陳伍，趙勝，周向軍，程帆

(武漢大學人民醫(yī)院泌尿外科，武漢 430000)

糖尿病是一種由多因素導致的以慢性高血糖為特征的代謝性疾病，其慢性并發(fā)癥主要是微血管病變和大血管病變。糖尿病腎臟病(diabetic kidney disease，DKD)是糖尿病最常見、最嚴重的微血管并發(fā)癥之一，嚴重影響患者的生存和預后。DKD的概念由美國國家腎臟基金會于2007年首次提出[1]，該疾病進程一般始于尿蛋白排泄率升高，隨后逐漸發(fā)展為嚴重的蛋白尿、腎小球濾過率(glomerular filtration rate，GFR)降低，最終發(fā)展為終末期腎病(end-stage renal disease，ESRD)。在病理變化上，DKD主要表現(xiàn)為腎小球基膜(glomerular basement membrane，GBM)增厚、腎小球系膜擴張及足細胞損傷。近年來，通過對高血糖、高血壓和血脂異常等疾病的管理，DKD的發(fā)病率逐漸趨于穩(wěn)定，但受影響患者的絕對數(shù)仍在增加，DKD也成為新發(fā)ESRD的主要病因[2]。我國是糖尿病患者最多的國家之一[3]，DKD發(fā)病率呈逐年上升趨勢，需要接受透析和腎臟移植治療的ESRD患者也日益增多。目前普遍認為DKD的發(fā)生和發(fā)展主要與遺傳因素、血流動力學效應(yīng)、炎癥反應(yīng)、糖脂代謝紊亂、氧化應(yīng)激和腎小球的病理改變及細胞損傷等有關(guān)?，F(xiàn)就DKD的發(fā)病機制和研究進展予以綜述。

1 遺傳因素

遺傳因素是DKD的重要發(fā)病因素之一。全球有大量的糖尿病患者，但并非所有糖尿病患者均發(fā)展為DKD，表明遺傳易感性與DKD密切相關(guān)[4]。此外，DKD的家族聚集性也證實了遺傳因素在其發(fā)病過程中的重要作用。全基因組關(guān)聯(lián)研究指出，特定位點的遺傳變異與DKD患病風險具有統(tǒng)計學意義上的正相關(guān)性[5]，其中染色體3q、6p、7p、7q、10q、18q、19q和22q均與DKD顯著相關(guān)。目前已發(fā)表的全基因組關(guān)聯(lián)研究包括糖尿病腎臟遺傳學、糖尿病腎病的家庭調(diào)查、國際腎病遺傳學研究，其中國際腎病遺傳學研究在第4號染色體ALL-1融合基因4/脆弱X智力低下蛋白2家族成員3中發(fā)現(xiàn)了一個與ESRD相關(guān)的內(nèi)含子單核苷酸多態(tài)性(rs7583877)，其人群歸因危險度為3.5%～10%[5]。慢性腎臟病遺傳學聯(lián)盟發(fā)現(xiàn)了超過25個具有全基因組意義的位點[6-7]。此外，許多基因(如吞噬和細胞運動蛋白1、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶)、漿細胞瘤轉(zhuǎn)化遷移基因1、半胱氨酸-tRNA合成酶、乙酰輔酶A羧化酶β、肌肽酶1、內(nèi)皮型一氧化氮合酶、超氧化物歧化酶1、促紅細胞生成素、骨形態(tài)發(fā)生蛋白拮抗劑1均是DKD的易感基因，其中血管緊張素轉(zhuǎn)換酶基因與DKD的關(guān)聯(lián)研究最多。研究表明，DKD風險的增加可能與多個具有較小效應(yīng)的基因遺傳有關(guān)[8]。

2 血流動力學效應(yīng)

血流動力學效應(yīng)在DKD發(fā)展過程中起重要的調(diào)節(jié)作用。高血糖使通過腎小球濾過屏障的葡萄糖增加，導致近端腎小管對葡萄糖的過度再吸收。葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的表達增加和近端腎小管細胞的能量依賴型轉(zhuǎn)運過程的大量增加共同促進了葡萄糖的過度再吸收，這種變化極大地增加了腎皮質(zhì)和髓質(zhì)的需氧量，誘發(fā)了腎臟的相對缺血，并增加了中性粒細胞明膠酶相關(guān)脂質(zhì)運載蛋白和腎損傷分子1等細胞應(yīng)激標志物的表達[9-10]。近端腎小管負荷的增加導致近端腎小管肥大和伸長擴張，腎臟肥大[10]。近端腎小管處的鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白2在重吸收葡萄糖的同時轉(zhuǎn)運大量的鈉，使遠端腎小管和致密斑處的氯化鈉濃度降低，隨后感受到鈉離子濃度降低的致密斑通過球管反饋擴張入球小動脈，誘導顆粒細胞分泌腎素，并通過血管緊張素家族的相繼激活生成血管緊張素Ⅱ，選擇性收縮出球小動脈，上述血流動力學效應(yīng)使GFR持續(xù)升高，引起腎小球超濾和腎小球高血壓。隨著腎小球肥大的進行性發(fā)展，腎小球內(nèi)壓力有所下降，但腎小球超濾持續(xù)存在[10-11]。在臨床治療中，積極調(diào)控高血壓對DKD的治療十分重要。高血壓作為糖尿病的獨立危險因素之一，在DKD發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用，兩者相互影響可促使GFR的進行性下降。

3 糖脂代謝紊亂

高血糖是DKD發(fā)病的重要介導因素。葡萄糖代謝紊亂所產(chǎn)生的許多代謝產(chǎn)物在DKD的發(fā)展過程中起重要調(diào)節(jié)作用。治療糖尿病并發(fā)癥的試驗表明，嚴格的血糖控制能使1型糖尿病患者DKD的發(fā)生率降低50%以上，可能與高血糖水平導致腎小球系膜細胞損傷并誘導其凋亡有關(guān)[12]。

3.1高血糖促使己糖胺途徑增強 體內(nèi)葡萄糖通過糖酵解途徑、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP給機體供能。在高血糖狀態(tài)下，內(nèi)皮細胞、系膜細胞和足細胞中的葡萄糖氧化途徑被破壞，使葡萄糖向脂肪酸和酮類等替代生物能源轉(zhuǎn)換，并導致細胞損傷[13]。同時，近端腎小管中糖酵解途徑、葡萄糖有氧和無氧代謝均有所增加，己糖胺途徑顯著增強[14]，在此途徑中，6-磷酸果糖從糖酵解途徑中轉(zhuǎn)移，在6-磷酸果糖?；D(zhuǎn)移酶的作用下生成6-磷酸葡萄糖胺，并最終轉(zhuǎn)化為二磷酸尿嘧啶N-乙酰氨基葡萄糖；其中，葡萄糖胺使細胞內(nèi)ATP水平降低，從而抑制胰島素信號轉(zhuǎn)導通路上游各靶點的磷酸化激活，進而抑制胰島素效應(yīng)并加重代謝紊亂。

3.2高血糖導致多元醇途徑增強 多元醇通路由醛糖還原酶和山梨糖醇脫氫酶共同催化完成，其中醛糖還原酶是該途徑的限速酶。醛糖還原酶將還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)轉(zhuǎn)化為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的過程中將葡萄糖還原為山梨糖醇。正常情況下，醛糖還原酶對葡萄糖親和力較低，多元醇途徑處于低代謝率狀態(tài)。在高血糖情況下，醛糖還原酶對葡萄糖的親和力升高，多元醇途徑被激活并代謝產(chǎn)生大量山梨醇。由于腎臟細胞對山梨醇的通透性較差，其氧化產(chǎn)物果糖不易代謝，致使細胞內(nèi)滲透壓急劇上升，最終導致腎臟細胞水腫及損傷并影響生理功能，從而進一步加重腎損傷。

3.3高血糖致晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)增加 AGEs是體內(nèi)高糖狀態(tài)下蛋白質(zhì)、脂肪及核酸與還原糖之間發(fā)生非酶性催化反應(yīng)的終末產(chǎn)物，能促進轉(zhuǎn)化生長因子-β的釋放，刺激膠原基質(zhì)成分合成，導致GBM增厚，從而影響濾過膜功能，最終導致GFR的進行性改變以及腎小球功能的喪失。此外，AGEs與其受體的相互作用在DKD的發(fā)病機制中具有重要作用。AGEs受體是一種多配體受體，廣泛存在于平滑肌細胞、巨噬細胞、內(nèi)皮細胞和星形膠質(zhì)細胞。高血糖時，AGEs與巨噬細胞上AGEs受體結(jié)合導致氧化應(yīng)激反應(yīng)和核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)激活，NF-κB調(diào)控白細胞介素(interleukin，IL)-1α、IL-6和腫瘤壞死因子-α等細胞因子的釋放并激活炎癥反應(yīng)，進而加劇腎臟細胞損傷。此外，NF-κB還能促進內(nèi)皮素1、血管內(nèi)皮生長因子的表達和釋放，這些細胞因子能介導血管內(nèi)皮細胞的損傷和組織細胞的凋亡，進而加重腎小球功能的損傷[15]。一項對長期糖尿病患者(病程>50年)的研究發(fā)現(xiàn)，非DKD患者的腎小球丙酮酸激酶水平高于DKD患者，表明維持葡萄糖氧化對于預防足細胞和腎小球損傷具有重要作用[16]。

3.4脂質(zhì)代謝異常參與DKD的發(fā)展 脂質(zhì)代謝異?？赏ㄟ^多種途徑參與DKD的發(fā)展過程，糖尿病患者腎臟脂質(zhì)的蓄積和脂肪酸氧化的改變是DKD進展過程的重要環(huán)節(jié)。高脂血癥會增加白蛋白的脂肪酸含量，白蛋白結(jié)合的長鏈飽和脂肪酸可能在腎小管損傷中發(fā)揮重要作用[17]。腎小管上皮細胞通過CD36轉(zhuǎn)運蛋白攝取長鏈脂肪酸，而糖尿病患者的CD36表達上調(diào)，進一步加重了脂肪酸蓄積，蓄積的脂肪酸通過激活p38促分裂原活化的蛋白激酶通路誘導腎小管上皮細胞凋亡。此外，有研究表明，與白蛋白結(jié)合的非酯化脂肪酸數(shù)量的增加會導致線粒體功能障礙和過氧化物的產(chǎn)生，最終誘導腎小管上皮細胞的凋亡[18]。除脂肪酸攝取增加外，腎臟內(nèi)脂質(zhì)合成增加也是脂質(zhì)積累的重要原因。固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(sterol-regulatory element binding proteins，SREBPs)負責調(diào)節(jié)膽固醇的合成、攝取以及脂肪酸的生物合成。哺乳動物的SREBPs由固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子-1和固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子-2共同編碼，高血糖時SREBP1信使RNA的表達顯著增加，腎臟三酰甘油水平顯著升高，進一步加重了脂質(zhì)代謝紊亂和腎臟的脂質(zhì)蓄積。腎小球脂質(zhì)沉積還可刺激細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)蓄積，并最終導致腎小球硬化和腎功能進行性損傷。

4 炎癥反應(yīng)

DKD被普遍認為是一種炎癥反應(yīng)性疾病，且炎癥水平隨病程進展而加重，最終導致腎小球硬化。有研究表明，腎臟的炎癥標志物與蛋白尿、ECM沉積以及GFR進行性下降相關(guān)[19-20]。DKD早期，白細胞大量聚集在腎小球和腎小管間質(zhì)中，炎癥細胞浸潤和炎癥因子大量釋放在DKD的發(fā)展進程中起重要作用。

炎癥相關(guān)基因和途徑的激活及持續(xù)表達在DKD的發(fā)展過程中起關(guān)鍵作用。由于組織損傷，炎癥細胞大量聚集于腎臟組織，大量炎癥細胞及其產(chǎn)物[如細胞因子、趨化因子、激活的補體和活性氧類(reactive oxygen species，ROS)]誘導了DKD的產(chǎn)生。在腎小球超濾及腎纖維化存在的情況下，敲除Rag1小鼠并未出現(xiàn)糖尿病相關(guān)蛋白尿[21]。此外，趨化因子受體抑制劑可減輕2型糖尿病和慢性腎臟病患者的蛋白尿[22]。糖尿病大鼠模型腎臟炎癥細胞的聚集程度與腎功能下降密切相關(guān)，抑制炎癥細胞的募集可明顯減輕腎臟損傷[23]。由此可見，抑制腎臟炎癥細胞聚集可有效預防蛋白尿的產(chǎn)生并減輕腎臟損傷。炎癥因子在DKD發(fā)展過程中起關(guān)鍵作用。在DKD中，趨化因子5、IL-6、腫瘤壞死因子-α和單核細胞趨化因子-1等細胞因子的表達均有所增加。IL-6和腫瘤壞死因子-α的大量釋放增強了腎臟的局部炎癥反應(yīng)，促進了系膜細胞的增生，導致ECM的沉積加快并加重了腎臟損傷。敲除或抑制單核細胞趨化因子-1能有效延緩DKD進展。NF-κB和Janus激酶-信號轉(zhuǎn)導及轉(zhuǎn)錄激活因子信號轉(zhuǎn)導途徑的激活是細胞因子產(chǎn)生的關(guān)鍵，兩者均可通過調(diào)節(jié)刺激黏附分子和促炎因子的表達加快DKD的進程[24-25]。

5 氧化應(yīng)激

高血糖可誘導有毒中間體的生成，ROS則是最重要的中間體之一。ROS在多種細胞的增殖、分化、凋亡和免疫防御等生理過程中發(fā)揮了重要作用。ROS的蓄積和超氧化物的生成是高血糖時發(fā)生DKD的重要原因，易導致ESRD[26]。黃嘌呤氧化酶、細胞色素P450、脫偶聯(lián)的內(nèi)皮型一氧化氮合酶、線粒體呼吸鏈和NADPH氧化酶均在ROS合成過程中發(fā)揮重要作用，其中線粒體功能障礙和NADPH氧化酶最重要[27-28]。在生理條件下，腎臟中的黃嘌呤氧化酶可通過嘌呤代謝途徑產(chǎn)生難以檢測的ROS。Eid等[29]的研究表明，細胞色素P450(尤其是細胞色素4A)可通過激活NADPH氧化酶誘導ROS的產(chǎn)生，引起糖尿病小鼠的腎臟細胞損傷和死亡。脫偶聯(lián)的內(nèi)皮型一氧化氮合酶可促進ROS的生成，同時誘導內(nèi)皮細胞對一氧化氮利用度下降，而一氧化氮的蓄積可導致內(nèi)皮細胞功能障礙并破壞濾過膜功能[30]。此外，糖尿病患者的線粒體底物氧化增強，線粒體膜電位隨之增強，電子通過線粒體電子傳輸鏈轉(zhuǎn)移并導致超氧化物產(chǎn)生。在生理條件下，大多數(shù)NADPH氧化酶的構(gòu)成活性較低，但糖尿病時NADPH氧化酶的活性被激活。所有的NADPH氧化酶亞型均是跨膜蛋白，可將NADPH上的電子轉(zhuǎn)移至整個生物膜，隨即將氧分子還原為超氧化物O2-，該途徑生成的超氧化物超過了體內(nèi)超氧化物歧化酶的處理能力，導致超氧化物在腎臟蓄積。此外，高血糖狀態(tài)下的腎臟局部炎癥反應(yīng)加強，炎癥因子大量釋放，ROS生成增多，ROS蓄積使線粒體功能受損，進一步增強了氧化應(yīng)激反應(yīng)，炎癥細胞大量增加并釋放大量細胞因子，進一步加重了DKD患者的腎臟組織局部炎癥。研究顯示，氧化應(yīng)激還可損傷胰島β細胞，由于胰島β細胞內(nèi)超氧化物歧化酶水平較低，較易受到ROS的影響[31]。ROS可通過直接破壞胰島β細胞的DNA和蛋白質(zhì)來促進細胞凋亡，還可作為信號分子參與調(diào)節(jié)胰島素分泌，從而間接抑制胰島β細胞的功能，導致糖代謝紊亂的進一步加重[32]。此外，ROS還可通過多種途徑誘導內(nèi)皮細胞和足細胞的損傷及凋亡而導致功能障礙，腎小球濾過膜的結(jié)構(gòu)隨之破壞并最終引起腎損傷，導致蛋白尿產(chǎn)生。

6 腎小球的病理改變及細胞損傷

DKD的發(fā)病機制較復雜，遺傳因素、血流動力學效應(yīng)、糖脂代謝紊亂、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的共同作用可誘導腎小球結(jié)構(gòu)的改變和功能的損傷，其中以內(nèi)皮細胞功能障礙、GBM增厚、系膜擴張、足細胞損傷為主。腎小球的病理改變及細胞損傷可直接影響腎小球的濾過功能，導致蛋白尿。

6.1內(nèi)皮細胞功能障礙 以血管通透性增加、炎癥細胞浸潤及血管張力失調(diào)為特征的系統(tǒng)性內(nèi)皮細胞功能障礙是糖尿病微血管和大血管并發(fā)癥的重要致病機制之一。腎小球內(nèi)皮細胞是構(gòu)成腎小球濾過膜的重要部分，其功能障礙可致微血管通透性改變及白蛋白異常濾過，臨床表現(xiàn)為微量白蛋白尿。因此，微量白蛋白尿是衡量系統(tǒng)性內(nèi)皮細胞功能障礙的重要指標之一。腎小球內(nèi)皮細胞表面的某些蛋白聚糖和糖蛋白與可溶性分子結(jié)合并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，腎小球內(nèi)皮細胞表面的窗孔被帶負電荷的糖萼覆蓋，糖萼通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與腎小球內(nèi)皮細胞相連。而糖萼內(nèi)硫酸乙酰肝素、硫酸軟骨素、硫酸皮膚素、硫酸角質(zhì)素和透明質(zhì)酸等組分的丟失可增加腎小球內(nèi)皮細胞的通透性。高血糖可能通過誘導ROS的產(chǎn)生和蓄積干擾硫酸乙酰肝素的生成，進而破壞糖萼組分，最終導致微量白蛋白尿的生成。此外，高血糖能誘導下調(diào)血栓調(diào)節(jié)蛋白和活化蛋白C的表達，并進一步加重內(nèi)皮細胞功能障礙[33]。局部炎癥反應(yīng)和ROS蓄積還可直接造成內(nèi)皮細胞的損傷和凋亡，并影響其功能。

6.2GBM增厚和腎小球系膜擴張 正常人體內(nèi)的GBM主要由Ⅳ型膠原蛋白、層粘連蛋白、內(nèi)皮細胞和蛋白多糖等構(gòu)成，而系膜基質(zhì)主要由膠原蛋白、纖連蛋白和層粘連蛋白等構(gòu)成。DKD患者GBM中Ⅳ型膠原蛋白和系膜基質(zhì)中纖連蛋白的表達明顯增加[34]。DKD早期即存在GBM增厚，且GBM增厚與內(nèi)皮細胞和足細胞產(chǎn)生的ECM異常轉(zhuǎn)換和修飾有關(guān)。高血糖水平下，足細胞能夠大量合成并釋放Ⅳ型膠原蛋白的α3鏈和α5鏈。此外，在高血糖水平的刺激下，內(nèi)皮細胞恢復了對Ⅳ型膠原蛋白α1鏈和蛋白多糖的合成。轉(zhuǎn)化生長因子-β和血管內(nèi)皮生長因子等細胞因子在高血糖誘導下被大量釋放，直接刺激腎小球系膜細胞增殖并產(chǎn)生ECM[35]。然而，人體內(nèi)腎小球基質(zhì)的合成及降解往往處于平衡狀態(tài)，其降解主要依靠基質(zhì)金屬蛋白酶，而基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑可與基質(zhì)金屬蛋白酶結(jié)合并抑制其酶活性[36]。高血糖可下調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶的信使RNA水平，并上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑的信使RNA水平，以減緩腎小球基質(zhì)蛋白的降解；基質(zhì)金屬蛋白酶合成增加和降解抑制使腎小球基質(zhì)大量沉積，并最終導致GBM增厚和腎小球系膜基質(zhì)的擴張；GBM增厚伴隨電荷和結(jié)構(gòu)的變化，并導致蛋白尿的產(chǎn)生；腎小球系膜的擴張使其緊貼腎小球毛細血管，使濾過表面積減小、管腔變窄，從而引起腎小球高血壓、蛋白尿和濾過功能減退。

6.3足細胞損傷 糖尿病還能誘發(fā)足細胞損傷，其典型特征為細胞肥大和足細胞丟失。2型糖尿病患者足細胞數(shù)量的減少與蛋白尿和GFR降低密切相關(guān)[37]。目前認為，足細胞丟失的潛在機制可能為葡萄糖和轉(zhuǎn)化生長因子-β直接誘導的足細胞凋亡，或整聯(lián)蛋白α3β1表達的喪失[38]。此外，裂隙隔膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定對維持腎小球濾過功能起重要作用。腎病蛋白是一種重要的足細胞蛋白，不僅參與細胞內(nèi)信號的傳導，還直接參與裂隙隔膜的構(gòu)成，腎病蛋白的缺乏可損害裂隙隔膜的完整性并導致尿白蛋白排泄增加。高血糖可通過上調(diào)蛋白激酶Cα增強β-抑制蛋白與腎病蛋白的相互作用，并增強細胞對腎病蛋白的胞吞作用，導致腎病蛋白水平下降，破壞裂隙隔膜[39]。此外，高血糖還可通過下調(diào)CD2AP以及上調(diào)CIN85改變腎病蛋白和其他裂隙隔膜成分的翻譯后修飾，引起泛素化反應(yīng)，使細胞對腎病蛋白的胞吞作用增強[40]。除影響裂隙隔膜結(jié)構(gòu)的完整性外，糖尿病患者腎病蛋白表達降低還能阻礙足細胞內(nèi)胰島素的信號轉(zhuǎn)導并加重DKD[41]。高血糖引起的ROS蓄積還可直接誘導足細胞凋亡，導致足細胞丟失。存活的足細胞通過改變形狀和大小以覆蓋裸露的GBM部分，但此補償機制只有細胞數(shù)量維持在一定水平時才能發(fā)揮作用。除氧化應(yīng)激和細胞凋亡外，機械力引起的足細胞與GBM脫離也可導致足細胞丟失，腎小球超濾引起腎小球性高血壓和腎小球肥大，繼而引起GBM表面積擴大，導致足細胞脫落。在動物模型中，足細胞丟失超過20%便會導致不可逆的腎小球損傷，主要表現(xiàn)為蛋白尿、腎小球硬化、腎小管間質(zhì)纖維化和ESRD[42]。

7 小 結(jié)

糖尿病可導致全身微血管病變，DKD是最常見最主要的微血管并發(fā)癥，已成為新發(fā)ESRD的主要原因。DKD的發(fā)病因素及發(fā)病機制錯綜復雜，同時涉及多種細胞和多種信號通路的激活。遺傳因素、血流動力學效應(yīng)、炎癥反應(yīng)、代謝紊亂、氧化應(yīng)激和腎小球的病理改變及細胞損傷等在DKD的發(fā)病過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它們共同作用導致了DKD的發(fā)生和發(fā)展。鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白2是近年來DKD治療的研究重點，鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白2抑制劑能有效改善腎小球超濾并減緩DKD進程。此外，腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)阻斷劑的使用在調(diào)控血壓的同時也降低了高血壓患者白蛋白尿的發(fā)生率，但目前仍然缺乏臨床治療DKD的特效藥，且DKD的發(fā)病機制和治療方式仍需更深入的研究。