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驱动肾小管间质纤维化的新机制

2024-03-08 44 上传者：管理员

摘要：肾纤维化，尤其是肾小管间质纤维化，是所有慢性肾脏疾病进展为终末期肾病的最常见途径。肾小管上皮细胞在受到慢性损伤后会发生糖脂代谢改变、未折叠蛋白反应、自噬和衰老、上皮细胞-间充质转化和细胞周期G2/M期停滞等几种适应性反应。修复机制适应不良，会诱导产生肾小管间质纤维化。本文将讨论肾小管上皮细胞的这些适应性反应驱动肾小管间质纤维化的分子机制，为探寻肾小管间质纤维化新的药物作用靶点提供参考。

关键词：
CKD
TIF
慢性肾损伤
肾小管上皮细胞
间质纤维化
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慢性肾病（chronic kidney diseases,CKD）是目前最常见的威胁人类健康的疾病之一。目前，全球患病率大于10%，总计超过8亿，发病率呈逐年上升，1990—2017年，全球CKD死亡率增加了41.5%[1]。肾纤维化，尤其是肾小管间质纤维化（tubulointerstitial fibrosis,TIF），是各种慢性肾脏疾病进展至终末期肾病（end-stage renal disease,ESRD）的主要病理基础和最终病理结果[2]。近端小管受到慢性损伤后会发生糖脂代谢改变、未折叠蛋白反应、自噬和衰老、上皮细胞-间充质转化和细胞周期G2/M期停滞等几种适应性反应，适应不良会诱导产生TIF[3]。本文拟就近几年驱动TIF发展的相关分子机制作一综述，为探寻TIF新的药物作用靶点提供参考。

1、糖脂代谢改变驱动TIF进程

脂肪酸氧化（fatty acid oxidation,FAO）是肾小管上皮细胞的主要能量来源[4]。肾脏损伤时肾小管上皮细胞出现缺氧、线粒体功能障碍等，使肾小管上皮细胞的代谢过程从FAO转变为ATP的补偿途径糖酵解，FAO的长期缺乏和糖酵解进一步增强发展为炎症、脂质积累和纤维化[5]。过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferator-activated receptors,PPARs）和过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α,PGC-1α）是调节参与脂肪酸摄取和氧化的蛋白质表达的关键转录因子。转化生长因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1）通过Smad3下调PGC-1α的转录水平抑制FAO[6]。TGF-β1还可以通过激活下游Smad2/3信号上调糖酵解相关基因的表达，以满足肾间质成纤维细胞增殖和活化过程中所需的能量[7]。Twist相关蛋白1(twist-related protein 1,Twist1）的过表达也可以下调PGC-1α的转录水平，减少FAO，增加脂质积累，导致线粒体功能障碍，促进TIF[8]。微小RNA-21(micro RNA-21,mi R-21）通过下调PPARα抑制FAO，加重衰老过程中的肾纤维化[9]。糖尿病肾病（diabetic nephropathy,DN）中终末氧化蛋白产物（advanced oxidation protein products,AOPPs）高表达激活PKCη信号诱导CD36依赖性线粒体损伤和氧化应激[10]。AOPPs-HSA增加肾小管上皮细胞内ROS的产生和由CD36介导的TGF-β1的分泌，进而参与TIF过程[11]。

2、未折叠蛋白反应适应不良驱动TIF

肾脏缺血-再灌注损伤等诱导产生肾小管上皮细胞内质网应激。内质网应激、缺氧和氧化应激均可激活未折叠蛋白反应（unfolded protein response,UPR）。UPR有三种主要的信号通路，包括PERK-e IF2α-ATF4通路、IRE1-XBP1通路和ATF6通路[12]，在正常生理条件下，内质网应激传感器蛋白PERK、IRE1和ATF6与内质网分子伴侣结合免疫球蛋白（binding immunoglobulin protein,Bi P）结合并保持非活性状态；在内质网应激条件下，这些传感器蛋白会与Bi P解离，然后激活下游信号通路并上调Bi P增强蛋白折叠，并通过内质网应激相关性降解（ER-associated degradation,ERAD）途径降解未折叠或错误折叠蛋白。持续性的内质网应激使肾小管上皮细胞未折叠蛋白反应适应性修复不良，促进细胞凋亡、炎症和自噬，从而驱动TIF[13]。内质网应激标志物有Bi P、CHOP和pPERK。延长激活UPR会驱动上述三种信号通路，上调C/EBP同源蛋白（C/EBP homologous protein,CHOP），通过线粒体依赖性途径等诱导细胞凋亡，增强肾小管萎缩导致TIF[14]。近期研究发现，在与肾小管损伤相关的致病性条件下，ATF6α活化下调PPARα，导致细胞内脂质积累，诱导细胞凋亡，结缔组织生长因子（connective tissue growth factor,CTGF）升高，最终驱动TIF加速[15]。见图1。

图1 肾小管上皮细胞未折叠蛋白反应适应不良驱动肾小管间质纤维化的机制

3、自噬和衰老介导TIF

自噬是一种高度保守的降解系统，可降解和回收受损的细胞器和大分子以维持细胞内稳态，帮助肾小管上皮细胞适应各种损伤[16]。Peng等[17]发现，近端肾小管上皮细胞中自噬相关蛋白5(Autophagy-related protein 5,ATG5）介导的自噬可以对抗细胞周期G2/M停滞和肾纤维化，下调NF-κB信号抑制肾损伤中的上皮炎症反应。然而，在单侧输尿管梗阻（unilateral ureteral obstruction,UUO）模型中，肾小管上皮细胞的自噬持续激活会促进肾间质纤维化[16]。近期研究表明，急性肾损伤后肾小管上皮细胞通过自噬产生碱性成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor 2,FGF2）导致成纤维细胞活化和肾纤维化[18]。因此，近端肾小管自噬和肾损伤的作用是复杂的，可能在损伤早期发挥保护作用，当损伤进展严重或持续存在则会促进细胞凋亡或变性。

在高血压、Ig A肾病、2型糖尿病诱导的CKD和老化的肾脏中，可观察到肾小管上皮细胞衰老水平升高，与生长停滞状态有关。氧化应激（oxidative stress,OS）、端粒损耗和DNA损伤是肾小管上皮细胞衰老的主要原因[19]。细胞衰老可分泌多种细胞因子和趋化因子，包括CXCL1、IL-6和IL-8等，称为衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype,SASP），维持慢性炎症状态，进一步增加炎症的旁分泌促进TIF[20]。染色质重构复合物核心催化亚基（Brahma-related gene 1,BRG1）是重要促纤维化介质。在多种肾脏疾病和UUO模型中，肾小管上皮细胞的BRG1显著上调，主要通过激活Wnt/β-连环蛋白途径，抑制自噬来促进肾小管衰老，最终加速肾纤维化的进展[21]。

4、上皮细胞-间充质转化促进TIF

上皮细胞-间充质转化（epithelial-to-mesenchymal transition,EMT）是指细胞组织从上皮到间充质表型的动态变化，会导致细胞迁移和侵袭的功能变化[22]。体外肾小管上皮细胞发生EMT时，上皮标志物E-钙粘蛋白和闭锁小带蛋白-1(zonula occludens protein 1,ZO-1）的表达下调，vimentin、α-SMA、FSP1和FN等间充质标志物的表达上调[23]。研究表明，肾小管上皮细胞发生部分EMT时，并不直接促进肌成纤维细胞群的形成，而是失去正常肾小管功能。受损细胞将旁分泌信号释放到肾间质，促进肌成纤维细胞分化，进一步纤维化并维持炎症状态[22]。纤维化损伤期间，EMT导致肾小管上皮细胞细胞周期G2期停滞及几种溶质转运蛋白表达降低。UUO和叶酸诱导的肾纤维化小鼠模型中，近端肾小管上皮细胞的Twist1或锌指家族核转录因子1(snail family transcriptional repressor 1,Snai1）条件缺失抑制EMT，恢复细胞增殖，减弱间质纤维化[24]。TGF-β1、Wnt和Notch等信号通路相互串扰调控着EMT过程的发生[25]。芳烃受体（aryl hydrocarbon receptor,Ah R）激活与CKD进展有关，1-氨基芘（1-Aminopyrene,AP）上调Ah R m RNA及其3个靶基因的表达，已成为EMT过程的新型介质[26]。

5、细胞周期G2/M期停滞促进TIF

肾损伤显著影响肾小管上皮细胞的细胞周期，肾小管上皮细胞的细胞周期变化可能影响TIF的进展。未受损肾脏大多数肾小管上皮细胞是处于静息期（细胞周期的G0期）。肾损伤期间，肾小管上皮细胞进入细胞周期，帮助凋亡或坏死细胞的修复更新。一些细胞在G1或G2期停滞，修复DNA损伤并防止受伤细胞传播突变。但持续性细胞周期停滞意味着修复失败[3]。肾小管上皮细胞细胞周期G2/M停滞激活JNK信号传导，上调促纤维化细胞因子TGF-β1和CTGF的产生[27]。TGF-β1驱动EMT与p21介导的G2期细胞周期停滞有关，部分依赖于Twist1和Snai1。Twist1和Snai1高表达诱导p21表达和G2期停滞[24]。缺氧和其他应激激活共济失调毛细血管扩张突变（ataxia telangiectasia mutated,ATM）信号通路，通过p21促进G2/M期细胞周期停滞[28]。在缺氧的肾小管上皮细胞中，p53上调抑制CDK1和细胞周期蛋白B1和D1表达，导致G2/M期停滞和TGF-β、CTGF、胶原蛋白和纤连蛋白表达增高[29]。此外，ATG5缺失引发肾小管上皮细胞细胞周期G2/M期停滞和Ⅰ型胶原蛋白（collagen 1,COL1）生成增加，进而加重肾纤维化[24]。

6、不同类型细胞相互作用促进TIF

肾小管上皮细胞是TIF中重要的媒介，适应不良的肾小管上皮细胞可与间质中其他细胞，包括炎症细胞、微脉管系统和成纤维细胞，相互作用共同诱导纤维化。大多数CKD模型中，单核细胞/巨噬细胞是最丰富的免疫细胞，能发挥促纤维化作用[3]。募集到损伤肾脏后，单核细胞在局部微环境的影响下分化成不同的巨噬细胞亚型，主要分为：(1)经典活化（M1）巨噬细胞，发挥促进炎症作用；(2)修复性的替代活化（M2）巨噬细胞，主要为促纤维化[3]。巨噬细胞来源的促炎细胞因子（如TNF-α和IL-1β）可激活肾小管上皮细胞，产生促纤维化生长因子，直接刺激肾小管上皮细胞转变为肌成纤维细胞[30]。抗炎M2巨噬细胞诱导Th2型免疫应答，分泌大量TGF-β和抗炎细胞因子，在损伤肾脏中转化为α-SMA+肌成纤维细胞，抑制免疫反应，促进伤口愈合和组织纤维化[31]。受损的肾小管上皮细胞通过产生趋化因子调节炎症反应，表达趋化因子单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1）和CCL5（又称RANTES），分别与CCR2和CCR5受体结合以动员巨噬细胞；近端小管损伤通过产生巨噬细胞集落刺激因子-1，促进局部巨噬细胞增殖[32]。见图2。

图2 肾小管上皮细胞与单核细胞/巨噬细胞相互作用

上皮-间充质交流（epithelial-mesenchymal communication,EMC）主要表现为肾小管上皮细胞和成纤维细胞/间充质细胞串扰，是影响肾脏纤维化的重要机制。肾脏受损后，适应不良的肾小管上皮细胞以旁分泌途径产生多种细胞因子和生长因子，驱动周围细胞（如成纤维细胞）转化为肌成纤维细胞，活化的成纤维细胞可以产生细胞外基质（extracellular matrix,ECM），导致进行性TIF[32]。许多可溶性因子，包括Wnt配体、TGF-β、CTGF和血管紧张素Ⅱ都参与该过程[33]。肌成纤维细胞主要来源于周围成纤维细胞，以及骨髓的非增殖性肌成纤维细胞、内皮细胞和肾小管上皮细胞，在不同的条件下，各种细胞来源所占的比例不同[34]。另一方面，活化的肌成纤维细胞也可以对肾小管细胞发挥促纤维化作用，ECM的积累导致TGF-β1表达和EMT水平增加；成纤维细胞分泌mi R-34a通过微囊泡递送至肾小管细胞并诱导肾小管细胞凋亡[35]。

7、小结与展望

目前我们已经发现肾小管上皮细胞修复过程涉及糖脂代谢改变、未折叠蛋白反应、自噬和衰老、上皮细胞-间充质转化和细胞周期G2/M期停滞等几种适应性反应。如果刺激太严重或持续存在，可能会导致适应不良从而促进TIF。而纤维化的完成有赖于肾小管上皮细胞及其间质和其他细胞之间的相互串扰。其中，TGF-β是纤维化的核心调节因子，目前已经开发出几种TGF-β中和抗体和小分子抑制剂用于临床试验。最近也有许多研究表明，细胞周期阻滞是损伤的肾小管上皮细胞适应性修复的关键障碍，靶向G1/S和G2/M检查点以维持适当的细胞周期转换将具有治疗意义。但其深入机制仍需进一步探索。

参考文献:

[7] 马月,马旺博,周智华,等.槲皮素干预肾间质成纤维细胞糖酵解抗肾间质纤维化机制研究[J].中国临床药理学与治疗学, 2023, 28(2):121-129.

基金资助:2021年湖北省自然科学基金青年基金(2021CFB062);武汉大学基础-临床共建项目培育基金(JCZN2022006);中央高校基本科研业务费专项资金青年教师资助项目(2042023kf0064);2023年武汉大学中南医院转化医学及交叉学科研究联合基金(ZNJC202319);

文章来源:张燕妮,段宇鑫,柏艺等.驱动肾小管间质纤维化的新机制[J].中国临床药理学与治疗学,2024,29(03):348-353.