糖尿病肾病发病机理

年至今，任加利福尼亚大学洛杉矶分校医学院医学系教授，也是美国康宝莱(HERBALIFE)公司科学顾问委员会成员。 　　他1962年在美国哥伦比亚大学获药理学和化学学士学位，1966年获明尼苏达大学的药理学和生理学博士学位。
　　美国科学家路易斯·J·伊格纳罗因发现一氧化氮在心血管系统中的信使作用，揭开了困扰科学家百年的硝酸甘油作用机理之谜，1998年获诺贝尔医学或生理学奖。
　　糖尿病肾病发病机理：致病基因和疾病易感基因是两个不同的概念。它们与疾病发生的关系不同，检测确定的方法也不同（表1）。如果是糖尿病的致病基因，在进行家系分析中可以发现该基因的突变是按孟德尔遗传方式进行遗传，这种基因突变在正常人群非常罕见。携带这种突变基因的糖尿病患者临床上表现出相应的病理生理学改变。而要确定糖尿病的一些易感基因则影响因素较多。因为这类基因突变在正常人群中有相当高的携带率，而在一些糖尿病患者中则并不一定出现。此外，这类突变基因对其表型的影响往往受其它基因或环境因素的干扰，使这类基因较致病基因的研究更加困难。因此，糖尿病肾病基因背景的研究中，选择正确的候选基因非常重要。鉴于上述血管紧张素II以及葡萄糖转运蛋白在糖尿病肾病发病中的作用，最近我们观察了血管紧张素转换酶（ACE）和GLUT-1基因多态性与中国人糖尿病肾病发病之间的关系，发现ACE基因DD型和GLUT1基因XBa-I（-）等位基因与糖尿病肾病的发生明显相关。此外，有人认为不同基因背景导致钠-锂反转运体活性异常也与糖尿病肾病的发生有关。
　　无论是在STZ诱发的糖尿病大鼠的肾脏，还是在(BB)自发性糖尿病大鼠以及(NOD)自发性糖尿病小鼠的肾脏，TGF-β1 mRNA的表达和其蛋白质含量均明显升高，同时伴肾脏肥大和细胞外基质增多。在用特异性抗- TGF-β1抗体进行干预后能明显抑制糖尿病大鼠肾脏肥大和细胞外基质的产生。此外，在糖尿病肾病患者肾活检组织中TGF-β1 mRNA表达和其蛋白质的含量也明显升高。在一些早期糖尿病尚未发展为糖尿病肾病的患者肾组织中TGF-β1的含量就已开始升高。TGF-β1在糖尿病肾病发病中的作用可以概括为：促使肾脏细胞发生细胞肥大、增加系膜细胞细胞外基质的产生、并通过增加基质降解酶抑制物活性，抑制基质降解酶合成而减少细胞外基质的降解。此外，TGF-β1还可以刺激细胞合成细胞外基质受体（Integrins），触发细胞与细胞以及细胞与细胞外基质的相互作用基因背景基因背景在糖尿病肾病的发病中起着非常重要的作用。在糖尿病患者中不仅只有部分患者发生糖尿病肾病, 而且糖尿病肾病的发生还表现出家庭聚集现象。在一些有高血压家族史的糖尿病患者中，糖尿病肾病的发生率也明显高于无高血压家族史的患者。此外，在不同种族间糖尿病肾病的发生率也存在着差异。这些均表明糖尿病肾病的发生也与遗传因素有关。当然，环境因素在其中同样具有重要的作用，在具有糖尿病易感倾向的个体、肥胖、年龄以及运动量的减少都会加速糖尿病的发生。糖尿病是一个多基因疾病，在糖尿病以及糖尿病肾病的发生中致病基因与易感基因之间的相互作用，相互影响构成了糖尿病肾病基因研究的复杂性。
　　细胞因子的作用细胞因子在糖尿病肾病发病中的作用涉及到肾小球血流动力学改变、细胞外基质代谢、细胞增殖和细胞肥大等诸多方面。根据不同细胞因子各自作用的特点可将其大致归纳为，参与肾小球血流动力学改变的细胞因子、胰岛素样生长因子（IGF-1）和血小板来源生长因子（PDGF）；参与细胞肥大的有：转化生长因子（TGF-β）和IGF-1；参与细胞外基质代谢的有：TGF-β、IGF-1和PDGF；参与细胞增殖的有：PDGF和成纤维细胞生长因子（FGF）；影响胰岛素信号传递的有：肿瘤坏死因子（TNF-α）和IGF-1；参与细胞凋亡的有：TNF-α和TGF-β1。在糖尿病情况下，上述细胞因子的表达受以下因素的调控，包括胰岛素和血糖水平，AGE、PKC活性、血流动力学的改变、血管活性因子、脂蛋白和蛋白质摄入量等。细胞因子可以通过自分泌、旁分泌、内分泌途径发挥作用。它们在上述因素的调控下相互影响，相互制约构成了糖尿病肾病发病过程中复杂的细胞因子网络，其中以TGF-β1为核心因子。
　　糖尿病肾病血流动力学改变的形成是多因素综合作用的结果，涉及到糖代谢紊乱、血管活性物质的释放以及血管自身反应性等诸多因素。如前所述糖尿病状态下肾小球高滤过形成的主要因素之一是入球小动脉阻力下降较出球小动脉下降得更为明显。该现象的发生与体内胰岛素不足有关。系膜细胞上有胰岛素受体，胰岛素的作用能够使入球小动脉收缩。在胰岛素缺乏的情况下将会出现入球小动脉的过度松弛。无论在动物试验还是临床研究都证实用胰岛素严格控制血糖能使GFR下降。生长激素和胰高血糖素也参与了肾小球高滤过的形成。除了上述糖代谢紊乱的影响外，肾内肾素-血管紧张素系统、前列腺素、心房肽和内皮细胞衍生的一些舒血管物质等均参与了肾脏血流动力学变化的发生。
　　肾小球高滤过是导致糖尿病肾病发生中功能与形态学改变的基础。肾小球高滤过对肾小球三种固有细胞的功能均会造成不同程度的影响。肾小球高滤过使肾小球毛细血管切流压增加，血管内皮细胞在长期承受这种压力的情况下，其形态和功能将随之发生一系列变化，包括细胞内pH的变化，内皮细胞释放和合成血管活性因子的异常以及血管反应性的改变。肾小球内高滤过状态同样会导致肾小球系膜细胞和内皮细胞的损伤。肾小球内高压力使肾小球毛细血管处在一种扩张状态，进而对系膜区也造成一种牵张力。系膜细胞和上皮细胞在这种牵张力的作用下细胞基质合成增加，表现为系膜区增宽和肾小球基底膜增厚。此外，由于系膜细胞具有血管平滑肌的一些特性，高牵张力的持续作用可以使其象血管平滑肌细胞在高血压作用下一样，出现系膜细胞增生、细胞外基质产生增加。高牵张力对细胞功能造成上述影响的机理目前尚不清楚，可能与高牵张力作用于细胞使其细胞膜的一些离子通道发生改变以及对粘附分子作用的干预有关。肾小球高压力、高滤过还能驱使血浆中一些大分子物质通过毛细血管壁并滞留在局部。血浆中大分子物质在肾小球系膜区以及毛细血管壁的滞留进一步加重了系膜区增宽和肾小球基底膜增厚的程度。此外，血浆中大分子物质在系膜区的沉积还将刺激系膜细胞增殖，并使其细胞外基质的产生增加。上述血流动力学改变与糖尿病肾病肾小球病变之间的关系在动物试验中得到了进一步验证。通过比较单纯链脲佐菌素(STZ)诱发的糖尿病和单侧肾切除后STZ诱发的糖尿病大鼠的肾脏病变发现，单侧肾切除糖尿病大鼠肾小球系膜区增宽的发展速度及程度均较单纯糖尿病大鼠重。在单侧肾切除糖尿病大鼠系膜区有较多血浆大分子蛋白的滞留。糖尿病肾小球高滤过导致肾脏损害的形态学依据包括，上皮细胞呈片状从基底膜上脱落、上皮细胞足突融合、系膜区增宽、基底膜增厚、肾小球固有细胞和近曲肾小管上皮细胞内可见胞饮的一些血浆蛋白颗粒。由于经非酶糖基化反应后的血浆白蛋白较正常白蛋白更容易透过毛细血管壁，加之与AGE形成交联的细胞外基质成分对基质降解酶的敏感性降低，使细胞外基质的降解减少，进一步加重细胞外基质的堆积，逐渐形成糖尿病肾病的一些较具特征性的病理改变，如系膜区增宽、基底膜增厚和K-W结节等。
　　血流动力学改变糖尿病对肾脏血流动力学的影响包括两个方面：一是全身高血压的影响；另一方面是肾内血流动力学的改变。肾内血流动力学的改变直接参与了糖尿病肾病的发生，而肾小球高滤过则在其中起关键作用。在糖尿病的早期就可以出现肾小球高滤过，有10%～17%早期糖尿病患者的肾小球滤过率(GFR)增加。借助微穿刺技术对多种不同类型糖尿病肾病模型肾内血流动力学改变的研究结果进一步证实糖尿病肾病GFR增加的主要原因是由于肾内血管阻力，尤其是入球小动脉和出球小动脉阻力降低，使单个肾单位血浆流量增加所致。由于与肾小球出球小动脉相比，其入球小动脉的阻力下降更为明显，从而使肾小球滤过压增加，出现肾小球内高滤过现象。在一些血压正常的糖尿病大鼠应用血管紧张素转换酶抑制剂和低蛋白饮食，在对全身血压没有明显影响的情况下，仍能显着降低肾小球内高压力及高滤过状态，与此同时肾小球肥大等组织学改变也得到减轻。上述结果表明肾小球内毛细血管压的升高是导致糖尿病肾病组织损伤的关键。在临床上人们也观察到糖尿病肾病的发生与GFR升高明显相关。一组对I型糖尿病患者长期随访资料表明，在起病初就存在GFR升高的患者中，8年内糖尿病肾病的发生率为53%，而病初GFR基本正常者其8年内糖尿病肾病的发生率仅为5%。
　　四、葡萄糖转运蛋白在对糖尿病肾病进行研究中，人们注意到并非所有的糖尿病患者在其病程中都出现肾脏损害。在一些长期血糖控制良好的患者同样出现糖尿病肾脏损害。该现象表明在介导细胞内糖代谢紊乱过程中还存在一些独立于血糖浓度的因素。葡萄糖无法自由通过细胞膜脂质双层结构进入细胞。细胞对葡萄糖的摄入需借助细胞膜上的葡萄糖转运体来完成。葡萄糖转运蛋白（glucose transporter）是调控细胞内糖摄入及糖代谢的第一道关卡，在介导糖尿病组织损伤中起重要作用。在葡萄糖转运蛋白家族中目前已知的同形异构体有7个，它们由不同的基因编码合成。由于不同类型葡萄糖转运蛋白在功能上具有各自的特点和调控机制。因此，在身体各器官组织中葡萄糖转运蛋白分布是不同的。葡萄糖转运蛋白-1（GLUT1）是肾小球系膜细胞上的主要葡萄糖转运体。GLUT1是一个对葡萄糖具有高亲和性的转运体，在生理糖浓度的情况下就能达到饱和。GLUT1的功能不受胰岛素的调控，葡萄糖可以在没有胰岛素的情况下经GLUT1进入细胞。系膜细胞在高糖培养情况下，表现出细胞肥大及细胞外基质产生增加，与此同时细胞内出现一系列上述因葡萄糖摄入过多而导致的糖代谢异常变化。系膜细胞内葡萄糖摄入的多寡是由GLUT1介导的，在血糖水平控制后已经启动的GLUT1功能亢进状态如持续存在是否也能导致细胞内葡萄糖的堆积及相应的病理改变是阐明糖尿病肾病发病机理中的一个重要环节。Heilig等人对这个问题进行了研究。他们用 GLUT1基因转染系膜细胞，发现这种经GLUT1基因转染而过度表达GLUT1的系膜细胞在正常糖浓度培养条件下就能表现出一些正常细胞只有在高糖环境下才能表现出来的某些异常改变。如细胞肥大，细胞外基质产生增多。上述研究结果表明系膜细胞GLUT1本身功能状态是决定细胞内糖代谢的一个关键阀门。因此，糖尿病患者不同个体间系膜细胞GLUT1功能表达及调控上的差异有可能是部分患者易患肾脏损害的因素之一。而寻找有效地干预GLUT1功能的药物有可能为糖尿病肾病的防治开辟新的途径。
　　糖尿病肾病的基本病理改变包括肾小球肥大，细胞外基质堆积，基底膜增厚和肾小球硬化。上述改变的发生与AGEs均有一定的联系。肾小球系膜细胞上有AGEs受体， AGEs与系膜细胞上特异性受体结合后，能增加系膜细胞对细胞因子的释放和细胞外基质的产生，进而导致肾小球肥大和肾小球硬化的发生。AGEs还能与一些胶原蛋白发生交联，使蛋白质在组织中的沉积增加，细胞外基质成分经非酶糖化后具有抗基质降解酶的能力，在体内降解减慢。表现为糖尿病肾病患者系膜基质堆积、肾小球和肾小管基底膜的增厚，选择性通透能力的丧失和蛋白尿的发生。有人认为，糖尿病肾病患者肾组织活检免疫病理所见免疫球蛋白在肾小球内的沉积，系由AGEs与循环中免疫球蛋白结合，致使其在肾小球局部滞留所致。此外， AGEs还参与糖尿病肾病肾血管病变和血液动力学改变的发生。AGEs与血管内皮细胞上AGEs受体结合后使血管壁通透性增加，减少内皮细胞表面抗凝酶的表达，增加前凝血因子的活性，加速糖尿病血管病的形成。AGEs还能通过灭活一氧化氮，影响肾脏血流动力学。另外，糖尿病动脉粥样硬化的发生也与AGEs修饰的脂蛋白密切相关DNA和核酸蛋白也是AGEs损伤的目标。它们的非酶糖化可影响对蛋白质的转录和表达，影响细胞的功能。值得指出的是，AGEs一旦在高糖环境下形成，此后再严格控制血糖，也无法阻止AGEs交联过程的继续进行。对糖尿病肾病患者肾活检组织中AGE的分布用免疫组织化学的方法进行观察进一步证实了AGE在糖尿病肾病发病中的作用。在糖尿病肾病患者肾小球血管袢、系膜区，K-W结节以及肾间质血管上均能观察到AGE的沉积。AGE在糖尿病肾病患者肾组织中沉积的范围和强度与肾脏病变组织学改变之间存在着一定的联系。
　　三、糖基化终末产物（advanced glycation end products， AGEs）近年的研究证明蛋白质、脂质以及DNA等与还原糖之间形成的非酶促糖基化终末产物参与糖尿病肾病的发生。AGE的形成分为二步。第一步是开链的葡萄糖分子游离醛基和蛋白质氨基酸上的一个氨基基团通过亲合结合，迅速生成Schiff碱基。随后，Schiff碱基可缓慢发生化学重排，形成稳定的可逆的糖-蛋白加合物，即amadori产物。第二步反应是amadori产物或amadori产物降解的多种高度活性的羧基化合物，反过来可与其它游离氨基酸基团起反应，最终形成AGEs。 AGEs在化学上是不可逆的，一经生成则不断累积于组织中，影响组织的结构和功能。AGEs的生成受三个因素影响。第一是血糖的影响；其生成速率与葡萄糖浓度有关。第二是蛋白质与高浓度糖接触的时间；第三是蛋白质的半衰期；蛋白质半衰期越长非酶糖化产物的积聚越明显，故长寿蛋白质如胶原、晶状体等受时间的影响，其产生修饰的可能性提高。
　　在高血糖状态下，葡萄糖引起DAG合成增加，导致细胞内DAG含量升高，进而激活PKC。PKC的活化继而激活细胞内一些转录因子（C-fos，C-jun），启动和增强细胞外基质（fibronectin，laminin和collagen IV）信使核糖核酸(mRNA)的转录水平，使细胞外基质的合成增加。PKC的活化还可以抑制一氧化氮（NO）合成酶的活性，导致NO生成降低，进而抑制由NO介导的环磷酸鸟苷(cGMP)合成，引起血管收缩功能的改变。在大鼠的糖尿病肾病早期，特异性的PKC抑制剂能使肾血流量和肾小球滤过率得以改善。这些结果表明，高血糖激活的PKC通路直接或间接地影响血液流变学的改变。此外，PKC能够调节血小板的粘附，聚集与分泌功能，刺激血管内皮细胞Von Willebrand因子的生成，增加血浆或组织中纤溶酶原活化物抑制剂（PAI-1）的含量和活性，从而促进了糖尿病血管病变的高凝、低纤溶和高血液粘度的形成。磷脂酶A2（PLA2）是体内重要磷脂酶，催化磷脂裂解产生游离的花生四烯酸，它们是体内前列腺素、TXA2、血小板活化因子等血管活性物质及炎性介质的合成前体，调节和影响血管的多种生理功能。糖尿病大鼠肾小球PLA2活性增高也与PKC通路的活化有关。此外，高血糖激活细胞内PKC和PLA2通路是引起Na+-K+ ATPas活性降低的重要机制。PKC抑制剂能够使低减的Na+-K+ATPas活性恢复正常。
　　二、蛋白激酶PKC广泛存在于人体的各种组织细胞中，是细胞内一组重要的蛋白激酶。PKC能被多种激素、生长因子、神经递质等激活，使细胞内多种蛋白质磷酸化，构成细胞内重要的信息网络系统，调控细胞的一系列生理、生化功能。经典的PKC活化途径是：当细胞受体接受胞外信号后，通过细胞膜上G蛋白偶联，活化磷脂酶C（PLC），裂解磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2），生成肌醇三磷酸（IP3）和二酯酰甘油（DAG）。IP3促使Ca2+由胞囊中释出或自胞外内流，使胞浆内Ca2+含量上升，协同DAG激活PKC。PKC一经激活后便产生多种短期的或长期的生物效应。短期效应包括激素、神经递质及多种细胞因子释放，离子通道的运转，营养物质的代谢，肌细胞的兴奋收缩偶联以及免疫和炎症反应等。长期效应主要参与调节基因的表达，蛋白质的合成及细胞的增殖与分化等。
　　一、多元醇代谢通路的激活多元醇通路，又称山梨醇通路。由醛糖还原酶(aldose reductase, AR)及山梨醇脱氢酶(sorbitol dehydrogenase, SDH)共同构成，其反应式为：　在糖尿病高糖条件下，继发性的细胞内高葡萄糖可以激活关键酶AR，导致葡萄糖大量转换为山梨醇，而山梨醇极性很强，不能自由透过细胞膜，于是大量在细胞内蓄积，由此造成高渗状态。大量细胞外液渗入，使细胞水肿，最后导致细胞结构破坏。山梨醇蓄积形成渗透梯度以及D-葡萄糖竞争性地与肌醇载体结合，于是细胞内肌醇池耗竭。由于肌醇直接参与磷酯酰肌醇的合成，从而使细胞膜Na+-K+-ATP酶活性降低。这种改变可能直接影响肾小球及肾小管细胞的功能。此外，山梨醇氧化果糖过程中偶联着NAD+ 生成NADH，可使细胞内NADH/NAD+比例升高，从而导致细胞内二酯酰甘油（DAG）从头合成增多，激活蛋白激酶C（PKC），从而引起一系列的生化和生理改变。针对上述生化代谢异常，多年来有学者一直致力于寻找有效的醛糖还原酶抑制剂以减轻多元醇通路代谢，从而减轻或阻断糖尿病肾病的发生。
　　糖代谢异常尽管Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病发病机理不同，但是，他们都以持续高血糖为其基本生化特征。因此，在糖尿病肾病发病机理的研究中，高血糖对肾脏的影响一直是一个重要的研究领域。1993年新英格兰医学杂志上发表了美国糖尿病学会、糖尿病控制与合并症临床研究组（The Diabetes control and complications trial, DCCT）一篇在糖尿病研究中具有里程碑意义的论文〔N Eng J Med,1993,329:977〕。这篇由美国和加拿大29个医学中心对1441例Ⅰ型糖尿病患者的前瞻性研究，花费了近10年时间，证实了胰岛素强化治疗使血糖长期维持在接近正常水平能有效地延缓糖尿病肾病的发生并减慢其进展速度。最近，英国公布了对3867例Ⅱ型糖尿病患者进行胰岛素强化治疗的前瞻性研究(UKPDS)。经过八年长的观察证明胰岛素强化治疗同样能明显地降低Ⅱ型糖尿病肾病的发生(Lancet,1998,352:837)。以令人信服的临床研究资料肯定了高血糖在糖尿病肾病发生及发展中的作用。
　　糖尿病肾病的发生及发展是多因素综合作用的结果，其中糖代谢紊乱、肾脏血流动力学的改变、多种细胞因子以及遗传背景均起非常重要的作用。