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糖尿病肾病

2020-03-19

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本文主要介绍糖尿病肾病(DKD)的发病机制及其临床前动物模型。

糖尿病肾病

DKD是糖尿病特有的并发症。在美国,DKD占慢性肾病的24%,且与心血管疾病的进展和死亡率密切相关。

糖尿病肾病的初期表现通常以肾脏肥大、肾小球高滤过为主要特征。伴随着疾病的进展,病人可出现持续的大量的蛋白尿和肾小球滤过率下降,如果不加以控制,进一步恶化可出现终末期肾衰竭。

DKD进展为显性糖尿病肾病的标准为:

  • 尿白蛋白与肌酐比值大于30mg/g
  • 肾小球滤过率低于 60 mL/min/1.73 m2
  • 以上两者均持续三个月以上。

糖尿病肾病的主要病理变化是细胞外基质(ECM)增生,发生最早的病变是肾小球和肾小管的基底膜增厚,可引起肾脏的体积和重量的相应增加。其次是肾小球系膜基质增多,使毛细血管闭塞。肾小球结节样病变的增多预示着终末期肾脏疾病(ESRD)的到来,患者的肾小球滤过率会逐年下降约10%。大约2/3的ESRD患者在开始透析治疗后5年内死亡。

高血糖对肾脏的损伤机制

并不是所有的糖尿病患者都会发展成DKD。DKD的病因和发病机制尚不清楚,目前认为系多因素参与,在一定的遗传背景以及部分危险因素的共同作用下致病。

高血糖是导致糖尿病肾病发生的主要因素,良好的血糖控制能有效地预防糖尿病肾病的发生发展,尤其在糖尿病早期和DKD并发症发生前,效果最好。在易感人群中,由高血糖引起的异常代谢产物可引起不可逆的肾脏损伤。其他治疗DKD的方法还包括控制血压和降低胆固醇的摄入。

高血糖影响肾功能的发病机制多种多样,本文主要介绍以下三种通路:

晚期糖基化终产物 (AGEs)

AGEs是指蛋白质、脂质或核酸等大分子在没有酶参与的条件下,自发的与葡萄糖或其他还原单糖反应所生成的稳定的共价加成物。它随着新陈代谢和年龄的增长而逐步的积聚增多。糖尿病患者体内AGEs的合成和积聚加速,水平明显升高。即使高血糖被纠正后,AGEs水平也不能回复到正常,而通过缓慢降解并长期持续地存在于血管中。

AGEs形成后引起胶原蛋白糖基化并广泛交联,改变其堆积密度和肾基底膜内的电荷,从而引起肾小球系膜增生和基底膜增厚。

AGEs能与其细胞表面受体(RAGE)结合,激活一系列信号转导,引发细胞增殖、炎症反应和纤维化生成等不良反应。RAGE在肾小管和肾小球上皮细胞以及肾小球系膜细胞上表达。在肾脏, RAGE信号激活了转录因子NF-KB,促进细胞因子和组织因子的释放,灭活一氧化氮和产生氧自由基等途径,参与糖尿病肾病并发症的形成。实验证明,RAGE基因敲除小鼠可预防多种糖尿病肾病症状,如肾小球滤过率降低,白蛋白尿,肾肥大,基底膜增厚和硬化等。

AGEs/RAGE轴抑制内皮细胞的一氧化氮(NO)合酶活性。NO是一种内源性血管舒张分子,可以维持正常的肾血管阻力和增加肾小管钠排泄,在肾血流动力学和肾小管功能维持中具有至关重要的调节作用。NO合成的中断导致高血压和肾血管收缩。值得注意的是,在DKD早期,NO的产生是增强的,可能是导致高滤过的原因之一。

阿托伐他汀类可以改善慢性肾脏疾病包括DKD在内的肾功能,将RAGE转化为可溶性形式,从而延缓DKD的进展。

转化生长因子β(TGFβ)

TGFβ在体内广泛存在,是一组具有调节细胞生长和分化的超家族, 同时参与细胞外基质的分泌和发育分化等多种生理过程。在糖尿病患者的肾小球中, TGFβ1显著增多,可以促进肾脏组织肥大,刺激细胞外基质的合成并抑制ECM的蛋白裂解酶和细胞基质降解酶的活性,促进ECM的沉积,是肾病中肾小球硬化和间质纤维化的关键驱动因子。

除高血糖可通过多种信号通路增加TGFβ的基因转录外, AGEs也可以提高TGFβ的量和活性。TGF-β介导的基因表达改变在RAGE基因敲除小鼠的肾脏中变得平淡无奇,并且它们的肾小球系膜细胞具有抗DKD中常见的凋亡的作用。

高糖血症能引起甘油二酯的升高,进而激活蛋白激酶C酶(PKC)参与TGF-β的调节。高血糖也会导致大量的活性氧(ROS)产生, ROS可通过激活PKC和NFκβ信号通路参与TGF-β的调节。抗氧化剂治疗可抑制肾小球系膜和肾小管上皮细胞中TGF-β1和ECM的表达和改善糖尿病肾病。

众所周知,Pirfenidone是治疗特发性肺纤维化的药物,近期的一篇有前景的临床研究表明,Pirfenidone可以减少TGFβ表达和活性,现在的研究提示Pirfenidone可能有广泛的作用来帮助患者维持肾功能更长时间。

NLRP3 炎性小体

既往研究证实,一系列炎性因子对DKD的发生发展起了重要作用。持续高血糖可使肾实质细胞表达和合成多种细胞因子,这种与病原体无关的现象被称为“无菌炎症”,并且越来越多地被描述为DKD的主要发病机制。

炎性小体是由胞质内模式识别受体参与组装的多蛋白复合物,作为天然免疫系统的重要组成部分发挥生物学功能。它通过激活胱冬肽酶来促进细胞因子的切割成熟和分泌,亦能触发细胞凋亡途径。NLRP3炎性小体属于核苷酸结合寡聚化结构域样受体(NLR)家族模式识别受体,在代谢疾病中,NLRP3炎性小体的表达量增加,从而介导IL1β和IL-18的产生,参与机体天然免疫应答和细胞损伤。

caspase-1依赖性炎性小体激活引起的肾小球凋亡是肾脏病变的病理生理学基础。募集的免疫细胞,特别是巨噬细胞,会产生包括过量的ROS和一氧化氮(NO)以及促纤维化因子等物质引起肾脏损伤。巨噬细胞产生的ROS和肿瘤坏死因子也会引起足细胞的凋亡。动物实验研究表明, IL-1受体拮抗剂可以预防甚至逆转肾脏疾病。

MCC950是一种有效的,选择性NLRP3抑制剂,在多种NLRP3介导的炎症性疾病中均有明显疗效。

临床前DKD模型

DKD动物模型以进行性蛋白尿为主要特征,并呈现:

  • 肾功能下降,包括初期的超滤期和后期的GFR下降。
  • 肾小球的组织病理学改变。
  • 肾间质病变。

目前尚没有理想的啮齿动物模型能囊括人类疾病的所有特征,但是有许多模型可用于研究疾病的终末阶段。

db/db 小鼠

db/db广泛应用于2型糖尿病和肥胖症研究,是研究DKD肾脏早期形态学变化的良好模型。该小鼠瘦素受体点突变导致瘦素信号通路障碍,导致食欲过剩引起肥胖、胰岛素抵抗、高血糖等症状。10~12周呈高血糖可伴有蛋白尿、15~18周龄时肾脏组织学呈进行性变化。一般来说,db/db小鼠不会发展到肾小球系膜溶解,结节性肾小球硬化和进行性肾功能不全。单侧肾切除术可以加剧DKD的发展,在手术6个月后,约1/3的动物会出现肾小球硬化。

Akita 小鼠

Akita小鼠是C57BL/6小鼠Insulin-2基因突变导致胰岛素蛋白异常折叠和胰岛素β细胞的毒性损伤,从而导致1型糖尿病。Akita小鼠是DKD早起至中晚期的动物模型,表现出一定程度的蛋白尿、轻至中度的肾小球系膜扩张。

ZDF and ZSF 大鼠

Zucker糖尿病肥胖(ZDF)大鼠是另一种瘦素受体突变的啮齿动物,表现为肥胖,高胰岛素血症,高血糖和中度高血压等特征,广泛应用于2型糖尿病的研究。在8周龄时,ZDF即出现明显的糖尿病症状并伴随日益增加的蛋白尿。ZDF大鼠肾病波及肾小球、血管和肾小管间质,包括为肾小管细胞损伤,肾小管间质纤维化,但不会出现DKD晚期的肾小球结节性病变。该模型早期可出现一过性GFR 升高,随着疾病的进展,GFR 可回归至正常。

瘦素受损的ZSF大鼠是由ZDF与SHHF大鼠杂交而来。ZSF大鼠呈现GFR下降,肾脏病变发展迅速,在20周龄时即可出现肾纤维化,用于以TGFβ和NLRP3为靶向的研究。

ZDSD 大鼠

ZDSD大鼠模型是代谢综合征、肥胖、血脂异常和糖尿病的高度可转化的啮齿动物模型。它具有多基因背景和完整的瘦素途径。与其他瘦素信号受损的动物相比,疾病发展过程更接近人类。ZDSD大鼠临床表现为2型糖尿病伴随蛋白尿,肾小球系膜扩张及基底膜增厚等。目前正在进行GFR相关的研究。

小结

本文主要介绍了糖代谢紊乱(高糖)引起的肾功能下降的三个主要通路和常用的临床前动物模型。DKD的发病涉及多种机制,而且各个通路之间存在相互反馈和放大,因此,多个靶点的联合治疗将会是研究的热点。但早期有效的血糖控制是仍是预防糖尿病人群ESRD的最佳方法。

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