肾纤维化的细胞和分子基础

[摘要] 纤维化造成的正常肾实质破坏是导致慢性肾脏病渐进性损伤的常见致病因素。了解肾间质纤维化的发病基础可以为治疗慢性肾脏病提供更好的选择。虽然其机制较为复杂，但可主要归纳为以下四点：①间质性炎性反应，同时参与致病和修复过程；②主要来源于肾间质细胞（成纤维细胞）的肌纤维母细胞形成独特的间质细胞群，参与细胞外基质与间质瘢痕形成；③肾小管上皮细胞在损伤早期参与损伤过程，在损伤后期由于其再生能力的丧失成为纤维化的受害者；④間质毛细血管完整性的破坏导致氧输送受阻，发生恶性级联缺氧-氧化应激，加重了肾损伤和纤维化，由于缺乏足够的血管生成反应，无法维持健康的间质毛细血管网络。遗传和表观遗传因素的重要性也日益受到重视。心肾综合征的发生发展与肾脏纤维化的高发病率和病死率密切相关。

[关键词] 细胞外基质；间质毛细血管；肾纤维化；巨噬细胞；成纤维细胞

[中图分类号] R692 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2017）03（a）-0045-04

The cellular and molecular basis of renal fibrosis

XIAO Chengcheng ZHANG Jie

Department of Urology， Renmin Hospital of Wuhan University， Hubei Province， Wuhan 430060， China

[Abstract] The destruction of normal kidney parenchyma caused by fibrosis is a common cause of chronic kidney disease. Understanding the pathogenesis of renal interstitial fibrosis can provide a better treatment option for chronic kidney disease. Although complex， it can be mainly summarized as the following four aspects： ①Interstitial inflammatory reaction， which participates in the pathogenesis and repair process. ②Myofibroblast mainly derived from the renal interstitial cells （fibroblasts） forms a unique cell mass， which participates in the formation of extracellular matrix （ECM） and interstitial scars. ③Renal tubular epithelial cells participate in early kidney injury， and in the late kidney injury， they become the victim of fibrosis for the loss of the regenerative ability. ④The damaged integrity of interstitial capillaries results in the disruption of oxygen transport， and the incidence of a malignant cascade of hypoxia and oxidative stress aggravates renal injury and fibrosis. Due to the lack of sufficient blood vessel formation， the healthy capillary network can not be maintained. The importance of genetic and epigenetic factors has also been paid more attention. The incidence and development of cardiac syndrome is closely related to the high morbidity and mortality of renal fibrosis.

[Key words] Extracellular matrix； Interstitial capillaries； Renal fibrosis； Macrophages； Fibroblasts

慢性肾脏病的高发病率给社会和患者家庭带来了沉重的经济负担。普遍认为纤维化造成的正常肾实质破坏是导致慢性肾脏病渐进性损伤的常见致病因素。尽管大量研究已发现导致纤维化的关键细胞和分子介质，但尚未得到临床验证[1-4]。目前13%～16%的慢性肾脏病患者需行血液透析治疗，远期他们可能需进行肾移植治疗，而慢性肾脏病所致的心血管疾病高患病风险更使患者生存率明显降低[5]。基础科学研究的快速发展为研究新的治疗方法提供了平台。参与纤维化主要介质的发现，更为靶向治疗的发展打下基础。本文对肾纤维化的细胞和分子基础进行综述，为基础研究及临床工作提供参考。

1 肾纤维化的细胞与分子介质

1.1 炎性细胞

慢性肾疾病的共同特点是巨噬细胞参与的间质浸润，其密度与移植肾存活率呈负相关[1]。在不同环境下，巨噬细胞可合成和分泌多种产物，包括生长因子和细胞因子[转化生长因子β（TGF-β）、血小板衍生生长因子、成纤维细胞生长因子、肿瘤坏死因子-α、γ-干扰素、肝细胞生长因子]，酶及其抑制剂（血管紧张素转换酶、纤溶酶原激活因子、纤溶酶原激活物抑制物-1、胶原酶、基质金属蛋白酶组织抑制剂），基质蛋白（胶原蛋白、纤连蛋白、凝血酶敏感蛋白）和许多其他产物（补体蛋白、凝血因子、生物活性脂质、活性氧、一氧化氮、内皮素等）[6]。已有实验表明减少间质中巨噬细胞的数量可减轻肾纤维化程度[7]。

多功能巨噬细胞与组织潜在损伤的关系已被公认，其分子基础在过去十年的重要科学进展中已被阐明[8]。经典活化的M1型巨噬细胞与替代激活的M2型巨噬细胞来源于局部刺激下暴露的单核细胞。诱导M1型巨噬细胞形成的主要是γ-干扰素、脂多糖、肿瘤坏死因子、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子，主要与组织损伤相关；而白细胞介素（IL）-4、IL-13、糖皮质激素、维生素D、巨噬细胞集落刺激因子和TGF-β诱导M2型巨噬细胞形成，其可能促进组织损伤的修复。当务之急是确定两者之间的微妙联系。这依赖于基因、蛋白质和代谢分析研究。例如Ⅰ型甘露糖受体，精氨酸酶-1的出现将抑制M2细胞。在可逆性肝损伤模型中，巨噬细胞的功能已被阐明。损伤诱导期抑制巨噬细胞可减轻纤维化[9]。纤维化是伤口愈合的重要组成部分，但还需要进一步研究M2型巨噬细胞应答后修复形成的正常肾实质与导致慢性肾脏病的不良瘢痕的关系。这突出了体外介导巨噬细胞修复肾组织的治疗潜力，有待动物实验进一步证实[10]。

1.2 肌成纤维细胞

肌成纤维细胞是最开始出现在纤维化肾间质中的细胞群[2]，其出现是瘢痕形成必不可少的条件，已有研究表明，其数量与预后密切相关，其特征为由具有成纤维细胞形态特征的间质细胞所分泌的α-平滑肌肌动蛋白（αSMA）。有研究证实肌成纤维细胞是瘢痕中基质蛋白的主要来源，这表明肌成纤维细胞的存在是纤维化必不可少的条件。肌成纤维细胞的来源已在动物模型中被广泛研究，但仍未达成共识。谱系追踪研究采用了遗传工程策略和不同的细胞追踪方法，最终出现了相悖的结果[2，11-13]。αSMA本身可能不是促进纤维化的蛋白，据报道，αSMA遗传缺陷的小鼠会发生更严重的肾纤维化[14]。最近的研究发现细胞亚群表达的甘露糖受体-2可降解细胞外基质[15]。不同细胞起源的肌成纤维细胞存在的功能异质性还有待探索。

大部分肌成纤维细胞来源于内源性肾细胞的迁移、增殖和转化。肾成纤维细胞和微血管管周细胞是原始肌纤维母细胞的主要来源[16]。当少量基质产生时，成纤维细胞也可来源于髓质细胞，然而在肾脏严重损害时，肾小管上皮细胞、内皮细胞也可以转分化为肌成纤维细胞，其总体数量较小，并持续存在至病程后期[17]。

1.3 肾小管上皮细胞

在慢性肾损伤诱导期，肾小管上皮细胞通过产生合成产物（活性氧、炎症介质等）主动参与损伤过程。多种来源于血浆或肾小球异常过滤的尿蛋白参与损害肾小管上皮细胞[3]。尿蛋白可以通过结合其相关受体激活特定的细胞反应。替代激活途径可被生化修饰或共轭尿白蛋白激活，包括近端小管受体介导蛋白的内吞作用和激活其受体具体信号的反应[18]。后一种途径与刺激炎症趋化因子（由正常T细胞表达和分泌所调节的单核细胞趋化蛋白-1、IL-8、趋化因子、TGF-β、内皮素）的合成有关。在何种程度上尿蛋白会激活肾小管上皮的细胞反应尚不清楚，但这可解释蛋白尿的程度与慢性炎症及纤维化密切相关这一无可争议的事实。

随着纤维化的进展，肾小管上皮细胞会加速凋亡和衰老，这使其失去再生能力。这一转变可能涉及细胞周期的多种具体因素，例如自噬失败、内质网应激、氧化应激和信号缺失等[19-21]。肾小管上皮细胞死亡是肾实质损害的重要特征，非功能性肾小管和肾小球的出现会导致严重的后果。肾小管上皮细胞的组织学指标与肾功能密切相关[22]。保护并再生功能性上皮细胞，维持肾单位的完整性和功能性是有效治疗慢性肾疾病不可或缺的组成部分。新一代测序技术已经揭示导致人类肾性营养不良的基因突变，如无翅型MMTV整合家族成员4，其为肾功能的再生研究奠定了坚实基础[23]。

1.4 间质毛细血管

肾脏代谢活动是高耗氧过程，已有研究对渐进性纤维化与缺氧所致的慢性肾脏病进行比较[4]。慢性肾损伤的早期，间质微血管通透性增加[24]。因此，当血浆蛋白如纤维蛋白原和白蛋白结合物漏入间质（肾毛细血管渗漏综合征）时，会发生炎症和纤维化反应。在慢性肾疾病中，致病的关键血浆蛋白尚未被确定，最可能是纤维蛋白，因为当肾间质中纤维蛋白减少时，αSMA含量会相应降低[25]。虽然许多慢性疾病的特点是血管过度增生，但慢性肾脏病却发生相反的变化——血管生成受阻，有效间质毛细血管数量显著下降。这使研究人员考虑使用血管生成因子或阻滞抗血管生成因子治疗慢性肾脏病，但在进行性肾瘢痕形成过程中，其作用被证实为无益的[26]。

缺氧-氧化应激与肾纤维化紧密相关。肾小管细胞氧化应激是慢性肾脏损伤的普遍特征，这可能是由于活性氧过度生成和抗氧化能力不足的后果。活性氧的特异性分子靶点对肾纤维化的作用还有待被探索，在将来我们可能会对其有更多的了解，因为代谢组学研究可以确定正常及纤维化肾脏中糖、核苷酸、氨基酸和脂类的具体分布。氧作为细胞信号分子的作用已被证实，也已证实其与纤维化途径有关[27]。高通量筛选技术的出现使通过改善受损肾脏氧化还原能力的治疗药物出现成为可能。最近有实验表明半胱胺具有抗肾纤维化的作用，其作用机制可能与减轻氧化应激反应有关[28]。

2 纤维化反应的遗传和表观遗传学调控

同类原发性肾脏病患者的长期预后存在高度差异性是公认的。毫无疑问，遗传学起着重要的作用，最好的例子是肾脏病结局与种族的相关差异性。非裔美国人载脂蛋白L1基因型（G1和G2的风险等位基因）与肾脏病预后密切相关，这是基因影响肾纤维化严重程度的最新例证[29]。

通过全基因组研究，探索慢性肾脏病的风险与严重程度的关系，尽管无法确定其因果关系，并且基因的多态性未必导致蛋白功能改变，但人类慢性肾脏病全基因组关联研究提供了鉴别新目标人群的无偏方法，其潜在作用值得进一步研究。在最近的几项人全基因组关联研究中，尿调节素（UMOD）被确定为慢性肾脏病的风险及严重程度的重要决定因素[30]。UMOD基因编码一種蛋白质，在亨利髓袢升支和早期远端小管特异表达。尽管目前UMOD的基本功能未知，但其在正常人尿液中含量很高，蛋白编码基因突变是以慢性肾小管间质肾炎为特点的家族性肾脏病的已知诱因。随着人类遗传研究水平的提高，我们可以预见，在慢性肾脏病遗传学领域将有重大突破。

非蛋白编码基因序列的改变也可能影响纤维化过程，其机制可能包括DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA活动等。这些机制都有改变肾纤维化进程的潜能，例如，在肾纤维化的实验模型中，使用去甲基化剂、组蛋白去乙酰化酶抑制剂和抗miRNA-21治疗后，间质的肌成纤维细胞数目显著减少。此外，已有研究证据表明在一些患病动物和人类组织样本中，microRNA-21出现失调控[31-34]。反应性纤维化的表观遗传学调控为我们研究环境对基因调控通路的影响提供了新思路。

3 心肾综合征

大多数慢性肾脏病患者没有达到需要肾脏替代治疗维持生命的地步，但他们中很多却早卒于心血管疾病。慢性腎脏病风险的上升与心功能衰竭的发生几乎呈指数级关系。在DuBose等[5]的一项研究中，eGFR<15 mL/（min·1.73 m2）的人群发生心血管事件的风险比eGFR>60 mL/（min·1.73 m2）的人群高17倍。内皮细胞功能障碍、炎症、平滑肌细胞增殖、氧化应激、血管钙化等多种因素都可促进心肾综合征的发生。在减轻肾纤维化、高血压和/或蛋白尿的同时，也应减少心血管疾病的发生率和严重程度，提高患者的生存率。

在过去的20年中，基础科学研究提高了我们对纤维化细胞和分子基础的理解，使我们了解到正常结构和功能的肾通过纤维化逐渐转变为功能恶化的肾的过程。

尽管许多问题还有待解答，但我们必须从现在做起，将已有的研究成果转变成有效预防、治疗甚至治愈人类慢性肾疾病的策略。

[参考文献]

[1] Yu F，Wu LH，Tan Y，et al. Tubulointerstitial lesions of patients with lupus nephritis classified by the 2003 International Society of Nephrology and Renal Pathology Society system [J]. Kidney Int，2010，77（9）：820-829.

[2] Grande MT，Lopez-Novoa JM. Fibroblast activation and myofibroblast generation in obstructive nephropathy [J]. Nat Rev Nephrol，2009，5（6）：319-328.

[3] Zandi-Nejad K，Eddy AA，Glassock RJ，et al. Why is proteinuria an ominous biomarker of progressive kidney disease？ [J]. Kidney Int Suppl，2004（92）：S76-89.

[4] Mimura I，Nangaku M. The suffocating kidney：tubulointerstitial hypoxia in end-stage renal disease [J]. Nat Rev Nephrol，2010，6（11）：667-678.

[5] DuBose TD Jr. American Society of Nephrology Presidential Address 2006：chronic kidney disease as a public health threat--new strategy for a growing problem [J]. J Am Soc Nephrol，2007，18（4）：1038-1045.

[6] Eddy AA，Neilson EG. Chronic kidney disease progression [J]. J Am Soc Nephrol，2006，17（11）：2964-2966.

[7] Karihaloo A，Koraishy F，Huen SC，et al. Macrophages promote cyst growth in polycystic kidney disease [J]. J Am Soc Nephrol，2011，22（10）：1809-1814.

[8] Ricardo SD，van Goor H，Eddy AA. Macrophage diversity in renal injury and repair [J]. J Clin Invest，2008，118：3522-3530.

[9] Duffield JS，Forbes SJ，Constandinou CM，et al. Selective depletion of macrophages reveals distinct，opposing roles during liver injury and repair [J]. J Clin Invest，2005，115（1）：56-65.

[10] Wang Y，Harris DC. Macrophages in renal disease [J]. J Am Soc Nephrol，2011，22（1）：21-27.

[11] Lin SL，Kisseleva T，Brenner DA，et al. Pericytes and perivascular fibroblasts are the primary source of collagen-producing cells in obstructive fibrosis of the kidney [J]. Am J Pathol，2008，173（6）：1617-1627.

[12] Lebleu VS，Taduri G，O"Connell J，et al. Origin and function of myofibroblasts in kidney fibrosis [J]. Nat Med，2013，19（8）：1047-1053.

[13] Humphreys BD，Lin SL，Kobayashi A，et al. Fate tracing reveals the pericyte and not epithelial origin of myofibroblasts in kidney fibrosis [J]. Am J Pathol，2010，176：85-97.

[14] Takeji M，Moriyama T，Oseto S，et al. Smooth muscle alpha-actin deficiency in myofibroblasts leads to enhanced renal tissue fibrosis. [J]. J Biol Chem，2006，281（52）：40193-40200.

[15] Lopez-Guisa JM，Cai X，Collins SJ，et al. Mannose receptor 2 attenuates renal fibrosis [J]. J Am Soc Nephrol，2012，23（2）：236-251.

[16] Eddy AA. The origin of scar-forming kidney myofibroblasts [J]. Nat Med，2013，19（8）：964-966.

[17] Reich BJ，Smith LB. Bayesian quantile regression for censored data [J]. Biometrics，2013，69（3）：651-660.

[18] Christensen EI，Birn H，Storm T，et al. Endocytic receptors in the renal proximal tubule [J]. Physiology（Bethesda），2012，27（4）：223-236.

[19] Yang L，Besschetnova TY，Brooks CR，et al. Epithelial cell cycle arrest in G2/M mediates kidney fibrosis after injury [J]. Nat Med，2010，16（5）：535-543.

[20] Li L，Zepeda-Orozco D，Black R，et al. Autophagy is a component of epithelial cell fate in obstructive uropathy [J]. Am J Pathol，2010，176（4）：1767-1778.

[21] Humphreys BD，Czerniak S，DiRocco DP，et al. Repair of injured proximal tubule does not involve specialized progenitors [J]. Proc Natl Acad Sci U S A，2011，108（22）：9226-9231.

[22] Mackensen-Haen S，Bohle A，Christensen J，et al. The consequences for renal function of widening of the interstitium and changes in the tubular epithelium of the renal cortex and outer medulla in various renal diseases [J]. Clin Nephrol，1992，37（2）：70-77.

[23] Vivante A，Mark-Danieli M，Davidovits M，et al. Renal hypodysplasia associates with a WNT4 variant that causes aberrant canonical WNT signaling [J]. J Am Soc Nephrol，2013，24（4）：550-558.

[24] Yamaguchi I，Tchao BN，Burger ML，et al. Vascular endothelial cadherin modulates renal interstitial fibrosis [J]. Nephron Exp Nephrol，2012，120（1）：e20-e31.

[25] Sorensen I，Susnik N，Inhester T，et al. Fibrinogen，acting as a mitogen for tubulointerstitial fibroblasts，promotes renal fibrosis [J]. Kidney Int，2011，80（10）：1035-1044.

[26] Long DA，Norman JT，Fine LG. Restoring the renal microvasculature to treat chronic kidney disease [J]. Nat Rev Nephrol，2012，8（4）：244-250.

[27] Finkel T. Signal transduction by reactive oxygen species [J]. J Cell Biol，2011，194（1）：7-15.

[28] Okamura DM，Bahrami NM，Ren S，et al. Cysteamine modulates oxidative stress and blocks myofibroblast activity in CKD [J]. J Am Soc Nephrol，2014，25（1）：43-54.

[29] Wasser WG，Tzur S，Wolday D，et al. Population genetics of chronic kidney disease：the evolving story of APOL1 [J]. J Nephrol，2012，25（5）：603-618.

[30] Eddy AA. Scraping fibrosis：UMODulating renal fibrosis [J]. Nat Med，2011，17（5）：553-555.

[31] Luo Y，Wang C，Chen X，et al. Increased serum and urinary microRNAs in children with idiopathic nephrotic syndrome [J]. Clin Chem，2013，59（4）：658-666.

[32] Wang G，Kwan BC，Lai FM，et al. Urinary miR-21，miR-29，and miR-93：novel biomarkers of fibrosis [J]. Am J Nephrol，2012，36（5）：412-418.

[33] Ben-Dov IZ，Muthukumar T，Morozov P，et al. MicroRNA sequence profiles of human kidney allografts with or without tubulointerstitial fibrosis [J]. Transplantation，2012，94（11）：1086-1094.

[34] Glowacki F，Savary G，Gnemmi V，et al. Increased circulating miR-21 levels are associated with kidney fibrosis [J]. PLoS One，2013，8（2）：e58014.