氧自由基、炎癥反應(yīng)與腎結(jié)石形成的研究進(jìn)展

劉鑫，陳潔，粟宏偉

(西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院；四川瀘州646000)

?

氧自由基、炎癥反應(yīng)與腎結(jié)石形成的研究進(jìn)展

劉鑫，陳潔，粟宏偉

(西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院；四川瀘州646000)

腎小管上皮細(xì)胞暴露于鈣鹽晶體中會引發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)和炎癥反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氧自由基及炎癥蛋白/因子，同時誘導(dǎo)細(xì)胞自噬活動增強(qiáng)，對腎小管上皮細(xì)胞造成損傷，為鈣鹽晶體提供了黏附點，有利于結(jié)石的形成。腎結(jié)石患者或大鼠腎結(jié)石模型中均可檢測到高濃度的氧化應(yīng)激反應(yīng)標(biāo)志物、炎性標(biāo)志物及腎臟損害因子。炎癥反應(yīng)、氧自由基與腎結(jié)石的形成存在緊密聯(lián)系。

腎結(jié)石;氧自由基；氧化應(yīng)激；炎癥反應(yīng)；自噬

腎結(jié)石形成過程包括鈣鹽晶體的黏附、聚集、成核和生長。腎小管上皮細(xì)胞損傷后引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，為鈣鹽晶體的黏附提供有效位點，促進(jìn)了鈣鹽晶體的黏附。研究發(fā)現(xiàn)，在鈣鹽晶體形成的情況下，尿液中的鈣離子、草酸鹽、磷酸鹽及草酸鈣/磷酸鈣晶體將會刺激腎小管上皮細(xì)胞發(fā)生病理性改變，產(chǎn)生大量的氧自由基和炎癥蛋白/因子，致使腎小管上皮細(xì)胞發(fā)生炎癥和損傷，同時誘導(dǎo)細(xì)胞自噬活動增強(qiáng)。現(xiàn)就氧自由基、炎癥反應(yīng)與腎結(jié)石的形成的關(guān)系綜述如下。

1　氧自由基與腎結(jié)石

1.1氧自由基與腎小管上皮細(xì)胞膜損傷腎小管上皮細(xì)胞損傷與草酸鈣晶體的沉積有關(guān)，而這種損傷是由細(xì)胞內(nèi)煙酰胺脲嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶激活產(chǎn)生氧自由基介導(dǎo)[1～3]。氧自由基可以催化氨基磷脂移位酶(APLT)，而APLT可以使細(xì)胞膜上的磷脂酰膽堿外翻，改變了細(xì)胞膜磷脂選擇性,促進(jìn)膜表面的草酸鈣晶體選擇性成核[4]。其次，腎小管上皮細(xì)胞膜主要成分是含不飽和脂肪酸的磷脂，氧自由基對這些不飽和脂肪酸中的不飽和鍵具有很高的親和力，從而產(chǎn)生過氧化反應(yīng)。腎小管上皮細(xì)胞微結(jié)構(gòu)在氧自由基作用下發(fā)生改變，使細(xì)胞發(fā)生干癟收縮，胞膜表面粗糙，鞭毛、突觸大部分?jǐn)嗔衙撀洹Ｑ踝杂苫鶕p傷腎小管上皮細(xì)胞膜, 進(jìn)而增強(qiáng)了草酸鈣晶體與腎小管上皮細(xì)胞膜的黏附性和親和力，同時受損的細(xì)胞碎片直接脫入腎小管管腔,不但成為結(jié)石的晶核,而且成為結(jié)石的基質(zhì)，促進(jìn)了鈣鹽晶體的聚集、成核和生長。

1.2氧自由基與線粒體損傷研究發(fā)現(xiàn)，氧自由基可誘導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)換通道開放，使細(xì)胞膜去極化，導(dǎo)致線粒體受氧自由基損害[5]。尿液中的尿酸、鈣鹽晶體在腎臟沉積可導(dǎo)致線粒體損傷。氧自由基可使線粒體生物膜邊緣模糊，內(nèi)部嵴消失，染色質(zhì)濃縮及邊緣化[6]。研究表明，大鼠腎結(jié)石模型未使用抗氧化劑干預(yù)時，線粒體受損加重，腎臟中鈣鹽晶體沉積增多；使用抗氧化劑干預(yù)后，可減輕線粒體的氧化應(yīng)激損傷，腎臟組織中鈣鹽晶體沉積也隨之減少[7]。說明線粒體受氧自由基損傷與腎結(jié)石形成相關(guān)。氧自由基損傷線粒體后，使細(xì)胞缺乏營養(yǎng)和氧氣，反饋釋放更多的氧自由基，加重細(xì)胞損害，形成惡性循環(huán)。同時損傷的細(xì)胞和細(xì)胞器脫入管腔，為鈣鹽晶體的異相成核提供了基質(zhì)。

1.3氧化應(yīng)激與腎細(xì)胞損傷腎臟細(xì)胞在受到損傷時，會發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氧自由基，而氧化應(yīng)激會使細(xì)胞自噬活動增強(qiáng)，加重腎損傷。研究發(fā)現(xiàn)，大鼠腎缺血/再灌注的模型中，損傷的腎小管中自噬相關(guān)蛋白Beclin-1和LC3的表達(dá)增加，腎臟細(xì)胞凋亡增強(qiáng)[8]。但是，對GPF-LC3轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行缺血/再灌注處理，隨著自噬的發(fā)生，腎小管出現(xiàn)損傷。上述研究說明，自噬可以加重腎臟細(xì)胞的損傷，而損傷的腎臟細(xì)胞有利于鈣鹽晶體的沉積。小鼠遠(yuǎn)端腎小管敲除錳超氧化物歧化酶基因后，線粒體氧化作用增加，細(xì)胞自噬增強(qiáng)[9]。還有研究表明，氧化應(yīng)激反應(yīng)標(biāo)志物尿硫氧還蛋白在急性腎損傷中會升高[10]。我們推測，氧化應(yīng)激損傷腎臟細(xì)胞及組織，導(dǎo)致細(xì)胞自噬活動增強(qiáng)，吞噬、降解損傷的細(xì)胞及線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，使線粒體功能障礙，導(dǎo)致細(xì)胞缺乏氧氣和營養(yǎng)，使氧化應(yīng)激反應(yīng)加重，產(chǎn)生更多的氧自由基，腎細(xì)胞損害進(jìn)一步加重，更加有利于鈣鹽晶體的聚集、成核和生長。但是，由于氧自由基損傷線粒體的生物膜，使線粒體生物膜發(fā)生去極化，而去極化線粒體的自噬能夠保護(hù)細(xì)胞免受由氧自由基造成的損傷，這個過程是一個多聚泛素化的過程。同樣，過氧化物酶自噬也需要泛素化，通過胞質(zhì)和過氧化物酶體的泛素耦聯(lián)機(jī)制， Pex5、Pex18 和Pex20 這幾種過氧化物酶體標(biāo)記信號受體易被泛素化，誘導(dǎo)自噬降解過氧化物酶。所以，細(xì)胞自噬究竟可以引起氧自由基的增加，使細(xì)胞損傷加重，還是可以通過自噬降解過氧化物酶，使自由基產(chǎn)生減少，保護(hù)細(xì)胞，這有待于進(jìn)一步研究。

1.4氧自由基對基質(zhì)的影響一般情況下尿中的多種基質(zhì)成分對鈣鹽晶體的形成具有抑制作用，但是氧自由基可通過脂質(zhì)過氧化反應(yīng)引發(fā)“蛋白質(zhì)-脂-蛋白質(zhì)”形成，也可與-SH反應(yīng)，形成二硫鍵，促使這類大分子物質(zhì)的聚合, 使它們相互鍵聯(lián)或發(fā)生某些變化, 改變了它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),擾亂了腎小管上皮細(xì)胞膜極性，促使鈣鹽晶體在腎小管上皮細(xì)胞聚集、成核和生長，使這些物質(zhì)從抑制結(jié)石形成到促進(jìn)結(jié)石形成。

2　炎癥反應(yīng)與腎結(jié)石

2.1炎癥細(xì)胞與結(jié)石在草酸鈣結(jié)石大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，腎臟中不僅出現(xiàn)草酸鈣晶體的沉積，同時也出現(xiàn)了大量巨噬細(xì)胞聚集，并顯著多于對照大鼠，提示巨噬細(xì)胞的聚集及其發(fā)揮的功能可能與草酸鈣晶體的形成有關(guān)[11，12]。炎癥細(xì)胞損傷線粒體，導(dǎo)致線粒體中ATP的釋放，ATP不僅作為細(xì)胞的能量分子，還是細(xì)胞的強(qiáng)致炎物質(zhì)，是炎癥反應(yīng)中IL-1β成熟并發(fā)揮生理功能的關(guān)鍵物質(zhì)，因此，ATP具有極強(qiáng)的誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)的作用。一水草酸鈣晶體誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分泌IL-1β的能力與ATP相似，因此，一水草酸鈣晶體為巨噬細(xì)胞的強(qiáng)致炎物質(zhì)。還有研究發(fā)現(xiàn)，一水草酸鈣晶體同樣可激活樹突狀細(xì)胞的炎性體NLRP3，并介導(dǎo)IL-1β的最終剪切成熟[13]。在腎結(jié)石形成和清除過程中，腎臟組織內(nèi)均存在巨噬細(xì)胞浸潤，巨噬細(xì)胞可通過吞噬、降解鈣鹽晶體，減少鈣鹽晶體的沉積[14]。還有研究發(fā)現(xiàn)粒-巨噬細(xì)胞集落刺激因子通過激活外周血單核細(xì)胞與鈣鹽結(jié)石的形成及高鈣尿有關(guān)[15]。草酸鈣晶體黏附于腎小管上皮細(xì)胞，刺激炎癥相關(guān)基因如集落刺激因子1、纖維連接蛋白-1、趨化因子配體-2、CD44等的表達(dá)，單核/巨噬細(xì)胞受到趨化遷移并黏附、吞噬及消化結(jié)石晶體并釋放TNF-α、IL-6等炎性因子[16]。但是巨噬細(xì)胞吞噬鈣鹽晶體及炎癥細(xì)胞的出現(xiàn)與結(jié)石的形成是否存在必然聯(lián)系，需進(jìn)一步研究證實。

2.2炎癥蛋白/因子與腎結(jié)石在腎結(jié)石大鼠模型中，大鼠尿液中炎癥相關(guān)蛋白/因子如中性粒細(xì)胞明膠酶相關(guān)脂質(zhì)運(yùn)載蛋白(NGAL)、骨橋蛋白、單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)、IL-6和TNF-α的表達(dá)增加[17]，同時腎細(xì)胞受到炎癥損害早期，腎臟損害因子(KIM-1)的水平也明顯增高[18]。草酸鹽進(jìn)入細(xì)胞間質(zhì), 使氨酰轉(zhuǎn)肽酶、血管緊張素轉(zhuǎn)化酶、β-半乳糖苷酶和N-乙酰基β-葡萄糖苷酶等炎癥因子分泌增加。MCP-1在結(jié)石形成過程中起著非常重要的作用，它能促進(jìn)腎小管上皮細(xì)胞產(chǎn)生炎癥因子，進(jìn)一步放大炎癥發(fā)應(yīng),損傷腎小管上皮細(xì)胞，參與了腎臟纖維化的過程。在組織發(fā)生局部炎癥反應(yīng)時趨化單核/巨噬細(xì)胞和氧自由基進(jìn)入炎癥組織，可吸引巨噬細(xì)胞局部堆積，包繞細(xì)胞間質(zhì)內(nèi)的鈣鹽晶體，形成囊泡結(jié)構(gòu)，而鈣鹽晶體多與膜性囊泡同時出現(xiàn)[19]。還有研究表明，在高鈣尿患者尿液中MCP-1的表達(dá)也較正常人明顯增加[20]。尿液中過飽和鈣離子是形成結(jié)石的重要危險因素，說明MCP-1在結(jié)石形成中起著重要的作用。TNF-α、IL-6通過誘導(dǎo)氧自由基的產(chǎn)生, 促進(jìn)中性粒細(xì)胞“氧化爆發(fā)”,氧自由基和中性粒細(xì)胞介導(dǎo)局部炎癥反應(yīng)不僅導(dǎo)致腎小管細(xì)胞損傷，還可致腎小球及腎小管周圍的毛細(xì)血管損傷,使腎小管上皮細(xì)胞缺乏氧氣和營養(yǎng), 導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞發(fā)生變性和壞死。TNF-α一方面促使粒細(xì)胞聚集, 加重炎癥反應(yīng);另一方面,可使毛細(xì)血管通透性增加, 進(jìn)一步加重腎小管損傷。腎小管上皮細(xì)胞受到炎癥因子損害時產(chǎn)生磷脂酶A2，可以與腎小管上皮細(xì)胞膜卵磷脂產(chǎn)生反應(yīng),使腎小管上皮細(xì)胞膜溶解。實驗研究發(fā)現(xiàn)，在草酸鈣鹽晶體與腎小管上皮細(xì)胞作用，可以刺激高遷移率族蛋白B1(HMGB1)的產(chǎn)生[21]。HMGB1是啟動和維持炎癥網(wǎng)絡(luò)的中心因子，可以趨化細(xì)胞運(yùn)動，促進(jìn)巨噬細(xì)胞等釋放更多的炎癥因子如TNF-α、IL-6等。形成一個正反饋環(huán)路，維持及放大炎癥反應(yīng)，損傷腎臟組織和細(xì)胞。上述研究表明，炎癥因子及其形成的炎癥網(wǎng)絡(luò)是腎結(jié)石形成的重要機(jī)制。NGAL和KIM-1在正常的腎臟組織中幾乎不表達(dá)，只有在腎臟組織受到損害時才會高表達(dá)，是早期腎臟炎癥損害的重要敏感標(biāo)志物。有文獻(xiàn)報道，大鼠尿液中NGAL的水平較對照組明顯增加，在第8周其水平達(dá)到最高值，此時腎小管上皮細(xì)胞變性，腎小管內(nèi)大量鈣鹽晶體沉積，說明NGAL與腎小管上皮細(xì)胞損傷有關(guān)，同時可促進(jìn)鈣鹽晶體的沉積，但是其具體機(jī)制尚未清楚。研究發(fā)現(xiàn)，KIM-1在腎臟受到炎癥損害、氧化應(yīng)激時，在組織及尿液中的含量會明顯增強(qiáng)[22]。

3　問題與展望

大量的研究已經(jīng)證實氧自由基、炎癥蛋白/因子及炎癥反應(yīng)可以導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞膜損傷，提高了鈣鹽晶體與細(xì)胞膜的黏附性和親和力，促進(jìn)了鈣鹽晶體的聚集、成核和生長，這可能在腎結(jié)石形成的起始階段起著重要作用。在結(jié)石形成的早期就對各種導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞損傷的因素采取干預(yù)措施，減少鈣鹽晶體的黏附，對于預(yù)防結(jié)石的形成有重要意義。自噬也在結(jié)石形成過程中發(fā)揮著明顯的作用，但是自噬的發(fā)生、調(diào)控以及其對機(jī)體產(chǎn)生的影響仍是目前的研究熱點。目前，鈣鹽晶體引起細(xì)胞膜微結(jié)構(gòu)的變化以及和鈣鹽晶體之間的相互作用關(guān)系尚不清楚，對炎癥反應(yīng)與腎結(jié)石的形成僅停留在單個因素分析上。只有研究清楚腎結(jié)石形成過程中的具體炎癥網(wǎng)絡(luò)和炎癥蛋白/因子之間的相互作用，臨床有效防治腎結(jié)石才會成為可能。

[1] Stefano GB, Challenger S, Kream RM. Hyperglycemia-associated alterations in cellular signaling and dysregulated mitochondrial bioenergetics in human metabolic disorders[J]. Eur J Nutr, 2016,2(2):1-7.

[2] Jeon HG, Choo SH, Jeong BC, et al. Uric acid levels correlate with baseline renal function and high levels are a potent risk factor for postoperative chronic kidney disease in patients with renal cell carcinoma[J]. J Urol, 2013,189(4):1249-1254.

[3] Huang HS, Ma MC, Chen J. Low-vitamin E diet exacerbates calcium oxalate crystal formation via enhanced oxidative stress in rat hyperoxaluric kidney[J]. Am J Physiol Renal Physiol, 2009,296(1):F34-F45.

[4] Huang HS, Ma MC, Chen J. Low-vitamin E diet exacerbates calcium oxalate crystal formation via enhanced oxidative stress in rat hyperoxaluric kidney[J]. Am J Physiol Renal Physiol, 2009,296(1):F34-F45.

[5] Niimi K, Yasui T, Hirose M, et al. Mitochondrial permeability transition pore opening induces the initial process of renal calcium crystallization[J]. Free Radic Biol Med, 2012,52(7):1207-1217.

[6] 王碩，黃曉波，許清泉，等. 茶多酚在草酸和一水草酸鈣誘導(dǎo)HK-2細(xì)胞損傷中的保護(hù)作用[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(醫(yī)學(xué)版),2013，45(4):567-574.

[7] Higuchi M, Celino FT, Shimizu-Yamaguchi S, et al. Taurine plays an important role in the protection of spermatogonia from oxidative stress[J]. Amino Acids, 2012,43(6):2359-2369.

[8] Ling H, Chen H, Wei M, et al. The effect of autophagy on inflammation cytokines in renal ischemia/reperfusion injury[J]. Inflammation, 2016,39(1):347-356.

[9] Parajuli N, Macmillan-Crow LA. Role of reduced manganese superoxide dismutase in ischemia-reperfusion injury: a possible trigger for autophagy and mitochondrial biogenesis[J]. Am J Physiol Renal Physiol, 2013,304(3):F257-F267.

[10] Kasuno K, Shirakawa K, Yoshida H, et al. Renal redox dysregulation in AKI: application for oxidative stress marker of AKI[J]. Am J Physiol Renal Physiol, 2014,307(12):F1342-F1351.

[11] Kanlaya R, Sintiprungrat K, Chaiyarit S, et al. Macropinocytosis is the major mechanism for endocytosis of calcium oxalate crystals into renal tubular cells[J]. Cell Biochem Biophys, 2013,67(3):1171-1179.

[12] Khan SR. Reactive oxygen species, inflammation and calcium oxalate nephrolithiasis[J]. Transl Androl Urol,2014,3(3):256-276.

[13] Mulay SR, Kulkarni OP, Rupanagudi KV, et al. Calcium oxalate crystals induce renal inflammation by NLRP3-mediated IL-1beta secretion[J]. J Clin Invest, 2013,123(1):236-246.

[14] Okada A, Yasui T, Fujii Y, et al. Renal macrophage migration and crystal phagocytosis via inflammatory-related gene expression during kidney stone formation and elimination in mice: Detection by association analysis of stone-related gene expression and microstructural observation[J]. J Bone Miner Res, 2010,25(12):2701-2711.

[15] Okada A, Yasui T, Hamamoto S, et al. Genome-wide analysis of genes related to kidney stone formation and elimination in the calcium oxalate nephrolithiasis model mouse: detection of stone-preventive factors and involvement of macrophage activity[J]. J Bone Miner Res, 2009,24(5):908-924.

[16] 黎承楊，王揚(yáng)，鄧耀良. 炎癥反應(yīng)與腎結(jié)石形成關(guān)系研究進(jìn)展[J]. 臨床泌尿外科雜志,2015,30(12):1150-1153.

[17] Ronco C. Biomarkers for acute kidney injury: is NGAL ready for clinical use[J]. Crit Care, 2014,18(6):680.

[18] Lim AI, Tang SC, Lai KN, et al. Kidney injury molecule-1: more than just an injury marker of tubular epithelial cells[J]. J Cell Physiol, 2013,228(5):917-924.

[19] 薛愛兵，金訊波. 泌尿系結(jié)石成因相關(guān)研究進(jìn)展[J]. 泌尿外科雜志(電子版),2014,6(4):44-47.

[20] Santos AJ, Lima EM, Penido MG, et al. Plasma and urinary levels of cytokines in patients with idiopathic hypercalciuria[J]. Pediatr Nephrol, 2012,27(6):941-948.

[21] 黃鵬，鄧耀良，黎承楊，等. 草酸鈣晶體刺激下人巨噬細(xì)胞高遷移率族蛋白B1的表達(dá)[J]. 中國組織工程研究,2015,19(11):1712-1716.

[22] Zhang Z, Cai CX. Kidney injury molecule-1 (KIM-1) mediates renal epithelial cell repair via ERK MAPK signaling pathway[J]. Mol Cell Biochem, 2016，27(7):20-27

四川省科技廳科研專項資金資助項目(14JC0105)；四川省衛(wèi)生廳科研基金資助項目(100288)。

粟宏偉(E-mail:ximi47325@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.33.040

R692.4

A

1002-266X(2016)33-0111-03

2016-04-27)