高糖环境下肾小球内皮细胞损伤与糖尿病肾病的关系

根据相关流行病学调查，目前中国糖尿病患病人数已超过9000万，且中国乃至世界范围内的糖尿病患者在不断增加[1]。糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN)是糖尿病常见的慢性并发症之一，也是终末肾病和糖尿病患者死亡的主要原因。中华医学会糖尿病分会调查表明，我国DN的患病率约为33.6%[2]，近年来仍有上升趋势，但DN的发生、发展机理尚无定论。相关研究[3]提示DN与高血糖有密切的关系，严格控制糖化血红蛋白(HbA1c)低于7.0%可以延缓DN病变的发生、发展。肾小球内皮细胞作为肾小球滤过膜的第一道屏障，较易受到血糖等循环物质损伤。持续高糖环境下肾小球内皮细胞氧化应激损伤与DN的发生、发展有着密切关系。本文就高糖环境下肾小球内皮细胞损伤与DN的关系作一综述，以期为DN的防治提供参考。

1 DN概述

DN是指在糖尿病病程中出现的以持续性蛋白尿为主要表现的肾脏相关慢性并发症。DN初期表现为肾小球内压力、灌注量及滤过能力的改变，此时患者可无任何症状，随着病情的加重可出现肾小球毛细血管袢基底膜增厚等结构改变，出现微量白蛋白尿，若此时仍不积极干预，可进展至大量白蛋白尿和血肌酐水平上升，最终发生肾衰竭，需要透析或肾移植[4]。DN在所有需要透析治疗肾病中的比例最高，占34.39%[5]。DN的主要病理改变是肾小球病变，因此，DN产生的蛋白尿多为肾小球源性，主要与基底膜肾小球内压力升高、结构改变和负电荷丢失及高浓度血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)等多种因素相关。在病程初期主要为滤过膜负电荷屏障破坏引起带负电荷的白蛋白滤过增多，表现为微量白蛋白尿和高度选择性蛋白尿。随病情进展，滤过膜结构亦可发生变化，表现为基底膜增厚和系膜基质增多，晚期则为硬化性改变[6]，此时的蛋白尿为非选择性。

2 肾小球内皮细胞的结构及其功能

肾小球内皮细胞作为肾小球滤过膜的第一道屏障，与血液及血液中循环物质直接接触，可以选择性限制血液中的大分子物质滤过。此外，其还有抗凝、黏附细菌、修复基底膜等作用。

2.1 肾小球的内皮细胞的结构特点与滤过功能 肾小球内皮细胞作为高分化的细胞，被覆于肾小球毛细血管壁腔侧，其覆盖厚度约15 nm，呈连续排列并含有窗口，而且存在糖萼[7]。

2.1.1 窗口 窗口是一种跨孔膜，直径约60～80 nm，分布在细胞质与足细胞突和基底膜过滤狭缝区域，占肾小球内皮细胞表面积30%～50%。窗口的直径大小决定其虽然可以方便地形成高超滤液量，但也较容易丢失白蛋白等大分子物质，而内皮细胞的位置分布弥补了这种缺陷，可以有效避免大分子物质的漏出[8]。因此，蛋白尿的形成可能与窗口结构的改变有关。

2.1.2 糖萼 糖萼是由内皮细胞合成并分泌的多糖-蛋白质复合物，其中主要包括骨架蛋白——蛋白聚糖(PG)及含量最多的成分糖胺聚糖(GAG)链等。主要分布在小球内皮腔侧面。其中硫酸乙酰肝素(HP)是GAG中含量最丰富的成分，其侧链带有的负电荷可以有效防止带负电荷的大分子(如白蛋白)通过滤过膜。糖萼通过其特殊的分子和电荷特征成为维持肾小球滤过膜电荷选择屏障的物质基础[9]。此外，糖萼作为内皮细胞与血液循环物质的交界面，还具有3个功能：(1)限制白细胞、红细胞等血液中细胞与内皮细胞直接接触，以减低血管壁的黏附性；(2)通过PG的跨膜域传递力学信号而触发细胞内分子级联反应；(3)GAG链可形成非均相表面，为大量血液中相关分子提供停泊的可能，从而调节血管局部微循环稳定[10-11]。因此，糖萼在肾小球滤过、内皮细胞的信号传导及细胞局部周围环境稳定中起着重要作用。

2.2 肾小球内皮细胞的分泌功能 (1)血管活性物质：肾小球内皮细胞可以表达如内皮素-1(ET-1)、一氧化氮(NO)、前列环素2(PGI2)等多种血管活性物质。NO和PGI2具有扩血管作用，还可降低血小板活性，有效防止血栓和动脉硬化的发生。(2)细胞因子/炎症因子/趋化因子：通常在机体内环境稳定时，肾小球内皮细胞分泌的这些介质表达水平较低，但参与损伤应答时则会明显升高。相关研究发现，内皮细胞分泌的血栓调节素表达下降，可抑制蛋白C活化，从而导致细胞色素C释放，最终引起细胞凋亡[12]。

3 高糖环境致肾小球内皮细胞损伤与DN的关系

朱玮玮[13]研究证实肾小球内皮细胞相对密度和绝对数目的变化与蛋白尿水平存在相关性，而尿中白蛋白水平可直接衡量DN的严重程度。肾小球内皮在高糖环境下出现结构损伤及功能紊乱，这些改变会引起K-W结节、弥漫系膜病变，最终可形成肾小球硬化。Lee等[14]也通过相关实验证明，肾小球系膜病变及肾小球硬化的始动因素是肾小球内皮细胞的损伤。

3.1 高糖环境下肾小球内皮细胞的氧化应激反应(oxidative stress，OS)及活性氧族(reactive oxygen species，ROS)产生 持续高血糖状态是DN发病的始动因素，高糖环境可通过非酶促反应及酶促反应产生大量ROS，诱导肾小球内皮细胞发生OS。ROS是具有不配对电子的含氧产物，目前被认为是造成OS的主要原因。

3.1.1 肾素-血管紧张素系统(RAS) 血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ，AngⅡ)是RAS中生物活性最强的分子，与受体结合发挥强大的收缩血管功能，AngⅡ与受体的异常表达可损伤细胞。Jaimes等[15]研究发现，肾组织AngⅡ水平较循环系统明显升高，且高糖环境可以激活RAS从而引起局部AngⅡ生成过多，并通过AngⅡ介导肾小球内皮发生OS，产生ROS。相关研究[16]发现，AngⅡ不仅通过促使机体内NADPH氧化酶活性增加，可造成细胞线粒体大量生成ROS，还可以刺激多种细胞合成内皮素(ET)，ET又可以增强血管紧张素转换酶(ACE)的活性，导致AngⅡ生成过多，造成ET-AngⅡ恶性循环，进一步导致大量ROS生成。此外，AngⅡ可以使肾小球入球小动脉收缩，导致肾小球球内高压而损伤肾脏滤过功能。临床实践也证明，使用ARB类药物以阻断AngⅡ与其受体结合或使用ACEI类药物以减少AngⅡ生成，都能减少尿蛋白及延缓肾功能衰竭过程。

3.1.2 蛋白质非酶糖基化终末产物(AGEs) AGEs是非酶促条件下还原糖与血液中的氨基酸、蛋白质等物质反应并结合后形成的产物。相关实验证实，DN 大鼠模型中肾皮质均有AGEs生成，因此提示AGEs在DN的发生、发展中有着重要意义[17]。在持续的高血糖情况下，多余葡萄糖与血液中游离氨基酸等发生非酶促反应，产生AGEs。AGEs可通过以下两种途径增加ROS产生：(1)大量的AGEs可促使细胞内蛋白质发生糖化，产生大量的 ROS；(2)AGEs与肾小球内皮细胞表达的AGEs受体(RAGE)相互作用以提高NADPH氧化酶活性，促进ROS产生[18]。过多的AGEs还可以集聚在肾小球直接破坏损伤肾小球滤过屏障，从而产生蛋白尿。

3.1.3 多元醇通路 多元醇通路是机体葡萄糖代谢途径之一，可以将机体中多余的葡萄糖还原为山梨醇，随后在相关酶的作用下，山梨醇最终将被氧化为果糖。机体血糖正常时，该途径中关键酶——醛糖还原酶(AR)的活性很低，仅有很少部分的葡萄糖参与该途径。然而，在高糖环境下，AR的活性则显著增强，大量葡萄糖进入该途径，不仅可以形成大量的山梨醇，引起山梨醇在细胞内大量堆积[19]，而且大量 AR的激活会导致ROS增多[20]。同时，谷胱甘肽过氧化物酶活性也会在该反应过程中降低，最终使细胞抗氧化物活性降低[21]，间接增加细胞质中ROS 生成。此外，山梨醇是极性极强的化合物，蓄积在肾小球内皮细胞时，不仅可对细胞发生渗透性损伤，还可使肌醇耗竭，造成肌Na+-K+-ATP 酶的活性降低，进而导致细胞功能受限[22]。相关研究证实，该损伤可被黄酮类物质所抑制[23]。

3.1.4 蛋白激酶C(PKC)通路 PKC是一类重要的蛋白激酶，广泛存在于人体各种细胞中，参与细胞增殖、分化及凋亡[24]。体内持续高血糖状态可导致多余葡萄糖经代谢生成过多二酰甘油(DAG)，DAG作为PKC内源性激活剂之一，可直接激活PKC。此外，高血糖还可通过多元醇通路等多种途径间接激活PKC通路[25]。该通路一旦被激活，可进一步使NADPH氧化酶激活，但NADPH氧化酶作为内皮细胞内ROS最主要的来源[26]，最终导致ROS过量产生，造成肾脏内皮细胞功能障碍。有实验结果显示，高血糖可激活PKC通路，促使内皮细胞的通透性增加，该损伤能被PKC抑制剂Ro-31-8425所抑制[27]。

3.2 肾小球内皮细胞氧化应激产物对DN的影响 高血糖环境诱导肾小球内皮细胞产生的大量ROS可通过多种途径损伤肾小球内皮细胞，促进DN的发生、发展。

3.2.1 ROS对肾小球血流动力学的改变 肾小球血流动力学改变在DN的发生、发展中有着重要意义，甚至有人认为血流动力学改变是DN发生的始动因素。肾小球内皮细胞可分泌相关分子调节血管舒张功能，其中，NO是调节内皮功能和血管舒张最重要的分子之一，其是由前体物质L-精氨酸在四氢生物嘌呤(BH4)等辅酶的参与下通过一氧化氮合酶(NOS)的作用生成的。NOS可分为神经型(nNOS)、内皮型(eNOS)及诱生型(iNOS)3种类型，其中eNOS在正常生理条件下，通过偶联方式作用于内皮细胞的质膜上，从而发挥其生理活性，其表达减少会直接影响NO舒张血管的生理功能。大量ROS可通过阻断辅酶因子活性，导致eNOS解偶联，使NO的产生受阻，引起氧离子和NO之间的失衡，从而导致血管张力的增加，促使肾小球灌注压升高。此外，ROS还可介导缩血管因子(血栓素A2、内皮素等)减少其他舒血管因子(如前列腺素I2等)的合成，这些活性物质异常可直接影响血管舒张功能，从而打乱肾脏血管的自身调节能力，引起肾小球内压增高，出现高压、高灌注、高滤过的血流动力学改变。研究表明，肾小球的灌注压、滤过率增加是DN发病的主要机理，与之伴随的肾小球囊内压升高不仅损伤肾小球内皮细胞，而且可导致系膜细胞及上皮细胞结构、功能受损，造成肾小球滤过膜损害，导致DN的发生及病程的进展[28-29]。

3.2.2 ROS对肾小球内皮细胞滤过膜电荷屏障的影响 ROS通过直接作用于肾小球内皮细胞，使NF-κB的活性升高，硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(HSPG)的合成减少，从而影响HP生成，进而减弱肾小球内皮细胞电荷屏障作用，使带负电的蛋白较易通过滤过膜，促进DN发生、发展[18]。

3.2.3 ROS对肾小球内皮细胞通透性的改变 ROS通过促进基底膜中的脂质过氧化，攻击透明质酸等物质进而增加肾小球的通透性，使蛋白质等大分子易于通过肾小球滤过膜，促进DN发生、发展[30]。

4 小结和展望

目前，DN作为糖尿病慢性并发症之一，已成为糖尿病患者死亡的主要原因。DN的发生、发展是个长期而不可逆的过程，且目前尚无明确的机理。诸多研究表明，高血糖是DN发病的始动因素，高血糖可通过诱导肾小球内皮细胞发生氧化应激反应，产生大量ROS，进而损伤肾小球内皮结构及功能，影响肾小球血流动力学，破坏肾小球滤过屏障，导致蛋白尿的产生及GFR降低。这些研究也提示，除了严格控制血糖外，积极预防和减轻肾小球内皮细胞氧化应激反应会成为防治DN的主要方法。

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