糖尿病肾脏病变的发病机制

糖尿病肾脏疾病的确切发病机制至今尚未阐明。长期的高血糖,糖基化终末产物,多元醇通道活性的增高,蛋白激酶C活性增高,肾小球内压的升高,多种生长因子及细胞因子以及遗传基因易感性等因素在糖尿病肾脏疾病的发病机制中起着重要作用。

与高血糖相关的生化代谢异常

由胰岛素代谢障碍而致长期高血糖是糖尿病肾脏疾病发生的最关键原因,葡萄糖本身代谢异常及高血糖造成肾脏血流动力学改变所致的一系列后果是造成肾脏病变的基础,众多生长因子、细胞因子被激活则是病变形成的直接机制。

糖基化终末产物

糖基化终末产物(advanced glycation end products,AGEs)糖尿病患者长期高血糖可与血液循环中游离氨基酸和组织中的蛋白质非酶性结合。早期葡萄糖游离醛基和蛋白质氨基酸上的一个氨基基团相结合生成Schiff碱基,后者经缓慢生化重组,形成稳定的可逆的糖蛋白复合物,即Amadori产物,晚期Amadori或Amadori产物经过降解产生多种具有高度活性的羧基化合物,与其他游离氨基酸基团反应,最终形成晚期糖基化终末产物(AGEs)。AGEs形成的多少与葡萄糖的浓度及其蛋白质与高浓度葡萄糖接触的时间有关。糖尿病患者持续的高血糖可产生大量的AGEs。AGEs是不可逆的,一旦形成,即使降低血糖含量也无法阻止其交联过程和病变继续进展。

人体组织中AGEs的积聚,可促进肾小球系膜增殖和肾小球基底膜增厚,其机制为:

  1. AGEs与系膜细胞的特异性受体结合,促使肾小球系膜细胞产生和释放细胞外基质(ECM),其成分如纤维连接蛋白、Ⅳ型胶原纤维、lamin和硫酸肝素糖蛋白等,ECM成分经非酶糖基化,具有抗基质降解酶的能力,以致在体内降解减少。这些物质堆积可引起肾小球基底膜增厚,系膜扩张,肾小球肥大和硬化。新近研究显示与基质降解有关的酶主要有基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)、纤溶酶、半胱氨酸酶以及天冬氨酸酶等,特别是MMPs是最近研究的热点。MMPs由系膜细胞、滤过膜内皮细胞及肾小囊壁层上皮细胞、肾小管上皮细胞、浸润的巨噬细胞、中性粒细胞等合成和分泌,以非活性潜酶的形式存在于细胞周围。无活性的MMPs可被其他的MMPs或纤溶酶激活,活化了的MMPs可通过与特异的金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP)结合而失活。高糖培养基中培养的系膜细胞MMPs表达减弱,TIMPs表达增强,提示糖尿病肾脏疾病时,高血糖引起的ECM降解减少可能是通过影响系膜细胞MMPs/ TIMPs的表达而实现的。而在MMPs/TIMPs变化之前即可测到转化生长因子-β(transforming growth factors β,TGF-β)表达增强,提示高糖引起的MMPs/TIMPs的变化可能是通过TGF-β的分泌介导的。
  2. AGEs具有化学趋化作用,促使单核-巨噬细胞向ECM迁移,并引起单核-巨噬细胞、内皮细胞和系膜细胞分泌细胞因子,如TNF-α、IL-1α、IGF-1A、PDGF等,导致肾小球增殖性病变。
  3. 基底膜上AGEs可经交联活性,“捕捉”血液循环中蛋白、免疫球蛋白等,并于基底膜上发生反应,促使基底膜增厚以及尿蛋白排出增多。
  4. 与血管内皮细胞AGEs受体结合,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,加速微血管病变的形成。
  5. 沉积的AGEs可捕捉低密度脂蛋白,促进肾小球的硬化。
  6. AGEs与肾素-血管紧张素系统有着不容忽视的联系。近来研究表明ACEI可能通过抑制氧化应激的途径减少AGEs在糖尿病患者体内的积聚。氧化应激可能是AGEs诱导损伤的主要途径,因为其可被抗氧化途径所削弱,另一个有利证据是现在已经清楚AGEs可促进活性氧(ROS)的产生。在未来的糖尿病治疗中抑制AGEs的形成将可能是一个很重要的部分,与传统方法一起防治肾损伤。

多元醇代谢通路活化

长期高血糖激活醛糖还原酶,并使葡萄糖转化为山梨醇和果糖。山梨醇和果糖的积聚,导致细胞内渗透压增加,细胞肿胀和受损,最终造成细胞结构的破坏。同时,细胞内山梨醇的积聚抑制了肌醇转运系统,使细胞内肌醇储备耗竭。肌醇是磷脂酰肌醇合成的主要原料,磷脂酰肌醇又是细胞内信号传导通路的重要环节,磷脂酰肌醇合成减少造成细胞信号传导障碍,引起细胞功能的异常。观察实验性糖尿病鼠的肾脏,发现肾小球滤过率增加时,肾小球中的山梨醇含量增多,肌醇含量降低。动物实验还证明醛糖还原酶抑制剂可以使这些异常发生逆转。

蛋白激酶C(PKC)

活性升高 肌醇和磷脂肌醇的降解,使细胞膜Na-K-ATP酶活化和细胞内NAD/NADH降低,从而使细胞内二酯酰甘油(DAG)合成增多,进而激活蛋白激酶C及多种细胞内信号转导系统,其中DAG-PKC-ERK(细胞外信号调节激酶)的激活被认为是糖尿病肾脏疾病发生、发展的重要分子机制之一。该途径的激活可引起细胞质磷脂酶A2(cPLA2)活化,活化后的cPLA2能特异性水解磷脂的长链脂肪酸,最终提高前列腺素E2(PGE2)的水平,从而扩张肾小球入球小动脉,引起肾小球高滤过。动物实验已发现应用特异性PKC抑制剂可以减轻这些改变。PKC活化尚可激活细胞内一些转录因子,使ECM合成增加。另外,PKC尚能调节血小板的黏附、聚集与分泌功能,促使血管性假血友病因子(von-Willebrand factor,vWF)生成,增加血浆和组织中纤溶酶原活化物抑制剂-1(PAI-1)的含量和活性,从而导致高凝状态,并促进糖尿病血管病变。

血流动力学变化

肾脏血流动力学异常是DN早期的重要特点,表现为高灌注[肾血浆流量(RPF)过高]状态。糖尿病对肾血流动力学的影响包括两个方面:其一是系统性高血压直接传导至肾小球引起肾小球内压力升高;其二是肾脏内局部机制引起的肾小球内压升高。导致高灌注的原因有:①扩张入球小动脉的活性物质(包括前列腺素、NO、心钠素等)过多或作用过强;②肾小管、肾小球反馈失常;③肾髓质间质压力过低。近来认为,近端肾小管中的钠、葡萄糖协同转运过强使钠盐在该处过度重吸收是发病的关键。由于这种过度重吸收使鲍曼囊压力降低,肾小球滤过被迫增多;与此同时又使到达致密斑的氯化钠减少,肾小管、肾小球反馈的抑制作用减弱;同样的机制又使髓质间质的压力改变,反馈性地使入球小动脉过度扩张。导致近端肾小管对钠重吸收过强的原因不明,可能与血管紧张素Ⅱ在该处的作用过强有关。不少学者在糖尿病肾脏疾病(主要在1型)动物模型或患者中发现,与健康对照相反,其肾小球滤过率(glomerular filtration rate,GFR)和肾血浆流量在低盐时不仅不下降,反而更上升,即摄盐与肾血浆流量改变呈矛盾现象。推测摄盐减少,肾素-血管紧张素系统更兴奋,近端肾小管摄盐更多,启动增加RPF的机制更明显。

肾小球高灌注高滤过对于肾小球固有细胞的功能均会造成不同程度的影响。血管内皮细胞在长期承受毛细血管内高压情况下,其形态和功能均随之发生一系列变化,包括细胞内pH的变化、血管活性因子的释放与合成以及血管反应性的改变等。肾小球内高压使球内毛细血管处于扩张状态,对于系膜区具有牵张力,在这牵张力作用下系膜细胞和上皮细胞增加细胞基质合成,以致系膜区增宽和肾小球基底膜增厚。另外,肾小球内毛细血管张力的升高可直接造成毛细血管内皮细胞以及肾小球上皮细胞损伤,肾小球滤过膜受损,血液内大分子物质可透过滤过膜,系膜细胞无法完全清除这些大分子,使系膜区细胞外基质逐渐堆积;大分子蛋白进入肾小管,可以诱发肾小管间质的炎症反应,造成肾小管间质损伤。

生长因子及细胞因子的作用

据近些年来的研究可知糖尿病肾脏疾病的发生和发展可能与一些细胞因子及生长因子密切相关。内皮细胞、系膜细胞、上皮细胞以及肾小管上皮细胞和间质细胞可以合成和分泌多种生长因子或细胞因子。糖尿病患者这些细胞受到多种因素的刺激,使得它们异常地表达许多生长因子及细胞因子。目前研究提示与糖尿病肾脏疾病发生、发展相关的生长因子及细胞因子有:转化生长因子β1(TGF-β1)、生长激素(GH),胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)、结缔组织生长因子(CTGF)、细胞黏附因子(ICAM),血小板源性生长因子(PDGF),血管内皮细胞生长因子(VEGF)、白介素(IL),肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等。血管紧张素Ⅱ(ANGⅡ)、内皮素-1(ET-1)、血栓素(TXA2)等血管活性物质也起着类似细胞因子的作用,甚至被称为“促纤维化因子”。

在生长因子及细胞因子中作用最为突出的则是TGF-β,因为它不仅能促进肾细胞的增殖而且还能刺激细胞外基质的分泌,而这两点是糖尿病肾损伤的基本病理生理学机制。高糖环境可导致细胞的增殖和基质的过度生成,高血糖时TGF-β生成也增加,且尿中TGF-β水平升高常与临床表现恶化伴随。高糖所导致的细胞增殖效应以及细胞外基质刺激效应都可因给予抗TGF-β的抗体而被预防,这个抗体疗法还可以逆转糖尿病肾脏疾病已形成的损伤。而肾小管的TGF-β活动增强可能刺激小管上皮细胞和间质成纤维细胞产生过多的ECM。在糖尿病肾脏疾病的发生发展中,TGF-β系统介导了肾细胞的增殖、肾小球硬化和间质的纤维化。

糖尿病患者GH-IGF轴功能紊乱,胰岛素水平低下,血糖升高抑制肝脏合成IGF-1,同时GH负反馈降低,GH结合蛋白减少,GH水平增高,导致血糖进一步增高,刺激肾小球基底膜增殖,促进糖尿病肾脏疾病发生。

Wahab NA等人发现CTGF是使人肾小球系膜细胞肥大的重要原因,CTGF刺激肾小球系膜细胞循环周期从G0相进入活跃的G1相,诱导蛋白合成,使肾小球系膜细胞肥大。

巨噬细胞的积聚、细胞黏附因子尤其是细胞黏附因子-1(ICAM-1)的过度表达和化学趋化作用在糖尿病肾脏疾病发生中起重要作用。单核细胞浸润和肾小球细胞增殖导致的肾小球增大是糖尿病的早期病理生理学特点。在糖尿病肾脏疾病患者ICAM-1水平升高。有人研究表明高血糖可能通过蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)-NF-κB途径上调ICAM-1蛋白和及其mRNA在肾小球膜细胞中的表达。ICAM-1的增长促进肾小球处白细胞的黏附加速,以此加速肾小球的损伤。

PDGF是一种主要来源于血小板,并对多种细胞具有生长促进作用的肽类细胞活性因子。PDGF可直接作用于系膜细胞,刺激其DNA合成和分裂增殖,增加细胞外基质。在代偿性肾肥大及DN的发生机制中,PDGF及其受体表达均增强,促使系膜细胞持续增生,促进肾小球肥大。

VEGF是一种具有很强微血管渗透性的血管源性因子,在肾脏主要由足突细胞产生。VEGF可以增加肾小球滤过屏障对蛋白的通透性;可诱导内皮细胞产生一氧化氮(NO),从而促进血管扩张和肾小球高滤过;刺激足突细胞产生胶原Ⅳ的α3链,后者是构成基底膜的基本成分,从而促进基底膜增厚。

肾组织中多种细胞因子表达增强,合成和分泌增加,如IL-1、IL-6、IL-8、TNF-α等。导致系膜细胞增殖、细胞外基质增加、肾小球基底膜增厚和系膜区扩张,促进DN发生。IL-6是一种较IL-1和PDGF更强的肾小球系膜细胞增殖诱导剂。TNF-α可诱导血管内皮细胞PAI-1的表达和合成,使系膜细胞超氧阴离子和过氧化氢的合成增多,导致肾小球内血栓形成及纤维素样坏死。TNF-α尚可增加IL-6、IL-8的mRNA表达,刺激系膜细胞增殖,增加合成PG和细胞外基质。

在糖尿病肾脏疾病的进展中,血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)在肾内的浓度常明显增加。肾小管上皮细胞有AngⅡ的受体AT1和AT2。AngⅡ可以通过这些受体产生一系列生物学效应,如促进TGF-β的转录和合成,促进Ⅳ型胶原合成,并使其限制性分布在基底侧,并刺激使其产生PDGF。Gessialdo等发现AngⅡ可以在近端肾小管上皮细胞(PTC)表面代谢产生AngⅣ,它可作用于其在PTC上的受体,使PAI-1产生增加,从而抑制了细胞基质降解。Bernadet-Monrozies等从ACEI在防止糖尿病肾组织纤维化的保护作用证明了AngⅡ的促间质纤维化作用。

ET-1是一种具有强烈缩血管作用和促细胞增殖的多肽,循环中ET主要由血管内皮细胞合成和分泌。肾脏多种组织表达ET-mRNA、合成和分泌ET,尤其是ET1,同时拥有ET受体,与多种肾脏疾病,包括DN的发生、发展有关。ET可致肾小球尤其出球小动脉收缩,升高肾小球内压力;刺激系膜细胞增殖、合成胶原Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ及层连蛋白;释放TNF-α、PDGF等细胞因子并刺激肾髓质产生超氧阴离子和过氧化氢等。

遗传因素

糖尿病肾脏疾病仅在部分糖尿病患者中发生,流行病学调查显示约30%的糖尿病患者发生糖尿病肾脏疾病,其余患者无论血糖控制如何都不会发展为糖尿病肾脏疾病。有研究发现在1型糖尿病患者中糖尿病肾脏疾病的先证者,其兄弟姐妹发生糖尿病肾脏疾病的可能性显著高于无糖尿病肾脏疾病家族史的1型糖尿病患者。2型糖尿病患者肾病的发生率也存在显著的种族差异,美洲土著印第安人糖尿病肾脏疾病的发病率显著高于其他人种。这些现象均提示遗传基因易感性在糖尿病肾脏疾病的发生中起很重要的作用。

应用各种基因筛选方法对DN患者进行基因多态性的检测,结果不一。在2型糖尿病肾脏疾病患者中,比较被重视有多态改变的基因包括:血管紧张素转换酶(ACE)、血管紧张素原(AGT)、载脂蛋白E、肝脏细胞核因子(HNF1)、IL受体1拮抗物(IL21RN)及血浆舒缓素(KLK3)、基质金属蛋白酶9等。有报告,在1型糖尿病肾脏疾病患者中,应用多态性方法筛出的与本病相关基因主要有Ⅳ胶原(COL4A1)、IL21(IL21BX2)、心钠素(ANP Hpa11)、醛糖还原酶(ALDR1)、G蛋白亚单位(GNB3)、转化生长因子(TGF)β1(Thr263 ILe)、血管紧张素系统(AGTT235)、血管紧张素Ⅱ受体(AGT1R C1166)、载脂蛋白E、内皮素A受体及β2肾上腺素能受体(Trp6Arg)等,但尚未得出一致公认的结果。易感基因携带者是否发病还与环境因素有关,易感基因并不是疾病的决定因素,往往受到其他基因背景的影响,并且必须在环境因素的作用下才可发病。

氧化应激的作用

在正常情况下,肾脏的抗氧化系统和氧化能力之间保持着相对的动态平衡。在糖尿病早期患者体内,由于氧化应激反应和脂质过氧化反应,消耗部分谷胱甘肽抗氧化物质和酶(GSH、SOD、过氧化氢酶等),抗氧化能力下降,致使脂质过氧化反应恶性循环,结果引起糖尿病早期肾损害。氧化应激被认为是糖尿病肾脏疾病的主要致病因素。肾组织内的氧化产物——活性氧(reactive oxygen species,ROS)可能通过信号转导作用或直接导致氧化损伤而促进糖尿病肾脏疾病的发生。在非巨噬细胞包括成纤维细胞、血管平滑肌细胞、内皮细胞、肾系膜细胞和肾小管细胞中一种多组分的巨噬细胞类型的NADPH氧化酶是ROS的主要来源。在生理情况下,非巨噬细胞的NADPH氧化酶的活性呈低水平。但是生长因子、细胞因子、高糖、高脂等的刺激可使其酶的活性增强。AngⅡ能上调NADPH氧化酶的作用。其产物过氧化阴离子O2 -与NO相互作用生成过氧亚硝基阴离子(ONOO-)在糖尿病肾脏疾病的肾损伤中起到重要作用,可导致肾小球基底膜增厚和间质纤维化。

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