足细胞损伤在糖尿病肾病中的作用(综述)

糖尿病肾病中足细胞损伤的研究 摘要：肾小球脏层上皮细胞也叫足细胞，是高度分化的终末细胞，位于肾小球基底膜（GBM）最外层。相邻足细胞间相互交联的足突形成裂孔，覆盖于其上的细胞外物质称为裂孔隔膜。裂孔隔膜作为一个巨大的选择性滤过屏障，在防止蛋白流失方面起到主要的作用。足细胞通过α3β1整合素和肌营养不良蛋白聚糖（DGs）粘连在肾小球基底膜上。足细胞损伤导致蛋白尿、肾小球肥大以及肾小球基底膜增厚，可能转化为慢性肾衰竭。本综述主要探索了在糖尿病条件下足细胞一些结构和功能的改变以及在糖尿病肾病发生发展过程中它们的作用。 关键词：糖尿病肾病；足细胞损伤；发病机制

糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）是糖尿病常见微血管并发症，约1/3的糖尿病患者会发展为DN[1]。研究表明，足细胞损伤在糖尿病肾病发病机制中发挥重要的作用，是晚期肾病的首要原因[2]。在DN特性研究中，足细胞损伤形式主要表现为肾小球肥大、足突融合、足细胞数目减少，进而导致肾小球硬化，形成蛋白尿等。 1、肾小球肥大 糖尿病肾病中由于肾小球和肾小管肥大的作用患者肾脏会典型的增大，其中炎症细胞渗透、细胞外基质累积以及血流动力学等因素也与之相关[3]。 糖尿病早期肾小球肥大从而导致细胞密度降低，引起代偿性足细胞肥大。足细胞肥大在糖尿病肾病中较为常见，其致病机制为在整个细胞周期中，细胞在G1期中蛋白质合成增加，随后分裂素诱导的联合效应进入细胞周期以及细胞在G1/S间期的阻滞共同导致了细胞肥大[4]。细胞周期的发生发展过程依赖于一系列蛋白酶的激活和表达，如CDKs，调节亚基，细胞周期蛋白（cyclin）等[5]。一些细胞周期蛋白或CDKs复合物只作用于细胞周期的特定阶段，而其他的则广泛作用于各阶段。对于G1期来说，细胞周期蛋白D、E和A都起到重要作用[6]。细胞周期蛋白D在G1期激活较早，和CDK4/CDK6形成复合物并且调节G1期进程。在G1期晚期，细胞周期蛋白E和A则被激活，其与CDK2形成的复合物对G1/S间期的过渡是必不可少的。对于细胞的生长来说，细胞周期蛋白D调节着细胞增生、肥大的效果，而E则决定细胞生长模式是否趋向于肥大增生[7]。CDK阻滞剂调节Cyclin/CDK复合物的激酶活性[8]。INK家族（p15,p16,p18,p19）阻断G1期CDKs，然而Cip/Kip家族（p21,p27,p57）在G1/S间期阻断CDKs活性[9][10]。 在足细胞肥大机制方面的研究中, p27Kip1是细胞周期依赖性激酶/细胞周期复合物的一个抑制剂，Xu[11]发现高糖可诱导足细胞p27Kip1表达上调, 使足细胞不能进入细胞周期进行正常的细胞分裂，进而促进足细胞肥大。敲除p27Kip1基因后，糖尿病小鼠足细胞肥大明显减轻，肾小球硬化、小管间质化及血管损害也有所改善[12]。高血糖刺激足细胞后，血管紧张素Ⅱ(angⅡ)参与了足细胞肥大的病发过程，因而给予血管紧张素受体抑制剂能抑制p27Kip1表达、阻止细胞肥大[11]。和肾小球系膜细胞相比较而言，由于CDK阻滞剂表达水平较高所以成熟的足细胞在正常条件下既不会合成DNA也不会增殖[13]。但在糖尿病状况下，足细胞也会像肾小球系膜细胞一样经历一个膨胀过程，从而导致细胞尺寸变大[14]。Petermann等[14]证实了在体外实验中肾小球毛细血管血压上升的条件下，机械牵张会减少细胞周期的进程以及诱导野生型和单型p27-/-足细胞肥大，而不会诱发单型p21-/-和双型p21/p27-/-足细胞肥大。 另外，细胞外基质（ECM）的累积也会导致肾小球肥大。糖尿病肾病中肾小球基底膜增厚主要是在足细胞和内皮细胞中ECM代谢异常的结果。因此，增加的ECM和减少的基质降解蛋白酶：基质金属蛋白酶，在糖尿病肾病病理中起到重要的作用[15][16]。Bai 等[17]最近研究表明高糖在足细胞中会调节基质金属蛋白酶9mRNA的表达，而且其在条件培养基中的作用表明在DN中ECM合成和代谢的失衡会导致GBM异常。 2、足突融合 足突融合是原发性肾病综合征最常见的病理改变，Mundel和Shankland[18]认为足细胞融合可以由以下几个原因引起： 2.1裂孔隔膜相关蛋白的变化 裂孔隔膜是血浆蛋白通过脉管系统的最后屏障，只允许分子量小于白蛋白的物质渗透性通过，因而对于维持肾小球滤过屏障结构与功能完整性发挥关键作用。近年来研究发现了位于裂孔隔膜上的一些基因，如nephrin、NEPH1[19]、钙粘蛋白[20]和FAT-1[21]，还有CD2AP[22]、podocin[23]、紧密连接-1等。Nephrin是芬兰型先天性肾病综合症患者NPHS1基因突变的产物。最近研究表明不管1型还是2型糖尿病，患者肾脏活体组织检查都发现nephrin的表达减少以及位置变更[24]。nephrin表达的这些改变可以被蛋白激酶Cа信号传导的阻断[25]及RAS系统的阻断所改善[26]。钙粘蛋白mRNA表达在高糖状态下的糖尿病肾小球和足细胞中有所减少，蛋白激酶C参与调节下调高糖诱导的钙粘蛋白[27]。此外，近期研究表明在动物模型1型和2型糖尿病以及高糖刺激的足细胞中其肾小球紧密连接-1蛋白表达会降低[28]。 2.2足细胞-GBM相互作用的干扰 足细胞通过α3β1整合素和肌营养不良蛋白聚糖（DGs）与肾小球基底膜相连。研究表明α3β1整合素减少或缺乏会导致足细胞脱离与融合，说明α3β1整合素有维持细胞形状的作用。除了α3β1整合素，另一种足细胞锚定分子，DGs复合物，在保持足突形状方面也有重要的作用。DG1，足细胞中一种高度糖基化边缘膜蛋白，认为在大量足突融合的肾小球疾病中其数量会减少。 2.3肌动蛋白细胞骨架异常 肌动蛋白细胞骨架和一些肌动蛋白连接蛋白如α-actinin-4和突触极蛋白在维持足细胞形状中也很重要，同时也对维持跨膜蛋白和裂孔隔膜的正常位置有重要作用。足突与足细胞胞体和主突起的细胞骨架不同，足突细胞骨架主要的成分是微纤丝，包含密集网状的F-actin，其相关蛋白α-actinin-4、突触极蛋白将F-actin交联在一起[29]。α-actinin-4是一种交叉连接蛋白，它在人类和动物中的突变会导致蛋白尿和足突融合的发生。最近研究表明在db/db小鼠肾小球中能反映修复过程的α-actinin-4表达增加并且这种增加会随着吡格列酮的治疗有所改善[30]。 突触极蛋白，另一种新的肌动蛋白相关蛋白，会通过竞争性的阻断Smurf1-介导的RhoA泛素化作用来诱导应力纤维。RhoA是小型GTP酶Rho家族的一员，在细胞体内它会促进收缩性应力纤维的形成[31]。突触极蛋白也会直接与α-actinin相互作用并且延长α-actinin诱导的肌动蛋白纤维[32]。 2.4足细胞顶端膜区足细胞顶端区带负电荷的结构蛋白的变更。 足细胞的顶端膜域由于表面带阴离子因而带电，podocalyxin和podoplanin作为足突顶膜区主要的带负电荷的跨膜蛋白，在组成足突顶端质膜结构及电荷屏障中均是主要物质，对维持足细胞的正常结构和滤过屏障功能中起重要作用。Podocalyxin的细胞质与肌动蛋白细胞骨架相连，所以podocalyxin被认为在维持足细胞形状方面有重要作用[33]。Podoplanin是另一种顶端膜蛋白，在嘌呤霉素氨基核苷肾病模型中表达减少，并且在老鼠中给予抗-Podoplanin抗体会导致足突融合和蛋白尿,表明Podoplanin与维持细胞形状紧密相关[34][35]。 3、足细胞数目减少 足细胞的数量通常反映了足细胞增殖和流失间的平衡。因此，足细胞增殖减少就会导致数量减少。足细胞数目减少的主要原因是足细胞脱离和凋亡。 足细胞由于粘附功能受损因而会从GBM上脱离。α3β1整合素和蛋白聚糖（DGs）是维持足细胞粘附于GBM的重要分子。研究表明在DN患者和STZ诱导糖尿病老鼠身上α3β1整合素表达会减少，从而导致足细胞从GBM上分离出来[36]。Dessapt等[37]研究表明TGF-β1或机械牵张可以通过下调α3β1整合素的表达而减少足细胞在GBM上的粘附力，进而导致足细胞脱离。据报导β1整合素亚族和整合素连接激酶可以调节细胞粘附力，迁移力以及表型的改变，所以认为激活的β1整合素-整合素连接激酶轴在DN的发病机理中扮演着重要的角色[38]。 足细胞凋亡是足细胞数目减少的第二大原因。TGF-β1是一种多功能细胞因子，可调节大部分细胞的生长、分化、凋亡，是诱导足细胞凋亡的重要因素。研究表明，在细胞培养中外源性TGF-β1会通过p38 MAPK和典型的半胱天冬酶-3路径诱发细胞凋亡[39]。Susztak等[40]研究证实了细胞外高糖会诱导活性氧的产生，p38 MAPK的激活以及培养中足细胞的凋亡,研究展示了第一时间足细胞凋亡先于足细胞耗竭，尿白蛋白的排泄，以及在1型和2型糖尿病模型中肾小球系膜细胞基质的膨胀。近来研究发现足细胞凋亡还与细胞骨架的紊乱相关。巢蛋白是一个在足细胞中表达的细胞骨架相关Ⅵ类中间丝蛋白，高糖刺激下巢蛋白表达降低，足细胞凋亡率升高[41]。 4.肾小球硬化 肾小球硬化的发展最早是由于足细胞脱离和流失引起的[42]。足细胞流失后就不能粘附在GBM上，从而使GBM裸露大量蛋白流失，裸露区域毛细血管袢的张力与静水压的平衡被打乱，毛细血管袢在静水压的作用下逐渐膨胀，使得裸露的GBM与Bowman囊的壁层直接接触并发生了黏连，导致受损的毛细血管皮下透明变性，最终导致肾小球硬化形成[43]。其主要病理改变为正常肾单位的丢失，取而代之以大量的成纤维细胞、肌成纤维细胞增生，细胞外基质如Ⅰ型、Ⅲ型胶原和纤粘连蛋白的产生和堆积[44]，病变逐步扩展，最终导致肾脏功能丧失。

5、结语 综上所述，足细胞损伤是糖尿病肾病形成的重要因素。虽然糖尿病肾病的明确病理机制还不完全清楚，但随着我们对足细胞损伤和损伤反应的认识以及生理学、分子生物学及细胞培养技术的进步，相信未来我们能够找到有效应预防和治疗糖尿病肾病的方法。