风险增加。然而，目前CKD治疗方法有限，且效果不佳，因此积极寻找延缓CKD进展的新的作用靶点意义重大。CKD患者存在多种代谢紊乱，而运动可以改善多种代谢性疾病，对延缓CKD进展有益，但具体机制尚不明确，可能与肌肉因子有关。

鸢尾素(irisin)是一种新型肌肉因子，运动后由骨骼肌分泌，可诱导白色脂肪棕色化，改善胰岛素抵抗[3]，在维持体内能量平衡和代谢平衡的过程中起重要作用[4]。研究发现，irisin与多种代谢性疾病关系密切，如肥胖、糖尿病、脂质代谢异常、心血管疾病、非酒精性肝病、多囊卵巢综合征和代谢性骨病等[5-9]，有望成为新的标志物和药物治疗靶点。近年来，irisin与CKD的关系也受到越来越多的关注。既往临床研究显示，循环irisin与CKD患者肾功能独立相关[10-11]，并与CKD多种并发症具有相关性[12-13]，推测其可能参与CKD的发生发展。基础研究证实，irisin能够通过多种机制减轻肾损伤，发挥肾脏保护作用[14-16]。现对irisin在CKD中的作用及机制进展予以综述，以期为CKD的治疗提供新的思路。

1 Irisin概述

1.1Irisin的结构和分布 Irisin是由Boström等[3]首次发现的一种新的肌肉因子。运动能够诱导骨骼肌表达过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)，进而促进膜蛋白Ⅲ型纤连蛋白结构域5(fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 5，FNDC5)表达，随后FNDC5经蛋白水解酶的剪切修饰后转为irisin释放入血[3]。Jedrychowski等[17]通过质谱分析技术确定了人类irisin的存在，并证实irisin受耐力运动的调节。Irisin主要由肌肉产生，近年研究证实，irisin还可由皮下脂肪组织和内脏脂肪组织分泌产生[18-19]，提示其不仅是肌肉因子，还是脂肪因子。但人体脂肪组织irisin基因表达量明显低于肌肉组织，仅为1/(100～200)[20]。通过实时定量聚合酶链反应法对人组织进行检测发现，irisin前体FNDC5主要表达于肌肉及富含肌肉的组织，如心包和直肠，在心脏中度表达，而在肾、肝、肺和脂肪组织中低度表达[21]。Irisin在体内分布广泛，骨骼肌、心肌、脂肪组织、肾脏、卵巢、睾丸、直肠、心脏、胃、神经细胞、胎盘等部位均有表达[22-23]，提示体内irisin在多种器官中可能具有生理调节作用。

1.2Irisin的受体 Irisin作为肌肉脂肪因子，在体内以二聚体形式存在[18]，但其具体作用机制尚不明确。Boström等[3]发现，irisin在所有已测序的哺乳物种间高度保守，人与小鼠的irisin具有100%同源性，推测irisin的功能可能通过细胞表面受体介导实现。Kim等[8]研究发现，irisin与骨细胞和脂肪细胞表面的整合素受体结合，且与整合素αV/β5受体亲和力最高。另一项研究表明，irisin与肠细胞内整合素αVβ5受体结合，起到保护肠屏障的功能，推测整合素αVβ5受体是机体组织中irisin的主要作用受体[24]。然而，irisin与整合素受体的结合对肠道屏障功能的影响尚不清楚，需要进一步研究证实。此外，整合素αV/β5对其他配体也显示特异性，包括骨桥蛋白、骨唾液蛋白和玻连蛋白[25]。即使Kim等[8]在小鼠中阐明了irisin作用的分子基础，其在人类中的存在和功能仍存在争议，因此需要进一步的实验来验证其可能的生理作用和机制。

1.3Irisin的生理作用 Irisin在维持体内糖、脂及能量代谢平衡方面具有积极的生理效应[26]，能够促进白色脂肪组织向棕色脂肪组织转换，调节胰岛素抵抗。此外，动物研究证实，irisin还具有血压调节作用[27]，在动脉粥样硬化[28]、骨代谢[8]中发挥作用，还可以作为促肌源因子诱导骨骼肌肥大[29]。近年研究表明，irisin可通过抑制细胞凋亡、减轻炎症、改善氧化应激等方式参与各种疾病的病理生理过程，对器官产生保护作用，如胰腺炎和缺血再灌注引起的肝、肺、心脏损伤[30-33]。研究显示，irisin是肌肉和肾脏之间信息传递的因子，对肾脏损伤起保护作用，可能成为新的CKD治疗靶点和检测目标[14]。

2 CKD患者循环irisin水平及其影响因素

CKD患者循环irisin水平较健康对照组下降[10-12,34]，其影响因素尚不清楚，其可能原因包括尿毒症毒素抑制、肌肉质量下降、内脏肥胖影响和运动调控等。

2.1尿毒症毒素对irisin水平的影响 CKD患者尤其是终末期肾病患者体内尿毒症毒素蓄积，可能抑制骨骼肌中irisin的产生和释放。研究显示，CKD患者循环irisin水平与肾功能呈正相关[10,34]，可能受到尿毒症毒素的影响。Wen等[12]利用不同浓度(0、50、250、500 μmol/L)硫酸吲哚酚处理人骨骼肌细胞，发现irisin前体FNDC5表达呈剂量依赖性下降，循环irisin水平降低，证实尿毒症毒素对irisin表达和分泌的抑制作用。随后，Tan等[35]发现，非糖尿病腹膜透析患者的血irisin水平与透析充分性呈正相关，提示充分的透析有利于毒素清除，改善irisin水平。此外，CKD相关的多种病理生理(包括炎症因子增加、氧化应激和晚期糖基化终末产物受体激活等)都可能导致CKD患者irisin水平降低[11]，但尚未被证实。

2.2肌肉质量对irisin水平的影响 Huh等[21]研究表明，肌肉质量是人体irisin水平的独立预测指标。蛋白质能量消耗在CKD患者尤其是透析患者中普遍存在[36]，以低白蛋白血症、体重下降和肌肉质量下降为特征。在腹膜透析和血液透析患者中均观察到，伴有蛋白质能量消耗的患者irisin水平显著低于无蛋白质能量消耗的患者，循环irisin水平与肌肉质量及痩体重呈正相关[37-38]。此外，Lee等[39]研究显示，腹膜透析患者上臂中肌围是血清irisin的独立预测因子。多项临床研究并未观察到irisin水平与身体成分之间的相关性[10-11,34-35,40-41]，原因可能是各研究对骨骼肌萎缩的评估和测量方法不一，影响了结果的准确性。Pan等[42]证实，5/6肾切除的CKD小鼠模型骨骼肌存在萎缩，且irisin前体FNDC5在萎缩骨骼肌中表达减少，尾加压素Ⅱ通过增强自噬诱导骨骼肌萎缩，抑制irisin前体FNDC5的表达。然而，骨骼肌萎缩对循环irisin的影响及机制尚需进一步验证。

2.3内脏肥胖对irisin水平的影响 人体脂肪组织也可少量分泌irisin。在血液透析患者中，较低的体脂率和内脏脂肪率可能也是irisin下降的一个潜在原因[38]。Yilmaz等[43]对108例非糖尿病血液透析患者的研究发现，腰围和总脂肪质量与irisin水平呈明显正相关，提示血清irisin水平与非糖尿病血液透析患者的内脏肥胖有关，增加的脂肪组织可能在循环FNDC5/irisin水平中起作用。因此，明确CKD患者FNDC5/irisin的表达和分泌情况时，应同时评估患者的皮下脂肪组织和骨骼肌样本。此外，还应测定CKD患者的棕色脂肪组织活性，以判断其是否与循环irisin水平一致。

2.4运动对irisin水平的影响 运动可以促进骨骼肌中的FNDC5表达和irisin的分泌[3,44-45]，而不同运动模式(如运动强度、时间、方式)及运动后irisin测量的时机对循环irisin的影响较大，导致研究结果不一致[46]。运动对CKD循环irisin影响的研究较少，且无阳性发现。Moraes等[40]对血液透析患者的研究发现，阻力运动(持续6个月)不能影响血浆irisin水平。为了验证运动对irisin调节的急性影响，该研究测量15例透析30 min后行高强度急性训练血液透析患者运动后的即时irisin水平发现，irisin水平未升高[47]。利用国际体育活动调查表对血液透析和腹膜透析患者的运动情况进行调查，未发现血irisin与运动评分的相关性[37-38]，推测运动不是CKD患者血irisin的主要调节因素。Wu等[48]对心肌梗死小鼠进行6周的中等强度有氧运动训练后发现，小鼠肾脏irisin表达增加，肾功能改善，故推测有氧运动可以增加骨骼肌irisin的分泌，并将irisin通过循环系统转运至受损肾脏，保护肾脏免受心肌梗死的伤害，但此研究未检测血irisin水平，且未发现有氧运动刺激骨骼肌释放irisin的直接证据。因此，运动对CKD患者循环irisin的影响仍需进一步深入探讨。

2.5其他 CKD患者常伴糖脂代谢紊乱，体外实验表明，高糖刺激下，肌细胞FNDC5的表达被抑制[49]。CKD患者一般需要服用多种药物，二甲双胍、非诺贝特、辛伐他汀等均会影响irisin水平[50]。此外，目前没有关于irisin的蛋白质结合率、代谢和排泄途径的数据，进一步研究irisin的综合代谢途径有利于全面了解其在CKD中的作用。由此可见，CKD患者irisin水平的降低不是单一因素引起，而是多种因素的共同结果。

3 Irisin在CKD中的作用

CKD患者中存在多种代谢紊乱和能量失衡，如胰岛素抵抗、炎症和氧化应激、矿物质及骨代谢紊乱、内皮功能障碍等，而irisin在改善代谢紊乱和调节能量代谢、骨代谢紊乱、内皮功能方面具有重要作用，其可能参与了CKD的发生发展。

3.1Irisin与肾功能和蛋白尿 肾功能与蛋白尿是评估肾脏损伤程度的主要标志物。Ebert等[10]研究发现，血清irisin水平随CKD进展而降低，且CKD 5期患者血清irisin水平最低。Liu等[11]亦认为，与伴肾功能保留[估算的肾小球滤过率≥60 mL/(min·1.73 m2)]的2型糖尿病患者相比，伴肾功能不全[估算的肾小球滤过率<60 mL/(min·1.73 m2)]的2型糖尿病患者的irisin水平更低，且CKD 5期减少最明显，表明irisin水平与估算的肾小球滤过率呈正相关。一项横断面研究[34]调查了1 115例在中国社区生活的肥胖患者，按照四分位数分组，血清高水平irisin组的CKD患病率最低，推测血清高水平irisin患者的CKD患病风险降低(OR=0.572,P=0.023)。糖尿病肾病是CKD的主要病因之一。研究发现，糖尿病肾病患者的血清irisin水平明显低于T2DM患者和健康对照者，尿蛋白排泄率的对数值与血清irisin水平呈负相关[51-52]，推测irisin可能参与了蛋白尿的发生。但Liu等[11]并未发现irisin水平与微量白蛋白尿之间的相关性，可能由于试验过程中排除了伴有大量蛋白尿的患者，弱化了irisin水平与蛋白尿的相关性。Irisin在CKD肾功能进展及蛋白尿形成中的作用和机制尚不清楚，有待进一步研究。

3.2Irisin与CKD并发症 CKD晚期患者可多种并发症，如胰岛素抵抗、动脉粥样硬化、CKD-矿物质骨异常(mineral and bone disorder，MBD)，且irisin与上述并发症之间存在相关性。

3.2.1Irisin与胰岛素抵抗 CKD患者存在胰岛素抵抗[53]，而irisin可以减轻胰岛素抵抗，故irisin可能参与了CKD患者的胰岛素抵抗。Ebert等[10]对CKD 1～5期患者的研究显示，血irisin水平与胰岛素抵抗指数呈独立正相关。而Yang等[34]对中国社区生活的肥胖成年患者(CKD患者占23.1%)的调查研究显示，根据不同irisin水平分组患者的胰岛素抵抗指数、血糖水平均未见差异。Tan等[35]发现，非糖尿病腹膜透析患者血irisin水平与其空腹血糖水平呈负相关，但与胰岛素抵抗指数无相关性。Lee等[39]在合并肌少症和颈动脉粥样硬化的腹膜透析患者中，未发现irisin与血糖的相关性。上述研究结果不一致的原因可能与研究人群以及患者合并症(如糖尿病)的差异有关。此外，可能与irisin检测试剂盒及检测方法的差异有关[20]。因此，关于irisin与CKD胰岛素抵抗之间的关系还需要进一步证实。

3.2.2Irisin与动脉粥样硬化 动脉粥样硬化在CKD患者中较为常见，是导致CKD患者心血管死亡的重要因素。irisin可能与CKD患者动脉粥样硬化相关。Wen等[12]对CKD5期患者分析发现，irisin水平与高密度脂蛋白水平呈正相关，故其可能与动脉粥样硬化相关。Lee等[39]在腹膜透析患者中发现，血清irisin与颈动脉粥样硬化独立相关，调整腹膜透析患者的高敏C反应蛋白水平后，血清irisin仍是颈动脉粥样硬化的一个重要独立预测因子。动物实验证实，irisin可通过激活AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)-磷脂酰肌醇-3-激酶-蛋白激酶B-内皮型一氧化氮合酶信号通路保护内皮细胞损伤[54]，上调miR-126-5p的表达，促进内皮细胞增殖[28]，从而减轻载脂蛋白E缺陷小鼠的动脉粥样硬化。可见，irisin具有治疗CKD患者动脉粥样硬化的潜力。

3.2.3Irisin与CKD-MBD CKD-MBD是终末期肾病最常见并发症之一，表现为钙、磷、甲状旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)代谢异常、骨代谢异常和血管或其他软组织钙化。已有研究显示，irisin与PTH的生物学作用存在一定的负相关[55]；研究证实，irisin在改善骨代谢中具有突出贡献，而血管钙化与钙、磷、PTH代谢紊乱密切相关[56]，因此推测irisin可能与CKD-MBD相关，但目前相关研究非常少，且结果不一致。He等[13]对血液透析患者进行腹部侧位X线检查发现，血irisin与血管钙化呈独立负相关，与全段PTH呈负相关；但并未发现irisin及血管钙化与钙、磷的相关性，也未发现血管钙化与全段PTH的相关性。Tan等[35]没有观察到腹膜透析患者血清irisin水平与全段PTH及骨转换标志物总碱性磷酸酶之间的关联，可能是这些标志物不能准确评估骨组织形态学，需要增加CKD-MBD的评估方法进一步明确。因此，Irisin与CKD-MBD发生及其作用机制的关系和潜在作用仍需进一步探索。

4 Irisin的肾脏保护作用及机制

有氧运动可以延缓CKD进展[57]，其机制尚未完全阐明。irisin作为运动诱导的肌肉因子对肾脏发挥保护作用，其主要的作用及机制如下。

4.1改善代谢重编程、减轻肾脏纤维化 肾纤维化是CKD进展至终末期肾病的主要组织学表现，通常不可逆转。肾损伤可以诱发肾小管细胞发生代谢重编程，在肾纤维化过程中起关键作用。转化生长因子-β1作为肾纤维化的关键介质，不仅可激活纤维化基因的表达，还可刺激肾细胞中的代谢重编程[58]。Peng等[14]的研究显示，irisin可通过抑制转化生长因子-β1信号通路诱导代谢重编程，激活肾小管线粒体功能，减轻肾小管细胞损伤，抑制肾间质纤维化，显著改善小鼠的肾功能，证实irisin具有改善肾功能和抑制肾纤维化的作用，并阐明了irisin保护肾脏的可能机制。此外，Jiang等[15]的研究显示，中药“多菊散”可通过增加单侧输尿管梗阻小鼠血浆irisin提高肌细胞中FNDC5的基础表达，抑制转化生长因子-β诱导的鼠近端肾小管上皮细胞Ⅰ型胶原上调，进而抑制肾纤维化，改善肾功能。

4.2抑制细胞凋亡、减轻氧化应激 急性肾损伤(acute kidney disease，AKI)是CKD发生发展的重要危险因素[59]，常见病因包括肾缺血再灌注、肾毒性药物和败血症。细胞凋亡、氧化应激、线粒体损伤和炎症反应均与AKI的发病机制有关[60]。Liu等[16]研究发现，在缺血再灌注损伤模型小鼠的肾小管细胞和ATP耗竭损伤模型小鼠的肾近端小管细胞中，irisin前体FNDC5均被诱导。多项研究证实，irisin可通过多种作用减轻AKI肾脏损伤[16,48,61-63]，其作用机制主要如下。

4.2.1抑制p53激活 Liu等[16]发现，在体外培养的近端肾小管细胞中沉默FNDC5可增加对ATP耗竭诱导的凋亡的敏感性，而FNDC5的过度表达和重组irisin的补充均可减轻ATP耗竭诱导的凋亡。重组irisin可显著减轻缺血再灌注损伤模型小鼠的肾功能不全、组织损伤、肾小管细胞凋亡和炎症反应[16]。p53是凋亡刺激蛋白抑制因子，也是人体内关键的细胞凋亡调节因子，发挥促凋亡功能。在肾缺血再灌注损伤的体内和体外模型中，irisin能抑制p53的激活[16]，但具体激活机制尚不清楚。

4.2.2上调解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP)2 UCP是线粒体内膜蛋白，参与线粒体解偶联，限制活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的形成，与氧化应激关系密切。研究表明，UCP2可以保护缺血再灌注诱导的AKI[64]。Zhang等[62]在缺血再灌注小鼠模型中，irisin预处理可上调UCP2的表达，对肾细胞凋亡和氧化应激有保护作用；在体外，irisin预处理改善了缺氧/复氧诱导的细胞凋亡，而转染UCP2干扰小RNA则显著降低了irisin对细胞的保护作用。此外，AMPK信号通路可能参与了irisin介导的UCP2上调，但具体机制还需进一步验证。

4.2.3上调GPX4表达、减轻铁死亡 谷胱甘肽过氧化物酶 (glutathione peroxidase，GSH-Px/GPx)4是铁死亡的重要调节因子，其失活可通过诱导ROS产生而加重肾缺血再灌注损伤。Zhang等[61]研究发现，irisin可以上调缺血再灌注小鼠GPx4表达，减少GPx4失活引起的铁死亡和ROS形成，进而减轻肾脏损伤。RSL3(GPx4抑制剂)可消除irisin对缺血再灌注小鼠肾损伤的保护作用，可见GPx4可能是irisin在缺血再灌注诱导的AKI中起保护作用的关键蛋白；此外，UCP2可能是GPx4信号通路的下游分子，但两者之间的相互作用还需要进一步研究。

4.2.4抑制核因子κB通路 核因子κB是重要的转录激活因子，其错误调节会引发自身免疫病、慢性炎症及癌症。Jin等[63]研究发现，irisin通过抑制核因子κB 通路相关因子p65和核因子κB抑制蛋白激酶α的水平，上调核因子κB抑制蛋白α的表达，抑制脂多糖诱导的HK-2细胞炎症和凋亡，但其在体内模型中的作用还需要更多研究的进一步证明。

4.2.5激活AMPK-Sirt1-PGC-1α信号通路和抑制心磷脂酰基转移酶1(lysocardiolipin acyltransferase 1,ALCAT1) 心磷脂是线粒体内膜上的关键磷脂，ALCAT1参与催化心磷脂支链的病理性重构[65]，与很多线粒体疾病的发生相关。沉默信息调节因子1(silent information regulator 1，Sirt1)是一种去乙酰化酶，可以被AMPK激活以调节能量代谢，它还参与抑制ROS过度产生，改善氧化损伤，减轻心肌细胞的凋亡[66]。Wu等[48]通过敲除小鼠ALCAT1基因证实，ALCAT1参与了心肌梗死诱导的肾脏氧化应激和凋亡，而有氧运动可以逆转ALCAT1的肾脏损伤作用。体外irisin可以抑制ALCAT1过度表达诱导的大鼠肾脏细胞氧化应激和凋亡，部分通过AMPK-Sirt1-PGC-1α途径，表明有氧运动通过激活FNDC5/Irisin-AMPK-Sirt1-PGC-1α信号通路和抑制ALCAT1表达，参与减轻心肌梗死后受损肾组织的氧化应激和凋亡水平。然而，ALCAT1与irisin通路的关系还有待进一步研究。

5 小 结

Irisin是一种新型肌肉因子，可在运动时作为“信使”参与多种疾病的病理生理过程，发挥器官保护作用。CKD患者循环irisin表达降低，与多种因素相关，但确切原因尚不清楚。目前，Irisin在CKD肾功能进展、蛋白尿及胰岛素抵抗、动脉粥样硬化、CKD-MBD中的作用尚存在争议，其潜在作用需要高质量的临床研究及基础研究的验证。Irisin可通过多条通路发挥对急慢性肾脏损伤的保护作用，这为CKD的诊治提供了新的思路，但其作用和机制仍需进一步研究和探讨。