張學(xué)娟,車(chē)若琛,丁桂霞

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院腎內(nèi)科，南京 210008)

慢性腎臟病是一種嚴(yán)重危害人類(lèi)健康和生命安全的常見(jiàn)腎臟疾病，近年來(lái)患病率逐年上升，已成為全球關(guān)注的公共衛(wèi)生問(wèn)題之一。目前我國(guó)約有1.2億慢性腎臟病患者，占人口總數(shù)的10.8%[1]。隨著人們生活水平的升高，能量代謝相關(guān)疾病的發(fā)病率也逐年增高，關(guān)于能量代謝在疾病中的作用也成為研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，能量代謝在慢性腎臟病的作用逐漸引起研究者的關(guān)注。糖尿病腎病是慢性腎臟病的常見(jiàn)分型。研究發(fā)現(xiàn)，在鏈佐星(streptozotocin，STZ)誘導(dǎo)的糖尿病大鼠的腎臟內(nèi)發(fā)現(xiàn)線粒體融合蛋白2的表達(dá)下降，線粒體鈣蛋白酶10的信使RNA(message RNA，mRNA)和蛋白水平的表達(dá)也明顯降低[2-3]。高血糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和晚期糖基化終末產(chǎn)物可誘導(dǎo)炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生，加速糖尿病腎病進(jìn)展[4]。Zhang等[5]發(fā)現(xiàn)，高糖通過(guò)上調(diào)近端小管上皮細(xì)胞Bim蛋白的表達(dá)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。研究表明，高糖降低了腎臟組織葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的活性，導(dǎo)致還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸供應(yīng)不足，從而導(dǎo)致活性氧類(lèi)(reactive oxygen species，ROS)積累，加重了糖尿病腎病[6-7]。現(xiàn)就糖代謝、脂質(zhì)代謝等能量代謝與慢性腎臟病的關(guān)系進(jìn)行綜述，探討能量代謝在慢性腎臟病中的作用，以期為慢性腎臟病的防治提供新的思路。

1 能量代謝與慢性腎臟病的發(fā)病機(jī)制

1.1糖代謝與慢性腎臟病的發(fā)病機(jī)制 腎臟是高能耗器官，糖代謝非常旺盛，腎臟通過(guò)糖異生、葡萄糖利用以及再吸收腎小球?yàn)V液中的葡萄糖在葡萄糖穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。經(jīng)過(guò)一夜的禁食，20%～25%的葡萄糖通過(guò)糖異生作用從腎臟釋放到血液循環(huán)中，腎臟會(huì)利用其中的10%[8]。機(jī)體攝入葡萄糖后，腎臟糖異生作用也會(huì)增加。腎臟每日過(guò)濾大約180 g葡萄糖，幾乎所有這些葡萄糖都被重新吸收到循環(huán)系統(tǒng)中[8]。高血糖與腎臟病密切相關(guān)，高糖會(huì)改變腎臟的能量代謝，高糖培養(yǎng)的足細(xì)胞線粒體蛋白減少，氧化磷酸化受到嚴(yán)重影響[9]。一方面，在呼吸鏈水平，復(fù)合物Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的關(guān)鍵成分減少，二磷酸腺苷磷酸化的關(guān)鍵成分如ATP合酶和線粒體磷酸鹽載體減少，復(fù)合物Ⅲ和Ⅳ的活性也降低；另一方面，高糖條件下5種糖酵解酶的含量增加[9]。以上均影響了足細(xì)胞的能量代謝，加重了糖尿病腎病。在糖尿病腎病中，長(zhǎng)期高血糖可引起炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、自噬激活等。

1.1.1糖代謝誘發(fā)的炎癥反應(yīng) 研究表明，炎癥誘發(fā)的免疫反應(yīng)是慢性腎臟病的共同致病機(jī)制，其中不僅涉及循環(huán)和局部炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)及炎癥因子的瀑布式反應(yīng)，包括足細(xì)胞、系膜細(xì)胞在內(nèi)的腎臟固有細(xì)胞也參與其中[4]。研究發(fā)現(xiàn)，高糖可刺激炎癥反應(yīng)關(guān)鍵通路核因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)抑制蛋白激酶復(fù)合體、NF-κB抑制蛋白、NF-κB二聚體表達(dá)，從而刺激細(xì)胞因子分泌[10]。另一方面，高糖可誘導(dǎo)腎臟固有細(xì)胞產(chǎn)生ROS，從而激活核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3炎癥小體[11-12]。檢測(cè)到細(xì)胞壓力后，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域受體蛋白3開(kāi)始與凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白和胱天蛋白酶-1(caspase-1)結(jié)合，導(dǎo)致caspase-1活化，白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1β和IL-18成熟，促進(jìn)炎癥細(xì)胞募集[13]，加重糖尿病腎病。此外，腎細(xì)胞如足細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞或系膜細(xì)胞也能分泌促炎細(xì)胞因子，從而加重糖尿病腎病[11-14]。

1.1.2糖代謝誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生 ROS可引發(fā)線粒體功能障礙、腎臟細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)沉積，腎小球系膜增生和腎小管間質(zhì)纖維化。高糖可直接誘導(dǎo)腎小球系膜細(xì)胞和腎小管上皮細(xì)胞產(chǎn)生ROS，還可通過(guò)晚期糖基化終末產(chǎn)物和細(xì)胞因子間接誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生。Lee等[15]研究表明，蛋白激酶C參與了高糖誘導(dǎo)的系膜細(xì)胞ROS的生成過(guò)程，還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶系統(tǒng)和線粒體代謝也參與其中。過(guò)量ROS的生成對(duì)線粒體DNA有害，可導(dǎo)致電子傳遞鏈功能受損，ATP合成減少，線粒體功能障礙，腎小球系膜細(xì)胞和腎小管上皮細(xì)胞損傷甚至凋亡[16]。Lee等[17]的研究表明，ROS介導(dǎo)高糖誘導(dǎo)的纖溶酶原激活物抑制劑在糖尿病腎臟系膜細(xì)胞中的表達(dá)上調(diào)，抑制系膜細(xì)胞纖溶酶活性，ECM降解減少，導(dǎo)致ECM重構(gòu)。ROS也可誘導(dǎo)腎小管上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致糖尿病腎小管間質(zhì)纖維化，進(jìn)而加重糖尿病腎病的進(jìn)展[18-20]。

1.1.3糖代謝引起細(xì)胞凋亡 細(xì)胞凋亡是為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細(xì)胞自主有序的死亡，其在慢性腎臟病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了一定的作用。Wang等[6]用高糖培養(yǎng)足細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，與正常水平葡萄糖培養(yǎng)的足細(xì)胞相比，高糖培養(yǎng)的足細(xì)胞中葡萄糖-6-磷酸脫氫酶蛋白表達(dá)明顯降低，活化的caspase-3也增加，機(jī)制涉及泛素蛋白酶體途徑，即高糖可通過(guò)泛素蛋白酶體途徑促進(jìn)葡萄糖-6-磷酸脫氫酶蛋白降解，增加足細(xì)胞凋亡[21]。足細(xì)胞在維持腎小球?yàn)V過(guò)屏障中起關(guān)鍵作用，足細(xì)胞凋亡導(dǎo)致的細(xì)胞形態(tài)、功能異?？墒篂V過(guò)屏障受損，從而導(dǎo)致大量蛋白尿，加速糖尿病腎病進(jìn)展。Khera等[22]研究表明，高糖可增加系膜細(xì)胞的凋亡，系膜細(xì)胞在維持腎小球毛細(xì)血管叢結(jié)構(gòu)和功能方面發(fā)揮著重要作用，為毛細(xì)血管袢提供結(jié)構(gòu)支持，并通過(guò)收縮性調(diào)節(jié)腎小球?yàn)V過(guò)，系膜細(xì)胞的凋亡與白蛋白排泄率直接相關(guān)，其間接加速了糖尿病腎病的進(jìn)展[23]。

1.1.4糖代謝引發(fā)線粒體自噬 在糖尿病腎病動(dòng)物的腎組織中可見(jiàn)大量線粒體碎片蓄積，提示在糖尿病腎病中異常線粒體的清除可能存在缺陷[24-26]。線粒體鈣蛋白酶10是一種Ca2+依賴性的半胱氨酸蛋白酶。在STZ誘導(dǎo)的糖尿病早期大鼠模型中，STZ注射后線粒體鈣蛋白酶10的基因和蛋白表達(dá)水平降低[3]，腎皮質(zhì)中線粒體自噬調(diào)節(jié)因子PTEN誘導(dǎo)激酶1的表達(dá)上調(diào)，通過(guò)轉(zhuǎn)染線粒體鈣蛋白酶10的小干擾RNA使線粒體融合減少、線粒體分裂及線粒體自噬增多，表明糖尿病早期線粒體的自噬活性可能是升高的，線粒體鈣蛋白酶10能夠負(fù)向調(diào)控線粒體自噬，但是給予胰島素注射的糖尿病大鼠未見(jiàn)PTEN誘導(dǎo)激酶1的上調(diào)，說(shuō)明線粒體自噬可能由高糖環(huán)境誘導(dǎo)[3,27]。在糖尿病腎病小鼠的腎小管上皮細(xì)胞中PTEN誘導(dǎo)激酶1蛋白的表達(dá)水平卻明顯下調(diào)，同時(shí)線粒體碎片增多[28]，推測(cè)可能是異常線粒體清除機(jī)制紊亂的后果。有學(xué)者推測(cè)，糖尿病早期機(jī)體為清除功能異常的線粒體，線粒體自噬活性代償性升高，但隨著糖尿病腎病的進(jìn)展，異常線粒體的量超過(guò)代償能力，線粒體自噬活性下降，受損的線粒體無(wú)法及時(shí)被清除，最后導(dǎo)致細(xì)胞死亡[27]。

1.2脂質(zhì)代謝與慢性腎臟病的發(fā)病機(jī)制 除糖代謝外，腎臟脂質(zhì)代謝也非常旺盛，其中線粒體脂肪酸β氧化是腎臟ATP的主要來(lái)源[29]。脂質(zhì)代謝與慢性腎臟病密切相關(guān)，慢性腎臟病患者在腎功能不全早期即存在血脂異常，且血脂異常往往隨著腎功能的惡化而加重。慢性腎臟病的血脂異常主要表現(xiàn)為三酰甘油水平升高、高密度脂蛋白水平降低以及低密度脂蛋白水平變化[30]。對(duì)糖尿病腎病患者的腎組織進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，參與脂質(zhì)攝取的通路顯著上調(diào)，支持脂肪酸β氧化的酶表達(dá)降低[31]。不被線粒體氧化的過(guò)量脂肪酸被酯化并沉積為脂滴，脂肪酸攝取增加和脂肪酸氧化降低可導(dǎo)致糖尿病腎臟三酰甘油和中性脂質(zhì)積累。膽固醇攝取增加和膽固醇外排減少可導(dǎo)致糖尿病腎病膽固醇積累。肥胖相關(guān)腎病的一個(gè)顯著特征是足細(xì)胞、系膜細(xì)胞和近端小管上皮細(xì)胞中脂泡的積累，提示脂質(zhì)代謝異常和脂毒性可能是腎臟功能障礙的主要原因。細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)積累可引起氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、細(xì)胞骨架改變等[29,32-33]。

1.2.1脂質(zhì)代謝誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng) 糖尿病腎病中很多促炎反應(yīng)涉及NF-κB的激活。各種信號(hào)通路通過(guò)降解NF-κB抑制蛋白活化NF-κB，活化的NF-κB 進(jìn)入細(xì)胞核并與其相關(guān)的DNA結(jié)合以誘導(dǎo)促炎靶基因(細(xì)胞因子、趨化因子、白細(xì)胞黏附分子、細(xì)胞受體以及生長(zhǎng)因子)轉(zhuǎn)錄，提示炎癥反應(yīng)在糖尿病腎病的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用[34]。Martínez-García等[33]發(fā)現(xiàn)，與空白對(duì)照組足細(xì)胞相比，用高濃度軟脂酸處理的足細(xì)胞炎癥反應(yīng)介質(zhì)單核細(xì)胞趨化蛋白1、IL-6、腫瘤壞死因子-α等的mRNA 水平均顯著升高。NF-κB是控制炎癥相關(guān)蛋白轉(zhuǎn)錄的主要轉(zhuǎn)錄因子，分析足細(xì)胞細(xì)胞核中軟脂酸對(duì)p65 NF-κB轉(zhuǎn)錄的影響發(fā)現(xiàn)，與空白對(duì)照組的足細(xì)胞相比，高濃度軟脂酸處理的足細(xì)胞細(xì)胞核內(nèi)p65 NF-κB增加。以上研究表明，軟脂酸處理足細(xì)胞增加了炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致足細(xì)胞功能障礙，而足細(xì)胞是構(gòu)成和維持腎小球?yàn)V過(guò)屏障的關(guān)鍵細(xì)胞，從而加重了蛋白尿，促進(jìn)了糖尿病腎病及脂質(zhì)相關(guān)性腎病的進(jìn)展。

1.2.2脂質(zhì)代謝引發(fā)自噬 自噬是細(xì)胞對(duì)代謝應(yīng)激和環(huán)境變化的一種適應(yīng)性反應(yīng)，通過(guò)溶酶體途徑可將細(xì)胞質(zhì)內(nèi)中受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器降解或去除，以維持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)。Jiang等[35]研究表明，高脂增加了足細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)，誘導(dǎo)了足細(xì)胞自噬，增加了足細(xì)胞凋亡。Yamamoto等[36]研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食導(dǎo)致近端腎小管細(xì)胞內(nèi)溶酶體增大，磷脂堆積，經(jīng)軟脂酸處理的分離的近端腎小管細(xì)胞中，自噬降解活性隨著溶酶體酸化受損和脂質(zhì)過(guò)度積累而逐漸停滯。與非肥胖患者相比，肥胖患者腎臟中溶酶體增大，磷脂含量增加，自噬通量受損，導(dǎo)致機(jī)體更易損傷[36]。

1.2.3脂質(zhì)代謝引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激 蛋白質(zhì)在分子伴侶的協(xié)助下進(jìn)行折疊，只有正確折疊的蛋白質(zhì)才可以被轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體。在此過(guò)程中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對(duì)細(xì)胞外環(huán)境的改變非常敏感，其功能紊亂會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊、未折疊蛋白在腔內(nèi)大量積聚及Ca2+平衡狀態(tài)紊亂，即內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[37]。Xu等[38]研究表明，軟脂酸酯破壞細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器內(nèi)Ca2+的穩(wěn)態(tài)，對(duì)足細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和細(xì)胞毒性的發(fā)展至關(guān)重要，足細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的擾動(dòng)可導(dǎo)致糖尿病腎病濾過(guò)屏障功能惡化。此外，軟脂酸酯還可誘導(dǎo)不同細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，尤其是胰島β細(xì)胞，軟脂酸鹽誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激導(dǎo)致胰島素分泌缺陷，導(dǎo)致2型糖尿病進(jìn)展[39]。

2 能量代謝與慢性腎臟病的治療

2.1干預(yù)糖代謝的治療 線粒體ROS的過(guò)量產(chǎn)生與線粒體功能障礙有關(guān)，線粒體功能障礙最終導(dǎo)致細(xì)胞損傷和腎臟疾病進(jìn)展[40]，糖尿病db/db小鼠線粒體中的氧化應(yīng)激增強(qiáng)[41]。MitoTempo是一種在線粒體中積累的模擬超氧化物歧化酶的線粒體靶向抗氧化劑，能降低葡萄糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞線粒體中的ROS，并同時(shí)降低核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域受體蛋白3水平和IL-1β的激活[42-43]。Shahzad等[44]使用MitoTempo治療糖尿病C57BL/6小鼠發(fā)現(xiàn)，與磷酸鹽緩沖鹽處理組相比，MitoTempo處理組小鼠的糖尿病腎病和炎癥小體活化指數(shù)降低。以上研究說(shuō)明線粒體靶向抗氧化劑MitoTempo有望成為治療糖尿病腎病的一種藥物。

小檗堿是從中藥黃連中分離出的一種異喹啉生物堿，也叫黃連素，具有強(qiáng)效的抗菌、抗炎和抗氧化活性，可增加癌細(xì)胞對(duì)抗腫瘤試劑的敏感性。Jin等[45]發(fā)現(xiàn)，小檗堿通過(guò)促進(jìn)AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)激活，增強(qiáng)了足細(xì)胞自噬，并保護(hù)足細(xì)胞免受高糖誘導(dǎo)的損傷,可能是小檗堿抗糖尿病腎病作用機(jī)制之一，可能有助于設(shè)計(jì)新的干預(yù)糖尿病腎病的方法。

Sirt6是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性高度保守的去乙酰化酶家族成員，具有多種酶活性，包括去乙?；秃颂腔an等[46]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)染Sirt6質(zhì)粒可顯著減輕高糖誘導(dǎo)的線粒體缺陷，Sirt6過(guò)表達(dá)可同時(shí)減輕高糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞凋亡和氧化應(yīng)激，增加AMPK磷酸化，即Sirt6通過(guò)激活A(yù)MPK通路保護(hù)足細(xì)胞線粒體，發(fā)揮抗凋亡作用。這為糖尿病腎病的治療提供了新的見(jiàn)解。

2.2干預(yù)脂質(zhì)代謝的治療 有些藥物可以調(diào)節(jié)脂質(zhì)水平，可權(quán)衡利弊適當(dāng)選擇使用。他汀類(lèi)藥物中除強(qiáng)化蛋白尿和加速腎臟疾病進(jìn)展的瑞舒伐他汀外，其他通常對(duì)慢性腎臟病進(jìn)展有延緩作用，但只能用于高膽固醇血癥患者。貝特類(lèi)主要對(duì)高密度脂蛋白產(chǎn)生特定影響，可降低三酰甘油水平，升高高密度脂蛋白水平，并減少致命的可能性和非致死性心肌梗死患者輕度到中度慢性腎病[47]。高劑量煙酸能顯著升高高密度脂蛋白膽固醇水平和降低三酰甘油水平，然而煙酸耐受性差及其不良反應(yīng)限制了其在慢性腎臟病人群中的應(yīng)用[48]。

硫氧還蛋白互作蛋白(thioredoxin-interacting protein,TXNIP)是一種多功能蛋白質(zhì)，可以調(diào)節(jié)線粒體氧化磷酸化、脂肪酸β氧化、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡等過(guò)程。Du等[49]對(duì)HK-2細(xì)胞進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，TXNIP 的下調(diào)抑制了高糖介導(dǎo)的脂質(zhì)積累以及乙酰輔酶A羧化酶、脂肪酸合成酶等的表達(dá)，故TXNIP可能是糖尿病腎病的潛在治療靶點(diǎn)。

血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)具有多種生物學(xué)功能，其中VEGF-B可通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)皮脂肪酸的胞外轉(zhuǎn)運(yùn)控制脂質(zhì)積累。Falkevall等[50]研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病腎病小鼠抑制VEGF-B信號(hào)可以降低腎脂毒性，使足細(xì)胞對(duì)胰島素信號(hào)重新敏感，抑制糖尿病腎病相關(guān)病理的發(fā)展，防止腎功能障礙。糖尿病腎病患者VEGF-B的水平升高，提示拮抗VEGF-B可能是治療糖尿病腎病的一種新方法。

AMPK是一種重要的能量傳感器，在脂質(zhì)代謝中起重要作用。Szeto等[31]證明，AMPK的激活可降低脂肪酸合成，增加線粒體對(duì)脂肪酸的吸收和氧化，高脂飲食可降低包括腎臟在內(nèi)的多種組織的AMPK活性，AMPK活化與使用AMPK激活劑治療可預(yù)防腎小球病變和腎小管間質(zhì)纖維化，也能減少管狀細(xì)胞的脂質(zhì)積累。

3 小 結(jié)

能量代謝參與了慢性腎臟病的發(fā)病過(guò)程，涉及的分子機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，已有干預(yù)能量代謝過(guò)程的措施可通過(guò)減輕蛋白尿、改善腎小球硬化、預(yù)防腎小管間質(zhì)纖維化，從而保護(hù)腎臟功能，為慢性腎臟病的治療提供新的途徑。但目前的研究資料相對(duì)有限，其機(jī)制也尚未完全明確。因此，有關(guān)能量代謝在慢性腎臟病中的分子機(jī)制及作用特點(diǎn)仍有待進(jìn)一步研究，尋找與其調(diào)節(jié)相關(guān)的抑制性或激活性底物，發(fā)掘其在疾病早期診斷與治療等方面的價(jià)值，是當(dāng)前及未來(lái)很有前景的課題。