糖尿病肾病肾小管细胞形态功能异常的研究进展

糖尿病肾病（DKD）是终末期肾病（ESRD）的主要原因。虽然肾小球损伤在DKD 的发病机制中处于中心地位，但目前许多学者认为，肾小管及间质病变也是2型糖尿病患者病理生理改变的重要组成部分，且临床与动物实验证明小管病变在DKD的进展中起关键作用。

DKD状态下，肾小管上皮细胞形态与功能异常表现为：肾小管上皮细胞生长异常，葡萄糖及钠的重吸收功能紊乱及小管间质纤维化等，这些病理改变与DKD 的进展密切相关。多种代谢产物、细胞因子、蛋白调控分子及信号通路参与调控上述的病理变化。

本文以DKD肾小管细胞形态与功能异常为切入点，概括近年来DKD 肾小管细胞功能变化及其相关机制的研究进展，以及肾小管间质纤维化对DKD 进展的影响，并简要介绍了以肾小管细胞为“靶点”防治DKD的新思路。

一、糖尿病患者近端肾小管细胞生长变化

近期研究表明，DKD 近端肾小管细胞的生长变化包括增生、肥大及衰老3个阶段，许多重要的分子信号及相关通路参与其变化过程。

1. 增生期：

目前发现许多生长因子在糖尿病肾小管细胞早期增生中起重要作用，如高血糖引起近曲小管细胞表达内源性肾素⁃血管紧张素（RAS），然后通过激活血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）的1 型受体（AT1）和ERK 刺激血管内皮生长因子（VEGF）合成，导致肾小管细胞增生。

另外，高血糖和AngⅡ激活多元醇通路和活性氧（ROS）等胞内信号通路,再激活JAK⁃STAT信号瀑布5，JAK⁃STAT信号通路又可激活c⁃jun 和c⁃fos 基因，再激活鸟氨酸脱羧酶（ODC），从而快速活化胰岛素样生长因子（IGF）⁃β1 促进糖尿病肾小管细胞早期增生。

高血糖也能激活蛋白激酶C（PKC），促进近端肾小管PKCβ1 同工酶的活性，引起肾小管细胞增生。另外，IGF⁃1和VEGF又可刺激其下游PI3K⁃Akt 信号分子导致DKD 肾小管细胞增生。

目前针对上述与增生有关的信号分子研发了一些拮抗剂或激活剂，观察了它们在DKD中的作用，如采用ODC抑制剂二氟甲基鸟氨酸（DFMO）抑制链脲菌素（STZ）诱导的早期DKD小鼠肾脏增大；在血糖浓度不变的情况，腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）激动剂可减弱哺乳动物雷帕霉素复合物（mTORC）的活性，从而阻止肾小管细胞增生；

实验研究也表明，绿茶多酚中的表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）、辣椒多酚和染料木黄酮均可激活AMPK 或AMPK⁃LKB1 通路，减轻DKD 肾小管细胞增生。

DKD 早期肾小管增生与高血糖诱导的氧化应激、局部RAS激活、肾小管生长因子表达增加、PKCβ和JAK⁃STAT信号通路激活及mTOR活化有关。进一步研究相关的抑制剂、激动剂有望为防治DKD早期肾小管细胞增生提供新思路。

2. 肥大期：

研究表明肾小球滤过率＜60 ml/min 的DKD 老年患者，其肾脏体积增大者比肾脏体积较小的患者5 年内更易进展至ESRD，提示肾脏肥大是DKD 病情进展中的一个重要环节。目前研究认为DKD患者肾小管细胞在TGF⁃β1 作用下可迅速从增生期转向肥大期。

高血糖通过Pak2、Syk和下游的ERK⁃AP⁃1、NF⁃κB信号通路增加近端肾小管上皮细胞TGF⁃β1 基因转录；糖尿病状态下，肾组织中细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）的抑制蛋白（p21）waf1、cip1 的表达增加，同时研究发现TGF⁃β通过上调CDK抑制蛋白p27KIP1（p27）阻止肾小管上皮细胞从G1期进入到S期，从而引起肾小管细胞肥大。

其次，高糖状态下，终末期糖基化终产物（AGE）的积累也是DKD 肾小管细胞肥大的关键因素，它通过作用于其受体（RAGE）调节p21表达，参与DKD近端肾小管细胞肥大。近期我们研究发现，在高葡萄糖环境，HK⁃2细胞中Epac1表达增加，Epac1通过Akt⁃p21途径诱导肾小管细胞肥大。

针对上述分子，目前正在研制防治DKD 肾小管细胞肥大的药物：如研究发现外源性四氢生物蝶呤BH（4）和BH（2）通过增加DKD 肾小管上皮细胞iNOS、GTPCH1 及NO的表达，减弱RAGE 诱导的肾小管细胞肥大；薯球蛋白（tuberin）通过调节哺乳动物雷帕霉素信号通路可减轻肾脏增大，tuberin 基因敲除鼠[TSC2（+/-）]经链脲菌素诱导后，肾脏明显肥大。

3. 衰老期：

衰老是一种肿瘤抑制机制, 包括CDK抑制蛋白过度表达、抑制细胞周期及复制。目前研究证明，p21、p16INK4A（p16）和（或）p27 的活化与典型细胞衰老、衰老样增长停滞相关。

有报道发现2 型糖尿病和DKD 患者肾小管细胞有加速衰老现象。Satriano 等发现链脲菌素诱导小鼠糖尿病10 d 后，肾组织增生的早期瞬间活化相关因子变成了抑制状态，同时肾小管CDK 抑制蛋白p16、p21、p27 及衰老标志蛋白β牛乳糖表达激活，证明DKD肾组织细胞在增生、肥大发生后即表现衰老，此外,他们认为近端肾小管细胞衰老的主要机制是由DKD状态下细胞氧化应激引起。

另外，也有学者认为肾小管细胞的衰老可能是软脂酸信号为了避免细胞过度增生所致，所以他们推测肾小管细胞衰老是糖尿病肾脏炎性反应和纤维化发生、肾小管细胞功能改变的重要原因。

虽然衰老细胞分化良好，但是衰老细胞促炎因子分泌明显增加、生长因子和细胞外基质（ECM）表达增多、对凋亡与细胞重构抵抗等，这些可能与DKD肾组织纤维化有关。由此可见，糖尿病患者肾小管细胞生长异常与多个分子及信号通路、炎性反应和纤维化密切相关，他们可以导致早期糖尿病患者肾脏增大、肾小管过度重吸收和肾小球高滤过，影响肾脏病变的进程。

二、肾小管细胞对葡萄糖及电解质重吸收

研究证实2 型糖尿病患者早期存在肾小球滤过率（GFR）增加，控制糖尿病患者的肾小球滤过率增加可推迟患者肾功能减退的速度。糖尿病患者GFR 增加与肾小管细胞通过钠葡萄糖转运蛋白（SGLT）重吸收葡萄糖增多有关，其中SGLT2以钠和葡萄糖1∶1的比例进行转运重吸收。

葡萄糖经肾小球滤过后，90%的葡萄糖通过SGLT2 在近曲小管S1段被重吸收，可见SGLT2在重吸收葡萄糖中起主导作用。SGLT在DKD肾组织中表达异常，DKD患者肾小管细胞SGLT2表达增多，与AT1和HNF⁃1α活化有关。

临床试验证明，SGLT2抑制剂可抑制肾小管对葡萄糖重吸收，增加血糖的排出，降低空腹及餐后血糖。研究也发现SGLT2 基因敲除小鼠会减弱链脲菌素诱导的糖尿病小鼠高血糖、肾小球超滤，而不增加尿路感染发生率。

另外，用SGLT2 抑制剂治疗不易出现低血糖，有良好的耐受性，可与其他类型的抗糖尿病的药物联合使用，还可改善β细胞功能障碍和胰岛素抵抗，减轻体质量和降低血压。

目前用于治疗2 型糖尿病的Ipragliflozin 等SGLT2抑制剂已在第3阶段的临床试验期。正常情况下GFR 通过球管平衡（GTB）和管球反馈（TGF）的相互作用保持平衡。

GTB 正常时，GFR 增加，肾小管重吸收分数下降，以此增加远端肾单位电解质浓度和转运率，再通过TGF 负调节机制控制GFR。近期研究发现，在糖尿病状态下，既有肾小球高滤过，又存在近端小管或致密斑上游的重吸收比例增加，导致肾小管重吸收“初始增加”。

如先有近端肾小管重吸收增加，导致GFR增加，则其肾小管中Na+、Cl⁃、K+浓度（MDNaClK）低于正常。如链脲菌素诱导的糖尿病小鼠远曲肾小管近端管液中钠、钾和氯的浓度比非糖尿病鼠降低了20%~28%，提示DKD状态下近端肾小管重吸收分泌电解质存在异常。

综上可知糖尿病患者增大的肾小管上皮细胞重吸收能力增强，且中等程度的高血糖给近端肾小管钠⁃葡萄糖协同转运体提供了更多的基质，导致糖尿病患者肾小管原始重吸收增加，使到达远端致密斑的电解质浓度降低，在TGF反应失活时，就引起GFR增加。

三、肾小管细胞形态功能变化与DKD“盐矛盾论（SaltParadox）”

最近临床研究表明，1型[35]和2型糖尿病患者摄入的NaCl 总量越低，终末期肾病、心血管病死率、全因死亡率越高；24 h 尿钠排泄分数越低的2 型糖尿病患者，全因死亡率及心血管病死率越高，两者呈反比关系。

这些研究对传统的DKD 患者“低盐饮食”的观念提出了新的挑战。针对这一现象，近期有学者提出了“盐矛盾论”的观点，并进行了相关的基础研究，他们发现在健康人体中，GFR对饮食中氯化钠摄入量浓度变化不敏感，而由致密斑调节盐平衡，早期糖尿病患者肥大的近端肾小管细胞功能异常，对食盐浓度变化强烈反应，形成了“盐矛盾论”的基础，当DKD患者饮食中盐浓度增高，会抑制近端肾小管对盐的重吸收，致密斑处MDNaClK 增加，通过管球反馈减少GFR，反之亦然。

实验研究也证明，采用管球反馈较弱的腺苷A1 受体基因敲除鼠（A1R-/-）的转基因动物模型，经链脲菌素诱导成糖尿病鼠，则没有发现“盐矛盾”现象。

另外，链脲菌素诱导的糖尿病小鼠，当限制饮食中钠含量为20 mmol/d，会降低肾血管阻力，增加有效肾血浆流量和GFR。其次，研究发现Zucker 糖尿病肥胖鼠的GFR 比Zucker 瘦小鼠增加，在给予正常盐饮食时，GFR 的自我调节能力也较低，但采用高盐饮食后，通过腺苷抑制RAS系统，减少Zucker 糖尿病肥胖鼠的GFR，提示DKD 除了肾小管重吸收过多和肾小球超滤之外，肾小管也存在“盐矛盾论”。

四、肾小管及间质损伤对DKD进展的影响

临床观察发现出现微量白蛋白尿的DKD 患者中仅1/3 具有典型的肾小球结构改变；而1/3 患者无或仅有很轻微肾小球损伤，但肾小管损伤严重；另外1/3 的患者肾脏结构正常，并存在不同程度的肾小管损伤。

另外，Nielsen 等对177 例2 型糖尿病肾病患者追踪随访观察5年，结果显示尿液中NGAL、KIM⁃1及血浆FGF23等肾小管间质损伤指标的水平与DKD 患者eGFR 下降速度显著相关。

与之相类似的是Kim 等对237 例DKD 患者随访观察29 个月后发现，肾小管损伤生物标志物尿胱抑素C 水平与肾功能恶化速度呈明显的正相关。

提示肾小管间质损害对DKD进展具有重要影响。DKD肾小管损伤机制复杂，既往研究表明氧化应激、TGF⁃β、葡萄糖代谢产物及蛋白尿、炎性细胞浸润等因素在促进肾小管及间质损伤过程中起重要调控作用，而有关Wnt⁃β⁃catenin、miRNA、Epac 等近期新发现的信号通路与分子也开始受到人们重视并取得了一些进展。

1. Wnt⁃β⁃catenin 信号途径：

Wnt⁃β⁃catenin 信号通路与DKD肾脏纤维化发生发展具有密切的关系。Mariappan等发现2 型糖尿病db/db 小鼠肾皮质Wnt 下游关键信号分子糖原合成酶激酶3β（GSK⁃3β）磷酸化水平明显增高，并与层粘连蛋白及纤连蛋白（FN）表达水平相关；GSK⁃3β促进高糖及高胰岛素诱导的肾小管上皮细胞外基质蛋白合成，在DKD 肾脏肥大及细胞外基质聚集过程中发挥重要作用。

国内闫喆等研究发现，链脲菌素诱导的DKD小鼠肾小管细胞Wnt表达增高，胞质及胞核β⁃catenin表达随病变时间延长而增强，二者与肾小管间质损伤程度、血BUN、Scr 及尿蛋白程度平行，且与α⁃SMA 表达也呈正相关，提示激活的Wnt⁃β⁃catenin 信号途径在DKD 肾小管损伤中发挥重要作用。

故针对靶向肾小管Wnt⁃β⁃catenin分子延缓DKD 进展的思路，有望为我们提供新的DKD 防治策略。

2. miRNA：

目前研究表明小分子mRNA 与DKD 肾小管损伤及其进展具有密切关系。如研究发现miRNA⁃200、miRNA⁃21、miRNA⁃216与DKD肾小管损伤及肾间质纤维化相关。

但某些报道由于实验观察对象及方法不一，研究的“时间”与“空间”不同，因此结果也存在矛盾，如2007年Kato等发现，在链脲菌素诱导1型糖尿病小鼠模型和2 型糖尿病db/db 小鼠模型的肾组织中miR⁃192 表达升高，其进一步研究显示，miR⁃192 可通过上调转录抑制因子Smad 作用蛋白1（Smad interacting protein 1，SIP1）表达，诱导DKD 肾组织胶原1 的合成，并在TGF⁃β1 诱导产生细胞外基质中发挥关键作用。

但Krupa 等于2010 年在DKD患者肾活检组织中发现miR⁃192表达量明显降低，且与肾小管间质纤维化呈负相关。因此有关miRNA 在DKD肾小管及间质损伤中的作用与DKD进展的关系尚有许多研究空间。

3. 其它肾小管损伤的相关蛋白：

（1）Epac（exchangeprotein directly activated by cAMP）蛋白是1998 年发现的1个新的cAMP 下游效应分子，我们近期研究发现其在链脲菌素诱导的小鼠DKD动物模型肾组织或高葡萄糖刺激的人肾小管上皮细胞（HK⁃2）中表达明显升高，且Epac参与肾小管细胞肥大并与基质蛋白合成增加相关，抑制Epac 的表达通过Epac⁃Akt⁃p21 信号通路可显著下调高糖刺激引起的HK⁃2 细胞肥大。

（2）Rap1 属于小分子G 蛋白Ras 超家族成员之一，我们发现Rap1 蛋白可以通过与Bcl⁃2 分子的BH4 区域结合而发挥抑制高葡萄糖诱导的HK⁃2细胞线粒体转位，防止线粒体细胞色素C的释放，减少ROS 的产生。

（3）衔接蛋白p66Shc 是最近发现的诱导细胞氧化应激和凋亡的重要分子。我们也发现在高葡萄糖刺激下，HK⁃2 细胞中p66Shc 被激活并转位至线粒体，与线粒体细胞色素C激活，引起线粒体ROS过量产生并介导肾小管细胞氧化损伤和凋亡；

另外，我们在临床上也发现DKD患者外周血单核细胞p66Shc mRNA及蛋白的表达较微小病变患者组显著升高，其升高程度与蛋白尿程度、肾功能变化呈正相关[57]。但这些蛋白对DKD 进展的确切影响尚需进一步研究。

五、结语

本文对DKD状态下肾小管细胞的细胞周期变化及相关机制进行了初步综述，分析了DKD 患者肾脏增大的程度与DKD 进展的关系，阐述了DKD 肾小管功能变化所引起的“盐矛盾论”，论述了肾小管及间质损伤对DKD 进展的作用及相关的新机制。

相信随着肾小管细胞生物学及肾小管间质损伤在DKD 研究中的不断深入，新的DKD 早期临床诊断标志物和更有效的治疗靶点将不断被发现，这些对进一步提高临床防治DKD水平将提供新的帮助。