糖尿病腎病發病機制研究進展

蘇　毅

【關鍵詞】 糖尿病腎病；發病機制

糖尿病腎病(DN)是以系膜細胞增生和細胞外基質增多、腎小球基底膜增厚與腎小球硬化為基本病理特征的病變，發生機制復雜，目前未完全闡明，包括腎小球血液動力學改變、生化代謝紊亂、血液流變學變化、氧化應激、細胞因子與遺傳易感性等多因素相互作用導致DN的發生。現結合國內外資料，就近年來對糖尿病腎病(DN)的發病機制研究綜述如下。

1 糖尿病腎病發病炎癥機制研究進展

近年來臨床與實驗研究表明即使嚴格控制血糖、應用血管緊張素轉換酶抑制劑或血管緊張素II受體拮抗劑阻斷腎素-血管緊張素系統(Renin-angiotensin system，RAS)僅對部分DN有一定的延緩作用，晚近研究揭示DN的發病在代謝紊亂與血流動力學機制基礎上，炎性反應機制是其持續發展的關鍵因素。腎臟固有細胞在病理狀態下可以產生TNF-α、IL-1、IL-6、NO等多種炎性反應因子，這些因子又通過自分泌和旁分泌的方式使炎性反應效應不斷擴大，引起炎癥級聯反應。最近Katherine^[1]提出把糖尿病腎病看作一種由代謝紊亂引起的炎性反應性疾病。

1.1 高血糖與糖尿病腎病炎性反應的關系 高血糖是糖尿病基本的臨床表現，也是參與糖尿病腎病發病的主要代謝紊亂。體外試驗證實，糖刺激人系膜細胞單核細胞趨化蛋白(MCP-1)的表達^[2]。提示：體內血糖環境下，腎小球系膜細胞表達MCP-1增加，引起巨噬細胞的積聚和活化，釋放各種炎性介和生長因子，促進細胞外基質(ECM)增多，加速腎小球硬化。另外，血糖促進高級糖基化終末產物(AGEs)形成，AGEs和膠原分子結合能直接改變血管結構，引起血管壁增厚、管腔狹窄；AGEs和還能與腎小球系膜細胞表面AGEs受體結合，刺激系膜細胞合成大量血小板衍化生長因子(PDGF)、細胞外基質和MCP-1，產生腎臟慢性炎性反應和纖維化。高血糖、AGEs、蛋白尿可以協同刺激腎臟足細胞和腎小管細胞產生趨化因子，募集巨噬細胞。慢性炎癥通過多種途徑導致腎臟損傷：IL-6、TNF-α、刺激血管活性物質釋放，使腎小球系膜細胞增生，內皮細胞通透性增加；炎性反應可引發機體的氧化應激，使LDL(低密度脂蛋白)氧化為ox LDL，后者可以直接損傷腎小球內皮細胞，增加單核細胞對血管內皮的粘附和浸潤；氧化應激還可以產生活性氧簇(ROS)，誘導炎性反應介質和生長因子的生成，使細胞外基質合成增加，加速腎小球硬化。前炎癥細胞因子還能抑制脂酯酶的活性，引起高三酰甘油血癥。

1.2 巨噬細胞在糖尿病腎病炎性反應中的作用 在動物模型和人糖尿病腎病活檢標本中均發現巨噬細胞在腎小球和小管間質的浸潤^[3]。糖尿病時腎組織內，各種炎性細胞因子、黏附分子、趨化因子，如TNF-α、IL-6、ICAM-1、VCAM-1、MCP-1等明顯增多，可促進單核細胞和中性粒細胞與血管內皮細胞的黏附，并誘導單核細胞趨化和激活單核細胞釋放各種細胞因子，加重炎性反應過程和腎臟損傷。巨噬細胞的浸潤是糖尿病腎病炎性反應的特征性表現之一，也是糖尿病腎病發生發展的中心環節。DN大鼠模型早期和晚期均有巨噬細胞在腎小球的浸潤。巨噬細胞在腎小球的浸潤早于腎小球結構損傷，DN晚期巨噬細胞在腎小球的浸潤程度與GSI(腎小球硬化指數)相關^[4]。Chow等^[5]發現，在db/db糖尿病小鼠模型中，糖尿病腎病的進展與腎臟巨噬細胞浸潤增加有關。腎臟巨噬細胞浸潤和活化與血糖、糖化血紅蛋白水平、蛋白尿血肌酐升高、小球小管的損傷、腎臟纖維化以及巨噬細胞趨化因子(MCP-1、OPN、MIF、M-CSF)的表達相關，腎小球巨噬細胞的積聚和活化也和腎小球IgG和C3的沉積有關。巨噬細胞活化后能分泌ROS、IL-1、TNF-α、NO、PG、TGF-β等炎性反應介質和生長因子，造成組織損傷和腎臟纖維化。動物和人的糖尿病腎病不僅有腎小球巨噬細胞的浸潤，還有小管間質巨噬細胞的浸潤。小管間質巨噬細胞的浸潤程度和小管間質的損傷程度與腎功能和疾病預后密切相關^[6]。

1.3 趨化因子在糖尿病腎病炎性反應中的作用 單核細胞趨化蛋白MCP-1介導的腎小球巨噬細胞的浸潤是糖尿病腎病的早期事件。體外試驗證實系膜細胞擴張能通過IkappaB-NF-kappaB途徑刺激MCP-1 mRNA和蛋白表達。動物實驗顯示，早期糖尿病腎病，尿MCP-1的排泄增多，隨著腎損傷的加重而增加。羅格列酮能顯著抑制系膜擴張誘導的NF-kappaB活化，降低MCP-1的表達水平和趨化活性^[7]。

骨調素(OPN)是一種可由多種細胞(成骨細胞、淋巴細胞、巨噬細胞、上皮細胞、血管平滑肌細胞等)分泌的細胞外基質蛋白。OPN作為一種生長因子可以刺激血管平滑肌細胞(VSMG)增殖和遷移，刺激腎小球系膜細胞增殖。同時OPN作為一種巨噬細胞趨化因子可以募集巨噬細胞。

MCP-1和OPN同屬巨噬細胞趨化因子，但二者在腎小球、腎小管中表達不同：MCP-1主要在腎小球單核/巨噬細胞浸潤中起作用，而OPN主要在腎小管間質單核/巨噬細胞浸潤中起作用。

1.4 黏附分子在糖尿病腎病炎性反應中的作用 ICAM-1和VCAM-1是促進白細胞浸潤，使其牢固附著并通過內皮的主要黏附分子。Sugimoto等^[8]用間接免疫熒光測定糖尿病鼠ICAM-1特異性抗體，發現糖尿病鼠的腎小球，特別是腎小球內皮和系膜上ICAM-1表達增加，其增加水平和腎小球內單核/巨噬細胞浸潤程度相平行。體外實驗證實，糖通過PKC-NF-kappa、B-依賴途徑誘導大鼠系膜細胞ICAM-1表達。早期糖尿病大鼠(血糖升高1周)用抗- ICAM-1抗體治療可減輕腎小球淋巴細胞和巨噬細胞的浸潤^[9]。ICAM-1(-/-)小鼠和ICAM-1(+/+)小鼠用STZ誘導DM6個月后，腎臟病理示，前者巨噬細胞浸潤明顯抑制，尿白蛋白排泌、小球肥大和系膜基質增生比后者明顯減輕，腎小球TGF-β和IV型膠原的表達受抑制^[10]。

2 內皮功能障礙(ETDF)與糖尿病腎病關系

2.1 內皮功能概述以及 ETDF與DN的關系 內皮細胞覆蓋于血管內腔表面(簡稱內皮)，是人體的重要組成部分。從1865年內皮(endothelium)概念的提出到1993年ETDF概念形成，從而有了對內皮的結構到功能、生理到病理認識的飛躍。內皮是一個十分活躍的內分泌代謝器官，其功能眾多，如：接受、傳遞信息與內分泌作用，主要分泌的物質有一氧化氮(NO)、前列腺素、緩激肽、白三烯、血栓素(TXA)、內皮素、組織纖溶酶原激活物(t-PA)與抑制物(PAI)、血管緊張素II(Ang-II)與血管緊張素轉換酶(ACE)、凝血因子與抗凝因子、細胞因子與粘附因子等；參與調解細胞的生長、分裂、遷移、死亡與血管的舒縮等；代謝轉化滅活某些物質與參與調解脂質代謝或血管效應；屏障功能與抗凝、抗血栓作用；抑制白細胞黏附與炎性反應等；ETDF是上述功能出現異常的表現。常見ETDF危險因子包括：糖尿病、血脂異常、高血壓、炎性反應與感染、高半胱氨酸(Hcy)血癥、吸煙、衰老與絕經等。糖尿病的ETDF因素及機制目前可能包括通過高血糖的二酯酰甘油(DAG)-蛋白激酶C(PKC)活化通路、非酶促蛋白糖基化與多元醇途徑，以及氧化應激、胰島素抵抗(IR)、血脂異常和炎性反應等環節^[11]。腎小球毛細血管內皮細胞是腎小球的固有細胞之一，與腎小球基底膜和系膜緊密相連，腎小球毛細血管ETDF會導致腎小球基底膜和系膜病變甚至腎小球硬化。ETDF本身以及其繼發的代謝紊亂等可導致DN。

2.2 血管活性物質和細胞因子與DN

2.2.1 AngII 血管內皮為ACE主要合成場所，ACE為AngII生成的限速酶，糖尿病時局部腎素-血管緊張素系統(RAS)活躍是循環RAS的10倍，高血糖激活局部RAS可通過損害內皮的途徑升高ACE而增加或直接激活AngII，刺激系膜細胞合成AngII增多，AngII降解酶活性降低，AngII降解速度減慢，局部 AngII水平增高。AngII與高血糖一起刺激轉化生長因子-β1(TGF-β1)高表達，由TGF-β1介導刺激腎小球系膜細胞合成細胞外基質，并參與細胞外基質在腎臟局部的積聚^[12]；AngII促進腎小球單核-巨噬細胞浸潤，腎臟局部的單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)合成增多，而損傷腎小球^[13]；AngII通過多種途徑導致腎小管硬化及其間質纖維化。

2.2.2 內皮素-1(ET-1) ET-1主要由內皮細胞合成與分泌，是迄今為止發現的作用最強、持續最久的縮血管物質，是DN發病機制中最重要的因素。高血糖、高胰島素血癥(HI)、PKC、IR、缺氧、血液切應力改變引起的腎小球高慮過以及一些細胞因子都是ET-1產生的強效刺激因子，其可通過系列復雜機制影響腎功能：誘導TGF-β產生，刺激AngII、ACE的產生，AngII可增加腎內ET-1含量，增強內皮轉換酶(ECE)的活性，協同引起血管收縮、系膜增生、細胞外基質堆積及腎肥大^[14]；ET-1與許多生長因子如血小板衍生生長因子、堿性成纖維生長因子和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等對腎臟的損害有關；ET-1抑制腎臟水的重吸收，使腎小球濾過率下降、腎系膜增生與腎小球動脈硬化，而致腎衰竭。

2.2.3 NO與NO合酶(NOS) 正常水平NO具有^[15]：維持腎血流量而拮抗AngII作用，抗系膜細胞增殖、抑制TGF-β1的生成，降低內皮細胞對蛋白的通透性，抑制血小板聚集及活性氧產生而降低內皮細胞的氧化應激，抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶活性而降低中性粒細胞氧化應激等機制。DN早期(I、II期)長期高血糖產生大量終末糖化產物(AGEs)使NO滅活增加，而且血管平滑肌對NO反應減弱促使機體發揮代償機制合成大量NO；促使誘生型NOS(iNOS)表達而使巨噬細胞、腎小球系膜細胞等催化合成NO增加，過多的NO與超氧陰離子反應形成毒性更強的羥自由基、脂質過氧化物，導致ETDF、微血管損傷，腎小球毛細血管微血栓形成及通透性升高。DN后期(III期以后)高血糖、IR、AGEs增多狀態及多元醇途徑下，內皮功能降低，內皮源性NO產生減少并使NO無法正常發揮作用而加劇腎小球系膜基質增生、腎小球基底膜增厚與腎小球結構功能改變。

2.2.4 血管內皮生長因子(VEGF) VEGF是一種作用于血管內皮細胞的絲裂原，可能通過改變內皮細胞的結構和功能、增加腎小球毛細血管的通透性、促進細胞外基質合成、腎小球基底膜增厚、球管纖維化及腎臟肥大等機理參與DN的進展^[16]。高血糖與PKC、AGEs、AngII、TGF-β1等均可上調VEGF。

2.2.5 胰島素與IR 血管內皮對于調節胰島素敏感組織的血流及促進胰島素向間質組織轉運具有重要作用。內皮損傷時，胰島素經內皮轉運至靶組織延遲致胰島素外周作用降低繼發IR；IR狀態下胰島素信號傳遞通路受阻，內皮細胞中磷脂酰肌醇-3激酶活性降低而致eNOS表達與活性降低，導致ETDF，ETDF與IR形成惡性循環、相互加重，而ETDF使是原因，可能是導致IR的核心機制。IR與ETDF使胰島β細胞的代償反應致HI(可能包括胰島素原、胰島素代謝產物)，HI使內皮細胞生長過于密集，激活凋亡基因，同時與高血糖協同促進內皮細胞凋亡；刺激內皮細胞產生PAI-1，導致血液高凝同時抑制細胞外基質降解，在DN發病中起重要作用^[17]。

2.2.6 血小板活化因子(PAF) 主要來源于血小板，腎小球內皮細胞等細胞也可合成釋放，與其他炎性細胞、炎性因子或細胞因子導致腎小球毛細血管、腎小球基底膜通透性增加，以及系膜細胞持續增生和細胞外基質過量積聚最終導致腎損傷、腎小球硬化^[18]。

2.2.7 基質金屬蛋白酶(MMPs) MMPs由內皮細胞、單核巨噬細胞、中性粒細胞等合成與分泌，MMPs是細胞外基質的重要降解酶系，高血糖可通過介導細胞因子、免疫復合物及DAG-PKC途徑等降低MMPs活性，導致細胞外基質堆積，腎小球硬化^[19]。

2.3 氧化應激與糖化

2.3.1 多元醇途徑、DAG-PKC通路與非酶促蛋白糖基化 對于微血管并發癥而言，高血糖是主要的初始啟動因素，由于胰島素缺乏以致細胞內葡萄糖及其代謝產物持續升高，抑制內皮細胞DNA合成，損傷內皮細胞，并使其死亡加速。還可通過如下途徑對內皮細胞的損害造成腎臟病變：①多元醇途徑氧化還原勢能失衡：高糖、AGEs激活內皮細胞內醛糖還原酶(AR)并使AR mRNA表達增高，使多元醇途徑活化亢進而增大氧化應激、增強DAG-PKC通路與擴大內皮損傷，導致MVC^[20]；NADPH的消耗增加以及磷酸戊糖途徑通路障礙而導致NADPH缺乏，使還原型谷胱甘肽生成減少，抗氧化能力降低，自由基清除減少，引起內皮細胞損傷；②DAG-PKC通路：高血糖致腎小球內皮細胞與系膜細胞DAG增多，DAG是PKC的激活劑，改變內皮細胞對白蛋白的通透性，促進系膜細胞內基質蛋白合成，從而改變腎小球的結構與功能^[21]。PKC通過促進TGF-β₁、VEGF的表達與減少NO、PGI2而繼發一系列腎臟病理過程，PKG尚可與AngII相互作用，可導致腎小球的損傷；③非酶促蛋白糖基化長期高血糖促使體內AGEs形成，內皮細胞的膜蛋白糖化，從而使內皮細胞更易受損，AGEs與內皮細胞 AGEs受體(RAGE)結合后，使內皮細胞功能發生改變而釋放細胞因子如TNF-α、TGF-β₁、白介素等而加劇一系列腎臟病理過程^[22]。

2.3.2 脂質過氧化 各種血脂異常均可導致血管內皮損傷，包括高膽固醇血癥、脂蛋白的異常增高等，其中重要的是：①糖尿病時脂肪組織分解代謝亢進，FFA升高，FFA可以抑制eNOS活性，NO生成減少，引起內皮細胞損傷；FFA轉化為酮體亦可造成內皮損傷；②純化或結合在HDL顆粒的對氧磷脂酶-1均能夠在體外水解ox-LDL，抑制LDL的氧化，防止氧化產物在LDL顆粒上堆積。AGEs以及一些引起血管損害的因素均可使對氧磷脂酶-1的活性降低，使ox-LDL濃度升高，導致DN23；糖化的血管(微動脈)膠原在血管壁形成網狀結構捕獲LDL，使LDL易被氧化。高水平的ox-LDL具有細胞毒作用，誘發胞漿鈣離子濃度升高，引起內皮細胞通透性增高；減少NO及PGI2的合成與分泌，促使表達ET、TXA2、及相關生物因子，使腎保護的血管舒張機制減弱；使腎小球基底膜過氧化通透性發生改變；損害腎小球小動脈血管內皮細胞以及平滑肌導致蛋白尿；還可通過巨噬細胞的吞噬、激活PKC以及TGF-β1表達增加而破壞腎小球濾過膜的電荷屏障與分子屏障導致蛋白尿。

2.3.3 各種活性氧 糖尿病患者，葡萄糖、FFA的氧化過程中伴有大量氧自由基、活性氧產生，脫藕聯蛋白參與線粒體能量代謝過程，其中脫藕聯蛋白進入細胞內使活性氧還原，當脫藕聯蛋白2功能異常或表達減少會致活性氧產生增加24，可致血管內皮損傷。長期高血糖形成糖化血紅蛋白使紅細胞攜氧能力下降，造成組織缺氧，氧自由基、脂質過氧化、過氧化氫、超氧離子、與鈣離子增多，硫化氫氧化與谷胱甘肽減少，致內皮細胞DNA損傷與調節凋亡的基因表達。以上均導致微血管病變的產生。

4 結語

近年來，隨著世界各國社會經濟的發展和居民生活水平的提高，糖尿病的發病率及患病率逐年升高，已經成為威脅人民健康的重大社會問題。據國際糖尿病研究所(IDI)2003年報告，全世界現有糖尿病約1.94億，到2025年將突破3.33億，我國約有4000多萬糖尿病患者，而糖尿病腎病也在不斷增加，糖尿病腎病是糖尿病的嚴重并發癥，其病理變化呈慢性進行性進展，最終導致終末期腎衰竭，是糖尿病患者主要的死亡原因。因此探討糖尿病腎病發病機制，為有效控制糖尿病腎病的發病及進展，無疑有著深遠而重大的意義。

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