糖尿病性肾病与糖尿病性骨质疏松症微血管病变的研究

史婧儒 王雨荷 赵宏艳 刘梅洁

中国中医科学院医学实验中心，北京 100700

国际糖尿病联盟2019年数据显示全球18～99岁人群中罹患糖尿病(diabetes mellitus, DM)者达4.63亿，到2045年，预计糖尿病患者将增加到7亿。我国是全球20～79岁糖尿病患者最多的国家，财政支出巨大[1]。经典理论认为[2]微血管病变(microvascular complication disease, MCD)是糖尿病性肾病(diabetic kidney disease, DKD)发展过程中的重要病理机制，现有研究发现[3-4]MCD也是糖尿病性骨质疏松症(diabetic osteoporosis, DOP)的关键病理因素之一。

1 糖尿病性肾病

DKD是DM常见且难治的并发症，为终末期肾脏病的首要原因，也是DM患者死亡率的单一最强预测因子。

DKD在形态学上表现为系膜弥漫性或结节性扩张，肾小球和肾小管基底膜弥漫性增厚。研究发现[5]，Ang/Tie系统在DKD发生发展中发挥着重要作用，DKD早期肾小球因异常新生血管而基底膜增厚肥大，毛细血管阻塞引起毛细血管袢代谢性扩张，大量尿白蛋白漏出，形成了典型的小动脉透明变性、球囊滴、透明滴等病理形态学改变，若合并高血压则会加重肾小球内压力，促进新生血管的发展；晚期肾脏微血管结构发生进行性破坏，微血管数量减少，肾组织缺血、缺氧，进而肾间质纤维化和肾小球硬化破坏肾小球滤过功能，最终进展为终末期肾功能衰竭。

目前关于其分子生物学机制的研究涉及多个角度。(1)肾小球足细胞在肾纤维化中作用巨大，生长激素会诱导足细胞中的Notch1信号传导加重DKD肾功能衰竭[6]；(2)血管紧张素II介导的MYH9基因下调导致DKD结构和功能性足细胞损伤，会提高肾小球滤过屏障通透性[7]；(3)GREMLIN/VEGFR2通路的激活与糖尿病肾病的发展有关[8]；(4)实验发现[9]柴胡多糖对小鼠DKD的调节作用涉及肠道微生物群和炎症，说明DKD可能与肠道微生物群和低度炎症有关。

2 糖尿病性骨质疏松症

骨骼已被认为是T1DM和T2DM并发症的重要靶器官，尤其受到脆性骨折和局部感染风险增加的影响[10]。有学者通过上千例的流行病学研究[11]发现T2DM的存在会增加骨量减少并发生骨质疏松(osteoporosis, OP)的概率，也可以影响Ⅰ型胶原氨基延长肽和β胶原特殊序列等骨代谢指标水平[12]，降低绝经后女性T2DM患者骨密度(bone mineral density, BMD)含量。Christine等[13]发现在T1DM中，缺乏包括胰岛素在内的骨代谢性胰腺激素会阻止产生足够的峰值骨量，在T2DM中即使骨骼质量保持正常，频繁跌倒和骨骼质量受损也会导致脆性骨折。

目前，MCD会引起OP的假说得到了证实[3,14-16]，发生微循环障碍时，骨组织局部微血管的灌注和生成受到抑制，随着DM发展逐渐加重，新生血管生成进一步减少[17-18]。同时，毛细血管通透性增加，微循环周围的基底膜增厚，骨营养不良影响骨的重建，致骨量降低和发生骨质疏松的风险增加[19-21]。文献研究发现[22]DM患者出现糖尿病肾病等多种微血管病变时BMD明显下降。另外，DM引起胃肠道微血管病变，影响钙磷吸收，骨合成原料减少，也可致OP。

总体来看，DOP的发病机制复杂多样，多数学者认为主要与胰岛素[23]、胰岛素样生长因子-1(IGF-1)、糖基化终末产物[24]、炎性因子(TNF-α、IL-6)、瘦素[25]、氧化应激[26]、高血糖等有关。

3 DKD与DOP的内在联系

DKD与DOP均是由糖尿病引起的常见且严重的慢性并发症，并且两者之间的联系与微血管病变密切相关。流行病学调查数据[27]证实，至少有超过二分之一的DKD患者发生了OP，临床上患有OP的患者更可能合并DKD、DR和糖尿病周围神经病变。Peter[28]分析了124 655例骨折病例后发现T1DM的骨折风险增加高于T2DM的骨折风险，在对混杂因素进行调整之后，1型和2型DM之间的差异消失，只有T1DM中的DKD保留了明显增加的骨折风险，表明DKD与糖尿病性骨病存在一定的临床联系。OP合并DKD患者的血钙、糖化血红蛋白(HbA1c)[29]、甲状旁腺素(PTH)、25-OH-D3[30]、BGP、PINP[31]等骨代谢相关指标较未合并DKD患者的明显异常，DKD患者腰椎、股骨和股骨颈等处的BMD水平与DOP的严重程度呈负相关[32-33]，这些病人中常出现显著的BMD值下降[34]。已有研究表明[21,35-36]，发生DOP患者并发DKD的概率明显高于未并发DKD的患者的概率，且产生BMD降低、骨痛和骨折等骨代谢失常的风险随着MCD的发展逐渐增加。

在高糖状态下各种血管生成因子相互作用引起血管内皮细胞的炎症、氧化应激和表观遗传修饰，其典型病变是微血管障碍、微血管瘤形成和微血管基底膜增厚。毛细血管网病变发生在肾小球微循环中则发展成DKD，它是终末期肾病的重要触发点；若发生在骨组织中则引发骨代谢失常而导致DOP，当并发DKD时会进一步降低患者的骨密度，增加骨折风险[37]。MCD可能通过高糖环境、血管生成因子、糖基化终末产物、甲状旁腺激素等影响DKD和DOP的发生发展。

3.1 高糖环境

在高糖环境下细胞线粒体膜上的电子传递链中产生大量的氧自由基，该分子可以使全身细胞被氧化，这种“老化”过程在DKD和DOP的微血管病变中主要以氧化应激的形式表现出来。高糖条件下，醛糖还原酶和山梨糖醇脱氢酶起到关键催化作用，山梨糖醇的累积、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的消耗及果糖和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的生成均与MCD血管内皮细胞结构和功能损伤有关。另外，高糖状态激活了与肾和骨骼微血管有关的Ang/Tie系统，血管内皮细胞的NADPH氧化酶衍生的活性氧族(ROS)在促血管生成素1(Ang-1)诱发的血管新生中至关重要。

除了上述的多元醇通路活化和Ang/Tie系统激活外，AGEs累积，PKC活化和己糖胺过度激活等机理也可直接或间接地影响血管内皮细胞结构和功能，加重MCD，进而加剧DKD与DOP的发展[38]。

3.2 血管生成因子

血管内皮生长因子(VEGF)、碱性成纤维细胞生长因子 (bFGF)和骨形态发生蛋白-2(BMP-2)和骨形态发生蛋白-4(BMP-4)被认为可以促进DKD发展中的微血管生成，其中VEGF作为促血管生成的主要因子和血管通透性增加的重要诱导因子，推动MCD的发生与发展[39]。在成骨细胞和破骨细胞分化、发育、凋亡过程中，上述因子也作用于骨组织血管化、骨吸收和形成[40]。目前已知最强的血管通透因子是VEGF-A，它能选择性地诱导微血管内皮细胞增殖分化，增加血管通透性。因此，VEGF-A可能在NO驱动血管舒张时对DM患者骨组织的血管并发症发挥作用[41]，但在DKD晚期纤维化时VEGF-A浓度又会降低，提示肾小管细胞和足细胞的损伤。以上这些因子的异常都可以造成DKD和DOP患者微循环营养成分流失。

3.3 糖基化终末产物

糖基化终末产物(advanced glycation end products, AGEs)是一种糖和蛋白质代谢形成的不可逆终末产物，且机体组织在生理衰老和高血糖条件下会加速AGEs的生成[42]。AGEs[43-46]与其受体相结合可引起血管炎症、巨噬细胞和血小板活化并刺激炎症细胞迁移，血管的顺应性降低，血管壁与基膜结构被破坏，最终血管的通透性增加，这些反应均会导致MCD的发生和发展[47]。另外，血清AGEs水平随着糖尿病的进展而升高，可能与糖尿病肾损害致 AGEs 降解排泄减少，在体内堆积有关。慢性高血糖条件下，DKD患者因氧化应激可导致晚期AGEs累及骨胶原蛋白，其结构损伤会改变成骨细胞的分化，导致骨重建及骨微结构改变[44]。AGEs与 AGEs 受体结合产生过多的细胞因子，如白细胞介素(IL-1、IL-6)、TNF-α、NO等，促进破骨细胞形成，增加破骨细胞活性，导致骨吸收增加[48]。

3.4 甲状旁腺素

血钙、磷及1,25(OH)2D3水平是影响甲状旁腺素(parathyroid hormone, PTH)的主要因素。DKD患者因肾脏微血管病变，引起1-α羟化酶水平降低，1,25(OH)2D3合成受影响，从而常伴有钙、磷代谢紊乱。低血钙可迅速反馈性刺激PTH分泌增加，PTH浓度较高的情况下，会通过对降钙素与RANKL的反比例调节活化破骨细胞，以PTH的破骨作用占优势，成骨作用受抑制，加速骨溶解，最终导致DOP的形成[22]。

4 结论

虽然研究表明DKD、DOP的发病机制复杂多样，但多种证据指向MCD是导致DKD与DOP的共同发病机制之一。由于DOP的早期诊断标准具有一定的争议，导致二者在临床表现上存在非同步性，DKD的发生发展时期与DOP并不一致。DKD在微血管病变中的信号通路已经被大量研究，但DOP尚需长期的前瞻性研究以明确MCD和OP之间的联系。明确DKD和DOP间的关系、探讨二者共同的发病机制、以MCD为切入点研究糖尿病的这两种并发症，对于DKD与DOP的前期排查、早期诊断、积极防治均具有重要意义。