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糖尿病肾病肾小管间质损害的研究进展

来源:中华实用医药杂志 作者:安娜(综述),刘惠兰(审校) 2007-4-26
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摘要: 糖尿病肾病肾小管间质损害的研究进展 (pdf) 【摘要】 糖尿病肾病是导致终末期肾衰竭的重要原因,其不仅发生肾小球的损伤,也发生肾小管的病变。而且肾小管间质的损伤程度已成为反映糖尿病患者肾损伤的重要病理指标。糖尿病肾病时在尿糖、尿蛋白等因素的综合作用下,细胞因子异常表达,使其相互关系失衡,最终导致不可逆转......


    糖尿病肾病肾小管间质损害的研究进展 (pdf)

    【摘要】  糖尿病肾病是导致终末期肾衰竭的重要原因,其不仅发生肾小球的损伤,也发生肾小管的病变。而且肾小管间质的损伤程度已成为反映糖尿病患者肾损伤的重要病理指标。糖尿病肾病时在尿糖、尿蛋白等因素的综合作用下,细胞因子异常表达,使其相互关系失衡,最终导致不可逆转的肾间质纤维化。

    【关键词】  糖尿病肾病;肾小管间质纤维化;转化生长因子;结缔组织生长因子

     糖尿病肾病(DN)是糖尿病主要的慢性并发症之一,其已成为导致终末期肾衰竭的主要原因。过去的研究认为糖尿病肾病的病变主要是肾小球的硬化。但近期的大量研究,已证实糖尿病肾损伤同时也发生在肾小管。研究证实在各种继发性及原发性肾小球疾病中,肾小管间质病变程度是反映肾功能下降严重程度和判断预后最重要的指标[1]。糖尿病肾病发病机制非常复杂,主要是遗传因素、长期的糖代谢紊乱、血液动力学改变、蛋白尿,及炎症因子、细胞因子、激素等因素综合作用的结果。近年来大量的实验证明,细胞因子和糖尿病肾病的病理变化及临床表现密切相关。在高糖、蛋白尿、慢性缺氧等因素的作用下肾组织中的一些细胞因子异常表达从而加重其病理损害。本文主要针对与糖尿病肾病肾小管间质损害有关的细胞因子进行综述。

    1  糖尿病时肾小管间质的变化 

 糖尿病肾病的病理特点主要表现为早期肾脏肥大,肾小球和肾小管基底膜的增厚,随着病程进展,可逐渐发展为肾小球细胞外基质进行性积聚,肾小管间质纤维化,而最终发展为不可逆性肾组织结构毁损。正常的肾小管上皮细胞(TEC)具有旺盛的代谢活性和潜在的增殖能力,并能分泌多种细胞因子。糖尿病患者在尿糖、蛋白尿和慢性缺氧等因素的作用下,其TEC极易发生结构和功能损伤。因TEC与尿液直接接触,尿液中的蛋白、细胞因子等有害物质可直接引起TEC损伤、活化及表型转化,并释放多种炎症因子和生长因子。而肾小管上皮细胞损伤后的改变被认为是肾间质纤维化的起始因素[2]。主要因为TEC在结构上与肾间质紧密相连,损伤的TEC可直接参与间质炎症、纤维化,或通过吸引间质炎症细胞浸润和促进间质固有细胞增殖而在间质纤维化过程中起重要作用。肾小球蛋白高滤过造成的肾小管的蛋白负荷为诱导间质炎症的关键信号;蛋白质等大分子物质过滤至肾小管,导致溶酶体破裂、能量供应降低,并且一些特定成分可直接损伤小管细胞,从而造成小管间质病变[3]。同样,Mark也认为与肾小管接触的蛋白尿将会引起小管周围炎症及纤维化[4]。此外,糖尿病患者处于一种慢性低水平的炎症状态。体内有多种生长因子参与炎症反应,并作用于极性很强的小管上皮细胞,使细胞间紧密连接消失、极性破坏,小管上皮细胞的屏障作用减弱,加速细胞外基质沉积,导致间质纤维化[5]。由此可见,肾小管间质纤维化已成为糖尿病肾病自然发展的必然趋势。

    2  转化生长因子-β(Transforming growth factor-beta,TGF-β)

  TGF-β是一个多潜能的生长因子,由多种细胞分泌的、具有多重生物学效应的细胞因子。TGF-β在哺乳动物体内主要存在三种同分异构体TGF-β1、TGF-β3、TGF-β2,各异构体的生物学特征基本相同。但在肾脏,TGF-β1表达的最多,主要在肾小管上皮细胞和肾小球。TGF-β1主要通过自分泌及旁分泌发挥生物学作用,它通过控制细胞周期G1期向S期转化来抑制细胞增生、诱导细胞肥大;同时它能增加肾小球上皮细胞、系膜细胞、肾近曲小管上皮细胞和成纤维细胞ECM蛋白分子的合成,抑制基质降解蛋白酶如胶原酶的合成,阻止ECM的降解,结果使ECM成分稳定升高。在长期的高糖环境培养下,Fraser等发现近曲小管上皮细胞的TGF-β1的转录被激活,同时也激活了血小板衍化生长因子(PDGF)的受体,以致增强了对内源性的PDGF的反应,而并不刺激PDGF的合成。而且糖诱导下的TGF-β1的转录增加,同时PDGF介导下的TGF-β1的表达也增加。此外,还发现PDGF对TGF-β1的表达有协同作用。从而证实了在DN的发展中高糖对致纤维化因子TGF-β1合成的各个环节进行调节[6]。研究显示,在DN小管间质纤维化过程中,TGF-β1参与了有关细胞外基质(ECM)堆积及细胞肥大的各大环节:TGF-β1可刺激ECM中层粘蛋白、纤维连接蛋白(FN)、Ⅳ型胶原等多种成分合成增加,而且TGF-β1不仅可抑制与ECM成分降解有关的基质金属蛋白酶(MMPs)的表达及活性,还能通过增加MMP抑制物的表达及活性,减少ECM的降解。另外,TGF-β1还可使间质纤维原细胞转化为肌成纤维细胞,导致ECM过度产生,小管间质纤维化[7]。Li等认为TGF-β1可能在肾小管间质纤维化进程中经Smad信号转导通路调节表达肌成纤维细胞表型的基因的转录,促发TEC向成纤维细胞转化发生,促进肾间质纤维化[8]。Han等在短期内给STZ所致的糖尿病大鼠模型持续皮下注射TGF-β1反义寡核苷酸液(ODN)可以明显地减少TGF-β1蛋白水平,减缓肾脏的重量增长,降低细胞外基质mRNA的水平;在体外实验中TGF-β1 ODN可以减轻高糖所致近曲小管肥大[9]。在db/db糖尿病小鼠模型中,予TGF-β抗体可以成功地阻止细胞外基质表达和肾功能损伤[10]。所以,在糖尿病肾病中TGF-β1可能通过介导肾脏肥大,细胞表型转化,增加细胞外基质,抑制基质降解酶合成及活性等作用,而加速肾间质纤维化,导致肾功能受损。

    3  结缔组织生长因子(Connective tissue growth factor,CTGF)

  CTGF最初是从人脐静脉内皮细胞中分离纯化获得的一种富含半胱氨酸的生长调节因子。CTGF基因属于CCN家族。人的CTGF基因定位于6q23,为单体分泌蛋白,相对分子质量约为36KD或38KD,两者N端结构不同。CTGF存在于心、脑、肾、肝、子宫、胎盘、胰腺、结缔组织等多种组织器官中,在肾脏中含量最高。在正常肾脏组织中,肾小球壁层、脏层上皮细胞及一些间质细胞均可分泌少量CTGF,在肾小管间质炎症时,CTGF的来源主要由成纤维细胞及肾小管上皮细胞转化而来的成肌纤维细胞。目前认为,CTGF在细胞的增殖、分化、胚胎形成和损伤的修复中起着重要调节作用。高血糖本身可以引起CTGF的表达与合成增多,此外还可以通过刺激TGF-β的产生,而上调CTGF的表达与分泌。糖基化终末产物可以使人类肾脏基质细胞中的CTGF上调;另一部分实验,在糖尿病大鼠中予AG(糖基化终末产物形成抑制剂)治疗可以预防CTGFmRNA及其蛋白水平的增加[11]。在0kada等的实验中,抑制肾小管上皮细胞CTGF的表达,虽然不能影响TGF-β1mRNA的水平,但可以使基质蛋白的mRNA水平降低,并减轻肾间质纤维化[12]。Wang等在糖尿病鼠的近曲小管、皮质与髓质远曲小管及乳头状集合管都观察到CTGF mRNA表达,且含量明显增多,但在非糖尿病鼠却未见上述现象[13]。McLennan 等认为CTGF介导高糖对ECM降解的抑制作用[14],在肾小管间质纤维化中发挥作用。此外,CTGF可增加细胞外基质及纤维原细胞;介导TGF-β致细胞肥大的作用;介导TGF-β致上皮细胞转型表达的作用,刺激肾小管上皮细胞向肌成纤维细胞转分化,而CTGF反义寡核苷酸的导入可有效抑制TGF-β诱导的转分化过程[15]。同样,Yokoi等人通过CTGF的抑制剂也减轻了肾脏间质纤维化的程度[16]。总之,CTGF作为TGF-β致纤维化的下游调节因子,在许多方面介导TGF-β的致纤维化作用,其在糖尿病肾病中起重要的作用。

    4  血小板衍化生长因子(Platelet-derived growth factor,PDGF)

  PDGF是一种多肽,可由多种细胞经刺激产生。它由两条高度同源的肽链即A链、B链通过二硫键连接而成,分子量约为30KD,存在3种形式:PDGF-AA、PDGF-BB、PDGF-AB。PDGF的生物学效应为:(1)促进成纤维细胞、神经胶质细胞、平滑肌细胞、上皮细胞及内皮细胞增生;(2)刺激成纤维细胞、血管平滑肌细胞、中性粒细胞和单核细胞的趋化性;(3)引起血管收缩等。糖尿病状态下存在肾组织局部糖代谢紊乱。高糖可刺激葡萄糖转运子1(GLUT1)的表达和活化,促进葡萄糖进入细胞内,而细胞内高糖可诱导PDGF产生,后者进一步刺激GLUT1的表达和活化。促进更多的葡萄糖进入细胞内,形成恶性循环,促成糖尿病肾病的发生。此外,PDGF可通过与转化生长因子之间的相互作用促进DN的发生、发展。如前所述,近端肾小管上皮细胞可通过分泌细胞因子TGF-β1在肾间质纤维变性的发生中起重要作用,而其分泌受高血糖和PDGF的调节。同时,TGF-β1调节PDGF受体的表达和分泌。实验已证实糖尿病时肾小管间质内PDGF的表达增加。Kelly 等发现用链脲佐菌素诱导的糖尿病鼠和糖尿病病人,其肾小管间质内PDGF-B链mRNA表达较正常增高近5倍,采用原位杂交也可见肾小管上皮细胞内PDGF-B链mRNA表达升高,使用AGEs(晚期糖基化终末产物)抑制剂氨基胍后可显著降低PDGF-BB的水平[17]。PDGF除引起肾小球系膜细胞增生和ECM积聚外,还可引起肾小管及其间质的病变。Wang等通过对24~30周病程的糖尿病鼠肾单位微穿刺检查也发现近端小管中PDGF表达升高,而水平升高的PDGF-BB能作用于肾小管间质肌成纤维细胞,诱导其产生胶原纤维Ⅲ,从而引起肾小管间质的纤维化,加重肾脏的硬化[18]。总之,PDGF通过使细胞增生,ECM积累,纤维细胞表达,与TGF-β相互作用等方面在糖尿病肾病的发生、发展中起着重要的作用。

    5  单核细胞趋化因子1(Monocyte chemo attractant protein,MCP-1)

  MCP-1属于趋化因子家族中的β类趋化因子(趋化因子是一些分子量相对较低的蛋白质)。其可由体内多种细胞产生,包括内皮细胞、平滑肌细胞、单核细胞、系膜细胞等。MCP-1有两种分子量分别为15kD和13kD的蛋白质,分别称之为MCP-1α和MCP-1β。MCP-1的主要功能是趋化和激活单核-巨噬细胞,它对单核细胞的趋化作用在C-C亚族趋化因子中占绝对优势;另外还刺激单核细胞产生呼吸爆破和钙离子释放。此外MCP-1可趋化和激活嗜碱性粒细胞,使其释放组胺。Wada等发现DN患者尿中MCP-1水平的升高与肾间质纤维化及肾小管萎缩的程度相一致,也与肾间质中CD68阳性单核巨噬细胞数具有显著相关性[19]。因此,认为局部产生的MCP-1参与了DN的发展,尤其通过单核巨噬细胞的聚集与活化导致肾小管间质损害。进一步的临床试验研究发现,大量蛋白尿的患者尿中MCP-1平均水平明显高于正常蛋白尿及微量蛋白尿者,且尿MCP-1排泄水平与尿中白蛋白及N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶(NAG)的排泄水平呈正相关,提示尿MCP-1由肾小管细胞产生释放入尿液,产生的MCP-1进一步参与肾小管损害[20],说明大量蛋白尿通过增加肾小管表达MCP-1,从而加速DN进展。

    6  肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor,HGF)

  HGF又名离散因子(sactter factor,SF)属不耐热多糖蛋白。其前体由728个氨基酸残基组成单链,是无活性的,经蛋白酶水解作用产生具有生物活性的异二聚体,成熟的HGF蛋白分子由α链(分子量为68kD)和β链(分子量为34kD)通过二硫键相连接。研究已证实,HGF是一种非组织特异性生长因子,是目前已知生物活性最广泛的生长因子之一,其可以刺激多种上皮细胞和内皮细胞进行有丝分裂、运动以及小管形态的发生[21]。对正常肾脏HGF的功能主要是保留和维持肾脏细胞的表型和分化状态。大量研究表明肝细胞生长因子的减少与肾小管间质纤维化密切相关。研究发现在高血糖的作用下HGF的表达存在时间特异性:高血糖这个有害信号刺激细胞后,使得细胞发生损伤,诱导机体发生一过性防御反应,早期HGF/c-Met快速上调,可以促进细胞有丝分裂,对损伤的细胞进行修复;而随着高血糖的持续稳定的作用,细胞产生防御反应的能力下降,HGF/c-Met表达逐渐降低,而且伴随着TGF-β等生成增多,使细胞外基质蛋白表达增多并抑制其降解,造成细胞肥大,最终导致肾脏纤维化[22]。在糖尿病肾病动物模型C57BL/KSJ-db/db(db/db)鼠12W时连续肌肉注射HGF12周后发现,其在不影响糖代谢作用的前提下,HGF通过减少小管上皮细胞的凋亡及表型转化、增加基质的分解,以及抑制TGF和CTGF上调及抑制TIMP(组织基质金属蛋白酶)抑制因子表达,从而抑制糖尿病时肾小管间质病变,明显的改善了肾功能[23]。同样,Dai等的实验中证实HGF可以减轻糖尿病肾病时肾脏肥大,肾脏内转化生长因子的表达,以及肾小管上皮细胞的凋亡,从而对糖尿病肾病起保护作用[24]。总之,通过体内外实验可以证实,肝细胞生长因子通过对抗一些促纤维化的生长因子(TGF等)的作用对糖尿病肾病起保护作用。

    7  表皮生长因子(Epidermal growth factor,EGF)

  EGF在体内合成的主要器官之一是肾脏,Henle’s袢升枝厚壁段和远曲小管是EGF合成的主要部位,肾小球内浸润的单核细胞和血小板也能释放EGF。EGF可以刺激上皮细胞增殖。Wassef等给STZ诱导的SD糖尿病大鼠予以EGF受体抑制剂PKI166(100mg/kg·d)2天和3周后,通过检测增殖细胞核心抗原(PCNA)反映肾小管上皮细胞增殖并测量肾重,结果发现,干预2天与对照组相比,EGF受体抑制剂显著减少肾重及肾小管上皮细胞增殖(P<0.01)干预3周与对照组相比,EGF受体抑制剂还可明显降低肾小管上皮细胞的硬化(P<001)[25]。由此可见,EGF参与了DN的发展,促进了TEC的改变。

    8  骨桥蛋白(Osteopontin,OPN)

  OPN具有组织细胞特异性,能以多种不同的成熟形式存在于不同的组织细胞及正常体液中。肾脏为表达OPN的主要器官之一。在正常成人肾脏切片中可见,OPN主要表达于肾小管(包括近曲小管、远曲小管、髓袢升支粗段)及一些集合管上皮。OPN启动子存在高糖及葡萄糖胺的反应元件,提示高血糖及葡萄糖胺可诱导OPN的表达。体外培养的人近端小管上皮细胞在高糖环境下可经磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)途径诱导OPN表达[26]。另一实验显示肾小管及系膜细胞在缺氧环境下OPN表达上调,并且与高糖上调OPN的作用相协同,促进Ⅳ型胶原合成[27]。

    9  总结

  肾小球和肾小管肥大是DN早期的主要病理表现,而肾小管间质纤维化更是DN进展为肾衰竭的主要因素。由于高糖等因素刺激导致TGF-β、CTGF、MCP-1、HGF、PDGF等多种细胞因子异常分泌,直接或间接促进成纤维细胞增殖,诱导Ⅰ型、Ⅳ型胶原和FN的合成,促进ECM堆积;并且细胞因子间的失衡使间质炎症细胞浸润和间质固有细胞增殖、ECM积聚。由于细胞因子形成网络系统而使该作用放大,因此细胞因子在DN发病机制中具有重要作用。因此,寻求恢复细胞因子间平衡、阻止细胞因子失衡而继发肾间质纤维化的手段,将成为今后防止DN持续进展的新途径。

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    作者单位:100038 北京,首都医科大学附属复兴医院肾内科

   (编辑:齐  永)


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