賴向恒　冉建民　陳辭穎　楊巧玲

【摘? 要】糖尿?。―iabetes mellitus，DM）患者往往合并有高尿酸血癥，高尿酸血癥是糖尿病腎臟疾?。―iabetic kidney disease，DKD）進展的獨立危險因素之一。葡萄糖和尿酸主要被腎小管所重吸收，糖尿病合并高尿酸血癥患者受到高血糖與高尿酸的雙重影響，腎小管更容易遭到損害，發(fā)生間質(zhì)纖維化，導致腎功能減退。大量證據(jù)支持腎小管間質(zhì)性炎癥在DKD中扮演著重要的角色，葡萄糖及尿酸濃度的升高均可激活細胞 NLRP3 炎性體，導致局部炎癥反應造成細胞損傷。當兩種因素同時存在時，葡萄糖與尿酸可能通過相同或不同的作用機制， 激活腎小管上皮細胞 NLRP3 炎性體。盡管兩者在DKD腎小管病變過程中是否存在交互作用，其具體機制有待進一步研究。但通過探討兩者在激活炎癥反應的過程中所涉及的分子機制，可能為臨床上DKD的預防及治療提供新思路。

【關鍵詞】葡萄糖尿酸;糖尿病腎臟疾病;腎小管上皮細胞;NLRP3炎性體

【中圖分類號】R589????? 【文獻標識碼】A????? 【文章編號】1004-7484（2020）09-0079-02

Glucose and uric acid activate NLRP3 inflammasome in renal tubular epithelial cells

【Abstract】Diabetes （Diabetes mellitus， DM） patients are often associated with hyperuricemia， which is one of the independent risk factors for the progression of Diabetic kidney disease （DKD）. Glucose and uric acid are mainly reabsorbed by the renal tubules. Patients with diabetes and hyperuricemia are affected by both hyperglycemia and hyperuric acid. The renal tubules are more likely to be damaged and interstitial fibrosis occurs， leading to decreased renal function. There is a lot of evidence to support that tubulointerstitial inflammation plays an important role in DKD. Elevated glucose and uric acid concentrations can activate the cellular NLRP3 inflammasome， resulting in local inflammatory response causing cell damage. When both factors are present， glucose and uric acid may activate the NLRP3 inflammasome through the same or different mechanisms of action. Although there is an interaction between the two in the process of DKD renal tubular lesions， the specific mechanism needs to be further studied. However， by exploring the molecular mechanisms involved in the process of activating the inflammatory response， they may provide new ideas for the prevention and treatment of DKD in clinic.

【key words】Gluconic acid; diabetic kidney disease; renal tubular epithelial cells; NLRP3 inflammasome

糖尿病腎臟病是糖尿病主要的慢性并發(fā)癥之一，它不僅是導致DM高致殘率和高致死率的主要因素^[1]，也是導致終末期腎病的主要原因。隨著社會的發(fā)展及人口的老齡化，DM所導致的腎小管損害近年來日益得到重視。糖尿病所致早期腎小管間質(zhì)纖維化與腎功能減退有密切關系，腎小管間質(zhì)病變的程度是反映腎功能下降嚴重程度和判斷預后最重要的指標。大量證據(jù)支持腎小管間質(zhì)性炎癥在DKD中扮演著重要的角色，各種致病因素如高血糖、高尿酸、蛋白尿等，直接或間接的對腎小管細胞產(chǎn)生作用，細胞分泌炎癥因子，促進腎小管纖維化的進展。近年來，關于炎性體的研究越來越受到重視。炎性體的正常活化在維持機體免疫系統(tǒng)穩(wěn)定中起重要作用，其在代謝紊亂、自身免疫性疾病和腫瘤等病理過程中的作用及意義日益受到關注。導致糖尿病腎病發(fā)病的各種異常理化因素有可能就是通過激活炎性體，促進各種炎癥因子的表達，導致組織損傷，進一步促進糖尿病腎臟疾病的進展。

NLRP3炎性體是近些年來得到最多研究，機制了解得最清楚的炎性小體，為固有免疫的重要組成部分，不僅可以被多種細菌、真菌、病毒、寄生蟲、毒素以及細胞內(nèi)危險信號激活，還可以被應激和損傷的因素所激活，包括損傷細胞釋放的細胞外ATP和透明質(zhì)酸，β 淀粉樣蛋白、高血糖、尿酸鈉晶體等^[2]。研究顯示高葡萄糖及高尿酸持續(xù)性影響，可能會引起腎小管局部巨噬細胞浸潤，并激活細胞NLRP3炎性體，通過調(diào)節(jié)caspase-1可以促進IL-1β及IL-18的成熟和分泌，可誘發(fā)持續(xù)性炎癥，從而導致腎臟損傷。然而高葡萄糖及高尿酸持續(xù)性影響，是否在腎小管病變過程中存在交互作用仍未十分明確，現(xiàn)就對葡萄糖與尿酸在激活NLRP3炎性體所涉及的機制予以綜述。

1.NLRP3 炎性體概述

1.1結(jié)構(gòu)特征

NLRP3炎性體是一種相對分子質(zhì)量約為700000的多蛋白復合物，由核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體家族成員 NLRP3、細胞凋亡相關斑點樣蛋白（ASC）、半胱氨酸天 冬氨酸蛋白水解酶-1（cysteinyl aspartate specific proteinase-1，caspase-1）所組成，其中NLRP3為核心蛋白^[3]。ASC是NLRP3炎性體復合物中的關鍵炎性體銜接子，它可以銜接上游的NLRP3與下游的半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶-1前體（Pro-Caspase-1），誘導后使其成為具有活性的Caspase-1。Caspase-1主要以無活性的前體形式，存在于細胞質(zhì)內(nèi)，被各種內(nèi)源性或者外源性危險信號激活后，成為活性的Caspase-1，能將無活性的IL-1β和IL-18的前體，通過剪切加工使其成為具有活性的IL-1β和IL-18，從而在炎癥反應中發(fā)揮其生物學功能^[4]。

1.2激活機制

NLRP3炎性體作為固有免疫的重要組成部分，為核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域（nucleotide-binding oligomerization domain，NOD）樣受體（NOD-like receptor，NLR）中最具有特征性的炎性小體。目前，NLRP3炎性體如何識別各種配體并促發(fā)炎性體激活的機制尚未十分清楚，考慮到它們的結(jié)構(gòu)和生化特性的差異，這些不同的配體不可能直接與NLRP3炎性體所結(jié)合，目前提出多種細胞通路相互作用，參與NLRP3炎性體的激活，當前文獻普遍支持這三種NLRP3炎性體激活模式^[2]。

首先，大量研究表明K+外流是NLRP3炎性體激活的必要信號。細胞外的 ATP、病毒RNA、細菌毒素等可以結(jié)合離子通道 P2X7受體（嘌呤能離子通道型受體7），然后使其控制的離子通道打開，導致 K+外流加速，并招募半通道蛋白 pannexin-1 在細胞膜上形成小孔，細菌毒素等通過質(zhì)膜孔道進入胞內(nèi)從而活化 NLRP3^[5]。

活性氧（ROS）的生成被認為對于炎性體激活至關重要。通過ROS化學清除劑或藥理抑制劑，可抑制NLRP3 的活化^[6]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，ROS也可激活硫氧還原蛋白結(jié)合蛋白（Thioredoxin-interacting protein，TXNIP），TXNIP則可進一步活化NLRP3炎性體，從而進一步闡明了 ROS 的產(chǎn)生與炎癥小體活化之間的聯(lián)系^[7]。

第三種為溶酶體的破裂。許多晶體類物質(zhì)，如尿酸鈉晶體、膽固醇結(jié)晶等被細胞吞噬進入細胞后，可引起溶酶體酸化和腫脹破裂，釋放溶酶體酶及鈣離子等至胞漿中，通過組織蛋白酶 β 介導的途徑活化 NLRP3 炎性體。溶酶體組織蛋白酶 β 是NLRP3 炎性體活化最重要的上游信號通路。

2.葡萄糖與尿酸激活NLRP3 炎性體的機制

2.1葡萄糖激活NLRP3 炎性體

目前葡萄糖激活NLRP3炎性體的機制尚未十分明了，根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)可能包括以下機制有關：（1）細胞氧化應激反應為高血糖激活NLRP3炎性體中的重要途徑，血糖的升高可加強細胞的糖酵解，通過煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶系統(tǒng)，增加對線粒體電子傳遞鏈過度的刺激，從而產(chǎn)生大量的ROS^[8]，然后通過ROS 依賴 NLRP3 配體的識別機制直接激活炎性體，參與炎癥反應。（2）硫氧還原蛋白結(jié)合蛋白（thioredoxin interacting protein，TXNIP）在介導高血糖激活NLRP3炎性體的過程中起到了關鍵的作用。相關文獻表明，在糖尿病患者中TXNIP的表達較正常人增多，TXNIP的表達隨著血糖的升高而升高，且胰島素的對其有抑制作用^[9]。隨著細胞內(nèi) ROS生產(chǎn)增多，導致 TXNIP 與硫氧還原蛋白解離，活性的TXNIP 增多并激活 NLRP3 炎性體，使 Caspase-1 依賴的白介素 1-β成熟活化，導致炎癥反應。（3）高血糖的刺激可以導致，腎小管上皮細胞產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應^[10]，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激便可通過鉀離子流出和ROS生成，所介導的不同機制激活NLRP3 炎性體，從而使得巨噬細胞分泌白介素-1β增多^[11]。（4）持續(xù)性高血糖環(huán)境會使循環(huán)中得尿酸和脂肪酸水平升高，高血糖、高尿酸和高脂肪酸得同時激活NLRP3 炎性體。

2.2尿酸激活NLRP3 炎性體

隨著尿酸的升高，當血漿尿酸濃度超過其溶解度（約 7mg/dl，或 420μmol/L）時，便會有尿酸鈉結(jié)晶（monosodiumurate，MSU）的形成。MSU被認為是重要的DAMPs內(nèi)源性危險信號之一^[12]。MSU 可以通過多種途徑激活NLRP3 炎性體導致炎癥反應。體外實驗表明，在THP-1 細胞以及人單核細胞，MSU 可以直接或通過膜受體與細胞膜的相互作用，激活 NLRP3 炎癥體從而導致局部炎癥反應^[13]。另外，MSU 可通過誘導細胞向胞外分泌 ATP，從而激活 P2X7受體，導致細胞內(nèi)鉀離子外流，胞內(nèi)鈣離子濃度上升，激活 NLRP3 炎性體^[14]。MSU 導致所細胞內(nèi)的鉀離子濃度下降也有可能是稀釋性的，Schorn 等研究表明，酸性的溶酶體吞噬MUS后， MSU 的內(nèi)涵體與酸性溶酶體相融合，導致吞噬溶酶體的 pH 值降低，吞噬溶酶體繼而向細胞內(nèi)大量釋放的鈉離子，使得細胞內(nèi)的滲透壓升高，為了維持滲透壓平衡，水被動通過水通道蛋白進入胞內(nèi)，繼而導致細胞腫脹，細胞內(nèi)鉀離子濃度稀釋性下降，最終激活NLRP3 炎性體，此時細胞質(zhì)的鉀離子其實并無凈損失^[15]。MSU被細胞吞噬后，可引起溶酶體的破裂，繼而激活 NADPH 氧化酶，導致活性氧生成增多，進而同高糖相似通過ROS途徑激活NLRP3炎性體^{[16] [17]}。在此過程中，tripartite-motif protein 30（TRIM30）起著重要的調(diào)節(jié)作用。當細胞過度的表達 TRIM30，可以減少 MSU 的刺激所造成ROS 生成，從而負性調(diào)節(jié) NLRP3 炎癥小體的激活;反之，當敲除 TRIM30時，則會造成ROS 生成增多，NLRP3 炎癥小體的活化得到增強^[18]。

2.3 炎性體與腎小管間質(zhì)損害

糖尿病腎臟疾病的進展與腎臟的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化密切相關，腎臟的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化包括腎小球和腎小管結(jié)構(gòu)肥大，基底膜增厚以及細胞外基質(zhì)（ECM）組分的積累，最終導致腎小管間質(zhì)纖維化^[19]。研究表明，早期腎小管間質(zhì)纖維化（Fubulointerstitial fibrosis，TIF）與腎功能的減退有著密切的關系，為各種腎臟疾病進展至終末期腎病的共同病理特征，腎小管間質(zhì)病變的程度也是反映腎功能下降程度和判斷預后最重要的指標^[20]。腎小管間質(zhì)炎癥（特別是在近端腎小管上皮細胞）在糖尿病腎臟疾病發(fā)病機理中起著重要的作用。各種各樣導致DKD發(fā)病的因素，如高血糖、高血壓、高尿酸等，都可能會激活炎性體從而促進各種炎癥因子分泌介導炎癥反應，造成組織損傷，加速腎小管纖維化，促進 DKD 的進一步發(fā)展。

2.4 葡萄糖及尿酸激活NLRP3炎性體導致腎小管病變

NLRP3 炎性體對小管間質(zhì)性腎損傷起著重要的作用。NLRP3 炎性小體Caspase-1-IL-1β/ IL-18 軸在腎臟疾病中起重要作用^[21]。糖尿病合并糖尿病腎臟疾病患者，其腎小管上皮細胞表達 NLRP3水平明顯升高，與IL-1β 和 IL-18 表達水平呈正相關^[22]。高血糖及高尿酸均可調(diào)節(jié)活化NLRP3 炎性體，通過激活caspase-1，NLRP3 炎性小體可以促進 IL-1β和 IL-18 成熟，循環(huán)和部分促炎因子 IL-1β和 IL-18水平的升高可誘發(fā)持續(xù)性炎癥，從而引起腎臟損傷。高血糖對腎小管上皮細胞 NLRP3 炎癥體的激活作用呈時間與劑量依賴性。在高糖誘導下，由 ATP-P2X4 信號通路介導，腎小管上皮細胞NLRP3 蛋白表達， caspase-1、白介素-1β、白介素-18 等釋放明顯升高^[22]。一項動物研究發(fā)現(xiàn)，STZ誘導糖尿病腎病大鼠模型存在高尿酸血癥，NLRP3 炎性體活化，繼而出現(xiàn)腎損傷加劇。通過使用降尿酸藥物（如別嘌醇和槲皮素）降低尿酸濃度，可能會抑制 NLRP3 炎癥小體的活化，并可以預防 STZ 誘導的腎損害^[21]。類似的，高果糖喂養(yǎng)的OLETF大鼠模型中，僅采用常規(guī)劑量的別嘌醇降低血尿酸水平，不僅使IL-1的表達得到降低，且腎臟結(jié)構(gòu)和功能損傷得到了改善^[23]。另外，其他研究發(fā)現(xiàn)，高尿酸水平是 NLRP3 炎性體活化的重要因素，可誘發(fā)肺損傷^[24]。綜上發(fā)現(xiàn)表明，高尿酸水平與 NLRP3 炎性體激活有關。NLRP3 炎性體的激活作為高血糖及尿酸介導炎癥反應的共同通路，NLRP3炎性體的激活在糖尿病腎臟疾病炎癥反應啟動和發(fā)展中起十分重要的作用。腎小管上皮細胞組織間隙葡萄糖及尿酸濃度升高均可激活 NLRP3 炎性體，由此推測二者間可能存在交互作用和互相調(diào)節(jié)作用。腎小管間質(zhì)炎癥在 DKD 發(fā)生發(fā)展中起關鍵作用。

3.小結(jié)

高血糖和高尿酸分別是糖尿病腎臟疾病進展的獨立危險因素，且糖尿病患者往往大多數(shù)合并高尿酸血癥，在預防 2 型糖尿病血管合并癥的發(fā)生，除了降糖降壓降脂外，積極治療高尿酸血癥極其重要。盡管葡糖和尿酸在激活NLRP3炎性體是否存在交互作用，其涉及的具體機制尚有待進一步研究，但現(xiàn)有的研究表明尿酸和葡萄糖可能通過相同或不同的作用機制，激活NLRP3炎性體推進糖尿病腎臟疾病的發(fā)生和進展，二者間可能存在交互作用。未來，我們應充分認識，尿酸和葡萄糖在糖尿病腎臟疾病發(fā)生和發(fā)展中的重要角色，以更好的在推進在臨床中糖尿病腎臟疾病的早期干預和治療。

參考文獻

[1] SP G，ME C. Diabetic nephropathy in 2010： Alleviating the burden of diabetic nephropathy [J].Nat Rev Nephrol， 2011，7（2）：71-73.

[2] Jin C， Flavell RA. Molecular mechanism of NLRP3 inflammasome activation. J Clin Immunol. 2010;30（5）：628–631.

[3] A. Halle， V. Hornung， G.C. Petzold， C.R. Stewart， B.G. Monks， T. Reinheckel，K.A. Fitzgerald， E. Latz， K.J. Moore， D.T. Golenbock， The NALP3 inflammasome is involved in the innate immune response to amyloid-beta，Nat. Immunol. 9 （2008） 857–865.

[4] Franchi L， Munoz-Planillo R， Nunez G. Sensing and reacting to microbes through the inflammasomes[J]. Nat Immunol， 2012， 13（ 4） ： 325-332.

[5] Chen G， Pedra JH. The inflammasome in host defense[J]. Sensors （Basel）. 2010; 10（1）： 97-111.

[6] Cruz CM et al. ATP activates a reactive oxygen speciesdependent oxidative stress response and secretion of proinflammatory cytokines in macrophages. J Biol Chem. 2007;282（5）：2871–9. [7] Zhou R et al. Thioredoxin-interacting protein links oxidative stress to inflammasome activation. Nat Immunol. 2010;11（2）：136–40.

[8] Nishikawa T， Araki E. Impact of mitochondrial ROS production in the pathogenesis of diabetes mellitus and its complications[J]. Antioxid Redox Signal. 2007; 9（3）： 343-53.

[9] Parikh H， Carlsson E， Chutkow WA， et al. TXNIP regulates peripheral glucose metabolism in humans[J]. PLoS Med. 2007; 4（5）： e158.

[10] 王向陽， 孫慧力，郭寶春等. NADPH 氧化酶抑制劑對高糖刺激大鼠近端腎小管上皮細胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的作用機制探討. 臨床和實驗醫(yī)學雜志[J]. 2013; 12（14）： 1090-3.

[11] Lipson K L， Ghosh R， Urano F. The role of IRE1alpha in the degradation of insulin mRNA in pancreatic beta-cells[J]. Plos One， 2008， 3（2）：e1648.

[12] Isaka Y， Takabatake Y， Takahashi A， Saitoh T， Yoshimori T. Hyperuricemia-induced inflammasome and kidney diseases. Nephrology Dialysis Transpl. 2016;31（6）：890–896. doi： 10.1093dt/gfv024.

[13] Martinon F， Petrilli V， Mayor A， et al. Gout-associated uric acid crystals activate the NALP3 inflflammasome. Nature 2006;440：237–41.

[14] Tao JH， Zhang Y， Li XP. P2X7R： a potential key regulator of acute gouty arthritis. Semin Arthritis Rheum. 2013;43（3）：376-80.

[15] Schorn C， Frey B， Lauber K， et al. Sodium overload and water influx activate the NALP3 inflammasome. J Biol Chem. 2011 Jan 7;286（1）：35-41.

[16] Sorbara MT， Girardin SE. Mitochondrial ROS fuel the inflammasome. Cell Res 2011; 21： 558–560.

[17] Dostert C， Pétrilli V， Van Bruggen R， et al. Innate immune activation through Nalp3 inflammasome sensing of asbestos and silica. Science. 2008;320：674–677

[18] Hu Y， Mao K， Zeng Y， et al.Tripartite-motif protein 30 negatively regulates NLRP3 inflammasome activation by modulating reactive oxygen species production. J Immunol. 2010;185（12）：7699-705.

[19] Zheng Z， Zheng F. Immune cells and inflammation in diabetic nephropathy. J Diabetes Res 2016; 2016： 1841690.

[20] Nangaku M. Mechanisms of tubulointerstitial injury in the kidney： final common pathways to end-stage renal failure.[J]. Internal Medicine， 2004， 43（1）：9.

[21] C. Wang， Y. Pan， Q.Y. Zhang， F.M. Wang， L.D. Kong， Quercetin and allopurinol ameliorate kidney injury in STZ-treated rats with regulation of renal NLRP3 inflflammasome activation and lipid accumulation， PLoS One 7 （2012） e38285.

[22] Chen K， Zhang J， Zhang W， et al. ATP-P2X4 signaling mediates NLRP3 inflammasome activation： a novel pathway of diabetic nephropathy. Int J Biochem Cell Biol. 2013 ;45（5）：932-43. [23] Wang Y， Harris D C. Macrophages in renal disease[J]. Journal of the American Society of Nephrology， 2011，22（1）：21-27.

[24] P. Gasse， N. Riteau， S. Charron， S. Girre， L. Fick， V. Petrilli， J. Tschopp， V. Lagente， V.F. Quesniaux， B. Ryffel， I. Couillin， Uric acid is a danger signal activating NALP3 inflammasome in lung injury inflammation and fibrosis， Am. J. Respir. Crit. Care Med. 179 （2009） 903–913.