肾脏中肾素-血管紧张素系统的生理和病理生理作用.doc

肾脏中肾素-血管紧张素系统的生理和病理生理作用生理科学进展2008年第39卷第1期肾脏中肾素一血管紧张素系统的生理和病理生理作用术贾俊亚丁国华(武汉大学人民医院.肾内科,武汉430060)摘要肾脏中肾素.血管紧张素系统(RAS)在肾脏生理功能的调节中有重要作用.近年来,肾脏RAS的新成分及新作用机制不断被发现.转基因动物研究使肾脏血管紧张素II(AngII)在血压及水钠平衡调节中的作用进一步阐明;AngII的非血流动力学作用已经确立;血管紧张素转换酶2(ACE2)及Ang17对肾功能的调节作用也已得到认可.肾素/前肾素特异性受体,ACE的信号转导功能,以及AT1受体的转激活功能等,已成为肾脏生理科学研究的热点.这些研究对于人们认识肾脏局部RAS功能,探讨延缓慢性肾脏病的进展的治疗策略具有重要意义.关键词肾脏;肾素一血管紧张素系统;信号转导中图分类号R334.1;R692传统观点认为,肾素一血管紧张素系统(RAS)主要参与心血管功能稳态,电解质平衡,体液平衡等生理功能的调节.血管紧张素原(AGT)主要由肝脏合成并释放入血,在血浆肾素作用下酶解为血管紧张素I(AngI),后者再被血管紧张素转换酶(ACE)降解为AngII.AngII是RAS主要效应分子,它作用于靶细胞膜上的AT1受体和AT2受体,发挥多种生物学效应.目前发现,RAS中还存在多条旁路,如AngI可被chymase降解为AngII,或被血管紧张素转换酶2(ACE2)降解为Ang19,后者再被ACE切割为Ang1-7;ACE2也可直接降解AngII,形成Ang17等.本文拟就肾脏RAS的研究进展作一综述.一,肾脏局部RAS的组成与分布肾脏中存在多种RAS成分,且各成分均有明确定位.肾小血管内皮细胞及肾小球内皮细胞表达丰富的ACE及ACE2(Ye等.2006);肾小球系膜细胞及足细胞可表达几乎所有的RAS成分(Vidotti等.2004,Liebau等.2006,Singh等.2005).肾小球球旁细胞含有丰富的肾素,前肾素,AGT,AngI,AngII(Albinus等.1998);近端小管上皮细胞中含有大量AGT及肾素(Moe等.1993),ACE,ACE2等酶类及AngI,AngII,Ang1-7(Li等.2005);集合管上皮细胞除有丰富ACE,ACE2外,也有较多的肾素表达(Carrasquero等.2005);肾间质细胞尚可合成肾素,AGT,AngI,AngII(Mezzano等.2003).AngII受体AT1广泛分布于肾动脉,肾小球入球及出球小动脉,系膜细胞,足细胞,近端肾小管上皮细胞的腔面及基底面,升支厚段,致密斑细胞,远端小管,皮质集合管等部位(Bernard.1997);AT2在胚胎时期的肾脏中有丰富表达,甚至超过AT1,成年后表达明显下降,但肾小球足细胞,肾小管上皮细胞仍有较多表达(Tikellis等.2006).AngII的血浆浓度为70pmol/L左右(Zou等.1996),而肾脏AngII浓度为110fmol/g左右(Kats等.2001).微穿刺研究发现,AngII在肾间质中浓度为35nmol/L,在肾小管液中为410nmol/L,在肾小管上皮细胞中浓度更高J.研究发现,肾脏高浓度的AngII有两种来源:局部合成或直接从循环中摄取.首先,近端肾小管上皮细胞自身可以合成AngII,其合成途径包括ACE途径及非ACE途径(如chymase途径)在糖尿病肾病等慢性肾脏疾病状态下,经由后者产生的AngII增加(Huang等.2003,McPherson等.2004).AngII合成后,可进入管腔,肾间质,或滞留在小管细胞内质中.这些AngII还能刺激近端小管细胞,使AGT合成成倍增加,形成局部RAS的自身放大作用(Kobori等.2004,2001).AGT也可被分泌进入管腔,到达远端肾小管和集合管,在后者合成的肾素和ACE作用下,生国家自然科学基金资助课题(30370656)现工作单位:天津医科大学总医院肾内科成高浓度的AnsiI(Carrasquero等.2005).其次,近端小管细胞可直接从循环中摄取AnsiI,这种作用称为内化(internalization).Villalobos等(2005)发现,近端小管细胞可通过AT1受体和megalin,cubilin等分子介导循环中AngII的内化.二,肾脏局部RAS的生理作用(一)AngIIAngII是RAS的主要效应分子,它在管球反馈,肾小管对水钠的重吸收,系统血压的维持及肾脏发育中占有重要地位.在管球反馈中,致密斑细胞感受到小管液中氯离子流量增加的变化后,刺激球旁细胞合成,分泌肾素,导致局部AngII增加,肾小动脉收缩,肾血流量及肾小球滤过率下降(Okusa等.1989).尽管NO合酶(NOS)与NO分子(Radermacher等.1991,Turkstra等.1999),压力感受装置_2等也是管球反馈调节机制的重要参与者,但RAS的地位是首要的.AT1A基因及ACE基因敲除的小鼠均出现管球反馈消失,后者在静脉补充大剂量外源性AngII后,管球反馈可得到恢复;相反,NOS基因敲除小鼠的管球反馈并未受到明显影响(Schnermann等.1999).Hashimoto等在ACE基因敲除小鼠中,通过转基因技术特异性地增加其肝脏的ACE表达,使该小鼠的系统血压恢复正常,但并不能恢复其管球反馈水平(Hashimoto等.2005).肾脏局部AngII对水钠重吸收的调节作用是双相的(Feraille等.2001).体外实验证明,较低浓度的AnsiI(10l0.mol/L)可刺激近端小管细胞对水钠的重吸收,但高浓度的AngII(10l0mol/L)却出现抑制作用.但动物试验研究发现,即使在大量失血情况下,肾内AngII浓度仍保持在较低浓度,以刺激水钠重吸收.因此,高浓度AngII对水钠重吸收的抑制作用在体内其实并无出现的可能.AnsiI可增加近端小管细胞间相邻侧及基底侧Na.K.AI1P酶(Bharatula等.1998),腔面的Na/H交换子(Houillier等.1996)和基底侧的Na/HC03-转运子(Good等.1999)等的活性,使近端小管对钠水的主动重吸收增加.在远端肾小管和集合管,AngII也可增加Na/H交换子和上皮钠通道的活性,同样使远端小管钠水重吸收增加(Peterdi等.2002).AT1受体拮抗剂可阻断AngII对水钠重吸收的刺激作用(Smart等.1999).肾脏局部RAS在血压调节中具有重要作用.在限钠状态,肾小管细胞对肾脏局部灌注的AngII反应极为敏感,20fmol/kg?min的增加即可导致尿生理科学进展2008年第39卷第1期钠明显减少,血压明显升高(Siragy等.1987).如果此时在肾脏局部灌注ACE抑制剂或ATl阻断剂,则可使肾血流量,肾小球滤过率,肾排钠分数等指标成倍增加(Carey等.2003).肾小管上皮细胞选择性高表达肾素的转基因小鼠血浆AngII浓度并无增加,但肾内AnI浓度及血压却明显升高,提示肾脏局部AnI在血压调节中具有重要作用(Mullins等.2006).Crowley等发现,ATl基因敲除小鼠血压较正常小鼠明显降低,且由于肾脏对钠负荷不能作出适当反应,导致其在高钠饮食后血压增幅明显大于正常小鼠.将AT1基因敲除小鼠的肾脏移植给正常小鼠,后者血压出现明显下降,高钠饮食后血压上升反应与ATl基因敲除小鼠类似.由于这两组小鼠体内醛固酮水平均无明显改变,因此作者推测该小鼠血压的异常变化与肾脏AT1受体缺乏有直接关系J.该研究者将正常小鼠的肾脏移植到AT1基因敲除小鼠体内,这些小鼠血压较ATl基因敲除组小鼠明显升高,但仍较正常小鼠明显减低,与移植了AT1基因敲除小鼠肾脏的小鼠血压水平相似.虽然其体内醛固酮水平明显下降,但在补充外源性醛固酮后,血压并无明显改变,排除了醛固酮所致肾脏水钠重吸收改变对血压的影响.因此,作者认为,正常血压的维持需要肾脏与肾外组织共同参与,二者缺一不可.AngII在肾脏发育中也占有重要地位.胚胎肾脏中RAS处于高活性状态,胚胎l4天,生后肾组织中即有肾素,AngII及其受体的高表达,这对胚肾的正常发育是必要的(Bard等.2003).肾素,ACE,ATl基因突变均与人类常染色体隐性遗传性肾小管发育不良症密切相关(Nishimura等.1999).AGT基因敲除小鼠大多出生不久即死于肾积水,偶有存活至成年者出现明显低血压,肾血管壁增厚,肾皮质局灶性萎缩,间质纤维化,而ACE,AT1A/AT1B,AT2基因敲除小鼠也均有类似表现(Guron等.2000,Lasaitiene等.2003).Nilsson等(2000,2003)发现,AngII可能通过增加胚肾中胰岛素样生长因子-1(IGF.1)的表达而促进胚肾发育.ACE抑制剂在抑制胚肾发育的同时,也明显降低其IGF-1表达,而补充外源性IGF-1则可恢复胚肾的正常发育.(二)肾素,前肾素及其受体前肾素是肾素的前体,较肾素多43个氨基酸残基,这些残基掩盖其活性位点,阻止其与AGT结合.在内肽酶作用下,前肾素被降解为肾素.甘露糖-l5-磷酸受体是肾素/前肾素的清除受体,它与肾素/前肾素的结合促进了生理科学进展2008年第39卷第1期后者的内化,降解.除此之外,肾素/前肾素还有其功能受体,这一受体分子量为45kD(Sealey等.1996).它与前肾素结合后,可促使其发生构象改变,暴露AGT结合位点,从而具有催化AGT的活性(Suzuki等.2003,Daniel等.2005).更为重要的是,它与前肾素结合并内化后,不但能刺激细胞内AngII的大量合成(Peters等.2002),而且可以不依赖于AngII而直接激活细胞内MAPK42/44和ERK信号转导途径(Nguyen等.2004,2006),见图1.竖lG1磕lAIj(Ang1-10)lj/g+一(Angl-8jAng2-8Ang3-8图1.肾脏局部RAS组成及部分生理功能示意图(方框中为肾脏经典RAS成分)AGT:血管紧张素原;ACE:血管紧张素转化酶;ACEI:ACE抑制剂;ACE2:血管紧张索转化酶2;ERK:细胞外信号调节激酶;JNK:cJun氨基末端激酶;EGF:表皮生长因子研究发现,在正常小鼠,前肾素水平约为血浆肾素/前肾素总量的70%90%.但在糖尿病等状态下,前肾素所占比例明显增高,可达总量的95%以上(Price等.1999).肾素/前肾素受体的发现,为糖尿病者肾脏AngII异常增加提供了合理解释j.早期临床研究发现,血浆前肾素水平增高是糖尿病微血管并发症(包括糖尿病肾病)的重要危险因素(Luetscher等.1985).肾素/前肾素受体旁路途径的发现为这一现象提供了合理的解释.在肾脏,肾素/前肾素受体主要分布于肾小球系膜细胞及血管平滑肌细胞(Nguyen等.2002).在高表达该受体的转基因小鼠中发现,肾脏系膜细胞TGF.31,PAI.1及基质蛋白表达量明显增加,并出现严重的肾小球硬化(Huang等.2006).(三)AngII受体AT1和AT2ATI受体在肾脏表达广泛,AngII在肾脏功能调节中的多数作用均由其介导.AT1受体属7次跨膜受体,与G/G11蛋白偶联,可激活多条下游信号通路(Berry等.2001).最近发现,AT1受体可与其它跨膜受体如缓激肽B2受体,AT2受体等反应形成同源,异源二聚体或寡聚体(Breitwieser等.2004).与缓激肽B2受体反应可增强AT1受体信号,与AT2受体反应则抑制AT1受体信号(Abdalla等.2000).Harrington等(2003)在人胚肾HEK293细胞系中发现,AT1受体还可与B肾上腺素受体反应,且其中任一受体的抑制剂均可交叉抑制另一受体.最近发现,在表达AT1的HEK293细胞系中,机械拉力可激活AT1受体下游Gq/G11蛋白,ERK,JNK2与PI等信号通路(Zou等.2004),见图1.AT1受体拮抗剂candesaan可完全抑制这些通路的激活,但使用AngII中和抗体后,其激活并未受到影响,证明机械拉力不需AngII参与即可激活AT1受体(Zou等.2004).这表明,机械拉力的增加,是肾脏RAS激活的又一旁路途径.这对理解糖尿病,高血压及大部肾切除等肾小球滤过膜机械拉力增加状态下的肾脏生理功能变化的机制具有重要意义.一种受体可以通过激活另一种受体的信号途径而发挥作用,这被称为受体的转激活(transactivation).AT1受体存在典型的转激活机制.研究表明,AT1受体至少可以转激活3种受体:表皮生长因子(EGF),血小板源性生长因子,胰岛素样生长因子一1(Tanaka等.2001,Touyz等.2002).在肾脏发育过程中,输尿管芽表达丰富的EGF受体及AT1受体.后者如被阻断,输尿管芽分支则会停止;但这一作用也同样可被EGF受体酪氨酸激酶抑制剂AG1478所阻断(Yosypiv等.2006).同样,AngII可通过AT1刺激肾小管细胞增生,这种作用可分别被AT1阻断剂,AG1478所阻断.进一步研究表明,AT1受体通过激活细胞膜上金属蛋白酶,继而诱导细胞表面肝素结合型EGF(HBEGF)释放,后者再以自分泌的形式作用于细胞自身EGF受体并使之激活,见图1.HB.EGF抑制剂CRM197可阻断An.gII致肾小管细胞增生作用j.AT2受体也是7次跨膜受体,与异源三聚体Gi/Go蛋白相偶联.一般认为,其功能与AT1受体相拈抗,可促进水钠排泄,抑制细胞增生并促进其凋亡(Berry等.2001,Obst等.2004).但也有证据表明,AT2受体与AT1受体共同参与了AngII所致的NFKB激活,炎细胞浸润,肾问质纤维化过程(Wolf等.2002,Esteban等.2004).(四)ACE,ACE2和chymase肾脏ACE主要表达于肾小管上皮细胞,在刷状缘分布尤其丰富,以维持肾小管细胞局部高浓度的AngII;ACE还表达于肾小球内皮细胞和足细胞,参与肾小球局部RAS的调节;肾血管内皮,肾问质细胞,以及浸润的炎症细胞也有丰富的ACE表达,以调节肾问质RAS浓度.ACE不但是一种多功能酶,甚至还是一种重要的受体.首先,ACE可以降解缓激肽,后者是肾脏局部重要的扩张血管物质(Ryan等.2004).其次,ACE的底物还包括四肽N一乙酰一丝氨酰一天冬氨酰一赖氨酰一脯氨酸(AcSDKP),后者可通过抑制系膜细胞的TGF一131表达,减少PAI一1合成,从而抑制其增生(Kanasaki等.2003).由于ACE是AcSDKP的特异性降解酶,故ACE抑制剂可使体内AcSDKP浓度增加5倍以上(Azizi等.2001),发挥不依赖于AnglI的抗纤维化与抗炎效果(Peng等.2007).第三,与细胞膜结合的ACE是内皮细胞与血管平滑肌细胞的重要受体.研究发现,其配体并非AngII,而是缓激肽,或ACE抑制剂.与配体结合后,ACE胞质端的Ser1270被细胞内酪蛋白激酶2(CK2)磷酸化,进而激活其下游信号MAPKK与JNK,使AP一1活性明显增强J,见图1.由于AP一1可以促进许多重要的炎症因子转录,故有可能促进慢性肾脏病的进展(Kohlstedt等.2006).ACE2可将AngI降解为Ang(19),也可降解AngII为Ang(17).体外试验中发现,以AngII为底物时ACE2的酶解活性是以AngI为底物时的400倍.多项研究证实,肾小管ACE2表达与Ang(17)水平高度相关,提示ACE2是肾小管细胞生成Ang(17)的主要酶(Li等.2006).同时,由于ACE是Ang(17)降解的主要酶,因此肾组织局部AngII,Ang(17)浓度受到ACE/ACE2的共同调节(Wakahara等.2007).在糖尿病状态下,肾组织ACE/ACE2活性比例增加.Oudit等(2006)发现,ACE2基因敲除的雄性小鼠出现肾小球局部脂质过氧化产物增加,MAPK及ERK1/2激活.该小鼠在出生后l2个月时出现晚发性肾小球硬化,而ACE抑制剂可明显减轻肾小球病变的程度.Chymase属丝氨酸蛋白酶,其催化活性有种属特异性.人类chymase催化AngI降解为AngII的活性很高.由于主要分布于心脏,血管平滑肌细胞及肥大细胞,故chymase主要调节心血管局部RAS的生理功能.最近发现,也少量表达chymase.在糖尿病肾病等慢性肾脏病状态下,肾脏系膜细胞,肾生理科学进展2008年第39卷第1期血管平滑肌细胞中chymase大量生成,且主要表达于肾小球硬化区或硬化的肾小动脉壁,与该部位RAS的激活密切相关(Huang等.2003).Elizabeth等(2004)发现,成人常染色体显性遗传性多囊肾病晚期患者,肾问质肥大细胞数量明显增多,其chymase表达量明显增加,且与局部细胞外基质沉积呈显着正相关,也提示由chymase通路生成的AngII在细胞外机制的沉积中发挥了重要作用.但是,到目前为止,调节肾脏chymase表达的具体机制尚未见报道.三,结语许多大型临床试验证实,ACE抑制剂,ATl受体拮抗剂等药物在某些以肾脏组织局部RAS激活为特征的疾病(如IgA肾病,糖尿病肾病等)的治疗中,可以延缓慢性肾脏病进展(Waeber等.2003,Linseman等.2003),但并不足以完全阻断肾脏局部RAS激活所致的氧化应激,炎症,纤维化等病变的过程.寻找肾脏RAS作用的新机制及与之相关的有效的药物是目前研究的热点.参考文献1NavarLG,NishiyamaA.yareangiotensinconcentra-tionssohighinthekidney?CurrOpinNephrolHypertens,2004.13:107115.2CrowleySD,GurleySB,OliverioMI,eta1.Distinctrolesforthekidneyandsyste