糖尿病肾病的发病机制

糖尿病肾病的发病机制糖尿病肾病的发病机制 林善锬 糖尿病肾病(diabetic nephropathy, DN)是糖尿病患者最主要的微血管病变之一。据美国、日本及 许多西欧国家统计资料表明，DN 已跃升为终末期肾功能衰竭(ESRF)首位病因，目前在我国 DN 发病率亦呈 上升趋势。由于 DN 患者机体存在极其复杂的代谢紊乱，一旦发展到 ESRF，往往比其它肾脏疾病治疗更加 辣手。因此进一步探索其发病机制，以便制定更加有效的防治措施，已成为当前糖尿病和肾脏病学界十分 热点的课题。 一、肾组织糖代谢紊乱一、肾组织糖代谢紊乱 糖尿病状态下存在肾组织局部糖代谢活跃。高糖可刺激肾组织细胞葡萄糖糖转运主要载体葡萄糖转运 子 1(glucose transporter 1,GluT1)表达和活性，促进葡萄糖进入细胞内，而细胞内高糖诱导的各种损 伤介质如 IGF-1、TGF-b1、PDGF、Ang、糖皮质激素及低氧等反过来有可刺激促进 GluT1 表达和活性， 促进更多的葡萄糖进入细胞内，形成恶性循环。另外，糖尿病状态下尚存在肾组织细胞膜胰岛素受体数目 和亲和力增加，导致肾组织糖原储存和葡萄糖利用增加，产生许多中间代谢产物。高糖与这些中间代谢产 物可通过非酶糖化、激活的多元醇通路、DAG-PKC 途径损害肾脏。 葡萄糖可以在非酶条件下形成 Amadori 产物，后者再经过一系列反应，形成晚期糖基化终末产物 (AGEs)。AGEs 损害肾脏机制包括：(1)使肾小球基底膜(GBM)成分交联增多，导致 GBM 增厚及孔径选择性 和电荷选择性丧失，而产生蛋白尿；(2)糖化的血管基质可通过 AGEs 捕获渗出血管外的可溶性血浆蛋白如 LDL，致富含胆固醇性 LDL 在局部堆积，促进动脉硬化；(3)使醛糖还原酶(AR)糖化，其活性增加，参与多 元醇途径的活化；LDL 糖化后则清除减少，致血浆中 LDL 浓度升高，渗入血管壁，促进血管并发症发生； (4)通过 AGEs 与细胞上特异性受体(RAGE)结合激活细胞，尤其是巨噬细胞，随后分泌大量的细胞因子和细 胞介质如 IL-1、TNF1、TGFb、PDGF 等，引起组织损伤。此外，AGEs 与 RAGE 结合后还会导致细胞氧化增 加，产生大量氧自由基，而激活 NFkB，后者可诱导 ET-1 及血管细胞粘附因子-1(VCAM-1)等表达。此外， 在体外培养的系膜上 Amadori 修饰的白蛋白不仅能诱导 TGFb1 基因和蛋白表达，亦能上调 TGFb型受体 功能，因而促进 ECM 蛋白表达。 当血糖持续升高超过了糖原合成和葡萄糖氧化能力时，可激活肾小球系膜细胞、近端肾小管上皮细胞 及内髓质集合管细胞 AR 基因中葡萄糖反应元件(GLRES)及渗透压反应元件(ORE)，从而激活 AR。葡萄糖在 AR 作用下转变为山梨醇，然后在山梨醇脱氢酶作用下转变为果糖。由于山梨醇不易透过细胞膜而果糖又 很少进一步代谢，以致细胞内山梨醇和果糖堆积，过多的山梨醇和果糖引起细胞内高渗状态，以致细胞肿 胀破坏。多元醇通路的激活还可引起细胞内肌醇减少，磷酸肌醇(PI)合成受限，进而 Na+-K+-ATP 酶活性 下降和扩血管前列腺素类物质产生增加，最终引起血流动力学异常。更重要的是，多元醇通路的激活可产 生大量的辅酶 NADH，后者可促进葡萄糖从头(de novo)合成二酰甘油(DAG)途径中二羟丙酮磷酸(DHAP)向 Sn-葡萄糖-3-磷酸(Sn-GSP)转变，促进 DAG 产生，参与蛋白激酶 C(PKC)途径激活。 高血糖代谢过程中许多中间代谢产物可以从头合成 DAG，后者是体内 PKC 唯一激活剂，此外，高糖环 境尚可直接增加 PKC 基因表达。PKC 激活可通过以下四个方面促进 DN 发生、发展：(1)参与早期高滤过: 主要与高糖引起肾组织前列腺素系统代谢异常，抑制肾小球入球小动脉平滑肌细胞膜 Na+-K+-ATP 酶活性， 使细胞内 Ca2+水平下降有关； (2)促进 ECM 进行性积聚和肾小球毛细血管基底膜增厚，高糖可以通过型 胶原和 FN 基因启动子上 TPA 反应元件和 cAMP 反应元件(CRE)直接刺激型胶原和 FN 转录，且更重要的是 高糖等激活 PKC1、，可使 raf-1 磷酸化激活，从而通过 MEK-MAPK 通路刺激 c-fos 和 c-jun 的表 达，再在 AP-1 样转录因子的介导下，促进 TGFb1 基因转录；(3) PKC 激活导致肾小球基底膜局部粘附分 子分离和压力纤维发生断裂，而增加肾小球毛细血管通透性；(4) 促进细胞增殖，此与 PKC 激活诱导 VEGF 和 PDGF 表达增加有关。 二、脂代谢紊乱二、脂代谢紊乱 在实验性糖尿病模型中，可发现大量脂质在肾小球沉积，并与肾小球损害程度相一致，特异性降脂治 疗如 HMGCoA 还原酶抑制剂或低脂饮食防止或逆转 DN 进展，提示脂代谢紊乱是 DN 一种独立的损伤因 素。 脂代谢紊乱促进肾小球硬化的机制包括： (1)肾内脂肪酸结构改变，致肾内缩血管活性物质释放，升 高肾小球毛细血管内压；(2)高脂血症增加血浆粘度和红细胞刚性，改变肾小球血液流变学等；(3)经氧化 和糖化的 LDL，其代谢途径发生改变，清除降解减少，经单核细胞和巨噬细胞等清道夫途径清除增加，促 进单核-巨噬细胞释放多种细胞因子和生长因子如 PDGF-B、IL-1 及 TGF，进一步促进肾小球硬化；(4) 胆固醇合成过程中的甲羟戊酸的代谢产物可直接激活 NFkB、PKC 等，诱导 ET-1、TGF1 等表达，动物 实验给予 HMGCoA 还原酶抑制剂即使在没有降低胆固醇情况下，亦可延缓 DN 发展，其机制之一就是可 降低这些中间代谢产物的产生。 三、高血压三、高血压 严格来讲，高血压并不是 DN 的直接原因，因为，在 DN 早期尽管肾脏已有损害，患者血压往往并不 高，但糖尿病过程发生高血压常常加速 DN 的发生和进展，DN 发生后血压会进一步升高，形成恶性循环。 流行病学研究发现有高血压的糖尿病患者肾脏病变的发生率及发展速度远较无高血压者为快，临床上严格 控制高血压常会明显延缓 DN 进展，因此，高血压亦是 DN 一个独立的危险因素。高血压促进 DN 发生、 发展的机制主要是影响肾小球血流动力学。 四、血管活性物质四、血管活性物质 无论是 DN 早期高滤过状态，还是随后的肾脏肥大及肾纤维化过程中都有一系列血管活性物质参与， 他们既包括缩血管物质如 Ang、ET-1、TXA2及 PGF2，又包括扩血管物质如 NO、PGE2、激肽及心钠 素(ANP)，这些物质可单独起作用，又处于整个内分泌、旁分泌网络之中，相互作用、相互制约，共同促 进 DN 发生、发展。 糖尿病状态下肾内 RAS 异常活跃，引起肾小球血流动力学紊乱、加重蛋白尿等。AngII 还作为一种促 生长因子与高糖协同作用促进 DN 发生、发展。其中 AngII 与高糖协同刺激 TGF 和 PDGF 产生已为众多 的体内外实验所证实。晚近，研究还表明肾素与 TGFb 共定位于肾小球近球旁器(JGA)， 高糖与 AngII 诱 导 TGFb 表达，反过来 TGFb 又可促进 JGA 肾素分泌，产生更多的 AngII，形成 AngII-TGFb 之间恶性循 环。 在 DN 发病过程中无论是早期还是晚期均已证实肾组织 ET 特别是 ET-1 基因与蛋白表达增加有关， 受体亦有所上调，但作用随着不同的病期有所不同。在 DN 早期，研究发现 ET-1 表达增加主要是对抗 NO 的扩血管作用，是机体一种代偿现象。但随着病程的进展 ET-1 又是 DN 一种重要的损伤介质。主要 包括：(1)ET 使球后毛细血管收缩，引起肾小管-间质血供不足，导致低氧损害；(2)ET 可强烈刺激系膜细 胞增殖，刺激系膜细胞合成胶原及糖蛋白;(3)ET 尚可刺激系膜细胞合成和释放 TNFa、PDGF、TGFb 等 以及肾髓质产生超氧阴离子和过氧化氢等。糖尿病状态下引起 ET-1 表达增加的因素除高糖外，局部 AngII 亦可促进 ET-1 表达。应用 ACEI 和 AngII 受体拮抗剂等可降低糖尿病大鼠肾小球组织 ET-1mRNA 水平及其引起的肾组织损伤。 在糖尿病早期激肽增加主要参与肾小球高滤过。前列腺素的产生来源于细胞膜花生四烯酸的释放。在 糖尿病情况下，肾组织可能通过以下途径使花生四烯酸释放增加:(1)高血糖从头途径合成 DAG，后者可使 PKC 大量激活，激活的 PKC 进一步激活磷脂酶 A2，使花生四烯酸释放增加; (2)高血糖本身可直接使膜结 合的花生四烯酸释放出来;(3)糖尿病时，肾组织局部 Ang活性增强，Ang通过其 AT1 受体结合激活 PKC；(4)其他如缓激肽、血小板活化因子等亦可增强磷脂酶 C 活性。PG 系统在糖尿病肾病中作用亦主 要是参与早期高滤过。 在 STZ 诱导的糖尿病早期，发现 NO 与高滤过有关，肾皮、髓质 iNOS 表达的增加致肾间质压力升 高而抑制管-球反馈是其中的可能机制。在糖尿病后期，多数研究证实 NO 主要起保护作用。NO 对肾脏保 护作用机制包括：(1)增加肾小球血流量并拮抗 Ang作用;(2)抑制血小板积聚；(3)抑制系膜细胞增生； (4)抑制内皮细胞对白蛋白通透性；(5)降低内皮细胞氧化力；(5)抑制中性粒细胞 NADPH 氧化酶活性，进 而抑制氧化力；(7)直接抑制 Ca2+催化的 LDL 氧化；(8)抑制 PDGFmRNA 表达；(9)抑制培养的系膜细胞 TGF 和胶原表达 。糖尿病后期氧自由基、氧化 LDL 和 AGE 增多，可淬灭 NO，导致 NO 保护作用下降。 抗氧化剂维生素 E、维生素 C 及还原性谷胱甘肽均对糖尿病肾病产生有益的效应，其机制之一就是提高糖 尿病后期肾内 NO 水平。 在糖尿病时由于长期高血糖致慢性血容量扩张，刺激 ANP 释放增加，当使用胰岛素使血糖下降后可 防止 ANP 增高。同 NO 一样，在糖尿病后期，ANP 可改善肾血流量，促进水、钠排泄。在 STZ 诱导的 糖尿病模型中已证实糖尿病后期肾组织 ANP-AR 和 ANP-BR 功能下降，和 ANP-CR 功能增加，致 ANP 清除增加，这与糖尿病后期水、钠潴留有一定的关系。 五、生长因子与化学趋化因子五、生长因子与化学趋化因子 生长因子主要通过自分泌、旁分泌及内分泌作用参与 DN 发生、发展。在 1 型和 2 型糖尿病大鼠和小 鼠肾组织中已证实有多种生长因子 mRNA 表达。糖尿病状态下，诱导生长因子表达的因素包括高糖及糖 基化产物、肾小球高压、血管活性物质、氧化脂蛋白及浸润的单核-巨噬细胞。 在糖尿病早期，肾组织中 IGF-I 已有明显变化，这种变化与肾小球血流动力学紊乱及肾脏肥大相一致。 免疫组化研究证实 IGF-I 主要定位于皮质集合管和髓袢升支厚壁段，提示 IGF-I 主要介导小管功能及形态 改变。在人类和动物实验中，静脉内直接注射 IGF-I 可获得与糖尿病早期类似的改变。另外，在 STZ 诱 导的糖尿病模型中，给予生长介素类似物奥曲肽(Octreotide)可抑制早期肾脏肥大，长期应用则可减轻糖 尿病性长期肾脏和肾小球肥大程度和尿蛋白排泄率。糖尿病状态肾组织中 IGF-I 水平增加的机制可能与循 环中 IGF-BP 特别是 IGF-BP1 水平增加使循环中 IGF-1 在肾组织中积聚有关。另外，激肽释放酶-激肽系 统亦可能介导 IGF-1 的血流动力学效应。 近年来研究表明无论是 DN 早期还是晚期肾组织内 TGFb 基因与蛋白水平均 明显增加。此一方面是 高血糖和 AGEs 的直接作用，另一方面则可通过 AngII 等而诱导。TGFb 在 DN 的发生发展中的作用主要 是促进细胞肥大及 ECM 积聚。 PDGF-B 在肾脏中作用主要包括诱导细胞增生、促进 ECM 积聚及单核-巨噬细胞在肾组织浸润。研究 证实在 STZ 诱导糖尿病大鼠 3 天肾组织中 PDGF-BmRNA 表达即增加。晚近研究表明 PDGF-B 尚参与糖 尿病状态下肾组织糖代谢过程，进一步促进自身表达，形成恶性循环。 TNFa 主要由单核-巨噬细胞产生，但血管内皮细胞及肾小球系膜细胞亦能产生，在肾脏疾病中的作用 主要是刺激系膜细胞收缩、增生，并诱导其分泌 IL-1、IL-6、PDGF 及 PG，尚可刺激肾小球上皮细胞产 生 PAI-1，促进凝血。近年来还证实 TNFa 能诱导细胞凋亡。在糖尿病大鼠模型中同样证实肾组织 TNFa 表达增加，并与肾脏损害程度相一致，提示 TNFa 亦参与 DN 发生、发展。研究还表明 TNFa 与糖尿病状 态下胰岛素抵抗有一定的关系。 MCP-1 在肾脏中主要分布于肾小球系膜细胞、内皮细胞及肾小管上皮细胞，其作用主要是募集单核- 巨噬细胞在肾组织浸润。在 DN 肾组织中发现有较多该介质表达，提示其可能参与 DN 的发展有关。 六、反应氧中间产物六、反应氧中间产物 糖尿病情况下，常伴有主要以葡萄糖及糖化蛋白的自动氧化致体内(ROS)产生增加，机体抗氧化能力