多囊腎病發(fā)病機(jī)制和治療

許書添 綜述 姚小丹 審校

多囊腎病(polycystic kidney disease,PKD)是人類常見的單基因遺傳性疾病之一。PKD按遺傳方式可分為常染色體顯性多囊腎病(autosomal dominant polycystic kidney disease,ADPKD)和常染色體隱性多囊腎病(autosomal recessive polycystic kidney disease,ARPKD),其發(fā)病率分別為 1/400～1/1 000和 1/10 000～1/40 000。ADPKD的主要病理特征為雙腎出現(xiàn)許多大小不等的液性囊泡,囊腫進(jìn)行性長大,破壞腎臟結(jié)構(gòu)和功能,最終導(dǎo)致終末期腎病(ESRD)[1](圖1)。ADPKD除累及腎臟外,還可引起肝臟囊腫、胰腺囊腫、心瓣膜病、結(jié)腸憩室和顱內(nèi)動脈瘤等腎外病變。ARPKD的病理特征為雙側(cè)腎臟明顯增大,腎內(nèi)有放射狀排列的梭形囊腫,伴膽小管細(xì)胞增殖、門脈區(qū)擴(kuò)大、纖維化,患者常在嬰幼兒期即死亡,少數(shù)能存活至成年。目前已經(jīng)明確ADPKD的致病基因有 pkd1和 pkd2,分別編碼多囊蛋白 1(polycystin 1,PC1)和多囊蛋白 2(PC2)。ARPKD的致病基因為 PKHD1,其編碼蛋白為Polyductin。研究發(fā)現(xiàn),這三種基因編碼的蛋白在PKD發(fā)病機(jī)制中起著重要作用,且均位于腎小管上皮細(xì)胞的初級纖毛內(nèi),提示 PKD是纖毛結(jié)構(gòu)和功能異常引起的腎小管上皮細(xì)胞的一類纖毛相關(guān)疾病?，F(xiàn)將 PKD的發(fā)病機(jī)制和治療的最新研究作一簡要的概述。

初級纖毛

圖1 常染色體顯性多囊腎病囊腫生長模式圖[3]

ADPKD和 ARPKD均源自于初級纖毛結(jié)構(gòu)和功能異常的一類疾病[2]。纖毛大多數(shù)位于細(xì)胞表面呈細(xì)長的管狀結(jié)構(gòu),其基底部稱基體。按結(jié)構(gòu)和功能分為初級纖毛(primary cilia)和運(yùn)動纖毛(motile cilia)兩種,具有運(yùn)動和感知外界信號的功能。纖毛的基本結(jié)構(gòu)包括軸絲(由微管組成的細(xì)胞骨架)和外被的纖毛膜。纖毛膜與胞質(zhì)膜在結(jié)構(gòu)上是延續(xù)的,含有多種特異性受體、離子通道及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白。根據(jù)微管組成及排列方式的不同,哺乳動物的軸絲主要有 9+2和 9+0兩種類型,后者被稱為初級纖毛。腎組織的初級纖毛位于上皮細(xì)胞的頂端表面構(gòu)成腎小管組成部分(圖2)。初級纖毛伸入管腔內(nèi),與尿液直接接觸,其功能是作為機(jī)械感受器來感受尿流刺激。尿液流過小管上皮細(xì)胞頂端表面,機(jī)械刺激初級纖毛,產(chǎn)生化學(xué)信號,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子內(nèi)流增加,進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞周期和分裂。Pazour等[4]2000年報道 Tg737突變的小鼠除了初級纖毛顯著短于正常外,還出現(xiàn)類似于 PKD的腎囊腫表型。Tg737基因完全缺失的小鼠出生后不久即死于 PKD。該研究首次發(fā)現(xiàn)初級纖毛在維持腎臟形態(tài)和功能中起著關(guān)鍵性作用,初級纖毛裝配的缺陷可導(dǎo)致 PKD。此后的研究進(jìn)一步證實(shí)纖毛在維持多囊蛋白(PC)正常功能中起重要作用,任何引起纖毛功能缺陷的基因突變都會導(dǎo)致 PKD。

圖2 腎小管上皮細(xì)胞初級纖毛模式圖[5]

目前依據(jù)三點(diǎn)證實(shí) PKD是由于纖毛疾病或初級纖毛結(jié)構(gòu)和功能異常引起的疾病。首先,其他囊性腎臟疾病如青少年腎消耗病(nephronophthisis,NPHP)和巴-比二氏綜合征(Bardet-Biedl syndrome)均存在著 PC1、PC2和fibrocystin的突變,而這些蛋白正位于初級纖毛[6]。其次,pkd1發(fā)生突變的初級纖毛功能紊亂可導(dǎo)致尿流刺激后鈣離子內(nèi)流障礙。通過抗體封閉 PC2和 fibrocystin可治療野生型細(xì)胞,其原因在抑制尿流依賴性鈣離子濃度增加[7]。以上研究表明 PC1、PC2和 fibrocystin均具與鈣離子偶聯(lián)的機(jī)械感受器功能。最后,纖毛合成的基因(Kif3a和 Ift88)失活致使初級纖毛丟失,最終導(dǎo)致PKD[8,9]。然而,異常的初級纖毛為何導(dǎo)致 PKD的分子機(jī)制仍不清楚。但已發(fā)現(xiàn)初級纖毛可調(diào)節(jié)鈣離子內(nèi)流、Wnt/β-catenin和 cAMP信號傳導(dǎo)途徑及細(xì)胞極性[10]。

細(xì)胞極性和 PKD

細(xì)胞極性(planar cell polarity,PCP)指垂直于頂端和基底軸的組織平面的細(xì)胞立體結(jié)構(gòu)[11]。PCP最早在果蠅身上發(fā)現(xiàn)?；蛲蛔兛梢愿蓴_ PCP。PCP第一條信號途徑,即所謂的核心 PCP途徑,包括膜蛋白 frizzled,strabismus/van gogh和 flamingo/starry night和胞漿蛋白 dishevelled(Dsh),prickle和diego。PCP信號途徑可產(chǎn)生含 frizzled、DSH和diego蛋白復(fù)合體以及含 strabismus和 prickle的復(fù)合體。這兩個蛋白復(fù)合體在功能上相互對抗,但在細(xì)胞中分布不均勻[12]。PCP第二條信號傳導(dǎo)途徑包括兩個原鈣黏附蛋白、fat和 dachsous和另一條跨膜蛋白four-jointed和轉(zhuǎn)錄阻抑物 atrophin。PCP可調(diào)節(jié)胚胎期細(xì)胞轉(zhuǎn)移、定位和分化方向以及形態(tài)形成。例如,PCP參與軀干伸長和神經(jīng)管形成。一旦此過程出現(xiàn)缺陷則可致軀干變短和神經(jīng)管閉鎖。哺乳動物內(nèi)耳中毛細(xì)胞分布于耳蝸管壁中。一旦內(nèi)耳毛細(xì)胞PCP結(jié)構(gòu)紊亂則產(chǎn)生立體感覺的缺失和耳聾。

腎小管上皮 PCP,以其細(xì)胞膜表面出現(xiàn)的兩個不同的功能域(基膜區(qū)和頂膜區(qū))為特征,以緊密連接為界線。小管上皮 PCP是小管吸收、分泌排泄和交換等功能的基礎(chǔ)。如位于基膜的 Na-K ATP酶。此外,PCP的形成和維持有賴于細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間接觸的建立,及某特殊結(jié)構(gòu)所決定,如細(xì)胞骨架、連接復(fù)合體和局部粘附,其中細(xì)胞骨架起決定作用。這些結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生改變,將導(dǎo)致 PCP的改變,進(jìn)而引起細(xì)胞和器官功能紊亂。PKD就是一個由 PCP異常所致疾病的典型例子。PKD伴有明顯的上皮 PCP異常,包括 Na-K ATP酶、表皮生長因子(EGF)受體易位至頂膜區(qū),從而導(dǎo)致鈉離子分泌增多和上皮細(xì)胞異常增生。

Fischer等[13]首次報道 PCP異常和 PKD有密切聯(lián)系。他們在大鼠動物模型 PCK腎臟和特異性HNF-1β轉(zhuǎn)錄因子失活的小鼠腎臟中研究細(xì)胞分化方向,其實(shí),這是 PCP的表現(xiàn)形式。他們采用譜系追蹤和分裂細(xì)胞染色的方法,發(fā)現(xiàn)野生型腎小管細(xì)胞可沿軸向分布,且基本與腎小管平行。結(jié)論是細(xì)胞分化導(dǎo)致腎小管的延伸而腎小管直徑并未發(fā)生變化。但在 PCK大鼠的囊性小管和 HNF-1β敲除的小鼠中,細(xì)胞分化的方向是隨機(jī)的。以上結(jié)果表明早期囊腫形成存在 PCP異常。

此外,缺乏 Fat 4小鼠的研究進(jìn)一步支持 PKD發(fā)病與 PCP異常有關(guān)。例如在耳蝸功能紊亂的靜纖毛和神經(jīng)管缺陷病中,敲除 Fat 4基因小鼠動物模型具有典型 PCP的基因型[14]。然而,Fat 4突變致使腎小管細(xì)胞分化出現(xiàn)隨機(jī)性而最終發(fā)生 PKD。

初級纖毛和 PCP

PKD中 PCP缺陷可能與初級纖毛有關(guān)。耳蝸中纖毛基因的缺失產(chǎn)生靜纖毛結(jié)構(gòu)紊亂,預(yù)示著初級纖毛對于維持內(nèi)耳 PCP具有重要作用。為證明初級纖毛具有調(diào)節(jié) PCP的功能,有研究測量 Kif 3a基因缺陷的小鼠集合管細(xì)胞分化的方向,發(fā)現(xiàn)Kif 3a的失活會使腎囊腫形成前初級纖毛丟失[15]。在缺少初級纖毛的囊腫形成之前,腎小管上皮細(xì)胞分化的方向是隨機(jī)的,這意味著 PCP發(fā)生異常。另一纖毛形成缺陷基因 Ift 20在集合小管細(xì)胞中失活也有類似的結(jié)果[16]。上述結(jié)論表明初級纖毛異常影響PCP功能并最終發(fā)生 PKD。

目前仍不知為何初級纖毛可調(diào)節(jié) PCP。推測可能與Wnt信號傳導(dǎo)途徑有關(guān)。Wnt是一組參與生長和發(fā)育的糖蛋白。Wnt與細(xì)胞表面的frizzled受體結(jié)合,聚集和激活 Dsh,最終可通過兩種途徑傳遞信號:權(quán)威途徑(β-catenin依賴)和非權(quán)威途徑(非 βcatenin依賴)。非權(quán)威 Wnt信號通路研究表明 PCP的形成在多種微生物包括哺乳動物中起著重要作用。腎臟中初級纖毛缺失可激活 β-catenin依賴的信號通路,這是因為 β-catenin蛋白和下游中靶基因(c-Myc)表達(dá)增加。Corbit等[17]證實(shí)初級纖毛缺如可使權(quán)威 Wnt信號的傳遞失活。NPHPII型的囊性腎病中纖毛突變蛋白 inversin也參與其中[18,19]。inversin與 Dsh相互作用并使其降解,Dsh可以抑制權(quán)威 Wnt信號傳遞。這些研究表明 inversin可作為調(diào)節(jié)下游權(quán)威 Wnt信號傳遞途徑并作為刺激 PCP信號傳遞的關(guān)鍵點(diǎn)。最近報道多種 PKD的突變蛋白在限制 Wnt信號和(或)促進(jìn) PCP信號傳遞中起關(guān)鍵性作用[17,20]。盡管 Fat 4位于 MDCK腎臟上皮細(xì)胞的纖毛上,但初級纖毛的丟失同樣可以通過Fat/Dachsous途徑來干擾 PCP的調(diào)節(jié)[14]。

囊腫形成與腎小管生長和修復(fù)有關(guān)

纖毛基因(如 Kif 3a和 pkd1)失活可使小鼠腎囊腫快速生長,可用于研究出生后腎臟纖毛基因的作用。因此,Cre/lox P重組基因的轉(zhuǎn)基因小鼠可通過藥物(如它莫昔芬)誘導(dǎo)產(chǎn)生,并與攜帶 lox P位點(diǎn)的基因交配。如果藥物不起效,基因?qū)⒓せ?若藥物起效,基因?qū)⑹Щ?。一?Kif 3a基因失活,出生后兩周內(nèi),腎囊腫可快速生長。成年小鼠 Kif 3a基因的失活,6月內(nèi)才形成囊腫。盡管成年小鼠纖毛也丟失,但 Kif 3a基因失活后,腎囊腫并未迅速產(chǎn)生[11,17,21]。處于發(fā)育階段和成熟階段的腎臟,二者最大區(qū)別就是細(xì)胞增殖速度。新生小鼠腎臟細(xì)胞增殖快,出生 10d后則增殖減慢。細(xì)胞增殖減慢與 Kif 3a基因失活的年齡密切相關(guān),而缺乏腎纖毛的小鼠囊腫形成與細(xì)胞快速增殖有關(guān)。盡管細(xì)胞快速增殖可促進(jìn)定向細(xì)胞分化異常腎小管的擴(kuò)張,但此結(jié)果與異常 PCP在囊腫形成中的作用是一致的。

Piontek等[21]采用靶向誘導(dǎo)基因滅活另一纖毛蛋白 Pkd1。與滅活 Kif 3a相似,出生后早期 pkd1的失活,腎囊腫生長快速,而成年小鼠 Pkd1基因的失活,腎囊腫生長緩慢。14d前腎臟呈胚胎形態(tài),14d后成年基因開始表達(dá)?？傊?以上研究結(jié)論表明伴隨細(xì)胞快速增殖和(或)細(xì)胞分化缺失的纖毛基因失活是腎囊腫快速生長的主要原因。

為驗證刺激細(xì)胞增殖是否亦促進(jìn)囊腫的形成及急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)是否可造成敲除Kif 3a基因的成年小鼠腎纖毛的丟失。AKI發(fā)生后存活的上皮細(xì)胞可再次進(jìn)入細(xì)胞周期并通過細(xì)胞增殖來修復(fù)腎小管。因此,假如敲除 Kif 3a基因的小鼠依賴細(xì)胞增殖,AKI則會促使囊腫形成。敲除 Kif 3a基因成年小鼠腎臟一旦經(jīng)歷缺血-再灌注損傷,腎囊腫的生長則加速[17]。以上發(fā)現(xiàn)證實(shí)上述假說伴隨細(xì)胞的快速增殖的纖毛基因的功能紊亂促使囊腫形成。盡管 AKI與腎小管上皮細(xì)胞的去分化密切相關(guān),然而這并不能排除在囊腫形成缺乏細(xì)胞分化。

AKI可刺激 PKD動物模型產(chǎn)生囊腫。腫瘤壞死因子 α(TNF-α)可誘導(dǎo) AKI或感染的發(fā)生,亦可刺激成年P(guān)kd2+/-雜合小鼠產(chǎn)生囊腫[22]。成年P(guān)KD囊腫的生長還受其他環(huán)境因素的影響,如亞臨床腎損傷、腎感染或毒物接觸。成熟腎臟的纖毛蛋白可在 AKI時進(jìn)行修復(fù)以維持組織的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。因此可推測發(fā)育中的腎臟纖毛蛋白可維持 PCP并在腎修復(fù)時調(diào)整腎小管直徑大小。

PKD的治療

迄今,PKD仍無特效的治療方法。主要治療措施是控制并發(fā)癥,延緩疾病進(jìn)展。對癥支持治療包括止痛、控制囊腫感染、預(yù)防結(jié)石形成、控制高血壓和避免咖啡因和雌激素等。PKD的基因治療尚處試驗階段。這些藥物主要針對細(xì)胞增殖失調(diào)、細(xì)胞分化、凋亡和囊液分泌異常以及異常細(xì)胞信號傳遞途徑。下面將概括臨床前期的部分研究結(jié)果(表1)。

V2受體拮抗劑 PKD大鼠的血管加壓素水平升高。這與 PKD囊腫均源于集合小管,且集合小管上皮細(xì)胞均表達(dá)有 V2受體有關(guān)。血管加壓素與V2受體結(jié)合激活腺苷酸環(huán)化酶導(dǎo)致 cAMP水平增加。cAMP通過刺激囊液分泌和增殖囊腫上皮細(xì)胞來促進(jìn)囊腫形成(圖3)。V2受體拮抗劑OPC-31260臨床前期研究表明:不論 ARPKD(PCK大鼠)、ADPKD(Pkd2WS25/-),還是青少年腎消耗病(pcy小鼠)的動物模型,它都能明顯抑制囊腫生長,其評估手段包括腎臟體積、囊腫體積、分裂和凋亡指數(shù)以及 BUN水平。托伐普坦為另一高親和力 V2受體的拮抗劑,在治療 ARPKD、ADPKD和青少年腎消耗病中也有同樣的功效[23]。為了驗證 V2受體拮抗劑的療效,Wang等[24]采用 PCK大鼠與缺乏血管加壓素 Brattleboro(AVP-/-)雜交。PCK;AVP-/-大鼠與 PCK;AVP+/+和 PCK;AVP+/-大鼠的腎臟相比,其 cAMP水平偏低且產(chǎn)生的囊腫減少。盡管如此,但當(dāng) V2受體拮抗劑治療血管加壓素缺乏大鼠卻得到與之相反的結(jié)果,托伐普坦已進(jìn)入 ADPKD患者臨床研究。該研究觀察終點(diǎn)指標(biāo)是以 MRI測量腎臟體積。研究對象年齡在 18～50歲之間,腎功能正常且腎臟體積超過 750 ml,療程 3年。值得注意的是,OPC-31260或者托伐普坦均可有效抑制肝臟纖維囊性病變進(jìn)展。這可能與肝臟缺乏 V2受體有關(guān)。動物實(shí)驗證實(shí)大量飲水可抑制血管加壓素的分泌并延緩囊腫的發(fā)生和發(fā)展[25]。然而,MDRD研究表明尿量增多和低尿滲量與 PKD腎功能的迅速惡化密切相關(guān)[26]。因此,大量飲水是否可延緩 PKD進(jìn)展的仍有待解決。

表1 多囊腎病治療藥物

奧曲肽 奧曲肽是生長抑素的長效類似物。奧曲肽與生長抑素受體結(jié)合并抑制 cAMP分泌。奧曲肽可有效降低 cAMP水平并抑制 PCK大鼠肝囊腫的形成[27]。一項納入 12例研究、觀察 6個月的隨機(jī)對照研究結(jié)果表明,奧曲肽可減少腎體積但并不改善腎小球濾過率(GFR)[28]。

雷帕霉素 研究表明 PKD患者和小鼠囊腫上皮細(xì)胞激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)受體傳遞通路。PC1可與 Tuberin(TSC2)相互作用,作為 mTOR激活劑而抑制 Rheb(圖3)。缺乏 PC1、去除 Rheb的抑制可導(dǎo)致 mTOR激活并促細(xì)胞生長。雷帕霉素是應(yīng)用于器官移植領(lǐng)域中的一種作用于 mTOR受體的免疫抑制劑。為驗證抑制 mTOR是否可抑制囊腫生長,將雷帕霉素和依維莫司(everolimus)應(yīng)用于 PKD的 Han和 SPRD大鼠動物模型來觀察囊腫的生長情況[29,30]。結(jié)果表明雷帕霉素有效治療三種非同源PKD動物模型,如 Tg737Orpk/orpk(纖毛 Polaris蛋白突變)、bpk小鼠和腎臟特異性 BHD突變小鼠(Birt-Hogg-Dube′syndrome基因突變)[31,32]。治療組在改善囊腫體積和 BUN水平方面均顯著優(yōu)于對照組。

圖3 多囊腎病新藥治療作用機(jī)制[23]

Shillingford等[32]回顧性研究一組因 PKD導(dǎo)致ESRD但仍存有原 PKD的腎移植患者。其中 4例接受雷帕霉素治療,其原囊腫的腎臟體積比服其他免疫抑制劑的 3例患者明顯減少(24%vs 8.6%)。由此證實(shí),雷帕霉素和非雷帕霉素組之間腎臟體積具有顯著性差異。Qian等[34]研究表明雷帕霉素可以減少肝臟體積和囊腫的數(shù)目,但對腎囊腫無效。

細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白 小鼠囊腫上皮細(xì)胞和PKD患者的細(xì)胞增殖迅速,這意味著細(xì)胞周期調(diào)控異常。為驗證通過控制細(xì)胞周期是否可使囊腫停滯生長,人們將細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白應(yīng)用于兩種非同源PKD動物模型中(jck和 cpk小鼠)[35]。果然,細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白均可抑制囊腫的生長。間斷用藥可獲較長的抗囊腫效應(yīng)。

其他 雷公藤多苷片是從天然草本植物分離出來的藥物,已在腎臟特異性 Pkd1突變小鼠中證實(shí)可延緩腎囊腫生長。雷公藤可與 PC2結(jié)合誘導(dǎo)鈣離子釋放。細(xì)胞內(nèi)鈣濃度增加可刺激磷酸二酯酶抑制腺苷酸環(huán)化酶導(dǎo)致 cAMP水平的下降,從而延緩腎囊腫生長(圖3)[36]。囊性纖維化跨膜傳導(dǎo)調(diào)節(jié)蛋白(CFTR)是一種 cAMP調(diào)節(jié)性氯離子通道,是氯離子進(jìn)入囊腫的通道。CFTR抑制劑已在 PKD動物模型中證實(shí)可延緩囊腫的生長[37]。吡格列酮亦可改善腎功能并改善 Pkd1基因敲除小鼠的腎外表現(xiàn)[38],其具體機(jī)制可能與 Wnt/β-catenin信號傳遞有關(guān)。MAPK/ERK抑制劑在非同源 PKD動物模型中可以降低囊腫指數(shù)[39],但在同源 PKD動物模型則無效[40]。Src的活性受到抑制可以改善非同源bpk和同源 ARPKD同源 PCK動物模型囊腫形成[41]。最近發(fā)現(xiàn) TNF-α可促使 PKD囊腫生長。采用 TNF-α抑制劑——依那西普治療 Pkd 2突變小鼠的結(jié)果表明:對照組動物囊腫按預(yù)期速度發(fā)展,而非依那西普治療組在 10周后均無一例發(fā)生腎囊腫。ACEI和 ARB藥物并不能有效提高腎臟存活率或降低 PKD患者的死亡率。目前試圖證實(shí) ACEI和ARB是否可通過控制血壓抑制 ADPKD的生長[42]。

結(jié)論:近期研究表明 PKD發(fā)病機(jī)制與初級纖毛發(fā)生異常有關(guān),且初級纖毛可干擾腎臟異常 PCP信號傳遞通路。出生后纖毛蛋白失活的初級纖毛在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長和修復(fù)損傷中發(fā)揮全新的作用。甚至表明腎小管損傷后修復(fù)缺陷可促進(jìn) PKD疾病的進(jìn)展。

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