糖尿病腎病蛋白尿形成機制

馬興杰,楊麗霞 綜述,董岸鶯審校

(解放軍第273醫(yī)院心腎呼吸科,新疆庫爾勒 841000)

糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN)是糖尿病最常見的慢性并發(fā)癥之一,是導(dǎo)致終末期腎衰竭的主要病因之一[1]。DN早期為微量清蛋白尿,逐漸發(fā)展到難治性大量蛋白尿,最后出現(xiàn)腎衰竭。蛋白尿是糖尿病腎病的主要臨床表現(xiàn),也是糖尿病腎病進展的獨立危險因素[2]。因此,探討DN蛋白尿發(fā)生機制具有非常重要的臨床意義。

1 腎小球血流動力學(xué)異常

腎小球血流動力學(xué)異常被認為是DN蛋白尿發(fā)生的始動因素。糖代謝紊亂導(dǎo)致一系列血管活性因子反應(yīng)性增強,如血管緊張素Ⅱ(angiotensin-Ⅱ,Ang-Ⅱ)、血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(angiotensin coverting enzyme,ACE)、內(nèi)皮素(endothelin,ET)、激肽釋放酶-激肽系統(tǒng)(kallikrein-kinin system)、前列腺素(prostaglandin,PG)、血栓素(thromboxane,TX)、心鈉素(atrial natriuretic factor,ANF)和一氧化氮(nitric oxide,NO)等活性改變,這些因素均可使腎小球入球小動脈擴張,腎小球毛細血管的血流量入量增加,而出球小動脈擴張不明顯,從而使腎小球濾過壓增加,出現(xiàn)腎小球內(nèi)高濾過。腎小球內(nèi)高濾過促使血漿清蛋白從毛細血管壁濾過增加;腎小球內(nèi)高壓對腎小球固有細胞結(jié)構(gòu)及功能均造成不同程度的影響。腎小球高濾過使腎小球毛細血管內(nèi)切流壓增加,血管內(nèi)皮細胞在長期承受這種壓力的情況下,其形態(tài)和功能將隨之發(fā)生一系列變化,包括細胞內(nèi)pH的變化,內(nèi)皮細胞血管活性因子異常以及血管反應(yīng)性的改變[3]。腎小球內(nèi)高壓力使腎小球毛細血管處于一種擴張狀態(tài),進而對系膜區(qū)造成一種牽張力,系膜細胞和上皮細胞在這種牽張力的作用下細胞基質(zhì)合成增加,造成系膜區(qū)增寬和腎小球基底膜增厚。

2 腎小球濾過膜

腎小球濾過膜從內(nèi)到外分為3層結(jié)構(gòu):內(nèi)皮細胞、基底膜和足細胞。濾過膜3層結(jié)構(gòu)相互支撐,存在活躍的物質(zhì)交換和相互調(diào)控。糖尿病腎病時,腎小球濾過膜結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生改變是形成蛋白尿的主要原因。

2.1 腎小球內(nèi)皮細胞 腎小球內(nèi)皮細胞(endotheliocyte)是腎小球濾過屏障的第1層。內(nèi)皮細胞與血液循環(huán)直接接觸,它不僅直接受腎小球內(nèi)高灌注、高濾過和高壓力等作用的直接損害,還受DN患者血液成分變化的影響。內(nèi)皮細胞窗孔結(jié)構(gòu)(podocalycin)僅由一層酸性糖蛋白組成的細胞衣覆蓋,是內(nèi)皮細胞發(fā)揮機械屏障的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),窗孔結(jié)構(gòu)損傷直接影響血管壁的通透性,導(dǎo)致血漿清蛋白漏出。內(nèi)皮細胞表面被覆帶負電荷的糖萼(glycocalyx),使內(nèi)皮細胞具有電荷選擇作用[4]。Deckert等[5]發(fā)現(xiàn)DN患者腎小球內(nèi)皮細胞合成帶負電荷的糖蛋白能力下降;King等[6]研究發(fā)現(xiàn)高血糖能促進內(nèi)皮細胞死亡,抑止內(nèi)皮細胞的增殖并使體外培養(yǎng)的內(nèi)皮細胞達到完全融合的時間延長。糖尿病腎病時,腎小球內(nèi)皮細胞發(fā)生壞死或凋亡,從基底膜脫落進入循環(huán)系統(tǒng)中,導(dǎo)致腎小球內(nèi)皮數(shù)目減少和內(nèi)皮完整性受損,間隙增寬血液物質(zhì)容易進入內(nèi)皮下形成沉積物從而損傷腎小球[7]。

2.2 腎小球基底膜 腎小球基底膜(glomerular basement membrane,GBM)是濾過屏障的第 2層。GBM 厚約300～350 nm,主要由Ⅳ型膠原(Ⅳ-C)、硫酸肝素蛋白聚糖(HSPG)和層黏連蛋白(LN)等組成。正常情況下,基底膜主要成分在可降解基膜的蛋白酶-基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)和組織蛋白酶的作用下,合成、降解處于動態(tài)平衡,形態(tài)、結(jié)構(gòu)和厚度正常。然而DN患者長期處于高糖狀態(tài),腎臟局部腎素高度活化,維持 GBM正常代謝的諸因素失去平衡[8]。體外研究表明,高糖能顯著增加腎小球足細胞、內(nèi)皮細胞Ⅳ型膠原α 1鏈、α 3鏈和α 5鏈mRNA和蛋白質(zhì)的表達,并認為這可能是糖尿病腎病GBM增厚、通透性增加的原因[9]。Susanne等[10]亦報道活檢前5年的平均糖化血紅蛋白水平增高是GBM增厚的獨立危險因素。

2.3 腎小球足細胞 腎小球足細胞(podocyte)是濾過屏障的最后一部分。兩相鄰足突之間的裂隙稱為裂孔,表面覆蓋著拉鏈狀結(jié)構(gòu)的裂孔隔膜(slitmembrane),裂孔隔膜是血漿蛋白通過脈管系統(tǒng)的最后屏障,其組成的蛋白主要有nephrin、podocin、CD2AP、ZO-1等,裂孔隔膜的完整性是腎小球濾過機械屏障的關(guān)鍵[11-12]。

足細胞膜表面和裂孔隔膜表面附有一層較厚的帶負電荷的唾液酸糖蛋白,是腎小球濾過電荷屏障的重要組成部分。腎小球的3種固有細胞均可以合成蛋白多糖,但足細胞是合成帶有負電荷的蛋白多糖的最重要來源。Podocalyxin是足突頂膜區(qū)主要的帶負電荷跨膜蛋白。Koop等[13]通過腎組織活檢發(fā)現(xiàn)DN患者該蛋白表達減少或消失。Economou等[14]在STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型中發(fā)現(xiàn),Podocalyxin的表達較正常對照組下降45%,以高糖刺激體外培養(yǎng)足細胞發(fā)現(xiàn),Podocalxin的表達幾乎全部被抑制,故推斷DN時Podocalyxin表達量下降,腎小球濾過電荷屏障減弱,促進蛋白尿的發(fā)生,加速了DN的進展。

足細胞通過α 3β1整合素與 GBM 相連[15]。Pagtalunan等[16]研究證實糖尿病大鼠腎病模型中α 3β1整合素 mRNA水平從第2周起明顯減低,并在整個病程進展中處于低水平。Roselli等[17]研究認為高血糖可抑制糖尿病患者或鼠足細胞α 3β1整合素的表達,并隨病程的延長抑制作用加強。故推斷高糖可通過對α 3β1整合素的抑制作用導(dǎo)致足細胞脫落。足細胞通過有限的增殖來代償缺失的足細胞。如足細胞從基底膜上剝脫的速度超過了足細胞的代償能力,致基底膜部分區(qū)域裸露,腎小球濾過膜的完整性遭到破壞,大量清蛋白從濾過膜濾出形成蛋白尿。White等[18]證實蛋白尿與足細胞數(shù)量及足細胞密度存在明顯的負相關(guān)。Dalla等[19]通過對67例白人2型糖尿病患者腎活檢發(fā)現(xiàn)足細胞密度明顯低于正常對照組。劉志紅等[20]研究表明,DN患者早期足細胞數(shù)目和密度已開始減少,并隨病變加重而加重。

Blum等[21]認為由于腎小球足細胞足突寬度增加致使單位長度GBM上裂隙孔數(shù)目減少,并導(dǎo)致裂孔膜形狀改變,從而影響了機械屏障的完整性是形成蛋白尿的原因之一。

3 腎小管

在正常生理狀態(tài)下,超濾的蛋白絕大部分經(jīng)腎小管重吸收,只有少數(shù)蛋白存在于尿中[22]。糖尿病時,高糖狀態(tài)不僅能明顯抑制腎小管上皮細胞的增殖,還能誘導(dǎo)腎小管上皮細胞轉(zhuǎn)分化成肌成纖維細胞[23]。肌成纖維細胞作為組織纖維化的效應(yīng)細胞,直接參與腎臟纖維化的過程。Thomson等[24]發(fā)現(xiàn),DN腎小球高濾過導(dǎo)致的蛋白尿加重,可能與腎小管肥大使得鈉離子重吸收增加有關(guān)。Nangatu[25]認為腎小管間質(zhì)損傷是DN蛋白尿進展的媒介,腎功能惡化的程度主要與腎小管、間質(zhì)纖維化程度密切相關(guān),其最終結(jié)果取決于腎間質(zhì)改變的程度。

4 血管內(nèi)皮細胞生長因子

血管內(nèi)皮細胞生長因子(vascular endotheliar growth factor,VEGF)是一種作用于血管內(nèi)皮細胞的特異性絲裂原,能通過作用于其靶細胞,即內(nèi)皮細胞和系膜細胞上的受體VEGF而發(fā)揮調(diào)節(jié)血管生成及內(nèi)皮細胞通透性的作用。VEGF在蛋白尿形成中的作用已被大量研究所證實[26-28]。高血糖一方面通過直接激活蛋白激酶C途徑增加VEGF基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達,另一方面通過如血管緊張素Ⅱ、轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)、血小板源性生長因子(PDGF)成纖維細胞生長因子(FGF)、晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)、機械牽拉、氧化應(yīng)激等多種因素刺激VEGF表達上調(diào)[29]。Kim等[30]體外試驗證實高糖均可上調(diào)腎臟系膜細胞、內(nèi)皮細胞、足細胞和遠端小管細胞合成和分泌VEGF。1型糖尿病患者,血清VEGF濃度越高,發(fā)展為持久微量蛋白尿的危險性就越大,且早在出現(xiàn)持久微量蛋白尿之前數(shù)年,即有血清VEGF濃度的持續(xù)性升高。同樣,2型糖尿病患者血漿VEGF濃度顯著升高,是正常對照組的2倍,2型糖尿病腎病患者,血漿和尿VEGF濃度與尿蛋白排泄呈正相關(guān)[31]。劉志紅等[3]對糖尿病腎病不同病程階段的患者進行基因芯片研究發(fā)現(xiàn),糖尿病早期VEGF mRNA上調(diào),但隨著病情進展而逐漸下調(diào);糖尿病后期VEGF下調(diào)可能與足細胞丟失有關(guān)。

5 晚期糖基化終末產(chǎn)物

晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)是指蛋白質(zhì)、脂質(zhì)或核酸等大分子在沒有酶參與的條件下,自發(fā)地與葡萄糖或其他還原單糖反應(yīng)所生成的穩(wěn)定共價化合物。高血糖狀態(tài)時,體內(nèi)晚期糖基化終末產(chǎn)物和合成明顯增加,AGEs可使循環(huán)蛋白交聯(lián),交聯(lián)后的清蛋白更易漏出濾過膜,是致使微量清蛋白尿的重要原因之一。漏出的清蛋白堆積在系膜區(qū)能促進系膜細胞增殖和細胞基質(zhì)增多,導(dǎo)致腎小球硬化。Wendt等[32]發(fā)現(xiàn)在遺傳糖尿病大鼠中足細胞RAGE激活,導(dǎo)致VEGF表達增高,增加血管通透性,加重了DN蛋白尿。

總之,DN蛋白尿發(fā)生機制很復(fù)雜,可能與腎臟血流動力學(xué)異常、腎小球濾過屏障受損、腎小管重吸收異常及多種生長因子等多個因素綜合所致的結(jié)果。為了更有效地早防早治DN,降低終末期腎病發(fā)生率,進一步探索DN蛋白尿的發(fā)生機制仍是今后一項重要的任務(wù)。

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