王晨曦綜述 王子瑞，俞瀾 審校

1.西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州 730000；

2.甘肅省第二人民醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

足細(xì)胞作為一種獨(dú)特的上皮細(xì)胞，是形成腎小球?yàn)V過(guò)屏障的一個(gè)主要部分。有研究表明：足細(xì)胞損傷導(dǎo)致濾過(guò)屏障破壞和相關(guān)膜蛋白的缺失是糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)產(chǎn)生蛋白尿的中心環(huán)節(jié)[1]。一項(xiàng)對(duì)糖尿病腎病患者腎活檢的病理發(fā)現(xiàn)，糖尿病腎病患者足細(xì)胞的損傷與引起上皮細(xì)胞和支持細(xì)胞功能障礙直接關(guān)聯(lián)[2]。由于足細(xì)胞具有不可再生的特點(diǎn)，當(dāng)足細(xì)胞因各種因素導(dǎo)致不可逆的損傷時(shí)，腎小球?yàn)V過(guò)功能就會(huì)出現(xiàn)障礙，隨即引發(fā)一系列的腎功能不全的臨床癥狀。本文概述了足細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能受損在糖尿病腎病進(jìn)展中關(guān)鍵作用，著眼于足細(xì)胞損傷相關(guān)信號(hào)通路的研究進(jìn)展，通過(guò)對(duì)足細(xì)胞損傷的分子生物學(xué)機(jī)制的綜述，旨在闡明足細(xì)胞損傷在糖尿病腎病關(guān)鍵作用，也為臨床治療提供參考價(jià)值。

1 足細(xì)胞概述

1.1 足細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能足細(xì)胞即腎小囊臟層上皮細(xì)胞，是組成腎小球?yàn)V過(guò)屏障的一個(gè)主要部分。腎小球?yàn)V過(guò)屏障由外向內(nèi)分別由足細(xì)胞及足突間的裂孔隔膜、腎小球基底膜(GBM)和有窗孔的內(nèi)皮細(xì)胞組成，是血漿蛋白濾過(guò)的最后一道屏障(圖1)。當(dāng)糖尿病患者自身處在高糖狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)成濾過(guò)屏障的3層中任一層結(jié)構(gòu)和電荷屏障功能受損，腎小球?yàn)V過(guò)功能發(fā)生障礙，產(chǎn)生蛋白尿，加快了DN的進(jìn)展。多項(xiàng)研究證據(jù)也證實(shí)上述功能的異?？赡芘c足細(xì)胞的損傷相關(guān)，也就是說(shuō)足細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞有可能是糖尿病進(jìn)展引發(fā)DN的主要因素[3-5]。

圖1 腎小球?yàn)V過(guò)隙膜蛋白的模式圖Figure1 Pattern of glomerular filtration gap membraneprotein

2 足細(xì)胞損傷的病理機(jī)制

2.1 足細(xì)胞肥大早期DN足細(xì)胞肥大的病理機(jī)制比較復(fù)雜。有研究發(fā)現(xiàn)，腎小球足細(xì)胞肥大與DN的進(jìn)展有關(guān)[6]。在此方面，絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)通路、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)通路以及AngⅡ?qū)ο的せ|(zhì)作用可能存在潛在的靶向價(jià)值。高糖刺激下，AngⅡ通過(guò)ROS提高激酶ERK1/2和Akt/PKB的蛋白表達(dá)來(lái)激活TGF-β信號(hào)通路，或通過(guò)激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)上調(diào)CKI的蛋白表達(dá)，導(dǎo)致腎小球足細(xì)胞肥大[7]。此外，高糖還通過(guò)激活I(lǐng)L-6/Gp130-JAK/STAT3信號(hào)通路誘導(dǎo)足細(xì)胞肥大(圖2)[8]。在DN早期足細(xì)胞肥大仍可代償腎小球的高濾過(guò)，這將更有利于更大面積覆蓋GBM的裸露區(qū)域，但因足細(xì)胞是終末分化細(xì)胞不再增殖的特點(diǎn)，長(zhǎng)期高濃度糖環(huán)境，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)增多在體內(nèi)蓄積，從而激活激活腎素-血管緊張素系統(tǒng)(RAAS)加重足細(xì)胞的肥大，與腎小球高濾過(guò)壓力相伴行最終導(dǎo)致足細(xì)胞損傷。

圖2 高糖上調(diào)TGF-β、mTOR、AngⅡ、AGEs和整合素相關(guān)激酶(ILK)通路并激活p27Kip1、MAPK、Akt/PKB和NADPH的表達(dá)導(dǎo)致足細(xì)胞肥大的模式圖Figure 2 High glucose upregulates TGF-β,mTOR,AngⅡ,AGEs and integrin-related kinase(ILK)pathways and activates the expression of p27Kip1,MAPK,Akt/PKB and NADPH leading to podocytehypertrophy

2.2 足細(xì)胞上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)足細(xì)胞損傷過(guò)程中EMT現(xiàn)象的出現(xiàn)，是足細(xì)胞作為骨架分子所構(gòu)成濾過(guò)膜屏障破壞的一種表現(xiàn)。Liu[9]發(fā)現(xiàn)在DN進(jìn)展過(guò)程中，腎臟上皮標(biāo)志物表達(dá)缺失，間充質(zhì)標(biāo)志物表達(dá)上調(diào)，出現(xiàn)了多種類(lèi)型的腎病表型。Loeffler等[10]也發(fā)現(xiàn)了腎小管上皮細(xì)胞和足細(xì)胞在發(fā)病的48~72 h暴露于升高的葡萄糖水平或受到其他糖尿病因刺激后，會(huì)導(dǎo)致E-cadherin和ZO-1的蛋白質(zhì)表達(dá)減少，相反地轉(zhuǎn)化蛋白(如α-SMA和波形蛋白)的表達(dá)增加，足細(xì)胞足突消失，濾過(guò)隙膜處肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架重排，致使蛋白丟失。而且高糖環(huán)境下足細(xì)胞發(fā)生EMT考慮可能與TGF-β/Smad經(jīng)典途徑、Wnt/β-catenin信號(hào)通路以及ILK信號(hào)通路相關(guān)，每條通路之間都構(gòu)成互作網(wǎng)絡(luò)(圖3)。

圖3 高糖激活TGF-β、ILK和Wnt/β-catenin信號(hào)通路誘導(dǎo)足細(xì)胞EMT的模式圖Figure3 High glucose activation of TGF-β,ILK and Wnt/β-catenin signaling pathways to induce EMT in podocytes

2.2.1 TGF-β/Smad經(jīng)典途徑DN患者高葡萄糖耐量可活化TGF-β的表達(dá)，活化后TGF-β首先整合TGF-β受體Ⅱ型(TbRⅡ)和TGF-β受體Ⅰ型(TbRⅠ)，形成配體-受體復(fù)合物而導(dǎo)致下游蛋白Smad2和Smad3的磷酸化與Smad4結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域中形成Smad復(fù)合物，轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核導(dǎo)致足細(xì)胞EMT[11]。

2.2.2 Wnt/β-catenin蛋白信號(hào)通路當(dāng)Wnt/β-catenin信號(hào)被激活，會(huì)顯著降低足細(xì)胞相關(guān)蛋白nephrin的mRNA表達(dá)，增加Wnt3a、β-catenin和Snail的mRNA表達(dá)。而Snail蛋白基因作為Wnt/β-catenin信號(hào)通路的下游靶基因之一，是誘導(dǎo)足細(xì)胞EMT的重要轉(zhuǎn)錄因子。Dai等[12]研究發(fā)現(xiàn)DN患者足細(xì)胞Wnt1明顯上調(diào)，β-catenin激活，反映Wnt/β-catenin信號(hào)通路可能主要是通過(guò)促進(jìn)Snail表達(dá)導(dǎo)致足細(xì)胞EMT。

2.2.3 ILK信號(hào)通路ILK是一種絲氨酸蘇氨酸激酶，通過(guò)整合素在跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。ILK結(jié)合整合素β1的細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域活化，引起下游分子Akt和GSK-3β的磷酸化，磷酸化的Akt和GSK-3β可以抑制β-catenin蛋白的磷酸化，細(xì)胞質(zhì)高濃度β-catenin蛋白將轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核并與相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，從而導(dǎo)致Snail蛋白的表達(dá)。Kang等[13]發(fā)現(xiàn)小鼠足細(xì)胞中ILK的表達(dá)是由各種有害刺激物誘導(dǎo)的，包括TGF-β1、高水平葡萄糖、高膽固醇、高血鉀和高血容量等等，這些刺激物也是早期DN患者需要進(jìn)行干預(yù)的危險(xiǎn)因素，也是造成并發(fā)癥的不良因素。

2.3 足細(xì)胞凋亡正常情況下，引起足細(xì)胞促凋亡基因是與抗凋亡基因信號(hào)通路共存的，兩者保持動(dòng)態(tài)平衡，足細(xì)胞處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。但是當(dāng)腎小球密度和數(shù)量減少時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)被打破，足細(xì)胞促凋亡基因占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，足細(xì)胞發(fā)生凋亡。其相關(guān)的途徑有以下幾種：TGF-β1信號(hào)通路、AngⅡ信號(hào)通路、AMPK信號(hào)通路、ROS信號(hào)通路、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)信號(hào)通路和其他相關(guān)通路(圖4)，若促凋亡基因過(guò)度表達(dá)時(shí)，足細(xì)胞相關(guān)蛋白nephrin和podocin具有抗凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)特性相對(duì)變?nèi)?，足?xì)胞發(fā)生凋亡損傷，甚至從組織中剝脫。

圖4 足細(xì)胞凋亡相關(guān)通路模式圖Figure 4 Schematic diagram of podocyteapoptosis-related pathways

2.3.1 TGF-β1信號(hào)通路在高糖狀態(tài)下，TGF-β1途徑活躍并通過(guò)介導(dǎo)Smads、mTOR和其他信號(hào)途徑參與足細(xì)胞凋亡。Das等[14]發(fā)現(xiàn)TGF-β1既可以通過(guò)Smad2/3選擇性上調(diào)Nox4 mRNA的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致足細(xì)胞線(xiàn)粒體Nox4蛋白水平升高、氧化應(yīng)激、線(xiàn)粒體功能障礙和凋亡，又可以通過(guò)Erk介導(dǎo)的mTORC1/Nox4軸增強(qiáng)Nox4的翻譯階段，誘導(dǎo)Gremlin蛋白大量產(chǎn)生，從而激活TGF-β/Smad2/3信號(hào)通路，誘導(dǎo)凋亡。而編碼Gremlin蛋白的基因也受到高糖高滲透壓環(huán)境的影響，與凋亡相關(guān)蛋白(Bcl-2和Bax)相繼被激活，從而導(dǎo)致足細(xì)胞凋亡。

2.3.2 AMPK信號(hào)通路AMPK信號(hào)通路較為復(fù)雜，DN患者中的高糖環(huán)境使得AMPK活化能力降低，轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中結(jié)構(gòu)蛋白失活，但旁支通路mTOR會(huì)被激活加之高糖環(huán)境增加Nox4、Nox1和NADPH氧化酶活性的水平，最終造成足細(xì)胞線(xiàn)粒體功能障礙，導(dǎo)致了足細(xì)胞的凋亡。Dai等[15]利用這個(gè)機(jī)制，用一種強(qiáng)抗氧化劑葡萄籽原花青素提取物作用于AMPK-Sirt1-PGC-1α途徑防止高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞線(xiàn)粒體功能障礙和凋亡。目前大量研究證實(shí)，AMPK通路是可作為一種治療DN進(jìn)行臨床用藥干預(yù)的思路，但其中的信號(hào)變化較為復(fù)雜，有待更多研究進(jìn)行探索。

2.3.3 ROS信號(hào)通路線(xiàn)粒體是細(xì)胞內(nèi)活性氧的重要來(lái)源，參與內(nèi)源性凋亡途徑。在DN中過(guò)量ROS產(chǎn)生減少足細(xì)胞的數(shù)量。Gao等[16]研究發(fā)現(xiàn)：在高糖環(huán)境持續(xù)刺激下，腎組織通過(guò)NADPH氧化酶和線(xiàn)粒體途徑快速刺激細(xì)胞內(nèi)ROS的生成并導(dǎo)致促凋亡，p38MAPK和Caspase-3的激活以及足細(xì)胞的凋亡。在NADPH氧化酶家族成員中，Nox4是DN氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的ROS產(chǎn)生和足細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵酶。Wang等[17]研究也指出，抑制線(xiàn)粒體氧化損傷和細(xì)胞色素C的釋放可以消除ROS大量產(chǎn)生對(duì)細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)的影響，從而阻止足細(xì)胞損傷和凋亡信號(hào)的傳遞。

2.3.4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)信號(hào)通路AGEs在DN的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。AGEs可以上調(diào)足細(xì)胞中葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78的表達(dá)，誘導(dǎo)ERS，并最終以劑量和時(shí)間依賴(lài)性的方式導(dǎo)致足細(xì)胞凋亡。Lei等[18]研究發(fā)現(xiàn)ERK1/2激活的mTOR導(dǎo)致能量消耗，導(dǎo)致ERS信號(hào)傳導(dǎo)觸發(fā)經(jīng)高糖處理后的足細(xì)胞發(fā)生凋亡。緊接著，Cao等[19]實(shí)驗(yàn)用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑熊去氧膽酸(UDCA)或4-苯基丁酸酯(4-PBA)通過(guò)抑制Caspase-3和Caspase-12的激活，在體內(nèi)外阻止高血糖誘導(dǎo)足細(xì)胞凋亡獲得成功。DN高糖環(huán)境下通過(guò)非酶糖化生成的AGEs增多，其特點(diǎn)是會(huì)引起微小血管的損傷，造成嚴(yán)重的不良后果。臨床通過(guò)對(duì)該細(xì)胞通路的研究，著眼于ERS通路相關(guān)靶點(diǎn)，有利于治療由于大量AGEs積累引起足細(xì)胞損傷癥狀較輕的患者，改善預(yù)后。

2.3.5 其他信號(hào)通路足細(xì)胞相關(guān)蛋白Nephrin和Podocin具有抗凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)特性。在高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞中β-arrestin 1/2表達(dá)水平上調(diào)，β-arrestin 1/2過(guò)度表達(dá)抑制nephrin和Podocin蛋白的表達(dá)；同時(shí)上調(diào)的β-arrestin 1/2還可以促進(jìn)足細(xì)胞中Bax、Caspase-3和p53蛋白表達(dá)引起足細(xì)胞凋亡。Chen等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在體外經(jīng)高濃度葡萄糖處理的足細(xì)胞中，Sam68基因以時(shí)間和劑量依賴(lài)性方式上調(diào)，高糖環(huán)境增加了足細(xì)胞中Bax的表達(dá)，降低Bcl-2蛋白的表達(dá)，這種作用因Sam68編碼基因被敲除而消失，即結(jié)果表明Sam68基因介導(dǎo)的足細(xì)胞凋亡，可能通過(guò)Bax/Bcl-2信號(hào)通路。另外，Gao等[21]研究高糖作用下足細(xì)胞的Notch通路上調(diào)，則伴隨著B(niǎo)cl-2和p53通路的改變導(dǎo)致足細(xì)胞凋亡。

2.4 足細(xì)胞自噬自噬是指高度保守的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)循環(huán)過(guò)程，也包括將受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器轉(zhuǎn)移到溶酶體進(jìn)行降解；根據(jù)細(xì)胞內(nèi)底物轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體的方式不同，自噬可分為三種類(lèi)型：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬，足細(xì)胞自噬主要是以巨自噬的方式。Liu等[22]研究發(fā)現(xiàn)，即使在正常人體機(jī)能情況下，足細(xì)胞的自噬是長(zhǎng)期處在高水平的，而相比于DN患者中足細(xì)胞自噬狀態(tài)明顯不足，原因是DN中持續(xù)高糖狀態(tài)抑制了自噬相關(guān)蛋白Beclin-1、Atgl2和LC3-Ⅱ的表達(dá)阻止細(xì)胞器積累產(chǎn)生的受損蛋白和細(xì)胞毒素及時(shí)清除，導(dǎo)致不可逆足細(xì)胞損傷和功能障礙(圖5)。

圖5 高糖激活mTOR、ROS和VEGF信號(hào)通路以及下調(diào)Sirt1、AMPK和Atg12-Atg5信號(hào)通路抑制足細(xì)胞自噬的模式圖Figure 5 High glucose activates mTOR,ROS and VEGF signaling pathways and down-regulates Sirt1,AMPK and Atg12-Atg5 signaling pathways and inhibitsautophagy in podocytes

2.4.1 mTOR信號(hào)通路mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，抑制自噬非常重要；它廣泛存在于真核生物中，與不同的蛋白質(zhì)結(jié)合形成兩種不同結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合物：mTORC1和mTORC2。其中mTORC1對(duì)雷帕霉素敏感，主要參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育、增殖、凋亡、代謝、自噬等。Xiao等[23]的研究證明了DN的發(fā)病機(jī)制與mTORC1途徑激活有關(guān)，此外，實(shí)驗(yàn)還得出雷帕霉素增加表達(dá)LC3的足細(xì)胞數(shù)量，促進(jìn)足細(xì)胞自噬，改善糖尿病小鼠的腎損傷，提示mTORC1活性在DN足細(xì)胞損傷中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。

2.4.2 AMP活化蛋白激酶(AMPK)通路AMPK是一種異源三聚體蛋白質(zhì)，在DN患者的細(xì)胞和組織中是一種重要的代謝應(yīng)激蛋白激酶。AMPK可通過(guò)細(xì)胞質(zhì)中Ca2+濃度的增加、細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP比率降低、多種激素、脂肪因子、營(yíng)養(yǎng)匱乏和細(xì)胞因子的刺激而被激活。高糖環(huán)境下，AMPK的磷酸化水平降低，活性受到抑制，AMPK可通過(guò)TSC1/2-Rheb信號(hào)通路和相關(guān)調(diào)節(jié)蛋白的磷酸化抑制mTORC1活性并誘導(dǎo)自噬，還可直接介導(dǎo)Ulkl/2的磷酸化和自噬的誘導(dǎo)。Ding等[24]研究AMPK激活劑白藜蘆醇可以通過(guò)恢復(fù)鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠AMPK的活性來(lái)減輕DN的早期腎損傷，也反映了此通路具有一定的臨床參考意義。

2.4.3 Sirt1信號(hào)通路與Atg12-Atg5耦合系統(tǒng)Sirt1是一種NAD+依賴(lài)性Ⅲ組蛋白脫乙酰酶，Sirt1與DN的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。在近端小管細(xì)胞中，Sirt1通過(guò)維持腎小球周?chē)臒燉０穯魏塑账釢舛群涂刂谱慵?xì)胞功能來(lái)降低糖尿病患者的蛋白尿；但在高血糖的條件下，Sirt1的表達(dá)受到抑制，從而增加氧化應(yīng)激并觸發(fā)足細(xì)胞損傷[25]。Atg12-Atg5耦合系統(tǒng)是一類(lèi)與足細(xì)胞自噬密切相關(guān)的Atg蛋白，暴露于高糖的足細(xì)胞自噬活性顯著降低，其特征是自噬相關(guān)蛋白Atg12-Atg5的表達(dá)顯著降低，這是G蛋白耦聯(lián)受體細(xì)胞內(nèi)信號(hào)蛋白中的β-抑制蛋白通過(guò)下調(diào)該系統(tǒng)抑制了足細(xì)胞自噬，從而導(dǎo)致DN的發(fā)生和發(fā)展。目前已發(fā)現(xiàn)還有多種信號(hào)通路參與足細(xì)胞自噬的調(diào)控，其中DN與mTOR、AMP活化蛋白激酶(AMPK)、氧化應(yīng)激、NAD+依賴(lài)組蛋白去乙?；窼irt1信號(hào)通路、Atg12-ATG5耦合系統(tǒng)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)等密切相關(guān)。

3 小結(jié)

越來(lái)越多的研究表明足細(xì)胞形態(tài)和功能的改變與DN患者臨床表現(xiàn)關(guān)系密切，特別是在DN早期病變中，足細(xì)胞損傷造成的功能性異常更為突出。糖尿病足細(xì)胞損傷機(jī)制復(fù)雜，同一信號(hào)通路可能既參與了足細(xì)胞肥大，又可能在凋亡、自噬等損傷中發(fā)揮作用，不同機(jī)制交互影響，為研究帶來(lái)很多困難。隨著更多研究的逐步深入，越來(lái)越多的足細(xì)胞損傷相關(guān)的信號(hào)通路被探索出來(lái)，為進(jìn)一步的研究提供更深入的思路。