糖尿病肾病发病机制研究进展

周桃桃，郭兆安

(1. 山东中医药大学第一临床医学院，山东 济南 250014；2. 山东中医药大学附属医院，山东 济南 250014)

糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN)是糖尿病的常见并发症，其发病增加了糖尿病患者的病死率。2019年糖尿病地图指出，全球约有4.63亿20～79岁成人患糖尿病，预计2030年将增至5.784亿。约15%～25%的1型糖尿病和30%～40%的2型糖尿病患者出现肾脏方面的损伤，并最终发展成终末期肾脏病(end-stage renal disease,ESRD)，患病率达33.6%[1]。DN病理改变包括早期肾小球肥大、肾小球基底膜增厚、足细胞损伤、肾小球系膜基质扩张和肾小管损伤，后期导致肾小球硬化和肾小管间质纤维化。然而目前DN的发病机制尚未明确，可能与多因素共同作用有关，了解其发病机制以及早期诊断是诊治的要点。现将DN发病机制的研究进展总结如下。

1 分子遗传学

1.1表观遗传学 MicroRNA(miRNA)是由内源基因编码的短链非编码单链RNA，长度为20～25个核苷酸，可与3’非编码区结合，从而使目的mRNA降解或抑制蛋白翻译以参与DN发病机制的表观遗传学干扰，转录后发挥其调控作用。研究发现，与未患糖尿病者相比，DN患者肾脏组织中miR-155和miR-146a表达增加了5倍以上，且miR-155表达与患者血肌酐水平密切相关，其机制是在高糖环境下，诱导肾小球内皮细胞中miR-155和miR-146a过表达，增加肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、转化生长因子-β1(TGF-β1)和核因子-κB(NF-κB)等炎症因子的表达，从而导致肾小球内皮细胞损伤[2]。

非蛋白编码RNA162可降低miR-383 和升高组蛋白去乙酰化酶9水平，通过两面神激酶2/信号转导及转录活化因子3(JAK2/STAT3)信号转导增强而促进足细胞损伤、炎性细胞因子的释放和肾小球硬化[3]。启动子区DNA甲基化是指通过DNA甲基转移酶(DNMT)催化S-腺苷甲硫氨酸(SAM)作为甲基供体，再将胞嘧啶转变为5-甲基胞嘧啶的过程。在高糖环境下，转运酶2结合增加，存在着TGF-β1调节区DNA甲基化的逐渐降低，导致TGF-β1的表达水平增加和细胞表型转化[4]。DNA甲基化还与炎症反应、氧化应激、肾纤维化、细胞凋亡等相关[5]。

1.2基因多态性 在糖尿病患者中，部分基因的基因型对肾脏有保护作用，部分则增加患者发生DN风险。有研究对DN和糖尿病患者的血清白细胞介素-18(IL-18)水平及其等位基因和单倍型频率-137G/C、-607C/A和-656G/T进行评估，发现-137G等位基因在两类患者之间存在显著差异，但-607或-656等位基因IL-18基因启动子无明显变化[6]。另外，血浆五聚素3基因多态性、转录因子7样2基因多态性、血管紧张素转换酶基因I/D均与糖尿病肾损伤有密切关系[7]。

2 糖代谢紊乱

2.1晚期糖基化终产物(AGEs) AGEs-糖基化终末产物受体(RAGE)信号通路激活NF-κB，进入细胞核中，同多种基因启动子特异性序列结合，引起大量促炎细胞因子、黏附分子、生长因子的表达和释放，致慢性肾脏细胞活化和组织损伤[8]；激活TGF-β1细胞因子，通过控制蛋白酶的合成和降解，使肾小球细胞外基质增加和肾小管上皮间质化，最终致肾组织纤维化[9]；诱导单核细胞因子趋化蛋白-1(MCP-1)基因，激活巨噬细胞及单核细胞，使休眠状态下的纤维细胞转化为成纤维细胞，促进肾小球硬化和肾间质纤维化[10]；增加肌醇加氧酶(MIOX)的活性，激活磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)-蛋白激酶B(PKB)途径的各种信号激酶以及增加NF-κB，TGF-β和纤连蛋白的表达，导致肾小管间质损伤[11]。

2.2多元醇通路(PP) PP是动物组织中葡萄糖的代谢途径，主要包含由醛糖还原酶(AR)和山梨糖醇脱氢酶催化的2个反应。生理状态下PP的葡萄糖代谢很少，AR活性很低或者没有，长期高血糖状态时PP的葡萄糖代谢增强，AR活性增加[12]。AR通过还原型辅酶Ⅱ(NADPH)将葡萄糖还原为山梨糖醇，而山梨糖醇脱氢酶通过辅酶Ⅰ(NAD+)将山梨糖醇转化为果糖，从而导致产生还原型辅酶Ⅰ(NADH)。NADH/NAD+氧化还原失衡、山梨糖醇的积累以及果糖和NADH的产生都与糖尿病的发病机制及其并发症有关[13]。NADH/NAD+氧化还原失衡，导致氧化应激(OS)以及对大分子(包括DNA、脂质和蛋白质)的氧化损伤[14]，并通过激活磷脂酶C诱导二酰基甘油的生成，从而导致蛋白激酶C(PKC)激活[15]。

2.3PKC PKC的激活改变了细胞信号分子，包括促炎性细胞因子，如NF-κB、IL-6和TNF-α，以及内皮细胞和系膜细胞在内的血管细胞中的纤溶酶原激活物抑制剂1细胞[16]。高血糖还可激活PKC-β的同工型，从而增强血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)对肾小球内皮细胞的毒性作用，并降低胰高血糖素样肽1(GLP-1)的受体，从而导致针对GLP-1治疗的耐药性[17]。

3 血流动力学异常

高星[18]研究表明，早期DN组与临床期DN组患者肾内血流信号逐渐减少，肾损害逐渐加重，虽然主肾动脉清晰可见，但肾内动脉出现变细或粗细不等，部分可见突然变窄或截断。DN患者肾动脉血流速率下降、阻力增高不仅导致肾脏灌输不足，而且会使肾脏组织损伤显著加重。高糖环境下，激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)，AngⅡ的生成增加，从而使毛细血管收缩，增加醛固酮分泌，使肾脏处于高阻力、低流速状态[19]。AngⅡ还可以活化细胞内多条信号途径，引起炎症及肾细胞的生长、分化、凋亡等[20]。

4 炎症反应

在高血糖环境下，可激活肾细胞内下游信号传导级联反应，从而导致多种炎症途径的激活，如NF-κB/NLRP3、NOD1-RICK-NF-κB、NLRP3-Caspase-1-IL-1β等炎症通路，激活的信号通路致循环中炎症细胞、炎症因子浸润，参与肾脏疾病的炎症过程[21]。Nod样受体蛋白3(NLRP3)炎症小体是调控慢性微炎症的关键因子之一，可以直接诱导肾脏固有细胞形态和功能的改变。NLRP3炎症小体使其组分蛋白NLRP3、ASC、Caspase-1前体表达和结合水平改变，下游的Caspase-1、IL-1β、IL-18等效应蛋白表达水平升高，并促进相关炎症介质的释放，其分子调控机制涉及ROS/TXNIP通路、NF-κB通路、Nrf2通路、IncRNA通路以及MAPKs等多条通路[22]。

糖尿病环境中的高糖、高脂、糖基化终末产物、多种炎症因子等能够促进巨噬细胞的募集迁移活化，M1巨噬细胞启动免疫反应并产生促炎细胞因子，释放IL-1、TNF-α等因子通过JAK/STAT途径诱导产生NF-κB[23]，并刺激MCP-1、TGF-β等大量细胞因子的分泌，损伤肾脏，又反过来促进巨噬细胞的迁移活化，形成以巨噬细胞为核心的肾脏损伤的恶性循环。白细胞介素是炎症初期产生的一类细胞因子，IL-1β主要由足细胞产生，对足细胞损伤和修复起作用，IL-6可以促进肾小球细胞增生，浓度过高则抑制胰岛素分泌；IL-8能引起肾小球通透性增加，产生蛋白尿。另外，补体系统、肥大细胞、辅助T细胞在炎症反应以及肾脏损伤中起重要作用[24]。

5 内质网应激(ERS)

在外界刺激下，内质网中未折叠或从错误折叠蛋白质累积，导致内质网稳态的紊乱，称为ERS。正常情况下，启动未折叠蛋白质反应(UPR)属于细胞保护机制，主要通过IRE1、PERK和ATF6三条信号通路影响细胞内的转录和翻译以减轻内质网应激。当ESR过强时，促凋亡机制占主导，通过激活Caspase-12、诱导CHOP表达、激活线粒体介导的凋亡通路引起细胞凋亡。

研究表明，长非编码RNA(lncRNA)TUG1通过介导高糖诱导的DN中的内质网应激(ERS)-CHOP-PGC-1α信号传导途径影响足细胞凋亡[25]。蛋白超负荷通过足细胞中的活性氧(ROS)可诱导内质网应激，从而降低整联蛋白β1的翻译和糖基化，可能会进一步降低足细胞对肾小球基底膜的黏附力，致蛋白质渗入尿液增多[26]。肾小球系膜细胞(GMCs)可维持肾系膜基质和肾小球毛细血管的结构稳定，高糖诱导GMCs发生内质网应激，通过诱导CHOP表达导致细胞坏死[27]。另外，AGEs通过内质网应激触发信号通路诱导GMCs凋亡[28]。在肾小管上皮细胞(RTECs)中，尿激酶Ⅱ诱导ERS并增加早期糖尿病RTECs细胞外基质的产生[29]。

6 氧化应激

OS与炎症细胞募集相关，通过诱导炎症因子的产生导致炎症反应的发生增加，体内低水平的ROS可以维持缺氧诱导因子(HIF)的稳定性，大量ROS刺激HIF，导致机体对缺氧的反应性变弱，导致肾小管间质的低氧损伤，当氧自由基的增加超过了人体的抗氧化能力时，就会发生OS反应。

OS可以损伤足细胞并引起肾脏纤维化，通过激活足细胞NADPH氧化酶、TGF-β1[30]和Caspase-3途径，生成大量ROS，诱导足细胞凋亡，并通过影响足细胞的信号传递致足细胞凋亡[31]。肌醇加氧酶(MIOX)通过葡萄糖醛酸-木酮糖途径将肌醇代谢为D-葡萄糖醛酸。在高糖环境下，MIOX的过度表达扰动了NAD+/NADH的比率，增加ROS的产生，还伴随着线粒体功能障碍，DNA损伤和凋亡诱导，原纤维形成细胞因子的增强活性和纤连蛋白的表达，从而加剧了肾脏损伤[32]。高糖刺激了ROS的产生，降低了抗氧化酶超氧化物歧化酶活性和谷胱甘肽的水平，增加了NADPH氧化酶的活性，上调了P53的表达和Bax/Bcl-2的比例并增强了Caspase-3的裂解，导致GMCs程序性死亡[33]。ROS还可以介导肾脏炎症的发生加速糖尿病肾病的发展，机体清除氧自由基的能力下降亦会导致肾细胞的损伤。

7 自 噬

自噬是应激诱导的适应性反应，通过内源性物质的再循环为细胞提供营养和能量，并在缺氧、内质网应激等环境下清除大量聚集的蛋白质和受损的细胞器，因此，自噬被认为是维持细胞稳态的必须系统。目前已知的细胞自噬主要通过雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路、腺苷酸激酶(AMPK)信号通路和组蛋白去乙酰酶1(Sirt1)信号通路进行调控。高糖状态下，自噬在维持足细胞的溶酶体稳态中起着关键作用，并且其损伤与足细胞丢失的发病机制有关，导致大量蛋白尿产生[34],由于营养过剩而导致的营养状态改变可能会干扰细胞内的自噬反应，从而导致细胞器功能障碍和DN恶化[35]。

线粒体自噬紊乱在DN进展中起重要作用。在DN中，存在足细胞、GMCs、RTECs等各细胞的线粒体自噬紊乱，致肾脏细胞损伤及凋亡。足细胞内富含大量线粒体，主要依靠氧化磷酸化来供能，Sirt6保护足细胞的线粒体并通过激活AMPK途径发挥抗凋亡作用,高糖情况下，Sirt6和AMPK被抑制，引起线粒体形态异常最终抑制自噬[36]。高血糖诱导的硫氧还蛋白互作蛋白通过激活mTOR信号通路，导致糖尿病肾病中肾小管自噬和线粒体的失调[37]。高糖诱导RTECs中动态相关蛋白1表达增加而线粒体融合蛋白2的表达降低，加剧线粒体碎片，线粒体膜电位表达降低。

8 外泌体

外泌体是一种起源于胞内的多囊体，由肾脏细胞主动分泌的脂质双分子层小囊泡，可反映细胞的病理生理状态，并已成为无创性DN生物标志物以及疾病阶段和进展的指示剂[38]，如DN患者尿液外泌体Elf3蛋白的出现表明足细胞存在不可逆转的损伤[39]。外泌体通过细胞间信息交流进而发挥调控功能，参与细胞存活与凋亡、血管新生、炎症免疫反应等相关，还在纤维化、自噬、免疫抑制及免疫激活等多方面发挥作用。

研究发现，微蛋白尿患者有16种外泌体miRNA表达失调，其中miRNA-6068、miRNA-320c等14种表达上调，miR-30d-5p和miR-30e-5p表达下调，大多数失调的miRNA参与肾脏疾病的进展[40]。高糖刺激可增加各种肾脏细胞中TGF-β1的分泌，富含TGF-β1mRNA的外泌体分泌增加可通过TGF-β1/Smad3信号通路促进GMCs中α-平滑肌肌动蛋白的表达、增殖和细胞外基质蛋白的过度生产[41]。此外，肾小球内皮细胞和GMCs均可通过增加富含TGF-β1mRNA的外泌体的分泌而与足细胞相互作用。另外，TGF-β1mRNA和经典的Wnt/β-catenin信号传导与外泌体诱导的足细胞上皮-间质转化有关[42]。

9 小 结

DN发病机制较复杂，全面系统地了解其发病机制，可更好地完善DN患者的诊疗，虽然目前有多种治疗方法，但仍不能全面控制疾病的发展，因此必须重视糖尿病肾病的发病机制，针对相应机制采用合理的靶向治疗药物，例如减轻炎症、保护足细胞、改善细胞自噬等已经成为治疗DN的有效途径。希望随着现代临床、动物及细胞实验研究的不断深入，将对其发病机制、治疗及预防的认识不断更新。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。