半乳糖凝集素3在糖尿病腎臟疾病中的研究進展

李 晶 張春秀 蔣紅櫻 白彝華 賀 婷 李 萌

糖尿病發(fā)生率逐年上升，糖尿病腎臟疾病(diabetic kidney disease,DKD)作為糖尿病常見的微血管并發(fā)癥之一，常進展至終末期腎臟病，需依靠腎臟替代治療，加重經(jīng)濟負擔，嚴重影響患者生存及生活質(zhì)量，故早期診斷DKD并及早干預尤為重要。但由于DKD復雜的病因及發(fā)病機制，目前對DKD的診療方式及效果有限。半乳糖凝集素3(galectin-3,Gal-3)是一種多功能蛋白，在心血管及腫瘤等領域的研究已廣泛開展，認為是一種促炎及促纖維化因子，而炎癥及纖維化是DKD主要病理表現(xiàn)之一；同時Gal-3是糖基化終產(chǎn)物的受體之一，糖尿病患者Gal-3表達升高，故對Gal-3的深入研究可能為DKD的預防及治療提供新的思路及依據(jù)。

一、Gal-3的結(jié)構(gòu)與功能

凝集素是一類能識別生物膜中復雜的碳水化合物結(jié)構(gòu)的糖蛋白，一種凝集素能專一識別并結(jié)合某種糖基。人Gal-3由位于14號染色體的LGALS3基因編碼，作為凝集素家族的一員，Gal-3因含有糖識別結(jié)合域(carbohydrate recognition domain, CRD)，故對含有β-半乳糖苷殘基的糖化合物具有高親和力[1]。根據(jù)其分子結(jié)合形式，半乳糖凝集素分為3種類型，即原型、串聯(lián)重復型和嵌合體型，Gal-3富含脯氨酸-甘氨酸-丙氨酸-酪氨酸的重復基序融合在CRD上,其結(jié)構(gòu)不同于其他半乳糖凝集素，因此Gal-3是唯一的嵌合體型[2]。其獨特的結(jié)構(gòu)決定了生物學功能的多樣性[3，4]：(1)促進細胞活化與趨化：Gal-3能誘導不同炎性細胞活化與趨化，進一步促進炎性細胞產(chǎn)生炎性細胞因子，參與調(diào)控炎性反應。(2)調(diào)節(jié)細胞黏附：Gal-3通過其羧基端與細胞外基質(zhì)、細胞表面糖蛋白的β-半乳糖苷殘基相結(jié)合，調(diào)節(jié)細胞與細胞間、細胞與基質(zhì)間的黏附。(3)調(diào)控細胞生長與凋亡：Gal-3具有mRNA剪切活性，通過其特殊的CRD端調(diào)控細胞的生長與凋亡。(4)調(diào)節(jié)蛋白表達水平：Gal-3具有糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycosylation endproducts，AGEs)受體功能，能與AGEs修飾的相關蛋白結(jié)合，調(diào)控體內(nèi)相關蛋白質(zhì)的表達水平?？梢奊al-3在細胞黏附、活化、趨化、生長、凋亡等過程中均起調(diào)節(jié)作用。

二、Gal-3的表達

1.Gal-3在腎臟的表達：從胚胎時期腎臟形成至腎臟成熟均貫穿Gal-3的表達，有研究在中腎小管、后腎的輸尿管芽以及成熟的腎前體中均檢測到Gal-3[5]。成熟腎臟中，Gal-3生理狀態(tài)下僅表達于遠端腎小管頂端面，而病理條件下各種刺激可誘導腎小球及腎間質(zhì)表達Gal-3[6]。Gal-3相對分子質(zhì)量約35kDa，可經(jīng)腎小球濾過。Gal-3對腎臟結(jié)構(gòu)與功能的維持極其重要，動物實驗表明，Gal-3基因敲除的正常小鼠發(fā)展為慢性腎臟病的風險降低[7]。而另一項研究發(fā)現(xiàn)，Gal-3基因敲除加速了小鼠DKD的發(fā)生，Gal-3基因敲除小鼠腎小球明顯硬化，腎小球基膜明顯增厚，系膜細胞和基質(zhì)增多，較野生型DKD小鼠出現(xiàn)更嚴重的DKD腎臟病理表現(xiàn)以及出現(xiàn)更嚴重的蛋白尿[8]?？梢奊al-3可以發(fā)揮相反的作用，其參與組織修復或促進腎臟損傷似乎取決于潛在的病因?qū)W，需要進一步的機制研究。

2.糖代謝與Gal-3表達：葡萄糖與其他還原糖與血漿中的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸發(fā)生非酶促反應，形成AGEs，高糖環(huán)境下AGEs水平升高，而AGEs積累可增加并誘導AGE受體表達,Gal-3作為AGE受體之一，高糖環(huán)境下Gal-3表達水平隨AGEs升高而升高[9]。一項小鼠實驗表明，Gal-3的過度表達增強了2型糖尿病小鼠胰島β細胞的凋亡和胰島炎癥[10]。另有研究表明，Gal-3表達不足同樣能增加糖尿病的發(fā)生風險，Gal-3基因缺失導致前脂肪細胞的終末分化受損、脂肪組織成熟缺陷，直接影響葡萄糖穩(wěn)態(tài)以及胰島素敏感度，這意味著有缺陷的脂肪生成是胰島素抵抗和糖尿病易感性的核心機制之一[11,12]?？梢?，糖尿病的發(fā)生與Gal-3的表達相互影響，糖代謝異常可導致Gal-3表達上調(diào)，同時Gal-3誘導胰島素抵抗進一步加重糖代謝異常。

三、Gal-3參與DKD 的發(fā)生、發(fā)展

1.機制研究

(1)Gal-3參與巨噬細胞介導的炎性反應及腎間質(zhì)纖維化：腎臟炎癥及纖維化是DKD發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一，巨噬細胞(macrophage，MΦ)是介導炎性反應的主要細胞，MΦ按細胞表面分子的不同分為M1和M2兩個表型，M1與M2型MΦ可在同一部位同時出現(xiàn)并相互轉(zhuǎn)化，二者比例與DKD發(fā)展相關。M1型通過經(jīng)典途徑活化，可分泌炎性細胞因子，主要在炎癥早期發(fā)揮促炎作用；M2型通過替代途徑活化，分泌抗炎性細胞因子及多種生長因子[13,14]。正常腎臟組織常駐的MΦ含量少，發(fā)生糖尿病時：(1)在高糖及AGEs刺激以及Gal-3誘導下，單核細胞浸潤遷移至腎組織，分化為MΦ，主要為M1型，M1型MΦ啟動腎組織炎性反應，進一步活化M2型，以抑制炎癥過度反應并修復損傷組織[15,16]。(2)Gal-3隨AGEs增加而增加，Gal-3具有趨化特性，除誘導單核細胞趨化外，可募集并選擇性活化M2型 MΦ，一方面促進抗炎性細胞因子的釋放以減輕腎臟炎性反應[9]；另一方面M2型MΦ可合成并分泌包括轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)的多種生長因子，Gal-3通過調(diào)控TGF-β激活肌成纖維細胞以及上皮細胞-間充質(zhì)細胞轉(zhuǎn)分化，促進腎纖維化[17～19]。(3)M2型MΦ可進一步分泌Gal-3，使Gal-3表達水平上調(diào)，形成Gal-3反饋環(huán)路[20]?？梢?，高糖條件下Gal-3可通過參與MΦ介導的炎癥及腎間質(zhì)纖維化反應而影響DKD。

(2)Gal-3調(diào)控高糖下腎小球系膜細胞的增殖：腎小球系膜病變是DKD最突出的病理改變之一，在病程早期就存在腎小球系膜細胞(mesangial cells，MCs)增殖。不同研究均表明，Gal-3影響MCs的高增殖狀態(tài)。一項用實時定量PCR檢測Gal-3在正常小鼠、DKD小鼠腎臟組織以及高低糖條件下MCs中的表達研究結(jié)果顯示，Gal-3在DKD小鼠腎臟組織中表達較正常小鼠顯著升高，且高糖條件下MCs中Gal-3的表達明顯高于低糖條件[21]；Gal-3過表達后，MCs增殖能力明顯提高，且磷酸化絲裂原細胞外激酶(mitogen extracellular kinase, Mek)表達上調(diào)，而MCs增殖能力和磷酸化Mek表達在小干擾RNA(small interfering RNA，siRNA)沉默Gal-3后明顯下調(diào)。可見Gal-3可能通過調(diào)控Mek磷酸化影響MCs的增殖。近年來，長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA, lncRNA)成為研究熱點，越來越多的證據(jù)表明，lncRNA參與了DKD的病理生理過程[22，23]。而Pan等[24]的研究進一步證實，Gal-3可通過直接與分布在MCs胞質(zhì)的核糖核酸酶P RNA組分H1(ribonuclease P RNA component H1，lncRNA Rpph1)相互作用而激活胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated protein kinases，Mek/Erk)信號途徑，促進糖尿病鼠腎臟MCs增殖和促炎性細胞因子腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)和單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)表達。lncRNA Rpph1對Mek/Erk信號通路激活的影響可以通過下調(diào)Gal-3得到挽救，Mek特異性抑制劑U0126可阻斷Gal-3或lncRNA Rpph1對MCs增殖的影響。Gal-3與lncRNA的調(diào)控可能為腎臟MCs的增殖及DKD的診療提供新的思路。

2.臨床研究：目前Gal-3在臨床中的研究主要集中于心血管疾病以及腫瘤學方面，在糖尿病特別是DKD中的研究相對較少。但目前少量的臨床研究顯示，血清Gal-3與DKD的發(fā)生及進展相關，在DKD早期診斷及預后預測方面具有一定價值[25～27]。一項前瞻性研究納入1320例基線腎小球濾過率≥30ml/(min·1.73 m2)的2型糖尿病患者，以非糖尿病者為對照組，檢測血清Gal-3并進行隨訪，在隨訪期間血清肌酐翻倍和(或)開始腎臟替代治療、基線檢查時正?；蛭⒘堪椎鞍啄蚧颊哌M展為大量白蛋白尿為轉(zhuǎn)歸結(jié)局。結(jié)果顯示，2型糖尿病患者血清Gal-3水平顯著高于非糖尿病對照組。在整個糖尿病隊列中，平均隨訪9年后，Gal-3與血清肌酐加倍(HR=1.19，95% CI:1.14～1.24，P<0.001)和偶發(fā)大量白蛋白尿(HR=1.20，95% CI:1.12～1.30，P<0.001)獨立相關，Gal-3水平在最高四分位的個體有4倍的腎功能喪失風險和3倍的大蛋白尿發(fā)生風險[26]。另一項前瞻性研究納入正常白蛋白尿、微量白蛋白尿和大量白蛋白尿的2型糖尿病患者各100例，結(jié)果顯示，大量白蛋白尿患者的Gal-3平均水平顯著高于微量白蛋白尿患者，微量白蛋白尿患者的Gal-3平均水平顯著高于正常白蛋白尿患者，且Gal-3是2型糖尿病患者進展為微量白蛋白尿、大量白蛋白尿、透析和死亡的重要預測因子[27]。Gal-3的全身水平是否反映了Gal-3在腎臟中的表達仍有待確定, 因為Gal-3可能來源于其他器官和組織，如心臟和脂肪組織，同時部分Gal-3也會被肝臟和腎臟清除。Kikuchi等[28]研究證明，在DKD患者的腎活檢標本中，在腎小球中發(fā)現(xiàn)Gal-3陽性細胞，并且Gal-3陽性細胞與腎小管中巨噬細胞總數(shù)的比例也顯著增加。綜上所述，Gal-3與腎功能進展、白蛋白尿水平、腎臟替代治療、死亡風險呈正相關趨勢，可見Gal-3在DKD疾病進展評估與預測方面具有一定價值。雖然上述動物實驗表明Gal-3在糖尿病腎臟病變中表現(xiàn)出雙重效應，Gal-3可起腎臟保護作用，但目前臨床研究均未提示Gal-3在DKD中的保護作用，期待有多中心、前瞻性、大樣本量的臨床研究進一步探討。

綜上所述，Gal-3作為一種多功能蛋白，通過多種途徑作用于腎臟不同細胞，在DKD的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要的病理生理作用。Gal-3有望作為生物學標志物納入臨床常規(guī)檢測，并有望作為靶點為DKD的診療提供新思路。目前DKD的診斷除了腎臟活檢，主要依靠尿微量白蛋白以及血肌酐的檢測，但尿微量白蛋白以及血肌酐的升高往往具有診斷滯后性。目前Gal-3在DKD診斷方面研究較少，Gal-3在早期診斷上是否更具有敏感度和特異性，以盡早實施干預，尚需動物實驗及臨床研究予以進一步探討。