線粒體脂肪酸β氧化缺陷在慢性腎臟病腎小管損傷發病和治療中的研究進展

劉靜，江蕾，曹紅娣

南京醫科大學第二附屬醫院腎臟病中心，南京210003

腎臟作為體內具有高代謝率的器官之一，任何原因導致的腎臟結構和功能損傷均伴有能量代謝異常，可導致細胞缺氧、線粒體功能障礙和氧化磷酸化受損。脂肪酸是腎小管上皮細胞（TECs）中產生能量代謝途徑的基本底物。脂肪酸β 氧化（FAO）是維持腎小管結構和功能的關鍵能量代謝方式。胞外脂肪酸以白蛋白相關的內吞或CD36 分子介導的轉運進入細胞，胞內甘油三酯經脂肪酶催化和胞膜磷脂經磷脂酶A2（PLA2）催化可產生脂肪酸，經肉堿棕櫚酰基轉移酶1（CPT1）和CPT2的肉堿穿梭機制，以脂酰輔酶A 的形式轉運至線粒體，繼之進行β 氧化，經脫氫、氧化等步驟生成乙酰輔酶A 進入三羧酸循環。此過程受過氧化物酶體增殖激活受體（PPARα）和固醇調節元件結合蛋白（SREBP）的轉錄調控［1］。SREBP 主要促進脂肪酸、磷脂和甘油三酯的合成。PPARα 的調控范圍較廣，涉及幾乎所有的脂肪酸轉運和β 氧化的酶。生理狀態下，脂肪酸的攝取、氧化和合成呈現動態平衡從而避免細胞內脂質的堆積。正常分化細胞主要依賴線粒體氧化磷酸化供能，而多數癌細胞則依賴糖酵解的方式為自身代謝供能，被稱為瓦伯格效應。由于糖酵解產生三磷酸腺苷（ATP）的效率較低，每個葡萄糖分子只產生兩個ATP，這一結果似乎并不合理。但后來有研究認為，這種對于有氧糖酵解的依賴是基于細胞對新的生物量如磷脂、核苷酸和氨基酸的需要［2］。同樣，作為高能量需求的細胞，正常情況下TECs 高度依賴于FAO 驅動的氧化磷酸化以滿足其能量需求，很少進行糖酵解；但在應激環境中，TECs的代謝過程發生改變，FAO 缺陷，而糖酵解過程增強［3］。僅從代償性能量和抗氧化應激損傷的角度上來看，這種能量代謝重編程是TECs 適應病理環境的一種保護機制，也是腎小管再生的標志。然而，如果不能糾正這種能量代謝，會影響TECs的修復，導致上皮-間質轉化（EMT）和間質纖維化，促進慢性腎臟病（CKD）發展［4-5］。現就線粒體FAO 缺陷在CKD 腎小管損傷發病和治療中的研究進展綜述如下。

1 線粒體FAO缺陷參與腎小管損傷的機制

在應激條件下，TECs中FAO缺陷不僅導致能量產生受損，還會促進腎臟脂質堆積和纖維化。短期的FAO 缺陷，強化的糖酵解可以彌補能量消耗，對腎臟起到保護作用。然而，長期FAO 缺陷，TECs 不能恢復正常能量代謝可能影響腎臟修復，從而導致CKD 進展。FAO 缺陷參與腎小管損傷的機制主要體現在以下幾個方面。

1.1 誘導炎癥反應 腎小管上皮細胞脂肪酸蓄積及異位脂質沉積主要是由于FAO 缺陷，蓄積的脂肪酸可激活腎小管細胞的氧化應激和內質網應激，促進細胞釋放趨化因子，誘導炎癥細胞浸潤，甚至導致細胞凋亡。高脂飲食喂養32 周的大鼠腎臟模型中有明顯的慢性炎性改變、高活性氧自由基（ROS）水平和腎小球纖維化［6］，這一過程或與炎癥過程中高水平非酯化脂肪酸（NEFA）激活促炎反應途徑并增加ROS 的產生有關［7-8］。腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白細胞介素-6（IL-6）和單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）的過度表達，繼而誘使免疫細胞進入細胞損傷部位，導致更多的細胞死亡，形成腎小管損傷和炎癥之間的環路。此外，脂肪酸轉運蛋白CD36 于腎近端和遠端小管上皮細胞、足細胞、系膜細胞、微血管內皮細胞和間質巨噬細胞高表達。最近一項研究［9］發現，脂肪酸轉運蛋白CD36 過表達促進高糖誘導的TECs 中NLRP3 炎癥小體活化和IL-1β 分泌，抑制了線粒體FAO 并刺激了線粒體ROS 的產生，從而降低細胞氧化NEFA 的能力，進一步導致脂肪堆積和胰島素抵抗［10］。因此，TECs 不僅是炎癥反應的“受害者”，而且是炎癥反應的“積極參與者”。 TECs 不僅分泌炎癥因子，還可激活腎間質免疫細胞，參與持續的腎臟炎癥反應。由此可見，恢復TECs的正常代謝可能比干預單個下游炎癥事件更有效。

1.2 加重脂質蓄積 脂類在非脂肪組織中的沉積導致細胞功能障礙和壞死，稱為脂毒性［11］。脂質動態平衡主要依賴于脂質攝入、合成和流出之間的平衡。然而，最近一項研究報告顯示，由于FAO 關閉，TECs 中游離脂肪酸的利用減少促進了腎臟中的脂質堆積和纖維化［12］。腎小管全基因組分析顯示，在小鼠和人類腎間質纖維化模型中，許多重要的線粒體酶和脂肪酸氧化調節因子表達降低，如PPARα 和PPARγ［13］。PPARα 作為轉錄因子調節基因的表達，是一組核受體蛋白，在調節細胞分化、發育和代謝等方面發揮作用。PPARα 主要在代謝活躍的細胞中表達，通過調節脂肪酸轉位酶CD36 來刺激細胞對脂肪酸的攝取，導致小管細胞中脂質沉積增加。同時，在近端小管上皮細胞中抑制FAO 會導致ATP 耗竭，進而發生細胞凋亡、去分化和細胞內脂質沉積。低水平的FAO 與TECs 的細胞內脂質積聚密切相關，主要表現為Perilipin 2陽性脂滴數量的增加以及以膽固醇、磷脂和鞘磷脂積聚為特征的脂質譜。而再灌流晚期動物的游離膽固醇、酯化膽固醇和總甘油三酯水平也高于正常對照組，刺激細胞膜甘油三酯和磷脂酰膽堿可釋放脂質自由基，導致細胞損傷［14］。因此，脂代謝紊亂既可以是腎功能障礙的后果，也可以是其原因，二者形成惡性循環。同樣，高脂飲食或棕櫚酸超載引起的脂肪堆積也會加速細胞死亡、腎臟炎癥和纖維化［15-16］。HARRIS 等［17］也證實，過量的棕櫚酸在腎小管周圍毛細血管模型中可誘導內質網應激。在編碼膽綠素還原酶A（BVRA）基因缺失的動物模型中也觀察到了小鼠近端腎小管細胞脂質堆積和毒性，這可能與線粒體呼吸和β 氧化受損介導的腎小管凋亡有關［18］，提示脂毒性可通過激活炎癥反應，促進纖維化。總之，糾正TECs 中的FAO 紊亂或是降低脂毒性是延緩CKD 進展的潛在策略。

1.3 促進腎臟纖維化 腎小管間質纖維化是 CKD主要的組織病理特征，但腎纖維化的具體機制尚不完全清楚。肌成纖維細胞分泌大量胞外基質，管周毛細血管稀疏、間質缺氧、管周細胞脫落、TECs損傷和細胞周期停滯都是導致腎纖維化的原因。小管上皮細胞損傷和異常修復是CKD 發病和腎臟纖維化的中心事件。TECs 中低水平的FAO 是導致腎間質纖維化的一個重要因素，FAO 缺陷引起的代謝限制導致TECs的異常修復，向纖維化表型轉化［19］。多項動物模型和腎纖維化患者研究結果［4，13］提示為應對FAO 缺陷TECs 導致的能量生成障礙，存活的TECs可以進行表型轉換，包括細胞骨架重建和細胞外基質積聚，與FAO 相關的關鍵調節因子和酶在TECs中的表達顯著降低。值得關注的是，FAO在TECs中的缺陷也導致了與年齡相關的腎臟纖維化。在大鼠衰老過程中，隨著脂質在TEC 中的沉積，PPARα 的表達顯著減少，PPARα 敲除小鼠表現出較低的FAO途徑水平、過度的脂肪堆積和嚴重的纖維化表型［20］。miR-21 已被證明調節代謝途徑［21-22］。miR-21通過下調PPAR-α 促進腎小管損傷和纖維化，使TEC 的脂質代謝發生改變。抑制miR-21 可以減少TGF-β1誘導的纖維化和炎癥，保持腎小管結構的完整性，這是由于PPAR-α/維甲酸X 受體活性增強和線粒體功能改善所致。此外，一項用乙莫克舍（CPT-1 抑制劑）處理的棕櫚酸（PA）刺激的PTCs 的研究證實出現了更高的細胞死亡、分化和細胞內脂質積累。他們發現這些PTC 經歷了分裂表型轉變，表達了更多的間充質基因，如α-SMA、波形蛋白、COL1a1和COL3a1。TGF-β1抑制脂肪酸氧化中的限速酶CPT1 的表達，從而降低脂肪酸代謝，而三種腎纖維化模型（UUO、葉酸誘導的腎病和腺嘌呤所致腎損傷）中，腎小管CPT1 過表達后均可通過恢復氧化磷酸化和線粒體質量來減輕腎纖維化、炎癥反應和上皮細胞損傷［13］。TECs引起的FAO減少，導致糖酵解增加。FAO 的減少而不是脂滴的細胞內積聚，是葉酸誘導腎病小鼠腎小管間質纖維化發展的關鍵決定因素。葉酸誘導的腎纖維化小鼠腎臟的轉錄分析表明，與對照小鼠相比，參與FAO 和氧化磷酸化的基因下調［13，23］，纖維化小鼠腎臟中甘油三酯積累。這些發現在糖尿病和CKD 患者的腎活檢樣本中得到證實。然而，在腎特異性表達CD36 的小鼠模型中，TECs中高水平的甘油三酯和長鏈脂肪酸水平不足以誘導腎纖維化。這一發現可能表明TECs 中脂肪酸利用率的降低與腎纖維化的發生更相關。總而言之，FAO 可維持TECs 的細胞形態和功能，受抑的FAO 強烈促進了CKD 的腎臟纖維化。恢復TECs 中的FAO可能是預防腎纖維化的治療目標。

2 與FAO缺陷相關的CKD治療策略

線粒體FAO 紊亂能夠觸發腎臟損傷導致CKD，反之保護線粒體，可能是潛在的CKD 藥物靶點。多種針對線粒體和糾正能量代謝失衡的化合物已被證實可以減少腎臟損傷和防止CKD的進展。

2.1 針對線粒體功能障礙的CKD 治療 線粒體通過生物發生和線粒體自噬的過程不斷更新。PGC-1α是一種在腎臟中高度表達的共轉錄調節因子，可驅動線粒體生物合成［24］。缺血和順鉑誘導的AKI期間PGC1α 表達的缺失與腎功能紊亂和線粒體異常相關，包括NAD+合成減少。IRI 后PGC1α 的誘導可增加NAD+水平并減輕小管損傷［25］。研究結果提示，PGC-1α 是AKI 期間調節代謝恢復的重要因素。PPARγ 激動劑吡格列酮可激活 PGC-1α 并改善與年齡相關的腎損傷。β2腎上腺素能受體激動劑福莫特羅可刺激小管上皮細胞中的PGC-1α表達和線粒體呼吸。缺血性損傷后給予福莫特羅可上調PGC-1α恢復線粒體蛋白表達和呼吸，從而加速線粒體和腎功能的恢復［26-27］。目前針對線粒體的抗氧化劑的研究較多。SS 肽是一種具有細胞通透性的四肽，選擇性地以線粒體為靶標，但集中在線粒體內膜（IMM）上，而不是穿透到線粒體基質中。這些多肽可與心磷脂選擇性地相互作用，促進電子轉移，防止細胞色素C轉化為過氧化物酶，抑制心磷脂過氧化，從而抑制細胞凋亡、炎癥和NLRP3炎癥小體激活。SS-31已在AKI模型中進行了廣泛的研究，其可保護內皮細胞線粒體減輕毛細血管損傷，同時維持腎臟能量平衡，減少細胞凋亡，并降低血清肌酐和尿素氮［28］。有證據表明SS-31 可以修復CKD 模型中受損的線粒體，恢復線粒體結構，且終止SS-31 治療6 個月后，腎臟仍受到保護，這表明恢復線粒體生物能量可以提供長期保護［29］。

2.2 針對FAO 缺陷的CKD 治療 PPARα 在小管和系膜細胞中高度表達，調節CPT1表達和脂肪酸氧化。研究表明，小劑量PPARα 激動劑氯貝特預處理可預防急性腎小管損傷，這可能與FAO 維持、減少細胞內脂質堆積以及減輕疾病發展因素，包括氧化應激、細胞凋亡和NF-κB 激活有關［30］。而非諾貝特也表現出相似的效果，通過調節內皮型一氧化氮合酶（eNOS）的表達來減輕IR/I引起的腎功能障礙［31］。在葉酸誘導的腎損傷模型中，在葉酸注射前給予非諾貝特可顯著增加FAO 相關酶Acox1、Acox 2 以及CPT1、CPT2 的表達，同時減輕腎細胞凋亡、腎臟損傷和纖維化［30］。另一項研究表明，非諾貝特還通過抑制NF-κB 和TGF-β 信號通路，可減輕糖尿病腎病模型中的尿白蛋白排泄和間質纖維化［32-33］。盡管有明確的證據表明，貝特類藥物和他汀類藥物聯合使用可以預防糖尿病患者的心血管疾病。然而，由于非諾貝特可導致血清肌酐的快速升高，其在治療糖尿病腎病中的臨床應用尚不確定。脂質的攝取、合成和降解受一系列轉錄因子的調節，這些轉錄因子涉及PPAR、SREBPs、法尼醇X受體（FXR）和CCAAT增強子結合蛋白（C/EBPα）等，它們的基因表達也受一些特定的miRNA 控制，這些miRNA 的表達在腎纖維化期間發生變化［34-35］。因此，未來以脂質代謝相關的酶、轉運體、轉錄因子或miRNA 為靶點，人工調節腎臟脂質代謝，有望成為預防或治療腎纖維化新的治療策略。

綜上所述，脂肪酸β 氧化與腎小管損傷關系密切，由于缺氧、線粒體功能障礙和信號感知途徑障礙，急性期內TECs發生了能量代謝重編程，糖酵解增強以承擔能量供應功能。然而，長期的能量代謝重編程可通過增強炎癥反應、脂質堆積和纖維化來干擾腎臟結局。盡管恢復TECs的FAO缺陷為腎臟疾病的治療干預提供了一個有前景的策略，但現有的研究只集中在腎小管細胞，在AKI期間其他腎臟細胞是否經歷代謝變化很大程度上仍尚不清楚，如足細胞、內皮細胞和間充質細胞。同時，由于一些不利和非靶點的影響，針對線粒體和能量代謝的化合物在臨床上的應用一直受到限制。因此，我們期待著進一步的研究能夠開發出更具前景的防治CKD的新策略。