腎纖維化的細胞和分子基礎

肖程程+張杰

[摘要] 纖維化造成的正常腎實質破壞是導致慢性腎臟病漸進性損傷的常見致病因素。了解腎間質纖維化的發病基礎可以為治療慢性腎臟病提供更好的選擇。雖然其機制較為復雜，但可主要歸納為以下四點：①間質性炎性反應，同時參與致病和修復過程；②主要來源于腎間質細胞（成纖維細胞）的肌纖維母細胞形成獨特的間質細胞群，參與細胞外基質與間質瘢痕形成；③腎小管上皮細胞在損傷早期參與損傷過程，在損傷后期由于其再生能力的喪失成為纖維化的受害者；④間質毛細血管完整性的破壞導致氧輸送受阻，發生惡性級聯缺氧-氧化應激，加重了腎損傷和纖維化，由于缺乏足夠的血管生成反應，無法維持健康的間質毛細血管網絡。遺傳和表觀遺傳因素的重要性也日益受到重視。心腎綜合征的發生發展與腎臟纖維化的高發病率和病死率密切相關。

[關鍵詞] 細胞外基質；間質毛細血管；腎纖維化；巨噬細胞；成纖維細胞

[中圖分類號] R692 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）03（a）-0045-04

The cellular and molecular basis of renal fibrosis

XIAO Chengcheng ZHANG Jie

Department of Urology， Renmin Hospital of Wuhan University， Hubei Province， Wuhan 430060， China

[Abstract] The destruction of normal kidney parenchyma caused by fibrosis is a common cause of chronic kidney disease. Understanding the pathogenesis of renal interstitial fibrosis can provide a better treatment option for chronic kidney disease. Although complex， it can be mainly summarized as the following four aspects： ①Interstitial inflammatory reaction， which participates in the pathogenesis and repair process. ②Myofibroblast mainly derived from the renal interstitial cells （fibroblasts） forms a unique cell mass， which participates in the formation of extracellular matrix （ECM） and interstitial scars. ③Renal tubular epithelial cells participate in early kidney injury， and in the late kidney injury， they become the victim of fibrosis for the loss of the regenerative ability. ④The damaged integrity of interstitial capillaries results in the disruption of oxygen transport， and the incidence of a malignant cascade of hypoxia and oxidative stress aggravates renal injury and fibrosis. Due to the lack of sufficient blood vessel formation， the healthy capillary network can not be maintained. The importance of genetic and epigenetic factors has also been paid more attention. The incidence and development of cardiac syndrome is closely related to the high morbidity and mortality of renal fibrosis.

[Key words] Extracellular matrix； Interstitial capillaries； Renal fibrosis； Macrophages； Fibroblasts

慢性腎臟病的高發病率給社會和患者家庭帶來了沉重的經濟負擔。普遍認為纖維化造成的正常腎實質破壞是導致慢性腎臟病漸進性損傷的常見致病因素。盡管大量研究已發現導致纖維化的關鍵細胞和分子介質，但尚未得到臨床驗證[1-4]。目前13%～16%的慢性腎臟病患者需行血液透析治療，遠期他們可能需進行腎移植治療，而慢性腎臟病所致的心血管疾病高患病風險更使患者生存率明顯降低[5]。基礎科學研究的快速發展為研究新的治療方法提供了平臺。參與纖維化主要介質的發現，更為靶向治療的發展打下基礎。本文對腎纖維化的細胞和分子基礎進行綜述，為基礎研究及臨床工作提供參考。

1 腎纖維化的細胞與分子介質

1.1 炎性細胞

慢性腎疾病的共同特點是巨噬細胞參與的間質浸潤，其密度與移植腎存活率呈負相關[1]。在不同環境下，巨噬細胞可合成和分泌多種產物，包括生長因子和細胞因子[轉化生長因子β（TGF-β）、血小板衍生生長因子、成纖維細胞生長因子、腫瘤壞死因子-α、γ-干擾素、肝細胞生長因子]，酶及其抑制劑（血管緊張素轉換酶、纖溶酶原激活因子、纖溶酶原激活物抑制物-1、膠原酶、基質金屬蛋白酶組織抑制劑），基質蛋白（膠原蛋白、纖連蛋白、凝血酶敏感蛋白）和許多其他產物（補體蛋白、凝血因子、生物活性脂質、活性氧、一氧化氮、內皮素等）[6]。已有實驗表明減少間質中巨噬細胞的數量可減輕腎纖維化程度[7]。

多功能巨噬細胞與組織潛在損傷的關系已被公認，其分子基礎在過去十年的重要科學進展中已被闡明[8]。經典活化的M1型巨噬細胞與替代激活的M2型巨噬細胞來源于局部刺激下暴露的單核細胞。誘導M1型巨噬細胞形成的主要是γ-干擾素、脂多糖、腫瘤壞死因子、粒細胞巨噬細胞集落刺激因子，主要與組織損傷相關；而白細胞介素（IL）-4、IL-13、糖皮質激素、維生素D、巨噬細胞集落刺激因子和TGF-β誘導M2型巨噬細胞形成，其可能促進組織損傷的修復。當務之急是確定兩者之間的微妙聯系。這依賴于基因、蛋白質和代謝分析研究。例如Ⅰ型甘露糖受體，精氨酸酶-1的出現將抑制M2細胞。在可逆性肝損傷模型中，巨噬細胞的功能已被闡明。損傷誘導期抑制巨噬細胞可減輕纖維化[9]。纖維化是傷口愈合的重要組成部分，但還需要進一步研究M2型巨噬細胞應答后修復形成的正常腎實質與導致慢性腎臟病的不良瘢痕的關系。這突出了體外介導巨噬細胞修復腎組織的治療潛力，有待動物實驗進一步證實[10]。

1.2 肌成纖維細胞

肌成纖維細胞是最開始出現在纖維化腎間質中的細胞群[2]，其出現是瘢痕形成必不可少的條件，已有研究表明，其數量與預后密切相關，其特征為由具有成纖維細胞形態特征的間質細胞所分泌的α-平滑肌肌動蛋白（αSMA）。有研究證實肌成纖維細胞是瘢痕中基質蛋白的主要來源，這表明肌成纖維細胞的存在是纖維化必不可少的條件。肌成纖維細胞的來源已在動物模型中被廣泛研究，但仍未達成共識。譜系追蹤研究采用了遺傳工程策略和不同的細胞追蹤方法，最終出現了相悖的結果[2，11-13]。αSMA本身可能不是促進纖維化的蛋白，據報道，αSMA遺傳缺陷的小鼠會發生更嚴重的腎纖維化[14]。最近的研究發現細胞亞群表達的甘露糖受體-2可降解細胞外基質[15]。不同細胞起源的肌成纖維細胞存在的功能異質性還有待探索。

大部分肌成纖維細胞來源于內源性腎細胞的遷移、增殖和轉化。腎成纖維細胞和微血管管周細胞是原始肌纖維母細胞的主要來源[16]。當少量基質產生時，成纖維細胞也可來源于髓質細胞，然而在腎臟嚴重損害時，腎小管上皮細胞、內皮細胞也可以轉分化為肌成纖維細胞，其總體數量較小，并持續存在至病程后期[17]。

1.3 腎小管上皮細胞

在慢性腎損傷誘導期，腎小管上皮細胞通過產生合成產物（活性氧、炎癥介質等）主動參與損傷過程。多種來源于血漿或腎小球異常過濾的尿蛋白參與損害腎小管上皮細胞[3]。尿蛋白可以通過結合其相關受體激活特定的細胞反應。替代激活途徑可被生化修飾或共軛尿白蛋白激活，包括近端小管受體介導蛋白的內吞作用和激活其受體具體信號的反應[18]。后一種途徑與刺激炎癥趨化因子（由正常T細胞表達和分泌所調節的單核細胞趨化蛋白-1、IL-8、趨化因子、TGF-β、內皮素）的合成有關。在何種程度上尿蛋白會激活腎小管上皮的細胞反應尚不清楚，但這可解釋蛋白尿的程度與慢性炎癥及纖維化密切相關這一無可爭議的事實。

隨著纖維化的進展，腎小管上皮細胞會加速凋亡和衰老，這使其失去再生能力。這一轉變可能涉及細胞周期的多種具體因素，例如自噬失敗、內質網應激、氧化應激和信號缺失等[19-21]。腎小管上皮細胞死亡是腎實質損害的重要特征，非功能性腎小管和腎小球的出現會導致嚴重的后果。腎小管上皮細胞的組織學指標與腎功能密切相關[22]。保護并再生功能性上皮細胞，維持腎單位的完整性和功能性是有效治療慢性腎疾病不可或缺的組成部分。新一代測序技術已經揭示導致人類腎性營養不良的基因突變，如無翅型MMTV整合家族成員4，其為腎功能的再生研究奠定了堅實基礎[23]。

1.4 間質毛細血管

腎臟代謝活動是高耗氧過程，已有研究對漸進性纖維化與缺氧所致的慢性腎臟病進行比較[4]。慢性腎損傷的早期，間質微血管通透性增加[24]。因此，當血漿蛋白如纖維蛋白原和白蛋白結合物漏入間質（腎毛細血管滲漏綜合征）時，會發生炎癥和纖維化反應。在慢性腎疾病中，致病的關鍵血漿蛋白尚未被確定，最可能是纖維蛋白，因為當腎間質中纖維蛋白減少時，αSMA含量會相應降低[25]。雖然許多慢性疾病的特點是血管過度增生，但慢性腎臟病卻發生相反的變化——血管生成受阻，有效間質毛細血管數量顯著下降。這使研究人員考慮使用血管生成因子或阻滯抗血管生成因子治療慢性腎臟病，但在進行性腎瘢痕形成過程中，其作用被證實為無益的[26]。

缺氧-氧化應激與腎纖維化緊密相關。腎小管細胞氧化應激是慢性腎臟損傷的普遍特征，這可能是由于活性氧過度生成和抗氧化能力不足的后果。活性氧的特異性分子靶點對腎纖維化的作用還有待被探索，在將來我們可能會對其有更多的了解，因為代謝組學研究可以確定正常及纖維化腎臟中糖、核苷酸、氨基酸和脂類的具體分布。氧作為細胞信號分子的作用已被證實，也已證實其與纖維化途徑有關[27]。高通量篩選技術的出現使通過改善受損腎臟氧化還原能力的治療藥物出現成為可能。最近有實驗表明半胱胺具有抗腎纖維化的作用，其作用機制可能與減輕氧化應激反應有關[28]。

2 纖維化反應的遺傳和表觀遺傳學調控

同類原發性腎臟病患者的長期預后存在高度差異性是公認的。毫無疑問，遺傳學起著重要的作用，最好的例子是腎臟病結局與種族的相關差異性。非裔美國人載脂蛋白L1基因型（G1和G2的風險等位基因）與腎臟病預后密切相關，這是基因影響腎纖維化嚴重程度的最新例證[29]。

通過全基因組研究，探索慢性腎臟病的風險與嚴重程度的關系，盡管無法確定其因果關系，并且基因的多態性未必導致蛋白功能改變，但人類慢性腎臟病全基因組關聯研究提供了鑒別新目標人群的無偏方法，其潛在作用值得進一步研究。在最近的幾項人全基因組關聯研究中，尿調節素（UMOD）被確定為慢性腎臟病的風險及嚴重程度的重要決定因素[30]。UMOD基因編碼一種蛋白質，在亨利髓袢升支和早期遠端小管特異表達。盡管目前UMOD的基本功能未知，但其在正常人尿液中含量很高，蛋白編碼基因突變是以慢性腎小管間質腎炎為特點的家族性腎臟病的已知誘因。隨著人類遺傳研究水平的提高，我們可以預見，在慢性腎臟病遺傳學領域將有重大突破。

非蛋白編碼基因序列的改變也可能影響纖維化過程，其機制可能包括DNA甲基化、組蛋白修飾和miRNA活動等。這些機制都有改變腎纖維化進程的潛能，例如，在腎纖維化的實驗模型中，使用去甲基化劑、組蛋白去乙酰化酶抑制劑和抗miRNA-21治療后，間質的肌成纖維細胞數目顯著減少。此外，已有研究證據表明在一些患病動物和人類組織樣本中，microRNA-21出現失調控[31-34]。反應性纖維化的表觀遺傳學調控為我們研究環境對基因調控通路的影響提供了新思路。

3 心腎綜合征

大多數慢性腎臟病患者沒有達到需要腎臟替代治療維持生命的地步，但他們中很多卻早卒于心血管疾病。慢性腎臟病風險的上升與心功能衰竭的發生幾乎呈指數級關系。在DuBose等[5]的一項研究中，eGFR<15 mL/（min·1.73 m2）的人群發生心血管事件的風險比eGFR>60 mL/（min·1.73 m2）的人群高17倍。內皮細胞功能障礙、炎癥、平滑肌細胞增殖、氧化應激、血管鈣化等多種因素都可促進心腎綜合征的發生。在減輕腎纖維化、高血壓和/或蛋白尿的同時，也應減少心血管疾病的發生率和嚴重程度，提高患者的生存率。

在過去的20年中，基礎科學研究提高了我們對纖維化細胞和分子基礎的理解，使我們了解到正常結構和功能的腎通過纖維化逐漸轉變為功能惡化的腎的過程。

盡管許多問題還有待解答，但我們必須從現在做起，將已有的研究成果轉變成有效預防、治療甚至治愈人類慢性腎疾病的策略。

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