任惠珠 王珊珊 鄭妙艷 單春艷

腎小球基底膜中膠原的合成、降解與糖尿病腎病

任惠珠 王珊珊 鄭妙艷 單春艷

糖尿病腎病是終末期腎病的主要原因，發(fā)病機制復(fù)雜。腎小球基底膜增厚及系膜區(qū)細胞外基質(zhì)增生是主要的病理特點，膠原合成增多、降解減少是腎臟病理改變的主要原因。研究腎小球濾過屏障的生理功能與損傷機制，對深入了解糖尿病腎病的發(fā)生、發(fā)展尤為重要。

腎小球基底膜；膠原；合成；降解；糖尿病腎病

糖尿病是由不同病因和發(fā)病機制引起的體內(nèi)胰島素絕對或相對不足，導(dǎo)致糖、蛋白質(zhì)和脂肪代謝紊亂，并以慢性高血糖為主要臨床表現(xiàn)的全身性疾病[1]。隨著生活水平的提高、生活方式的改變及社會老齡化進程的加速，近30年來我國糖尿病患病率顯著增加，患病人數(shù)居世界首位[2]。糖尿病腎病是終末期腎病的主要原因，國外學(xué)者報道，若不加干預(yù)，10～15年內(nèi)約80%的1型糖尿病和30%的2型糖尿病患者將由微量白蛋白尿進展為大量蛋白尿，在其后20年約75%的1型糖尿病和20%的2型糖尿病將進展為終末期腎病[3]。因此研究糖尿病腎病的發(fā)病機制及延緩其發(fā)生、發(fā)展已成為一個研究熱點。

糖尿病腎病的發(fā)病機制已建立如下幾種學(xué)說：高糖毒性的影響、多元醇通路的激活、腎素-血管緊張素系統(tǒng)的激活、活性氧簇、蛋白激酶C的激活、晚期糖基化終末產(chǎn)物的增加及腎小球過度濾過[4]。這些變化引起了多種細胞反應(yīng)、細胞外基質(zhì)及相關(guān)因子的表達，最終破壞腎小球濾過屏障，出現(xiàn)系膜基質(zhì)增生、基底膜增厚、結(jié)節(jié)性腎小球硬化、腎小管間質(zhì)纖維化等組織學(xué)結(jié)構(gòu)改變[5]。

1 腎小球基底膜與糖尿病腎病

在過去的10年中，許多研究都集中在糖尿病腎病時腎小球細胞成分（內(nèi)皮細胞、系膜細胞、足細胞等）的變化對糖尿病腎病的影響。然而最近研究發(fā)現(xiàn)，腎小球細胞成分的改變也能引起腎小球基底膜的變化，通過基質(zhì)與細胞間從外到內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，繼發(fā)性的影響鄰近細胞的特性和行為。表明腎小球基底膜最初的改變，可能對鄰近的足細胞、內(nèi)皮細胞、系膜細胞產(chǎn)生功能上的影響，從而影響腎小球濾過[6]。電鏡檢查證實，糖尿病腎病的特征性形態(tài)學(xué)改變是腎小球細胞外基質(zhì)增多，包括腎小球基底膜增厚和系膜基質(zhì)加寬。腎小球基底膜最初僅呈節(jié)段性輕度增厚，而后逐漸衍變成彌漫性增厚，厚度可達正?；啄さ?～10倍；系膜基質(zhì)面積也隨病變進展逐漸增加，若形成Kimelstiel-Wilson結(jié)節(jié)，還能在結(jié)節(jié)中見到同心圓排列的層狀結(jié)構(gòu)。因此，細胞外基質(zhì)成分的積聚即合成增加、降解減慢導(dǎo)致了腎小球基底膜的增厚[7]。

2 腎小球基底膜的組成及對腎小球濾過屏障的影響

腎小球基底膜為凝膠狀的細胞外基質(zhì)，是最重要的靜水壓緩沖結(jié)構(gòu)，厚約250～400 nm，分為內(nèi)、外疏松層和中間的致密層，由層黏連蛋白、Ⅳ型膠原、巢蛋白及硫酸肝素蛋白多糖等物質(zhì)組成[8]。新近研究發(fā)現(xiàn)，腎小球基底膜通過小孔徑篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)和表面豐富的陰離子電荷，發(fā)揮孔徑屏障和電荷屏障的作用，此外還能貯存生長因子，為鄰近細胞傳遞信息[9]。例如足細胞衍生的血管內(nèi)皮生長因子，可作用于內(nèi)皮細胞穩(wěn)態(tài)的血管內(nèi)皮生長因子信號軸，促進血管內(nèi)皮細胞增殖，增加血管通透性，是正常和異常新生血管的重要調(diào)節(jié)因子[10]。發(fā)育成熟的腎小球基底膜中，層黏連蛋白構(gòu)成以α5β2γ1鏈為主，連接腎小球基底膜各成分，并與足細胞基底側(cè)表面受體整合素α3β1、整合素α6β1及細胞外基質(zhì)受體肌萎縮蛋白α-Dystroglycan相互作用[11]。Ⅳ型膠原是基底膜中，最豐富的蛋白，約占基底膜總蛋白含量的50%。隨著腎小球基底膜的發(fā)育成熟，Ⅳ型膠原的組分由α1、α2亞鏈逐漸向更加堅韌的 α3、α4、α5亞鏈轉(zhuǎn)化。其在細胞外基質(zhì)中形成膠原纖維網(wǎng)，并通過結(jié)合細胞黏附分子（層黏連蛋白等）限制血漿大分子物質(zhì)通過腎小球濾過膜，從而發(fā)揮機械屏障作用，對維持腎臟正常組織結(jié)構(gòu)、保證腎臟正常生理功能發(fā)揮重要作用[12]。巢蛋白在基底膜中為連接層黏連蛋白和Ⅳ型膠原的橋梁糖蛋白。但在巢蛋白基因敲除小鼠中，基底膜仍可正常發(fā)揮其生理功能[13]。腎小球基底膜中蛋白聚糖以硫酸肝素蛋白多糖為主，主要分布于外疏松層，基質(zhì)蛋白核心包括基膜蛋白聚糖、集聚蛋白、膠原ⅩⅤⅢ。隨著腎單位的發(fā)育，腎小球基底膜中基膜蛋白聚糖、膠原ⅩⅤⅢ減少，集聚蛋白表達增加[14]。集聚蛋白的硫酸糖胺聚糖側(cè)鏈攜帶負電荷，占據(jù)腎小球基底膜的陰離子位點，調(diào)節(jié)腎小球濾過屏障電荷選擇通透性。但近年研究提示，在集聚蛋白基因突變的小鼠中，其腎小球基底膜陰離子位點的密度及膜上集聚蛋白表達減少，但是腎小球的結(jié)構(gòu)和功能沒有受到損害。說明腎小球基底膜上的負電荷及集聚蛋白對濾過屏障未起決定性作用[15]。

3 腎小球基底膜中膠原的積聚與糖尿病腎病

Good等[16]發(fā)現(xiàn)尿膠原衍生多肽的減少與膠原在細胞外基質(zhì)的積聚增加有關(guān)。Zürbig等[17]研究顯示，在糖尿病腎病患者中尿膠原片段的減少早于微量白蛋白尿的出現(xiàn)，說明腎臟中膠原積聚的出現(xiàn)早于糖尿病腎病的發(fā)生。在早、中期糖尿病腎病中膠原含量的升高與膠原代謝的變化有關(guān)。在膠原合成過程中，脯氨酸和賴氨酸經(jīng)脯氨酰羥化酶的催化，形成羥脯氨基和羥賴氨基，再經(jīng)半乳糖基轉(zhuǎn)移酶和葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶的作用，形成半乳糖葡萄糖羥脯氨基酸。糖尿病時這些酶的活性升高，基底膜中羥脯氨基、羥賴氨基和半乳糖葡萄糖羥脯氨基酸的濃度增加，膠原合成明顯增加[18]。另外，膠原降解減慢也是糖尿病腎病膠原積聚的重要機制之一[19]。多種細胞和細胞因子參與調(diào)節(jié)膠原的合成和降解。膠原降解一般局限于某一區(qū)域，基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）在細胞外基質(zhì)的降解中發(fā)揮重要作用，同時組織型MMP抑制因子（TIMP）參與調(diào)控MMP的活性。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的MMP有20多種，根據(jù)其作用底物的不同分為4類：間質(zhì)膠原酶、Ⅳ型膠原酶、基質(zhì)溶解素和膜型MMP[20]。糖尿病腎病時出現(xiàn)細胞外基質(zhì)積聚的直接原因是細胞外基質(zhì)的產(chǎn)生和降解平衡被打破。具有抗纖維化酶、促炎性反應(yīng)介質(zhì)雙重身份的Ⅳ型膠原酶在腎臟局部和外周血表達和活性的改變，及其與其他細胞因子的相互作用是糖尿病腎病進展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前關(guān)于糖尿病腎病中MMP-2/TIMP-2、MMP-9/TIMP-1變化及其調(diào)控雖有很多報道，但結(jié)果不一。Liu等[21]發(fā)現(xiàn)在糖尿病腎病小鼠系膜細胞中存在MMP-2/TIMP-2活性異常，即MMP-2表達降低，TIMP-2表達升高，兩者比例失衡，與Ⅳ型膠原沉積相平行，對糖尿病腎病的發(fā)生和發(fā)展有重要作用。糖尿病腎病時MMP-2活性和蛋白表達降低的機制尚未完全明確，可能與下列因素有關(guān)：（1）高糖作用：高糖可直接抑制腎臟MMPs的表達和活化，同時上調(diào)TIMPs的表達[22]。（2）細胞因子的調(diào)節(jié)：糖尿病腎病發(fā)生、發(fā)展過程中多種細胞因子參與調(diào)節(jié)MMP-2的表達及活性。Elrashidy等[23]研究發(fā)現(xiàn)，高血糖能降低系膜細胞MMP-2的表達及活性，升高TIMP-2水平，同時明顯增加轉(zhuǎn)化生長因子-β1（TGF-β1）的表達。應(yīng)用外源性TGF-β1能放大高糖降低MMP-2活性的效應(yīng)，而且TGF-β1拮抗劑可以阻斷高糖對MMP-2活性的抑制，提示高糖對MMPs的影響是通過TGF-β1介導(dǎo)的。（3）蛋白質(zhì)非酶促糖基化作用：持續(xù)高血糖狀態(tài)下體內(nèi)形成的晚期糖基化終末產(chǎn)物不僅對蛋白水解酶的敏感性降低，同時還能抑制MMP-2的合成及活性。另外，晚期糖基化終末產(chǎn)物與其受體結(jié)合后誘導(dǎo)多種細胞因子、生長因子的合成、釋放，從而影響MMP-2的基因轉(zhuǎn)錄[24]。Peng等[25]研究發(fā)現(xiàn)，高糖環(huán)境下人近端腎小管上皮細胞中MMP-9的表達下降，TIMP-1表達升高。而Furukawa等[26]對2型糖尿病KK-Ay小鼠腎臟MMP-9及其細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路進行研究，發(fā)現(xiàn)與非糖尿病小鼠相比，KK-Ay小鼠腎小球硬化指數(shù)明顯升高，腎組織MMP-9及其mRNA表達增加，并伴有核因子-κB、絲裂原活化蛋白激酶激活，而抑制核因子-κB、絲裂原活化蛋白激酶的活性可降低 MMP-9表達，推測抑制核因子-κB及絲裂原活化蛋白激酶活性可減輕糖尿病腎病的程度。糖尿病腎病時MMP-9/TIMP-1表達變化的機制尚不十分清楚，推測高糖可能通過對MMPs類基因轉(zhuǎn)錄、活化及抑制等復(fù)雜的調(diào)控而影響其作用。系膜細胞由靜止表型轉(zhuǎn)變?yōu)檠仔员硇?，出現(xiàn)快速增殖，表達新型蛋白，合成細胞外基質(zhì)增多，導(dǎo)致系膜基質(zhì)堆積；或者基底膜被降解，細胞與基質(zhì)的正常連接被破壞，影響腎小球基底膜的重塑，導(dǎo)致腎小球損傷或蛋白尿[27]。

綜上所述，腎小球基底膜增厚及系膜區(qū)細胞外基質(zhì)增生是糖尿病腎病的主要病理特點。膠原合成增多、降解減少是膠原積聚且導(dǎo)致上述腎臟病理改變的主要原因。膠原代謝的異常主要與高血糖、蛋白質(zhì)非酶糖化作用、細胞因子等有關(guān)。因此，長期有效地控制血糖對防治糖尿病腎病非常重要。在糖尿病狀態(tài)下，許多參與糖尿病腎病發(fā)生、發(fā)展的因素可通過各種途徑直接或間接參與Ⅳ型膠原酶的轉(zhuǎn)錄、合成和活性調(diào)節(jié)，導(dǎo)致細胞外基質(zhì)異常重構(gòu)。腎臟局部MMP-2、MMP-9活性下降是細胞外基質(zhì)積聚的主要原因。在糖尿病腎病中糾正MMP-2、MMP-9的表達異常可減少細胞外基質(zhì)積聚、防止延緩腎小球硬化?？梢訫MPs/TIMPs為靶點研制相應(yīng)抗體或抑制劑，從而為治療糖尿病腎病提供新的方法。

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Synthesis and degradation of collagen in glomerular basement membrane and their associations with diabetic nephropathy

Ren Huizhu，Wang Shanshan，Zheng Miaoyan，Shan Chunyan.Key Laboratory of Hormones and Development（Ministry of Health），The Metabolic Disease Hospital&Tianjin Institute of Endocrinology，Tianjin Medical University，Tianjin 300070，China

Shan Chunyan，Email：chunyanshan@hotmail.com

Diabetic nephropathy，with a complicated pathogenesis，has become themajor cause of end stage renal disease.The thickening ofglomerular basementmembrane and hyperplasia ofmesangial area of extracellularmatrix are themain pathological features.Increased synthesis and decreased degradation of collagen aremajor causesof renalpathologicalchanges.Researchesof the physiological function and the injury mechanism ofglomerular filtration barrierare particularly important for furtherunderstanding of the occurrence and developmentofdiabetic nephropathy.

Glomerularbasementmembrane；Collagen；Synthesis；Degradation；Diabeticnephropathy

（Int JEndocrinolMetab，2015，35：252-254）

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2015.04.010

國家自然科學(xué)基金資助項目（81473472）

300070 天津醫(yī)科大學(xué)代謝病醫(yī)院內(nèi)分泌研究所，衛(wèi)生部激素與發(fā)育重點實驗室

單春艷，Email:chunyanshan@hotmail.com

2015-02-28）