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糖尿病腎病

2020-03-19

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本文主要介紹糖尿病腎病(DKD)的發病機制及其臨床前動物模型。

糖尿病腎病

DKD是糖尿病特有的并發癥。在美國,DKD占慢性腎病的24%,且與心血管疾病的進展和死亡率密切相關。

糖尿病腎病的初期表現通常以腎臟肥大、腎小球高濾過為主要特征。伴隨著疾病的進展,病人可出現持續的大量的蛋白尿和腎小球濾過率下降,如果不加以控制,進一步惡化可出現終末期腎衰竭。

DKD進展為顯性糖尿病腎病的標準為:

  • 尿白蛋白與肌酐比值大于30mg/g
  • 腎小球濾過率低于 60 mL/min/1.73 m2
  • 以上兩者均持續三個月以上。

糖尿病腎病的主要病理變化是細胞外基質(ECM)增生,發生最早的病變是腎小球和腎小管的基底膜增厚,可引起腎臟的體積和重量的相應增加。其次是腎小球系膜基質增多,使毛細血管閉塞。腎小球結節樣病變的增多預示著終末期腎臟疾病(ESRD)的到來,患者的腎小球濾過率會逐年下降約10%。大約2/3的ESRD患者在開始透析治療后5年內死亡。

高血糖對腎臟的損傷機制

并不是所有的糖尿病患者都會發展成DKD。DKD的病因和發病機制尚不清楚,目前認為系多因素參與,在一定的遺傳背景以及部分危險因素的共同作用下致病。

高血糖是導致糖尿病腎病發生的主要因素,良好的血糖控制能有效地預防糖尿病腎病的發生發展,尤其在糖尿病早期和DKD并發癥發生前,效果最好。在易感人群中,由高血糖引起的異常代謝產物可引起不可逆的腎臟損傷。其他治療DKD的方法還包括控制血壓和降低膽固醇的攝入。

高血糖影響腎功能的發病機制多種多樣,本文主要介紹以下三種通路:

晚期糖基化終產物 (AGEs)

AGEs是指蛋白質、脂質或核酸等大分子在沒有酶參與的條件下,自發的與葡萄糖或其他還原單糖反應所生成的穩定的共價加成物。它隨著新陳代謝和年齡的增長而逐步的積聚增多。糖尿病患者體內AGEs的合成和積聚加速,水平明顯升高。即使高血糖被糾正后,AGEs水平也不能回復到正常,而通過緩慢降解并長期持續地存在于血管中。

AGEs形成后引起膠原蛋白糖基化并廣泛交聯,改變其堆積密度和腎基底膜內的電荷,從而引起腎小球系膜增生和基底膜增厚。

AGEs能與其細胞表面受體(RAGE)結合,激活一系列信號轉導,引發細胞增殖、炎癥反應和纖維化生成等不良反應。RAGE在腎小管和腎小球上皮細胞以及腎小球系膜細胞上表達。在腎臟, RAGE信號激活了轉錄因子NF-KB,促進細胞因子和組織因子的釋放,滅活一氧化氮和產生氧自由基等途徑,參與糖尿病腎病并發癥的形成。實驗證明,RAGE基因敲除小鼠可預防多種糖尿病腎病癥狀,如腎小球濾過率降低,白蛋白尿,腎肥大,基底膜增厚和硬化等。

AGEs/RAGE軸抑制內皮細胞的一氧化氮(NO)合酶活性。NO是一種內源性血管舒張分子,可以維持正常的腎血管阻力和增加腎小管鈉排泄,在腎血流動力學和腎小管功能維持中具有至關重要的調節作用。NO合成的中斷導致高血壓和腎血管收縮。值得注意的是,在DKD早期,NO的產生是增強的,可能是導致高濾過的原因之一。

阿托伐他汀類可以改善慢性腎臟疾病包括DKD在內的腎功能,將RAGE轉化為可溶性形式,從而延緩DKD的進展。

轉化生長因子β(TGFβ)

TGFβ在體內廣泛存在,是一組具有調節細胞生長和分化的超家族, 同時參與細胞外基質的分泌和發育分化等多種生理過程。在糖尿病患者的腎小球中, TGFβ1顯著增多,可以促進腎臟組織肥大,刺激細胞外基質的合成并抑制ECM的蛋白裂解酶和細胞基質降解酶的活性,促進ECM的沉積,是腎病中腎小球硬化和間質纖維化的關鍵驅動因子。

除高血糖可通過多種信號通路增加TGFβ的基因轉錄外, AGEs也可以提高TGFβ的量和活性。TGF-β介導的基因表達改變在RAGE基因敲除小鼠的腎臟中變得平淡無奇,并且它們的腎小球系膜細胞具有抗DKD中常見的凋亡的作用。

高糖血癥能引起甘油二酯的升高,進而激活蛋白激酶C酶(PKC)參與TGF-β的調節。高血糖也會導致大量的活性氧(ROS)產生, ROS可通過激活PKC和NFκβ信號通路參與TGF-β的調節。抗氧化劑治療可抑制腎小球系膜和腎小管上皮細胞中TGF-β1和ECM的表達和改善糖尿病腎病。

眾所周知,Pirfenidone是治療特發性肺纖維化的藥物,近期的一篇有前景的臨床研究表明,Pirfenidone可以減少TGFβ表達和活性,現在的研究提示Pirfenidone可能有廣泛的作用來幫助患者維持腎功能更長時間。

NLRP3 炎性小體

既往研究證實,一系列炎性因子對DKD的發生發展起了重要作用。持續高血糖可使腎實質細胞表達和合成多種細胞因子,這種與病原體無關的現象被稱為“無菌炎癥”,并且越來越多地被描述為DKD的主要發病機制。

炎性小體是由胞質內模式識別受體參與組裝的多蛋白復合物,作為天然免疫系統的重要組成部分發揮生物學功能。它通過激活胱冬肽酶來促進細胞因子的切割成熟和分泌,亦能觸發細胞凋亡途徑。NLRP3炎性小體屬于核苷酸結合寡聚化結構域樣受體(NLR)家族模式識別受體,在代謝疾病中,NLRP3炎性小體的表達量增加,從而介導IL1β和IL-18的產生,參與機體天然免疫應答和細胞損傷。

caspase-1依賴性炎性小體激活引起的腎小球凋亡是腎臟病變的病理生理學基礎。募集的免疫細胞,特別是巨噬細胞,會產生包括過量的ROS和一氧化氮(NO)以及促纖維化因子等物質引起腎臟損傷。巨噬細胞產生的ROS和腫瘤壞死因子也會引起足細胞的凋亡。動物實驗研究表明, IL-1受體拮抗劑可以預防甚至逆轉腎臟疾病。

MCC950是一種有效的,選擇性NLRP3抑制劑,在多種NLRP3介導的炎癥性疾病中均有明顯療效。

臨床前DKD模型

DKD動物模型以進行性蛋白尿為主要特征,并呈現:

  • 腎功能下降,包括初期的超濾期和后期的GFR下降。
  • 腎小球的組織病理學改變。
  • 腎間質病變。

目前尚沒有理想的嚙齒動物模型能囊括人類疾病的所有特征,但是有許多模型可用于研究疾病的終末階段。

db/db 小鼠

db/db廣泛應用于2型糖尿病和肥胖癥研究,是研究DKD腎臟早期形態學變化的良好模型。該小鼠瘦素受體點突變導致瘦素信號通路障礙,導致食欲過剩引起肥胖、胰島素抵抗、高血糖等癥狀。10~12周呈高血糖可伴有蛋白尿、15~18周齡時腎臟組織學呈進行性變化。一般來說,db/db小鼠不會發展到腎小球系膜溶解,結節性腎小球硬化和進行性腎功能不全。單側腎切除術可以加劇DKD的發展,在手術6個月后,約1/3的動物會出現腎小球硬化。

Akita 小鼠

Akita小鼠是C57BL/6小鼠Insulin-2基因突變導致胰島素蛋白異常折疊和胰島素β細胞的毒性損傷,從而導致1型糖尿病。Akita小鼠是DKD早起至中晚期的動物模型,表現出一定程度的蛋白尿、輕至中度的腎小球系膜擴張。

ZDF and ZSF 大鼠

Zucker糖尿病肥胖(ZDF)大鼠是另一種瘦素受體突變的嚙齒動物,表現為肥胖,高胰島素血癥,高血糖和中度高血壓等特征,廣泛應用于2型糖尿病的研究。在8周齡時,ZDF即出現明顯的糖尿病癥狀并伴隨日益增加的蛋白尿。ZDF大鼠腎病波及腎小球、血管和腎小管間質,包括為腎小管細胞損傷,腎小管間質纖維化,但不會出現DKD晚期的腎小球結節性病變。該模型早期可出現一過性GFR 升高,隨著疾病的進展,GFR 可回歸至正常。

瘦素受損的ZSF大鼠是由ZDF與SHHF大鼠雜交而來。ZSF大鼠呈現GFR下降,腎臟病變發展迅速,在20周齡時即可出現腎纖維化,用于以TGFβ和NLRP3為靶向的研究。

ZDSD 大鼠

ZDSD大鼠模型是代謝綜合征、肥胖、血脂異常和糖尿病的高度可轉化的嚙齒動物模型。它具有多基因背景和完整的瘦素途徑。與其他瘦素信號受損的動物相比,疾病發展過程更接近人類。ZDSD大鼠臨床表現為2型糖尿病伴隨蛋白尿,腎小球系膜擴張及基底膜增厚等。目前正在進行GFR相關的研究。

小結

本文主要介紹了糖代謝紊亂(高糖)引起的腎功能下降的三個主要通路和常用的臨床前動物模型。DKD的發病涉及多種機制,而且各個通路之間存在相互反饋和放大,因此,多個靶點的聯合治療將會是研究的熱點。但早期有效的血糖控制是仍是預防糖尿病人群ESRD的最佳方法。

Topics: Blog, CVMD

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