多囊腎病的進展與腎臟纖維化

宋東旭，郁勝強

多囊腎病(polycystic kidney disease，PKD)是常見的單基因遺傳性腎臟疾病。據歐美國家報道，多囊腎病是終末期腎病的第4位病因[1]。據我國上海地區統計，多囊腎病所致的透析患者占透析人群的5.6%，其數量位于慢性腎小球腎炎、糖尿病腎病和良性腎小動脈硬化患者之后，亦位居第4位。多囊腎病按遺傳方式可分為常染色體顯性多囊腎病(autosomal dominant polycystic kidney disease，ADPKD)和常染色體隱性多囊腎病(autosomal recessive polycystic kidney disease，ARPKD)，其發病率分別為0.10%～0.25%和0.000 1%～0.002 5%。常染色體顯性多囊腎病的主要病理特征表現為雙腎出現大量大小不等的液性囊泡，囊腫進行性增大，破壞了腎臟的正常結構和功能，最終導致終末期腎衰竭。常染色體顯性多囊腎病除累及腎臟外，還可引起肝胰囊腫、心瓣膜病、結腸憩室和顱內動脈瘤等腎外病變。臨床最常見的多囊腎病是常染色體顯性多囊腎病，本文所提到的多囊腎病特指常染色體顯性多囊腎病。不同家族多囊腎病的進展速度存在差異，在同一家族中的個體之間也存在差異。疾病進展的速度受突變基因類型和突變位點的控制，同時還受環境因素的影響。具體進展過程與囊腫的生長、囊液的分泌和腎臟纖維化密切相關。

1 多囊腎病進展的影響因素及監測

1.1 多囊腎病進展的影響因素 多囊腎病患者由于致病基因不同、發病機制差異、生活習慣及周圍環境等因素的影響，其臨床表現不盡相同，進展速度也存在較大差異。疾病進展速度的影響主要有以下幾個方面。

1.1.1 致病基因的類型 PKD1基因突變引起的多囊腎病進展速度較PKD2基因突變引起的多囊腎病的進展速度要快許多。一項基因差異性研究的結果表明，PKD1基因突變引起的多囊腎病患者，其出現高血壓和進入終末期腎病的年齡要比PKD2基因突變引起的早十余年[2]。一項來自加拿大包括90個家族484名多囊腎病患者的研究表明，38%的PKD1基因突變多囊腎病患者和24%的PKD2基因突變患者進入終末期腎病；PKD1基因突變患者進入終末期腎病的平均年齡為48.9歲，而PKD2基因突變的患者進入終末期腎病的平均年齡為70.2歲[3]。致病基因不同是多囊腎病患者疾病進展的主要影響因素，疾病的嚴重程度也可以為多囊腎病致病基因的檢測提供幫助。

1.1.2 引起腎臟損傷的因素 多囊腎病雖是一種遺傳性腎臟疾病，但近期報道的3次打擊學說顯示，多囊腎病的腎臟在受到額外的打擊后，如一側腎臟受到缺血再灌注損傷，其囊腫的數目和增大速度顯著高于未受到損傷的對側，表明除遺傳外，腎臟再次損傷是多囊腎病進展的重要影響因素[4]。

1.1.3 其他因素 性別也影響著多囊腎病的進展速度，研究表明男性患者的腎臟總體積及囊腫體積表現出更快的增長速率[5]。另外，生活習慣也會對多囊腎病的進展產生影響。一項使多囊腎病動物模型大鼠緩慢攝入咖啡因的研究顯示，咖啡因能加快多囊腎病疾病進展[4]。故推測經常攝入咖啡、巧克力等含有咖啡因的患者，其疾病進展速度可能會加快，因此多囊腎病患者需限制攝入含咖啡因的物質。

1.2 多囊腎病進展的監測 判斷多囊腎病的嚴重程度、監測其進展速度是多囊腎病研究的另一個重要方面。多囊腎病進展速度的監測主要有以下幾個方面：(1)腎功能監測：應用同位素檢測腎小球濾過率，或檢測傳統的腎功能指標，如肌酐、尿素氮、半胱氨酸蛋白酶抑制物C等；(2)通過囊腫體積、腎臟體積的增大速度或囊腫體積和腎臟體積的比值來計算囊腫增長的速度，從而監測多囊腎病的進展。

應用腎小球濾過率、肌酐、尿素氮、半胱氨酸蛋白酶抑制物C等監測多囊腎病進展具有較大的局限性，多囊腎病患者只有在疾病發展多年后腎臟體積十分巨大時才出現血液生化異常。多項臨床影像學研究證實，囊腫增大是多囊腎病患者腎功能損傷的重要因素：一項大型的臨床多中心研究(Consortium for Radiologic Imaging Studies of Polycystic Kidney Disease，CRISP)發現，多囊腎病患者腎臟體積的增大速度取決于囊腫生長速度，并與腎功能下降一致，呈持續性并可計量，腎體積快速增長將導致更快的腎臟功能下降[6]。這些重要的研究結果證實監測腎臟體積及囊腫增長能有效地判斷多囊腎病患者疾病進展及腎功能受損情況，其作用遠優于其他血液生化檢查指標。有研究顯示，估算腎小球濾過率(eGFR)>70 ml/min的患者，總腎臟體積每年增加3.7%～9.5%[7]。

2 多囊腎病的進展與腎臟纖維化

多囊腎病患者增大的腎臟囊腫周圍包繞著大量的間質纖維化，同其他遺傳性或獲得性囊腫疾病一樣，多囊腎病的間質纖維化已被證實。和腎小管間質纖維化與慢性腎臟病進展之間的關系類似，多囊腎病患者腎臟的纖維化程度與疾病的進展速率相關，對患者進入終末期腎病的發病年齡和發病率有著特殊的影響，但其具體的發病機制仍未明確。不同于慢性腎臟病，多囊腎病患者在疾病的發展過程中，乃至進入終末期腎病時，其腎臟的囊腫襯里上皮細胞不斷增殖，間質進行性積聚、增多，因而腎臟呈進行性增大，到晚期時顯著大于正常的腎臟。多囊腎病患者腎臟的纖維化是否和慢性腎臟病的纖維化有著相同的機制、是否由于基因(PKD1或PKD2基因)變異而具有疾病特異性，這些問題還有待進一步研究。

目前對多囊腎病腎臟纖維化機制的研究相對較少，主要集中在生長因子、細胞外基質、上皮間質轉化、炎癥、血管重建及缺血等方面。

2.1 生長因子及纖維化信號通路的激活 在已經報道的生長因子中，轉化生長因子-β(TGF-β)與腎臟纖維化關系最為密切，其在人類和動物的慢性腎臟病中表達均上調。慢性腎臟病進展包括腎小球硬化和腎小管間質纖維化。腎小球硬化是慢性腎臟病腎小球濾過率下降的主要原因，3種主要的腎小球細胞(足細胞、系膜細胞和內皮細胞)參與了纖維化過程。已有研究證實TGF-β介導了慢性腎臟病進展中一系列的關鍵事件，如成纖維細胞增殖、上皮間質轉化、細胞外基質產生以及腎小管上皮細胞死亡等[8]。TGF-β1信號通過交互的Ⅰ型和Ⅱ型受體激活不同的細胞內途徑，包括Smad(Sma and mad-related protein-3)和非Smad信號通路。Smad信號轉導通路是經典的TGF-β1信號轉導通路。在多囊腎病腎臟囊腫形成的初期TGF-β表達并不增多，而在多囊腎病患者和動物模型囊腫擴張的后期，TGF-β表達則逐漸增多，TGF-β-Smad 信號通路被激活，磷酸化Smad2核轉移增多，表明TGF-β在多囊腎病后期囊腫的進展和腎臟纖維化中起到了重要作用[9]。特異性針對TGF-β信號通路進行抗纖維化治療是一個潛在的分子治療策略。

最近研究顯示TGF-β1也可以激活多種非Smad信號通路[10]，包括促分裂素原活化蛋白激酶/細胞外調節蛋白激酶(MAPK/ERK)和JNK/p38MAPK、小GTPase和P13K/Akt通路等，腎臟纖維化過程中這些信號轉導通路被激活。激活的MAPK/ERK信號通路可以通過上調熱休克蛋白47(HSP47)的表達來增強細胞外基質蛋白的合成和積聚[11]；也可以影響轉錄因子Ets-1，使膠原蛋白的合成增多[12]，從而促進腎臟纖維化進展。MAPK/ERK的激活在多囊腎病細胞模型和動物模型中均存在。在體外培養的多囊腎病患者腎臟囊腫襯里上皮細胞中可觀察到ERK的激活依賴于 B-Raf的cAMP激活。這些研究說明，MAPK/ERK信號通路的抑制可以減緩多囊腎病動物模型的囊腫形成，減少纖維化，從而延緩多囊腎病進展[13]。

2.2 細胞外基質 多囊腎病的腎臟存在囊腫襯里上皮細胞進行性增殖、細胞外基質組成變化及基底膜厚度變化等。與正常腎臟相比，在人類多囊腎病腎臟的囊腫上皮中可觀察到層粘連蛋白、纖維連接蛋白、Ⅳ型膠原蛋白；在其基底膜上觀察到硫酸乙酰肝素蛋白多糖；在其周圍間質中觀察到Ⅰ型膠原蛋白，而培養的多囊腎病上皮細胞在干燥的Ⅰ型膠原蛋白環境下能分泌一種獨特的類似蛋白質球的細胞外基質[14]。在終末期多囊腎病的腎臟中，成纖維細胞的聚集和膠原蛋白小纖維可引起間質分隔擴張。有研究證實間質膠原蛋白Ⅰ、Ⅲ及基底膜膠原蛋白Ⅳ的表達明顯增高，免疫熒光分析顯示這些蛋白主要表達于環繞小囊腫的基底膜結構和終末期多囊腎病腎臟間質中的成纖維細胞。近期研究表明多囊腎病腎臟纖維化的進展以局限性改變為特征[9]。另外，多囊腎病斑馬魚模型的相關研究顯示，多囊蛋白可直接調控膠原蛋白的產生，多囊蛋白的功能喪失可引起膠原蛋白的過量產生[15]。

基質轉換的調控維持著細胞外基質的完整性和數量。基質金屬蛋白酶(MMPs)是一組分泌性的膜結合鋅依賴性內肽酶，目前該家族已經分離鑒別出26個成員(MMP1～26)。MMPs能降解多種底物，在細胞外基質的轉換中起著關鍵作用。研究證實，在多囊腎病動物模型中表達于囊腫襯里上皮細胞的主要是MMP-14，而其特異性抑制劑，組織金屬蛋白酶抑制劑-2(TIMP-2)幾乎完全在成纖維細胞表達，MMP-14和TIMP-2基因的調控失衡，在多囊腎病早期促進囊腫的擴大。同時由于TIMP-2基因的表達增多，抑制了囊腫周圍間質中MMPs降解基質的作用，因此在多囊腎病后期促進了纖維化的進展[16]。

2.3 上皮間質轉化(EMT) EMT是一個已分化的上皮細胞轉變表型的過程，從而使產生基質的成纖維細胞和肌成纖維細胞增多，EMT經常發生于慢性間質炎癥之前，與慢性間質炎癥關系密切，其原因可能是上皮細胞處于惡劣或改變的微環境時做出的適應性反應。有研究表明，除腎小管上皮細胞外內皮細胞和腎小球足細胞在損傷后也會進行轉化。一些細胞內信號轉導通路，如TGFβ/Smad、整合素連接激酶(ILK)和 Wnt/β-catenin等參與了EMT的過程[17]。腎小管上皮細胞失去極性并拉長，通過損傷的基底膜移向管周間質，并大量增殖，引起腎小管間質的纖維化。EMT主要包括4個關鍵步驟：(1)上皮細胞黏附性喪失；(2)α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)的改變；(3)腎小管基底膜的破壞；(4)細胞遷移和侵襲的加強[18]。目前EMT在多囊腎病腎臟纖維化中所起作用的研究還很少。最近有研究應用免疫組化的方法分析了多囊腎病腎臟中上皮間質轉化相關的標志物，結果顯示多囊腎病患者腎臟出現間質纖維化及α-SMA陽性肌成纖維細胞，囊腫腎小管上皮細胞失去了上皮細胞的標志蛋白(E-鈣黏蛋白)，而表達了肌成纖維細胞的標志蛋白(α-SMA，波形蛋白)，提示EMT可能在多囊腎病腎臟纖維化中起著一定作用[19]。

2.4 炎癥、血管重建與缺氧 囊腫襯里上皮細胞中纖溶酶原激活物抑制劑(PAI-1)表達增多，而PAI-1的表達與腎臟纖維化-間質巨噬細胞和肌成纖維細胞等關鍵細胞效應的召集有關[20]。纖維化的一個標志就是存在持續的炎癥狀態，而在PKD1基因致病的腎臟囊腫中發現免疫/炎癥應答相關的基因大量表達[21]。

管周毛細血管的丟失和組織缺氧是慢性腎臟病腎小管間質纖維化的特征，而管周毛細血管損傷由腎小球損傷所致。研究表明，在多囊腎病腎臟囊腫的囊壁中有廣泛的毛細血管網絡，并存在血管畸形。研究發現血管內皮細胞生長因子受體2(VEGFR-2)、血管內皮細胞生長因子受體165在腎臟囊腫細胞中表達。體外培養的多囊腎病囊腫襯里上皮細胞分泌的血管內皮細胞生長因子165、基質MMP-2和整合素αvβ 3在多囊腎病血管共表達。這些發現說明，在多囊腎病中存在著血管生成的過程，而研究中在間質纖維化區域觀察到了扭曲和擴張的血管[22]。類似的血管活性因子的失衡能夠促進纖維化的進展，并影響到多囊腎病疾病的進展。

研究發現多囊腎病腎臟中促紅細胞生成素(EPO)與間質血管相對增多，EPO和一些血管活性因子由低氧誘導因子(HIFs)調節。研究表明，人類多囊腎病和多囊腎病大鼠模型中HIF的表達增多可引起EPO升高，從而對多囊腎病的進展產生影響[23]。另外，PKD1基因致病的多囊腎病腎臟囊腫中大量表達與缺氧、衰老、免疫/炎癥應答相關的基因[21]。最近對人類和嚙齒動物的研究發現，腎臟的氧化應激反應先于基質積聚，表明缺氧可能促發和增強纖維化反應。體外研究也顯示，缺氧能引起腎小管間質細胞的前纖維化改變[24]。

抑制囊腫和腎臟體積的增大可減少正常腎小管的受損，從而延緩進入終末期腎臟疾病。腎臟纖維化是影響多囊腎病進展的另一個重要因素，因此阻止或減慢腎臟纖維化也可以延緩多囊腎病的進展。多囊腎病與慢性腎臟病的纖維化在機制方面存在某些共同點，對慢性腎臟病纖維化的研究可以指導多囊腎病腎臟纖維化的研究。但在多囊腎病中，基因缺陷會導致特異的疾病進展過程，對多囊腎病腎臟纖維化的深入研究可為抗纖維化治療提供新的干預靶點。

3 結語

未來多囊腎病的治療策略將是多方面、多靶點的聯合治療，不僅著眼于減緩囊腫生長和囊液分泌的速度，同時也要對腎臟纖維化進行干預，從而延緩多囊腎病的進展。

來自本文的更多信息：本文文獻來自PubMed數據庫、ELSEVIER Science Direct(SDOS)數據庫、Springer Link數據庫、Google學術搜索。

1 Rapoport J.Autosomal dominant polycystic kidney disease:pathophysiology and treatment[J].Q J Med,2007，100(1):1-9.

2 Zhang WL,Mei CL.Genetic heterogeneity and phenotypes of autosomal dominant polycystic kidney disease in Chinese Han nationality[J].Zhonghua Yi Xue Za Zhi，2006，86(22):1516-1521.

3 Barua M,Cil O,Paterson AD,et al.Family history of renal disease severity predicts the mutated Gene in ADPKD[J].J Am Soc Nephrol，2009，20(8):1833-1838.

4 Tanner GA,Tanner JA.Chronic caffeine consumption exacerbates hypertension in rats with polycystic kidney disease[J].Am J Kidney Dis，2001，38(5):1089-1095.

5 Harris PC,Bae KT,Rossetti S,et al.Cyst number but not the rate of cystic growth is associated with the mutated gene in autosomal dominant polycystic kidney disease[J].J Am Soc Nephrol，2006，17(11):3013-3019.

6 Grantham JJ,Torres VE,Chapman AB,et al.CRISP Investigators.Volume progression in polycystic kidney disease[J].N Engl J Med，2006，354(20):2122-2130.

7 Chang MY,Ong AC.Mechanism-based therapeutics for autosomal dominant polycystic kidney disease:recent progress and future prospects[J].Nephron Clin Pract，2012，120(1):c25-c35.

8 López-Hernández FJ,López-Novoa JM.Role of TGF-βin chronic kidney disease:an integration of tubular,glomerular and vascular effects[J].Cell Tissue Res，2012，347(1):141-154.

9 Hassane S,Leonhard WN,van der Wal A,et al.Elevated TGF beta-Smad signalling in experimental Pkd1 models and human patients with polycystic kidney disease[J].J Pathol，2010，222(1):21-31.

10 Choi ME,Ding Y,Kim SI.TGF-β signaling via TAK1 Pathway:role in kidney fibrosis[J].Semin Nephrol，2012，32(3):244-252.

11 Xiao HB,Liu RH,Ling GH,et al.HSP47 regulates ECM accumulation in renal proximal tubular cells induced by TGF-β1 through ERK1/2 and JNK MAPK pathways[J].Am J Physiol Renal Physiol，2012，303(5):F757-F65.

12 Okano K,Hibi A,Miyaoka T,et al.Inhibitory effects of the transcription factor Ets-1 on the expression of type I collagen in TGF-β1-stimulated renal epithelial cells[J].Mol Cell Biochem，2012，369(1-2):247-54.

13 Gallagher AR,Germino GG,Somlo S.Molecular advances in autosomal dominant polycystic kidney disease[J].Adv Chronic Kidney Dis，2010，17(2):118-130.

14 Wilson PD,Hreniuk D,Gabow PA.Relationship between abnormal extracellular matrix and excessive growth of human adult polycystic kidney disease epithelia[J].J Cell Physiol，1992，150(2):360-369.

15 Mangos S,Lam PY,Zhao A,et al.The ADPKD genes pkd1a/b and pkd2 regulate extracellular matrix formation[J].Dis Model Mech，2010，3(5/6):354-65.

16 Obermüller N,Morente N,Kr?nzlin B,et al.A possible role for metalloproteinases in renal cyst development[J].Am J Physiol Renal Physiol，2001，280(3):F540-50.

17 Liu Y.New insights into epithelial-mesenchymal transition in kidney fibrosis[J].J Am Soc Nephrol，2010，21(2):212-222.

18 Qi W,Chen X,Poronnik P,et al.The renal cortical fibroblast in renal tubulointerstitial fibrosis[J].Int J Biochem Cell Biol，2006，38(1):1-5.

19 Chea SW,Lee KB.TGF-β Mediated epithelial-mesenchymal transition in autosomal dominant polycystic kidney disease[J].Yonsei Med J，2009，50(1):105-111.

20 Eddy AA.Serine proteases,inhibitors and receptors in renal fibrosis[J].Thromb Haemost，2009，101(4):656-664.

21 Song X,Di Giovanni V,He N,et al.Systems biology of autosomal dominant polycystic kidney disease(ADPKD):computational identification of gene expression pathways and integrated regulatory networks[J].Human Molecular Genetics，2009，18(13):2328-2343.

22 Bello-Reuss E,Holubec K,Rajaraman S.Angiogensis in autosomal-dominant polycystic kidney disease[J].Kideny International，2001，60(1):37-45.

23 Bernhardt WM,Wiesener MS,Weidemann A,et al.Involvement of Hypoxia-Inducible Transcription Factors in Polycystic Kidney Disease[J].The American Journal of Pathology，2007，170(3):830-842.

24 Fine LG,Norman JT.Chronic hypoxia as a mechanism of progression of chronic kidney diseases:from hypothesis to novel therapeutics[J].Kidney Int，2008，74(7):867-872.