腎臟系膜細胞內葡萄糖轉運蛋白1與糖尿病腎病

樸圣月，程艷麗，劉婷婷，許鐘鎬

(吉林大學第一醫院 腎病內科,吉林 長春130021)

糖尿病腎病(DN)是糖尿病最嚴重的微血管并發癥之一，是西方國家導致終末期腎病的最主要原因,也是我國慢性腎臟病的首要病因之一。DN的主要特點為大量細胞外基質蛋白在腎小球系膜區沉積和系膜細胞(MC)肥大，腎小球及腎小管基底膜增厚，以及腎小管間質纖維化，最終造成腎小球硬化。高血糖可以促進DN的進展，并且會直接導致腎小球內葡萄糖濃度升高。葡萄糖轉運蛋1(GLUT1)可以調節MC葡萄糖的濃度，并進一步激活下游的細胞因子及信號傳導通路。在DN的進展中眾多細胞因子及信號傳導通路都會被激活，并且參與疾病進展。而這些被公認在糖尿病發生發展過程中起到重要作用的細胞因子及信號傳導通路大部分與GLUT1相互作用，進而參與DN的進展。因此，GLUT1可能成為治療DN的新治療靶點。

1 GLUT1在DN進展中的作用

DN作為糖尿病微血管病變之一，是由長期高血糖水平引起的腎臟內多種細胞功能紊亂，導致其發生、發展，最終引起腎衰竭[1]。1993年對于糖尿病控制及并發癥研究中發現，高血糖在糖尿病并發癥發展中起著決定性作用，控制血糖成為預防DN的主要措施[2]。在隨后的報道中發現，胰腺移植患者雖然長期維持良好的血糖水平，但仍可進展為DN[3]。目前體外及體內MC實驗及已證實：MC攝取葡萄糖主要依靠GLUT1實現，糖尿病持續高血糖狀態或其他因素，造成MC上GLUT1功能狀態的改變，導致MC內攝入過多的糖分，進而造成MC肥大、細胞外基質增多、腎小球基底膜增厚、腎小球纖維化，進而產生蛋白尿[4]。可見，GLUT1的功能異常是DN發生、發展的關鍵因素。

2 腎臟中GLUT的分布

自20世紀70年代起第一個GLUT被Hinkle等[5]從紅細胞膜純化后，迄今為止共發現14種GLUT在人體內表達。GLUT是葡萄糖由細胞外易化擴散至細胞內的轉運載體，對細胞中葡萄糖新陳代謝活動起著至關重要的作用。研究表明腎臟組織可見GLUTI1-GLUT5分布，腎小球內主要以GLUT1、GLUT4分布為主[4]，體內外實驗均已證實腎小球MC及其基質內的GLUT主要以GLUT1表達為主[6，7]，且實驗已經證實 GLUT1是MC攝取及利用葡萄糖的限速步驟[6]。

3 GLUT1與DN發病機制

自1977年Kasahar和Hinkle第一次從人紅細胞膜中純化出GLUT1蛋白以來，開辟了研究GLUT的新紀元。2014年顏寧等[9]首次揭示了人源GLUT1晶體結構，初步探究了GLUT1的功能及相關疾病的致病機制。在糖尿病或高血糖的大鼠、小鼠的整個腎小球及MC內可見GLUT1的表達升高[2-4]，劉志紅等[10]的研究發現DN患者腎小球及MC內GLUT1的表達也升高。在糖尿病或高血糖狀態下,會造成MC膜上GLUT1表達的升高，MC上GLUT1的高表達造成過量葡萄糖向細胞內轉運，細胞內過載的葡萄糖會激活相關信號通路，進而增加細胞外基質蛋白產物，且已證實MC上GLUT1的過表達是造成細胞外基質增多的主要因素。高表達GLUT1的轉基因MC即使是在生理葡萄糖濃度下，仍然表現出與高糖刺激MC類似的細胞表型的變化[11]。由此可見DN中MC病理變化與葡萄糖濃度及滲透壓無關，與GLUT1的表達密切相關。

4 DN時參與GLUT1調節的細胞因子

4.1 血管緊張素-Ⅱ

血管緊張素-Ⅱ(Ang-Ⅱ)主要是通過血管緊張素受體1(AT1)來發揮血管活性的細胞因子，而AT1 作為G蛋白偶聯受體，參與多種細胞內的信號傳導通路，并在腎臟血液動力學及新陳代謝調節中起到重要作用，通過調節人MC內GLUT1基因的表達，增加葡萄糖的攝取[12]。研究表明Ang-Ⅱ可在多個層面上調節GLUT1的表達。通過G蛋白，AT1可以激活包括二酰基甘油(DAG)、活化氧(ROS)在內的第二信使[13]。DAG也是葡萄糖代謝的產物之一，同時可以通過蛋白激酶C(PKC)信號通路調節基因表達。而DAG的產生可以通過PKC通路增加GLUT1基因的表達[14]。而GLUT1的增加強化了MC對葡萄糖的攝取利用，造成更多的DAG，進而形成強化的循環，最終導致系膜基質的大量沉積并且促進腎小球硬化的發展[15]。Ang-Ⅱ可以通過表皮生長因子(EGFR)激活GLUT1的表達[16]，同時也可以誘導ERK信號通路，而這一通路被認為與GLUT1的基因表達和蛋白翻譯有著密切聯系[17]。在大鼠體內實驗中應用ACEI及ARB后發現可以抑制腎臟皮質GLUT1的表達及MC對葡萄糖的攝取[18]。

4.2 轉化生長因子-β1

轉化生長因子-β1(TGF-β1)被認為是DN的主要致病因子。TGF-β主要有5種異構體，TGF-β1-5，人體內目前只發現前3種，并且在Yu[19]等的研究中已經證實腎臟內主要以TFG-β1表達為主，同時TGF-β2、TGF-β3部分功能的表達似乎依賴于TGF-β1水平的上調實現，表明TGF-β1或是最重要的致病因子。在DN腎小球模型下的MC，高葡萄糖濃度培養的MC，或動物體內MC，均可見TGF-β1表達升高，而升高的TGF-β1可刺激GLUT1的過表達，繼而造成MC對葡萄糖的攝取增加，增強新陳代謝，致使系膜基質累積大量代謝產物。葡萄糖、TGF-β1、GLUT1三者組成的正反饋循環[20]。糖尿病患者體內分離出的人MC內可見GLUT1表達升高，并伴有葡萄糖攝取率的升高，這與高糖狀態中培養的大鼠MC的實驗數據一致[10,21]。TGF-β1可直接參與DN腎小球硬化及腎小管間質纖維化[22]。TFG-β的活化與眾多因素有關， TGF-β1也可以通過非Smad 依賴的信號通路和激活促分裂原激活蛋白激酶(MAPK)調節細胞增殖[23]。TGF-β1通過激活MAPK可能誘導GLUT1合成[24,25]。MAPK激活GLUT1，進而增加葡萄糖運輸，增加DAG的生成及PKC的活化。PKC的增加會進一步刺激TGF-β1的合成，DAG-PKC通過這種方式擴大了TGF-β1與GLUT1之間的循環通路的表達[26]。一項隨機雙盲臨床實驗中發現，給予DN患者抗TGF-β1抗體治療后并不能延緩DN的進展[27]。介于多種細胞因子對GLUT1具有調節作用，可能單純阻斷TGF-β1并不能最終影響GLUT1的表達。

4.3 結締組織生長因子

結締組織生長因子(CTGF)是前硬化因子并且是CCN基因家族的成員。CTGF可以被TGF-β誘導，促進基質蛋白的合成，而基質蛋白在腎小球硬化的發生發展中起到重要的媒介作用。CTGF基因和蛋白在纖維化組織表達中增加，在糖尿病大鼠中已經證明，CTGF基因表達水平會升高[28]。高濃度葡萄糖可以通過TGF-β依賴的信號通路提高MC內CTGF的表達[29,30]。這預示著GLUT1或參與上述反應過程。這些數據顯示GLUT1和CTGF之間通過TGF-β依賴的途徑的潛在擴增循環。

5 DN時GLUT1參與的相關信號通路

5.1 ERK1/2 MAPK通路

Haneda等[31]的研究發現在慢性GLUT1過表達的大鼠系膜細胞(MCGT1)內，MCGT1內細胞外信號調節激酶(ERK)/促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路并沒有被激活。然而這與Heilig等的實驗結論完全相反，在高濃度葡萄糖體外培養的MC及從糖尿病大鼠體內分離出的腎小球的急性期應答，均可見ERK1/2信號通路被激活，且ERK1/2激活與GLUT1表達呈現出時間的一致性[32]。這可能因為Haneda等的研究中使用的細胞系是長期培養，因而錯過了早期MCGT1細胞內ERK1/2被激活。DN進展過程中，MC中GLUT1與ERK/MAPK信號通路的確切關系需要進一步證實。

5.2 GFAT和己糖胺通路

6-磷酸-果糖酰基轉移酶(GFAT)是催化己糖胺通路(HBP)的第一步，也是限速步驟[33]。HBP通路可以調節TGF-β及纖維蛋白MC內的表達，并且與DN進展有關[34,35]。在1998年Kolm-Litty等[36]的研究中發現，高葡萄糖濃度培養的MC內可見HBP的激活，并且會提高TGF-β及纖維蛋白的表達[34]，且在 MCGT1觀察到同樣現象[37]。但是這與Heilig等[6]早年的研究相反，他的實驗MCGT1內未見HBP的激活。而這些數據再次提示，DN初期及慢性進展過程中細胞內外葡萄糖對MC的表型具有不同的影響。

5.3 活性氧(ROS)

近年的研究發現活性氧(ROS)在糖尿病進展中起到重要作用。葡萄糖自氧化、新陳代謝以及糖基化的終產物，被認為是糖尿病發生的重要機制，而這些機制與ROS在細胞內生成，并活化相關致病通路有關[38]。ROS可激活醛糖還原酶，引導DAG，激活PKC,誘導晚期糖基化終產物的形成，并且激活轉錄因子核因子-κB(NF-κB)[35]。長期過表達GLUT1 的MCGT1內，即使MC外基質不斷累積，ROS并不增加[6]，提示 ROS對于MC基質的積累并不起絕對作用。而隨后Ha 等[35]的研究中得出了不同的結論，短期MC在高葡萄糖濃度培養下，可誘導ROS的產生，并且進而造成MC基質的堆積。這兩篇報道得出了完全相反的結論，可能與MC內GLUT1的過表達持續時間有關，表明DN初始階段與慢性階段對MC表型影響的機制不同有關。

6 總結與展望

綜上，GLUT1可能與眾多細胞因子及信號通路協同作用，以正反饋的方式，介導DN的發展。明確GLUT1在上述與DN發生發展相關的細胞因子及信號通路中的確切作用，可能會為DN的治療及管理提供新的啟發，并為減緩這種疾病的發展提供策略。目前臨床上對于應用ACEI/ARB藥物治療DN存在較大爭議，雖然 RAS 阻滯劑對降蛋白尿有效，但其不良反應(高鉀血癥、急性腎損傷及心血管事件增加)和并不降低終末期腎病發生率的特性。探究GLUT1與Ang-Ⅱ在DN急性期及慢性期不同致病機制，有望發掘ACEI/ARB藥物在DN個體化、精準化治療中的巨大潛能。