腎乳頭鈣化斑形成過程引起的腎臟損傷

鐘蛟 劉建和 劉浩然

腎乳頭鈣化斑，即Randall斑( Randall’s Plaques RP)，是晶體沉積的最終結(jié)果，在此之前腎髓質(zhì)復(fù)合體早已開始形成礦物質(zhì)聚集體。采用高分辨率顯微X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)非結(jié)石形成者的整個(gè)乳頭進(jìn)行可視化分析，在超過70%的受檢者腎錐體內(nèi)有礦物質(zhì)沉積[1-2]。晶體沉積形成RP的過程中，晶體可通過炎癥和氧化損傷等機(jī)制來引起不同程度的腎臟損傷，深入探究RP形成及進(jìn)展的機(jī)制，可為腎結(jié)石防治提供新的方向。

一、什么是腎乳頭鈣斑

1937年Randall[3]首先發(fā)現(xiàn)腎乳頭上皮組織下間質(zhì)存在一種磷酸鈣成分的鈣化斑即Randall斑，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)其為結(jié)石前病變，并提出游離顆粒學(xué)說和固定顆粒學(xué)說[4]。游離學(xué)說認(rèn)為，腎小管過飽和尿液形成晶體阻塞集合管而形成Randall 栓(圖1a)。其主要成分是磷灰石，可作為結(jié)石附著生長(zhǎng)的錨點(diǎn)[5-6]。固定顆粒學(xué)說認(rèn)為，RP為始發(fā)于Henle細(xì)環(huán)的基底膜，逐漸延伸至腎髓質(zhì)的間質(zhì)，最后沉積在腎乳頭上皮下組織中的一種成分為磷灰石鈣鹽晶體(圖1b)。當(dāng)尿路上皮被破壞時(shí)，RP成為結(jié)石形成的基石[7]。雖然兩種鈣化斑初始病灶位置不同，但其成分幾乎完全相同，可能是晶體形成過程中的兩種沉積形式。這兩種病變均可以在腎乳頭表面看到，但促進(jìn)斑塊形成的原因尚不完全清楚。

圖1a 腎小管過飽和尿液經(jīng)成核生長(zhǎng)聚集后阻塞集合管后形成Randall栓 圖1b 晶體從Henle細(xì)環(huán)的基底膜開始逐漸延伸至腎乳頭上皮下間質(zhì)聚集形成RP

二、Randall斑的形成機(jī)制

腎乳頭鈣化斑的具體發(fā)病機(jī)制仍不清楚。Evan等[8-9]通過大量研究證實(shí)，Henle環(huán)基底膜參與Randall斑塊形成。Khan等[10]推測(cè)腎乳頭中的晶體沉積可能是從膜泡誘導(dǎo)成核開始的，他們發(fā)現(xiàn)，斑塊形成與膠原蛋白、膜結(jié)合囊泡、膠原纖維鈣化和囊泡內(nèi)含晶體都相關(guān)。Carpentier等[11]認(rèn)為，非晶體化碳酸鈣是Randall斑形成的前體，不僅存在乳頭表面，也存在腎組織中。Taguchi等[12]首次報(bào)道Randall斑塊基因表達(dá)譜的研究，通過草酸鈣結(jié)石病人鈣斑及非鈣斑組織全基因組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)眾多差異表達(dá)基因。鈣斑組織中LCN2、IL1L、PTGS1、GPX3及MMP等基因表達(dá)上調(diào)，SLC12A1和NALCN基因表達(dá)下調(diào)，而這些基因可能通過絲裂原蛋白激酶和PI3K/Akt通路誘導(dǎo)腎損傷、血管收縮、氧化應(yīng)激、巨噬細(xì)胞來促進(jìn)Randall斑塊的形成。這可能與晶體顆粒形成過程中引起細(xì)胞凋亡、腎臟損傷等密切相關(guān)。有趣的是，大多學(xué)者認(rèn)為，RP起源于Henle細(xì)環(huán)的基底膜，由于這些研究大多都是乳頭活檢而來，對(duì)Randall斑形成的乳頭近端了解甚少，Hsi等[1]采用高分辨率顯微X射線計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)對(duì)人腎髓質(zhì)切片進(jìn)行顯微X-射線成像，發(fā)現(xiàn)髓質(zhì)復(fù)合體的外髓內(nèi)近端晶體形成可促進(jìn)遠(yuǎn)端RP形成。

此外，一些學(xué)者也認(rèn)為，成骨轉(zhuǎn)化學(xué)說和血管鈣化學(xué)說是Randall形成的機(jī)制之一。尿路結(jié)石和動(dòng)脈粥樣硬化有許多共同的特征，動(dòng)脈粥樣硬化是一種類成骨反應(yīng)，將RP與血管鈣化進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)成分都是類似于骨成分的羥基磷灰石，故推測(cè)RP形成可能與局部缺氧等刺激腎乳頭上皮細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化有關(guān)[13]。Stoller等[14]提出的血管假說認(rèn)為，湍流、相對(duì)缺氧和高滲的腎乳頭血管壁易受到損傷，其修復(fù)過程類似動(dòng)脈粥樣硬化反應(yīng)而導(dǎo)致腎乳頭血管壁鈣化，最終延伸至腎乳頭成為結(jié)石形成的原始病灶 。

三、Randall斑形成過程中晶體誘導(dǎo)的腎損傷

1.晶體誘導(dǎo)的直接和間接細(xì)胞毒性晶體可以直接對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用，腎小管細(xì)胞可以吞噬小于10 μm的晶體進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)形成直徑吞噬小體，吞噬小體與溶酶體融合可消化部分晶體[15]。這一過程中將釋放大量的鈣離子到胞漿中從而觸發(fā)細(xì)胞壞死[16]。相反，溶酶體不能消化的顆粒將破壞溶酶體膜的穩(wěn)定性，導(dǎo)致溶酶體酶(如組織蛋白B)泄漏到胞漿中，通過裂解免疫細(xì)胞中的壞死凋亡抑制蛋白絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶1(RIPK1)來激活壞死凋亡[17]；研究發(fā)現(xiàn)，草酸鈣、磷酸鈣及胱氨酸等晶體可通過激活受體相互作用的 RIPK3和混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域(mixed lineage kinase domain-like MLKL)來殺死腎小管上皮細(xì)胞，而在敲除RIPK3或MLKL的小鼠則免受晶體誘導(dǎo)腎臟損傷[18]，證實(shí)RIPK3和MLKL是介導(dǎo)腎細(xì)胞損傷的重要通路。晶體也可以通過壞死性炎癥間接引發(fā)腎小管細(xì)胞壞死，晶體誘導(dǎo)的細(xì)胞壞死導(dǎo)致危險(xiǎn)相關(guān)的分子模式、高遷移率族蛋白1、組蛋白、線粒體DNA、去甲基化DNA和RNA、ATP、草酸和雙鏈DNA釋放到細(xì)胞外腔，這些因素可能通過與鄰近細(xì)胞表面的死亡受體結(jié)合來誘導(dǎo)相鄰細(xì)胞的程序性壞死(圖1)[19-20]。例如，草酸鹽(CaOx)晶體可直接損傷腎小管上皮細(xì)胞，導(dǎo)致ATP釋放和K+外流，激活產(chǎn)嘌呤能2X7受體( P2X7R)，繼而經(jīng)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和線粒體途徑使細(xì)胞內(nèi)ROS水平升高， ROS通過NLRP3炎癥體來促進(jìn)腎小管上皮細(xì)胞的炎癥損傷[21]。此外，組蛋白在細(xì)胞外具有很強(qiáng)的堿性電荷，會(huì)破壞鄰近活細(xì)胞的質(zhì)膜，也會(huì)加重腎臟損傷。值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn),不同大小和形狀的晶體可引起中性粒細(xì)胞壞死性凋亡，但晶體誘導(dǎo)的中性粒細(xì)胞壞死凋亡是否與RP形成有關(guān)，至今仍不清楚[22]。

2.晶體誘導(dǎo)的腎臟炎癥損傷:如前所述，晶體通過改變線粒體功能，導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生增加、溶酶體失穩(wěn)、蛋白酶泄漏以及NLRP3炎癥小體等導(dǎo)致腎小管細(xì)胞壞死，從而致危險(xiǎn)相關(guān)分子模式的釋放。晶體顆粒和危險(xiǎn)相關(guān)分子也可激活Toll樣受體(TLR)，觸發(fā)樹突狀細(xì)胞和促炎巨噬細(xì)胞中炎癥小體的形成。同時(shí)，腎小管細(xì)胞壞死誘導(dǎo)細(xì)胞因子、激動(dòng)素和脂質(zhì)介質(zhì)的表達(dá)，進(jìn)一步促進(jìn)血管擴(kuò)張、血管通透性、白細(xì)胞流入和補(bǔ)體激活，從而增強(qiáng)腎臟炎癥，放大腎臟壞死性炎癥(圖2)，導(dǎo)致急性腎損傷(AKI)[17,23-24]；然而，晶體和/或壞死細(xì)胞碎片形成的管狀管型也可暫時(shí)阻塞管腔，導(dǎo)致腎小球?yàn)V過率和尿量突然下降也可致AKI[25]。

NLRP3炎癥小體是許多晶體引起炎癥的激活機(jī)制，參與CaOx晶體誘導(dǎo)的腎損傷及其上游的調(diào)節(jié)，由NLRP3炎性小體激活導(dǎo)致的細(xì)胞死亡稱為調(diào)節(jié)性細(xì)胞凋亡。晶體激活腎臟間質(zhì)巨噬細(xì)胞和樹突細(xì)胞中的NLRP3炎癥小體分泌成熟IL-1β，從而直接引發(fā)腎臟炎癥(圖2)[19]。NLRP3炎性小體整合細(xì)胞內(nèi)危險(xiǎn)信號(hào)(K+外流、顆粒攝取、溶酶體溶解、ATP和ROS等)并激活Caspase-1，Caspase-1將pro-IL-1β裂剪接加工為具有活性的IL-1β，其釋放將炎癥信號(hào)傳遞給周圍的實(shí)質(zhì)細(xì)胞，從而擴(kuò)大腎臟壞死性炎癥[26-27]。同時(shí)，IL-1β通過其受體擴(kuò)大后續(xù)炎癥效應(yīng)，IL-1R激活NF-κB依賴的細(xì)胞因子和趨化因子的表達(dá)將進(jìn)一步增強(qiáng)腎臟炎癥反應(yīng)[28]。除了炎癥小體激活外，一些晶體還可以通過其他途徑引起炎癥：如尿酸晶體直接與細(xì)胞膜結(jié)合，以不依賴受體的方式誘導(dǎo)細(xì)胞表面脂質(zhì)分類和酪氨酸蛋白激酶Syk的炎癥激活[29]。此外，一些炎性細(xì)胞因子(如TNFα)促使腎小管細(xì)胞壞死性調(diào)節(jié)，更是加重了草酸鹽晶體誘導(dǎo)的AKI[18]。值得注意的是，NLRP3炎性小體具有非炎癥性功能，可通過轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β受體信號(hào)介導(dǎo)腎纖維化[30]。

圖2 晶體誘導(dǎo)壞死性炎癥的分子機(jī)制

巨噬細(xì)胞(Mφs)是至關(guān)重要的先天免疫細(xì)胞，可在各種刺激下誘導(dǎo)成具有不同功能的表型，其在晶體沉積過程中發(fā)揮重要作用。研究表明,M1Mφ通過氧化應(yīng)激促進(jìn)晶體沉積，而M2Mφ可抑制炎癥同時(shí)通過吞噬作用減少晶體沉積[31-32]，起到相互制衡作用(圖2)。Liu等[33]研究蘿卜硫素在體內(nèi)外可能通過NRF2-miR93-φ/IRF1途徑促進(jìn)M2Mφ極化，抑制CaOx沉積所致的腎小管上皮細(xì)胞炎性損傷。有學(xué)者認(rèn)為,腎小管內(nèi)沉積的晶體是經(jīng)伸展運(yùn)動(dòng)進(jìn)入間質(zhì)，被單核Mφs和成纖維細(xì)胞識(shí)別并吞噬包裹后形成結(jié)晶肉芽腫[34]，但晶體觸發(fā)結(jié)晶性肉芽腫形成的分子機(jī)制至今尚不清楚。在一項(xiàng)高草酸飲食誘導(dǎo)的小鼠腎臟結(jié)晶研究中，用CSF-1誘導(dǎo)M2 Mφs可抑制小鼠腎臟晶體沉積[35]，有望用于RP形成的治療。研究還發(fā)現(xiàn)，雄激素受體缺失通過改變miR-185-5p/CSF-1信號(hào)改變Mφs募集M2Mφ極化抑制腎內(nèi)草酸鈣晶體沉積[36]。

腎小管細(xì)胞吞噬晶體后，試圖在吞噬溶酶體中消化這些晶體，吞噬過程中導(dǎo)致胞漿中鈣離子釋放、鈣蛋白酶激活，繼而促進(jìn)IL-1α的釋放，引發(fā)炎癥。然而，較大和難以消化的晶體會(huì)導(dǎo)致溶酶體不穩(wěn)定，導(dǎo)致胞漿中Cat-B釋放；晶體直接損傷引起K+外流，經(jīng)NADPH和線粒體途徑使ROS增加，組織蛋白酶B和ROS激活NLRP3，引起成熟IL-1β的分泌。組織蛋白酶B裂解RIPK1，導(dǎo)致Caspase通路介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，或者在Caspase-8缺失的情況下導(dǎo)致RIPK3和MLKL介導(dǎo)的調(diào)節(jié)性細(xì)胞壞死，引起細(xì)胞釋放各種與腎炎有關(guān)的分子和警報(bào)劑。同時(shí)，間質(zhì)內(nèi)可見樹突狀細(xì)胞和Mφs吞噬晶體，隨后溶酶體失穩(wěn)釋放Cat-B和ROS，激活NLRP3炎性小體，誘導(dǎo)樹突狀細(xì)胞分泌成熟的IL-1β，觸發(fā)IL-1受體(IL-1R)依賴的腎臟炎癥。腫瘤壞死因子受體(TnFR)途徑可激活NF-κB，促進(jìn)炎癥小體的激活，同時(shí)釋放炎癥因子和趨化因子。RIPK3和MLKL也可以激活NLRP3炎癥小體。某些促炎細(xì)胞因子也可以誘導(dǎo)鄰近活細(xì)胞中受調(diào)控的細(xì)胞死亡，從而建立一個(gè)壞死性炎癥的自動(dòng)放大環(huán)路。

Randall斑的形成是一個(gè)從微觀到宏觀的過程，在此期間，晶體引起不同程度的腎損傷，涉及多種不同的病理機(jī)制。晶體顆粒過飽和促進(jìn)腎小管內(nèi)的結(jié)晶，導(dǎo)致腎小管阻塞、腎小管上皮細(xì)胞損傷及間質(zhì)炎癥壞死，最終引起腎功能損傷。目前研究已發(fā)現(xiàn),晶體性腎損傷炎癥免疫微環(huán)境中相關(guān)治療靶點(diǎn)，也有相應(yīng)藥物誕生，未來有望從源頭上治療和預(yù)防腎結(jié)石的發(fā)生發(fā)展。