糖尿病腎臟疾病的發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

趙茜 吳佳麗 黃梓越 李東云 魏丹霞

650000 昆明，云南中醫(yī)藥大學(xué)第三附屬醫(yī)院腎內(nèi)科(趙茜，吳佳麗，黃梓越)；650000 昆明，昆明市中醫(yī)醫(yī)院腎內(nèi)科(李東云，魏丹霞)

糖尿病腎臟疾病(diabetic kidney disease，DKD)是長(zhǎng)期高血糖導(dǎo)致腎損害的結(jié)果，糖尿病微血管并發(fā)癥之一， 又稱(chēng)糖尿病性腎小球硬化癥，是以進(jìn)行性白蛋白尿、高血壓和進(jìn)展性腎衰竭為特征的一組臨床綜合征[1]。流行病學(xué)表明，2017年中國(guó)糖尿病患者的數(shù)量是1.14億，占全世界患者人數(shù)(4.25億)近四分之一[2]，隨著糖尿病健康管理的加強(qiáng)，與糖尿病相關(guān)的心血管疾病的發(fā)病率已降低，然而，這些健康管理措施對(duì)終末期腎病(ESRD)發(fā)生率的影響很小。大約30%～40%的Ⅰ型糖尿病(T1DM)和Ⅱ型糖尿病(T2DM)患者發(fā)展為DKD，其中約50%可以進(jìn)展為ESRD[3]。DKD的發(fā)病是血液動(dòng)力學(xué)和代謝因素相互作用的結(jié)果，在一定的遺傳背景以及部分危險(xiǎn)因素的共同作用下致病。除了高血壓、肥胖等傳統(tǒng)危險(xiǎn)因素外，其他新發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)因素如慢性低水平炎癥、晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end product，AGE)、氧化應(yīng)激(oxidative stress，OxS)和內(nèi)皮功能障礙等也被認(rèn)為參與了糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制[2]，而細(xì)胞分子研究探索了包括代謝記憶和表觀(guān)遺傳學(xué)、細(xì)胞自噬與凋亡在內(nèi)的新領(lǐng)域，并取得了一些新的研究成果，雖然，代謝和血流動(dòng)力學(xué)因素仍被認(rèn)為是引起DKD的主要原因，但其發(fā)病率的上升表明需要更深入地了解潛在的分子機(jī)制，以確定有效而確切的治療方法[4]。

一、新型分子發(fā)病機(jī)制

1.代謝記憶及表觀(guān)遺傳學(xué) 最近的研究指出，代謝記憶及表觀(guān)遺傳學(xué)在糖尿病和DKD的病理生物學(xué)中起著重要作用。對(duì)于糖尿病患者而言，雖然可以通過(guò)飲食，運(yùn)動(dòng)和藥物治療來(lái)控制血糖，但許多患者在血糖正常后仍會(huì)繼續(xù)發(fā)展包括DKD在內(nèi)的糖尿病并發(fā)癥，這表明靶細(xì)胞中存在先前葡萄糖暴露的“記憶”，從而導(dǎo)致持久性的血糖損害，我們稱(chēng)該類(lèi)表現(xiàn)為“代謝記憶”[5]。而表觀(guān)遺傳學(xué)最初被定義為“基因與其產(chǎn)物之間的因果相互作用帶來(lái)表型變化的結(jié)果”，表觀(guān)基因組充當(dāng)著遺傳和環(huán)境之間的橋梁，表觀(guān)遺傳密碼可以在不改變基礎(chǔ)DNA序列的情況下影響基因的表達(dá)和功能[6]。高糖通過(guò)代謝記憶的持續(xù)作用會(huì)改變表觀(guān)遺傳狀態(tài)，因此表觀(guān)遺傳機(jī)制很可能在DKD的發(fā)病機(jī)理中發(fā)揮關(guān)鍵作用[7]。組蛋白修飾、DNA甲基化以及NcRNA，統(tǒng)稱(chēng)為表觀(guān)遺傳修飾，其包含了在分化細(xì)胞中穩(wěn)定遺傳基因表達(dá)原型所需的表觀(guān)遺傳信息。

(1)組蛋白修飾：據(jù)報(bào)道，組蛋白修飾主要通過(guò)賴(lài)氨酸乙?；?lài)氨酸甲基化來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)[8]。組蛋白乙?；癄顟B(tài)由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase，HATs)和組蛋白脫乙?；?histone deacety lase，HDACs)決定[9]，組蛋白乙酰化，即H3K和H4K的N末端尾巴的乙?；且粋€(gè)可逆的動(dòng)態(tài)的過(guò)程[10]，其參與了DKD中miRNA-192的誘導(dǎo)，表觀(guān)遺傳修飾通過(guò)組蛋白乙?；閷?dǎo)miRNAs的調(diào)節(jié)[11]。與乙?；喾?，組蛋白甲基化更穩(wěn)定且長(zhǎng)期存在。組蛋白甲基化是導(dǎo)致基因激活還是抑制，取決于氨基酸殘基和甲基化程度，H3K4me1/2/3和H3K36me2/3是有代表性的轉(zhuǎn)錄活性標(biāo)記，而H3K9me3和H3K27me3是抑制性的轉(zhuǎn)錄活性標(biāo)記[12]，組蛋白甲基化與TGF-b1介導(dǎo)的細(xì)胞外基質(zhì)擴(kuò)展的基因表達(dá)有關(guān)，可以通過(guò)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(histone methyltransferase，HMT)和組蛋白脫甲基酶(histone demethylase，HDM)的協(xié)同作用而進(jìn)行動(dòng)態(tài)修飾[13]。在與糖尿病相關(guān)的體外和體內(nèi)研究中，已經(jīng)證明組蛋白甲基化和乙?；Ｊ诫S著HATs/HDACs及HMTs在基因啟動(dòng)子處的募集而發(fā)生改變。在血糖變化時(shí)，組蛋白通過(guò)高度乙?；驮黾親3K4me的方式參與特異性胰島素基因的表達(dá)，這與p300HAT和HMT SET7/9的募集有關(guān)[14]。

(2)DNA甲基化：改進(jìn)的DNA甲基化陣列、高通量測(cè)序技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法的發(fā)展使得出現(xiàn)了更多的針對(duì)DKD和CKD人群的表觀(guān)基因組全關(guān)聯(lián)研究(epigenome-wide association studies，EWAS)[5]，研究顯示甲基化水平在全基因組意義上與腎臟纖維化程度相關(guān)，與腎臟損傷和功能下降相關(guān)的甲基化探針聚集在腎臟調(diào)節(jié)區(qū)，并與基因表達(dá)變化相關(guān)[15]。2型糖尿病患者伴或不伴糖尿病腎病，其部分基因的DNA甲基化程度不同[16]，研究表明，19種CpG與DKD的發(fā)育相關(guān)，包括UNC13B附近的一種，UNC13B包含與DKD相關(guān)的SNP，其涉及DKD的初始發(fā)病機(jī)制和高血糖引起的腎小球細(xì)胞凋亡[17]；其次，全身性敲除TXNIP基因可改善鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的DN48，該基因持續(xù)的低甲基化可能使患者易患DKD[18]；此外，RASALI基因的高度甲基化會(huì)增加成纖維細(xì)胞中的Ras活化，繼而導(dǎo)致組織增殖和纖維化[19]；亦有報(bào)告說(shuō)，在腎小管特異性Sirtuin 1(Sirt1)基因敲除的糖尿病小鼠中，足細(xì)胞病變加重，而在SIRT1轉(zhuǎn)基因糖尿病小鼠中，其癥狀得到改善[20]。這些研究證明了DNA甲基化在調(diào)節(jié)與DKD相關(guān)的基因中的重要性，并為DKD管理提供了可能的治療靶點(diǎn)。

(3)非編碼RNA和miRNA：非編碼RNA(NcRNA)是從DNA轉(zhuǎn)錄而來(lái)的普遍存在不編碼蛋白質(zhì)的內(nèi)源RNA，microRNA(miRNA)是一類(lèi)長(zhǎng)度為19～24的非編碼小分子RNA，其作為一種轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子在真核生物的基因表達(dá)調(diào)控中有著非常重要的作用[21]。在與DKD相關(guān)的miRNA中，對(duì)于miRNA-192研究相對(duì)較多，尤其是其與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)的關(guān)系，是一個(gè)里程碑式的研究，后者是DN67的重要介體[22]，miRNA-192可以通過(guò)調(diào)節(jié)其他miRNA來(lái)促進(jìn)腎小球膜細(xì)胞TGF-β1的自我調(diào)節(jié)，并增強(qiáng)p53對(duì)TGFb1的應(yīng)答[23]；在DKD動(dòng)物模型中，其腎臟組織中miR-192表達(dá)增加，而通過(guò)抑制miR-192表達(dá)(或敲除miR-192)可以減少蛋白尿的排出和腎纖維化程度[24]。相關(guān)研究表明，miR21在胰島素依賴(lài)型糖尿病小鼠的腎皮質(zhì)中顯著升高，鑒于其在腎臟纖維化中的病理作用，miR-21已被確定為DKD小鼠模型中的潛在治療靶點(diǎn)[25]。miR-30在局灶性節(jié)段性腎小球硬化患者中表達(dá)減少，其可能是足細(xì)胞損傷和腎小球疾病的標(biāo)志物[26]，Zang等人[27]的研究首次證明miR-30b-5p與腎功能受損之間存在關(guān)聯(lián)，但是否與DKD存在聯(lián)系則尚待進(jìn)一步研究。

2.細(xì)胞自噬及凋亡 胰島β細(xì)胞凋亡在免疫介導(dǎo)的T1DM中起重要作用，是T1DM發(fā)病機(jī)制的重要環(huán)節(jié)，但在T2DM中并無(wú)太多確切的文獻(xiàn)資料，β細(xì)胞的凋亡或去分化可能是導(dǎo)致T2DM患者發(fā)生相對(duì)胰島素缺陷的機(jī)制之一，胰島素的缺乏可能是由于β細(xì)胞功能障礙和/或β細(xì)胞質(zhì)量減少所致。而引起β細(xì)胞凋亡的觸發(fā)因素仍在研究之中，脂質(zhì)損傷、ER應(yīng)激、人胰島淀粉樣多肽、高血糖或自噬功能不全均可能導(dǎo)致β細(xì)胞死亡或功能障礙[28]。Quan等人[29]的研究表明線(xiàn)粒體內(nèi)在凋亡途徑對(duì)細(xì)胞因子誘導(dǎo)的β細(xì)胞死亡有顯著貢獻(xiàn)，提示鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶介導(dǎo)的Bad Ser136去磷酸化和Bax活性在細(xì)胞因子誘導(dǎo)的凋亡中起重要作用。Oshima[30]在進(jìn)行病毒感染是否能誘導(dǎo)人β細(xì)胞去分化的相關(guān)研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)人β細(xì)胞中的SOX9靶點(diǎn)是潛在的新的去分化標(biāo)志物。此外，相關(guān)研究證明，長(zhǎng)鏈游離脂肪酸通過(guò)c-Jun氨基末端激酶在β細(xì)胞凋亡中起重要作用，其本身及其代謝產(chǎn)物也可能促進(jìn)T2DM的脂細(xì)胞凋亡[31]。

3.遺傳因素 有研究認(rèn)為，DKD是一種多基因遺傳特異性疾病，遺傳因素可通過(guò)影響腎臟對(duì)環(huán)境因素的反應(yīng)性來(lái)增加DKD的易感性[32]，在關(guān)于DKD基因的Meta分析[33]中提到，21個(gè)遺傳變異與晚期DKD相關(guān)，3個(gè)額外的變異與特定亞群相關(guān)。最新研究發(fā)現(xiàn)，Klotho基因與糖尿病和DKD有關(guān)，該基因突變會(huì)導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄功能改變，可能會(huì)導(dǎo)致代謝紊亂加重[34]；實(shí)驗(yàn)證明Klotho基因G-395A位點(diǎn)AA基因型分布增加可能是DKD發(fā)病的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[35]。

二、傳統(tǒng)發(fā)病機(jī)制

1.血流動(dòng)力學(xué)因素 腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS)是人體調(diào)節(jié)血壓的重要的內(nèi)分泌系統(tǒng)，在控制血壓和維持人體正常腎功能方面都起著重要的作用。該系統(tǒng)包括腎素、血管緊張素原、血管緊張素II、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶和醛固酮合成酶等，組織特異性RAAS活化于腎臟是DKD發(fā)生的重要機(jī)制。RAAS的異常可引起血壓升高而導(dǎo)致腎組織缺血缺氧，增強(qiáng)炎性因子的表達(dá)，引起單核巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)及間質(zhì)成纖維細(xì)胞的增殖及分化，導(dǎo)致腎小球內(nèi)皮細(xì)胞的損傷及小管間質(zhì)的纖維化[36]。由于RAAS通路在血壓調(diào)節(jié)中的重要作用，已有多項(xiàng)以其為靶點(diǎn)進(jìn)行DKD治療的臨床研究報(bào)道。

2.炎癥因素 越來(lái)越多的證據(jù)表明，糖尿病的發(fā)病機(jī)制與先天免疫系統(tǒng)的激活和慢性亞臨床低度炎癥狀態(tài)的存在密切相關(guān)。炎癥被認(rèn)為是DKD重要的發(fā)病機(jī)制，通過(guò)氧化應(yīng)激、轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄激活因子(JAK/STAT)途徑和炎癥細(xì)胞因子等因素起作用[37]。

(1)氧化應(yīng)激(oxidative stress，OxS)：OxS可能是導(dǎo)致DKD發(fā)生和發(fā)展的主要觸發(fā)因素。高血糖通過(guò)線(xiàn)粒體電子轉(zhuǎn)移鏈增加活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)促進(jìn)了組織內(nèi)氧化應(yīng)激[38]，同時(shí)ROS的過(guò)量產(chǎn)生與腎臟代謝途徑改變和腎血流動(dòng)力學(xué)紊亂均有關(guān)系，ROS對(duì)細(xì)胞具有高度毒性，過(guò)量ROS的產(chǎn)生導(dǎo)致腎臟纖維化和炎癥，并通過(guò)促進(jìn)脂質(zhì)過(guò)氧化、DNA損傷和蛋白質(zhì)修飾，以及線(xiàn)粒體功能障礙而引起顯著的組織損傷，這些途徑最終導(dǎo)致炎癥、纖維化和內(nèi)皮功能障礙。且由于腎臟內(nèi)的高血流量，氧化劑狀態(tài)和抗氧化酶在氧化性腎損傷中起著更為重要的作用。轉(zhuǎn)錄因子Nrf2，在細(xì)胞抗氧化應(yīng)答的調(diào)節(jié)中起重要作用[39]，其可能通過(guò)抑制轉(zhuǎn)化TGF-β1抑制糖尿病的腎損害。在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究中，Nrf2可改善鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的腎損害，與野生型小鼠相比，Nrf2小鼠產(chǎn)生更多的ROS，并遭受更嚴(yán)重的氧化性腎損傷[40]。在Tutun等人[41]用右泛醇(dexpanthenol，Dxp)治療DKD的實(shí)驗(yàn)中，糖尿病組比對(duì)照組氧化應(yīng)激指標(biāo)升高，抗氧化活性降低，Dxp組比糖尿病組氧化應(yīng)激降低，抗氧化活性增強(qiáng)，組織病理學(xué)改變減少，證明了Dxp可通過(guò)改善抗氧化活性改善DKD；Turkmen等人[42]在用葡萄籽提取物在治療大鼠DKD的實(shí)驗(yàn)中也得到了葡萄籽提取物可降低氧化應(yīng)激和凋亡基因的表達(dá)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，側(cè)面提示抗氧化治療對(duì)DKD具有保護(hù)作用。

(2)轉(zhuǎn)錄因子與細(xì)胞因子：核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是一種轉(zhuǎn)錄因子，亦是代表炎癥的中心因子，高糖可激活內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞、腎近端小管細(xì)胞中的NF-κB的活化[43]。在那些可能導(dǎo)致DKD的結(jié)構(gòu)改變和功能異常的因素、分子和作用途徑中(如RAAS的激活、糖基化終產(chǎn)物的晚期積累和NADPH依賴(lài)的氧化應(yīng)激等)，NF-κB處于中心地位[44]。DKD中的蛋白尿本身也是NF-κB的激活劑，并且是腎小管細(xì)胞重要的促炎刺激物，近端腎小管上皮細(xì)胞中的超濾蛋白負(fù)荷通過(guò)激活NF-κB依賴(lài)性和非依賴(lài)性途徑上調(diào)炎癥細(xì)胞中的趨化因子和黏附分子[45]。細(xì)胞因子作為先天免疫應(yīng)答的一部分，糖尿病中的多種刺激因素均可誘發(fā)細(xì)胞因子的產(chǎn)生。在腎臟中，血細(xì)胞和不同的腎臟細(xì)胞均能合成炎性細(xì)胞因子，其水平隨著腎病的進(jìn)展而增加，提示炎癥因子在DKD的發(fā)病機(jī)制中起作用[46]。Navarro-González[47]指出細(xì)胞因子如IL-1、IL-6、IL-18和TNF-α均參與了DKD的發(fā)病過(guò)程。Kakkar[48]提到IL-33在細(xì)胞核中的確切功能尚未確定，但I(xiàn)L-33可激活轉(zhuǎn)錄因子AP-1和NF-κB，因此，IL-33具有細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特性及促炎細(xì)胞因子的作用。趨化因子作為細(xì)胞因子的亞群，在炎癥細(xì)胞募集、遷移和相互作用，以及DKD中的細(xì)胞黏附、分化和組織損傷中發(fā)揮關(guān)鍵作用[49]。多種炎癥性趨化因子參與了DKD的發(fā)病機(jī)制，特別是MCP-1/CCL2、CX-3CL、CCL5/RANTES。DKD患者腎臟活檢和尿液中MCP-1/CCL2水平升高，提示其在腎小管間質(zhì)巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)中起重要作用。其生物學(xué)作用包括足細(xì)胞足突消失、足細(xì)胞減少伴腎小球基底膜剝脫、裂隙膈膜損傷等[50]。黏附分子在TNFα、NF-κB、血液動(dòng)力學(xué)改變應(yīng)力中的表達(dá)增加。ICAM-1、血管細(xì)胞黏附蛋白1、內(nèi)皮細(xì)胞選擇性黏附分子和選擇素E是促進(jìn)細(xì)胞間結(jié)合、黏附和細(xì)胞間通信的細(xì)胞表面定位因子，參與DKD的發(fā)病機(jī)制[51]。

(3)信號(hào)通路：在DKD的動(dòng)物模型和臨床研究中，已經(jīng)證實(shí)JAK/STAT通路在腎小球和腎小管間質(zhì)細(xì)胞中的激活增強(qiáng)[42]。高糖可刺激細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生而激活JAK/STAT通路，在腎臟和血管中起作用的是JAK2，而ROS不但增強(qiáng)JAK2的活性，而且是AngⅡ調(diào)節(jié)JAK2的第二信使，一項(xiàng)對(duì)于早期DKD患者的臨床研究顯示JAK/STAT通路中發(fā)現(xiàn)mRNA和JAK2蛋白表達(dá)增加，其水平與腎小球?yàn)V過(guò)率負(fù)相關(guān)[52]。JAK/STAT通路在負(fù)反饋回路中由SOCS家族中的SOCS1-7和CIS控制。JAK/STAT/SOCS通路失調(diào)是包括糖尿病在內(nèi)的癌癥、自身免疫和炎癥性疾病的發(fā)病機(jī)制[49]。

3.其他因素 缺血、缺氧及有毒代謝物引起腎組織損傷也是導(dǎo)致DKD的原因。隨著DKD的病情進(jìn)展，腎小球和血管的病變使腎血流量減少，導(dǎo)致髓質(zhì)缺氧和腎小管功能障礙，同時(shí)腎血管舒張性NO減少，亦導(dǎo)致腎組織缺氧，從而產(chǎn)生自由基破壞腎臟組織[53]。缺氧誘導(dǎo)因子的產(chǎn)生可以減輕缺氧狀態(tài)，但是，高糖可能會(huì)干擾缺氧誘導(dǎo)因子的穩(wěn)定性并促進(jìn)組織纖維化[54]。研究已證明，睡眠呼吸暫停(obstructive sleep apnea，OSA)在糖尿病患者中的患病率很高，并且OSA影響患者的血糖和血壓，雖然OSA與DKD之間的尚缺乏有直接性聯(lián)系的證據(jù)，但OSA的間歇性低氧有著和糖尿病血管病變類(lèi)似發(fā)病機(jī)制，對(duì)OSA的控制有利于降低糖尿病的血管并發(fā)癥而減輕對(duì)腎臟功能的損害[55]。有毒的代謝物，例如高糖血癥引起線(xiàn)粒體超負(fù)荷，然后產(chǎn)生ROS，進(jìn)而破壞腎小球足細(xì)胞并促進(jìn)其凋亡，AGEs可導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能障礙，并損害細(xì)胞外基質(zhì)的代謝[56]。

三、小結(jié)及展望

DKD是糖尿病患者最重要的合并癥之一，亦是發(fā)達(dá)國(guó)家ESRD的主要原因，其早期階段缺乏特定的臨床癥狀而影響了及時(shí)的診治，且目前沒(méi)有特效的藥物和方法來(lái)阻止患者發(fā)展為ESRD，由于“代謝記憶”的存在，即便對(duì)血糖進(jìn)行了控制仍無(wú)法阻止DKD的進(jìn)展，所以，針對(duì)DKD機(jī)制的研究是為了尋找治療DKD患者新的靶點(diǎn)。除了針對(duì)DKD傳統(tǒng)發(fā)病機(jī)制，如損傷因子、生長(zhǎng)因子/細(xì)胞因子、ROS、炎癥和纖維化之間的相互及信號(hào)途徑的進(jìn)一步探索研究之外，對(duì)于表觀(guān)遺傳學(xué)的研究可能是治療DKD的新的突破口，因此，目前正在開(kāi)發(fā)的幾種HDAC、HAT和HMT抑制劑來(lái)控制DKD，可能會(huì)延緩腎臟纖維化進(jìn)展，為DKD對(duì)的治療帶來(lái)新的希望。