糖尿病肾病的发病机制及其早期生物标志物的研究进展

Research Progress on Pathogenesis and Early Biomarkers of Diabetic Kidney Disease

摘要: 糖尿病肾病(diabetic kidney disease, DKD)是糖尿病(diabetes mellitus, DM)常见的微血管并发症之一。近年来，人们逐渐认识到炎症在调节DKD过程中起重要的作用，炎症也被认为是DKD进展的一个重要驱动因素，未来应该从免疫炎症和细胞水平方面更加深入研究DKD的发病机制以及探索DKD早期生物标志物以利于早期诊断、早治疗、延缓肾功能衰竭。本文主要对DKD的发病机制及其早期生物标志物的作用作一综述，以期为DKD的早期诊断提供理论支撑。

Abstract: Diabetic kidney disease (DKD) is one of the common microvascular complications of diabetes mellitus. In recent years, people have gradually realized that inflammation plays an important role in the regulation of DKD, and inflammation is also considered to be an important driving factor for the progression of DKD. In the future, more in-depth research should be conducted on the pathogenesis of DKD from the perspectives of immune inflammation and cellular level, as well as exploring early biomarkers for DKD to facilitate early diagnosis, treatment, and delay renal failure. This article mainly reviews the pathogenesis of DKD and the role of early biomarkers, in order to provide theoretical support for the early diagnosis of DKD.

1. DKD的发病机制

1.1. 代谢异常

糖尿病是引起终末期肾病的主要原因，慢性肾脏病的防治已成为世界各国所面临的重要公共卫生问题 [1] 。机体长期处于高血糖状态下，全身脏器出现糖代谢异常，其中肾脏、眼、神经等组织的糖代谢明显增强。葡萄糖转运体1的活性增强、胰岛素受体数量增加，细胞内高糖环境引起损伤介质产生过多，这又进一步促进葡萄糖受体1的活性增强，导致细胞内葡萄糖超负荷，使得多元醇途径活化，蛋白质糖基化终末产物生成增加。晚期糖基化终产物(advanced glycation end-products, AGEs)是指还原糖与蛋白质、脂类和核酸氨基酸结合发生的不可逆性非酶学糖基化反应的产物，高血糖等条件可以加速AGEs的产生 [2] 。与其受体结合，激活细胞内多个信号级联反应，进而引起细胞炎症、凋亡与自噬，最终导致肾脏微血管的损伤。机体内AGEs的形成增加，通过促炎作用引起内皮细胞和单核细胞的活化，从而导致微血管和大血管病变。Katz R等 [3] 研究表明，AGEs的积累在DM患者血管钙化的发展中起着关键作用。

Hasegawa等 [4] 在1991第一次提出细胞因子参与DKD的发生过程，学者们认为肿瘤坏死因子和白细胞介素-1可能参与了DKD的发生和进展，在DM小鼠模型的肾小球基底膜上沉积的AGEs可能刺激效应细胞产生这些细胞因子。目前人们的饮食中含有大量的AGEs，这与食物的烹饪方式有关系。食物经过烤、焙、煎、炸后出现的色、香、味的物质，这一过程叫做Maillard反应，其产物就是AGEs。2017年国外一项横断面研究表明，限制饮食中AGEs摄入或者改变食物的烹饪方式，避免长时间的高温烹饪，如煎、炸、烘、烤等，尽可能在高湿度的情况下进行加工，例如蒸或煮，可以有效降低AGEs的含量，长期高AGEs饮食可能导致血管功能障碍和炎症激活，促进T2DM患者血管并发症的进展 [5] 。明确糖基化终产物对机体的各种作用可能是未来研究糖代谢异常所致DKD发病的一个重要方向。

1.2. 氧化应激

机体高血糖状态下，机体氧化系统和抗氧化系统失衡，细胞内过多的葡萄糖自身氧化造成细胞内线粒体超负荷，氧代谢产物–活性氧产生过多 [6] 。活性氧可诱导多种损伤介质，促进肾小球细胞外基质合成增多，导致肾小球纤维化；活性氧也可导致基底膜破坏和间质细胞浸润增多，导致肾小管间质纤维化 [6] 。细胞内各种信号通路通过促进纤维化相关因子，从而促进DKD肾间质纤维化的发展，最终导致慢性肾功衰竭。

1.3. 免疫反应

1.3.1. 巨噬细胞与DKD发病的关系

单核细胞通常在血液中停留一天左右，在单核细胞趋化蛋白-1等趋化因子的作用下迁移至全身组织器官，发育为巨噬细胞，在局部微环境中由不同类型的趋化因子或者炎症介质的作用下，被分化为功能和特性不相同的两个巨噬细胞亚群，其中M1型巨噬细胞(type-1 macrophage, Ml)有强大的吞噬杀菌能力，可通过释放趋化因子和促炎细胞因子如白介素1、白介素6、肿瘤坏死因子等而引发炎症反应 [7] 。M2型巨噬细胞(type-2 macrophage, M2)通过分泌白介素10、转化生长因子等介导产生抑制炎症的作用和参与损伤组织的修复和纤维化。Landis等 [8] 研究提出M1通过促进促炎因子和活性氧的生成来促进炎症过程，而M2通过释放生长因子来抑制炎症并参与组织的修复。M2型促进肾脏修复和减缓DKD进展的机制仍存在争议，值得进一步研究。

1.3.2. 单核细胞趋化蛋白1与DKD的关系

Nadkarni等 [9] 研究表明巨噬细胞浸润肾组织是由于趋化因子表达的上调，如单核细胞趋化蛋白1 (monocyte chemoattractant protein 1, MCP1)在DKD动物模型的尿液中高表达，表明该生物标志物在DKD 进展中发挥一定的作用。Satirapoj等 [10] 研究指出，尿中MCP1水平的升高与DM患者的肾功能的下降密切相关，这表明排泄的MCP1水平可能是预测DKD进展的一个有效的生物标志物。

1.3.3. 集落刺激因子1与DKD的关系

集落刺激因子1 (colony-stimulating factor, CSF-1)，是一种同型二聚体糖蛋白，CSF-1在肾小球系膜细胞、上皮细胞和内皮细胞中表达。Lenda等 [11] 做动物实验研究表明，在肾脏的炎症过程中，小鼠CSF1的缺失导致巨噬细胞招募和增殖的减弱。Naito等 [12] 研究表明，将产生CSF1的细胞植入自身免疫性狼疮小鼠体内，其肾脏会刺激局部巨噬细胞介导的炎症发生。此外，Lim等 [13] 研究提出使用抗CSF1受体的抗体可以减少啮齿动物肾脏疾病模型中巨噬细胞的聚集，包括单侧输尿管梗阻、同种异体肾移植排斥反应和DKD。综上所述，CSF1是多种肾脏疾病中巨噬细胞发挥作用的关键因素。

机体免疫系统的失调是DKD启动的一个重要决定因素。很多研究已经表明T细胞、B细胞和自然杀伤细胞是炎症的关键驱动因素。活化的T细胞通过细胞毒性作用能直接引起肾脏损伤。这可能是由T细胞分泌的促炎细胞因子激活邻近的巨噬细胞，并刺激肾小球细胞产生MCP1和CSF-1。这些研究表明免疫系统成分参与了DKD的发生，并且粘附分子和趋化因子在DKD的炎症进展中发挥了重要作用，对于DKD相关的具体的免疫机制还需要进一步探索。

1.4. 炎症反应

炎性反应是DKD各阶段进展的危险因素之一，DKD是一种炎性疾病 [14] 。机体的代谢异常会引起慢性炎症反应，慢性炎症会使得MI和M2巨噬细胞表型失衡。慢性炎症在肥胖和胰岛素抵抗的进展中也起着重要作用，炎症逐渐被认为是导致糖尿病患者动脉粥样硬化改变和微血管并发症进展的原因。肿瘤坏死因子是肾脏中单核细胞趋化蛋白1 (monocyte chemoattractant protein1, MCP1)表达的诱导因素。肿瘤坏死因子(TNF-α)也在脂肪组织中表达，并与胰岛素抵抗和T2DM的发病机制有关。已有研究表明 [15] ，肾脏疾病患者的血清中TNF-α的浓度和尿中TNF-α的排泄率均有所增加，提示体循环中过量的TNF-α可能导致趋化因子的上调。此外，血清中TNF受体(TNF-R1或TNF-R2)水平的升高与肾功能下降或肾功能衰竭的风险密切相关。国外一项研究表明 [16] ，DKD患者的IL-6、IL-10、IFN-γ和TNF-α水平高于无DKD患者。Niewczas等 [17] 研究提出17个富含TNF-R家族成员的蛋白，这些蛋白与10年内发生肾功能衰竭的风险相关。C反应蛋白(C-reactive protein, CRP)属于非糖基化聚合蛋白，在肝脏中合成，胰岛素抵抗患者对胰岛素的敏感性降低，这可能使其对肝脏合成CRP的抑制作用减弱，从而引起CRP水平升高。而DKD患者体内胰岛素抵抗、炎症反应进一步加重，CRP水平升高更为显著。彭等 [18] 研究表明CRP是DM患者肾损伤的独立危险因素。有研究表明 [19] ，超敏C反应蛋白、血清同型半胱氨酸、胱抑素C也可以作为DM患者早期肾损伤的一个灵敏的标志物。在临床上为了延缓DKD的进展所使用的药物在预防和阻止DKD进展方面远远不够，学者们一直在研究导致肾脏损害的分子基础，并开发新的药物。近几年的研究较多关注DKD的炎症调节因子，在动物模型和DKD患者中均发现，炎症介质的水平在血液和肾组织活检病理涂片中均有所增加，炎症介质对于DKD早期诊断至关重要。

1.5. 遗传因素

Shikata等 [20] 研究表明细胞间黏附分子(intercellular adhesion molecule 1, ICAM1)基因的缺失改善了小鼠的肾脏炎症，ICAM1参与了DKD的发病机制。遗传易感性和家族聚集性在DKD的发病过程中也有重要的因素，在遗传因素方面仍需要不断探索。

1.6. 肾素–血管紧张素–醛固酮系统的激活

Ruggenenti等 [21] 研究表明DKD的关键决定因素之一是肾素–血管紧张素–醛固酮系统激活，随后导致肾小球内压力升高、肾脏血流动力学紊乱、促炎因子的分泌，最终导致肾小球硬化。Mezzano等 [22] 研究发现血管紧张素II通过ANGII 1型受体对DKD的炎症发展过程发挥着重要的刺激作用。这些研究表明，肾素–血管紧张素–醛固酮系统激活参与了DKD的发生，这可能是为进一步研究DKD提供了方向。

以上从不同方向阐述了DKD发病的可能机制，其中炎症因素不仅贯穿DKD各阶段，并与大部分其他发病机制相互关联，所以，我认为可以着重从炎症因素方向探索DKD的早期诊断。

2. DKD的早期生物标志物

2.1. 微量蛋白尿

DKD诊断的“金标准”是肾脏活检，然而，临床工作中很少使用该确诊方法。在临床上常用微量蛋白尿作为DKD早期预测的指标。Chen等 [23] 研究表明，T2DM患者也可发展为非蛋白尿性肾功能不全，这提示蛋白尿不是DKD发生的先决条件。而且T2DM患者出现微量蛋白尿之后大多数患者的尿液后期又会恢复正常。故目前临床上亟待解决的是寻找早期预测DKD的生物标志物，为早期诊断DKD并延缓病情进展提供依据。

2.2. 新型炎性生物标志物

Akbas等 [24] 研究发现血小板计数/淋巴细胞计数(PLR)是慢性肾病患者尿白蛋白的独立危险因素，随着PLR的升高，尿白蛋白也升高，PLR有可能参与DKD的发生和发展。国内一项研究表明 [25] ，中性粒细胞计数/淋巴细胞计数(NLR)、PLR、平均血小板体积三者均是早期DKD的危险因素。上述研究提示我们有望依靠进一步研究PLR与DKD的相关性，从而早期诊断DKD。高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)通过阻止巨噬细胞迁移和低密度脂蛋白胆固醇氧化来阻断单核细胞的促炎和促氧化作用 [26] 。Kanbay等 [27] 研究发现，较高单核细胞计数和较低HDL-C水平是炎症和动脉粥样硬化的预测指标。国外一项研究结果表明 [28] ，体重指数与血液炎症标志物中单核细胞/高密度脂蛋白比值(MHR)的相关性较强。中性粒细胞计数/淋巴细胞计数(NLR)、PLR是新型的可稳定反映机体炎症状态的全身炎症反应标志物，它与T2DM及其并发症如糖尿病视网膜病变、DKD、DM引起的大血管病变均密切相关 [29] [30] 。近年来，大量的观察结果已经将这些生物标志物与心血管疾病联系起来，也涉及肾脏、颈动脉相关病变 [31] [32] [33] 。最近一项研究表明 [34] ，DKD患者的MHR高于非肾病组，而蛋白尿与MHR无相关性，该研究是横断面研究，但纳入的病例数较少，目前还需要综合的研究来揭示MHR和蛋白尿之间的关系。

2.3. 血脂异常

DM患者血中的甘油三酯和极低密度脂蛋白水平明显升高，机体长期处于高血脂状态，引起胰岛素抵抗，胰岛素与血中高密度脂蛋白胆固醇的含量呈正相关，故高密度脂蛋白胆固醇的合成减少 [35] 。LDL-C是临床血脂检测中的常规项目，有2种亚型，其中，颗粒较大、密度接近1.02 g/ml为A型，而颗粒较小、密度接近1.06 g/ml为B型，即小而低密度脂蛋白胆固醇(small dense low-density lipoprotein cholesterol, sdLDL-C)。T2DM合并肥胖者以胰岛素抵抗多见，Palazhy等 [36] 研究表明胰岛素抵抗患者血清LDL-C是以sdLDL-C为主，测定血清中sdLDL-C能更加精准的显示LDL-C的水平。范等 [37] 研究表明sdLDL-C对T2DM患者早期肾损伤具有较高的预测价值，可用于DKD的早期诊断。这种胆固醇还未在临床上大量使用，还需要更多的临床研究进一步证实其在早期DKD中的价值。

3. 总结

国内外学者对于DKD的发病机制及早期预测进行了大量研究，DKD的发病机制是由遗传因素、糖代谢异常因素、炎症因素等多因素共同作用形成的，其过程复杂，应多种角度考虑其发病原因，才能更有效地寻找DKD的有效治疗方案。

由于对DKD的早期诊断仍然是困难的，DKD的早期预测是一个重要的课题。DKD的很多发病因素都会引起肾脏慢性炎症反应，研究这种促炎环境的原因以及这些途径对认识DKD的发展有深刻的意义，未来应加强DKD分子、细胞水平的探索。

通过现有的研究表明，生物标志物对于早期DKD的预测价值具有重要的意义，其中包括新型炎性生物标志物、血脂指标等，DKD发病机制中涉及到细胞信号通路中相关的细胞因子等方面仍有待探索，这些新的靶点对临床治疗提供帮助。