从急性肾损伤到急性肾病再到慢性肾病进展的分子机制_AKI_CKD

从急性肾损伤到急性肾病再到慢性肾病进展的分子机制

2024-10-15

关键词： AKI CKD

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导读

本文将全面概述从急性肾损伤（AKI）和急性肾病（AKD）向慢性肾病（CKD）过渡所涉及的分子途径。强调了肾损伤与AKI和AKD的病理生理机制之间的联系，包括肾低灌注、败血症、肾毒性和免疫反应。此外，各种分子在炎症和缺氧中起着关键作用，引发适应不良修复、线粒体功能障碍、免疫系统反应和肾细胞的细胞衰老。关键信号通路，如Wnt/β-catenin、TGF-β/SMAD和Hippo/YAP/TAZ促进纤维化并影响肾功能。肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）引发级联反应，导致肾纤维化，醛固酮加剧氧化应激和细胞变化，从而促进纤维化。临床证据表明，RAS抑制剂可以预防CKD进展，尤其是AKI后，尽管需要更广泛的试验来证实其全部影响。

炎症

虽然AKI与各种机制有关，但它主要被认为是一种由具有全身影响的突发性疾病驱动的复杂临床综合征[1]。急性损伤后，应激细胞和受损组织可能会释放损伤相关分子模式（DAMP），DAMP与Toll样接收器4（TLR4）等模式识别受体（PRRs）相互作用，激活先天免疫途径，导致产生促炎细胞因子、趋化因子和活性氧（ROS），最终导致进一步的细胞坏死和组织损伤[2-3]。坏死肾小管细胞释放的细胞内分子，如高迁移率族蛋白1（HMGB1）、组蛋白、热激肽和纤维蛋白，进入细胞外空间，加剧了炎症级联反应[4]。此外，持续释放炎症相关的纤维化细胞因子，如转化生长因子β（TGF-β）和白细胞介素-13（IL-13），可以触发上皮间质转化（EMT），可能导致肾纤维化和慢性肾功能不全[5]。参与炎症相关基因表达的最突出的信号通路包括核因子κB（NF-κB）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和STAT通路成分。NF-κB是一种关键的核转录因子，在调节与炎症反应相关的基因和扩散炎症细胞因子、趋化因子和粘附因子的释放中起着关键作用。NF-κB家族由五种相关蛋白成员组成：p50、p52、RelA（p65）、RelB和c-Rel。NF-κB的失活受IκB激酶（IKK）的调节[6]。IKK在ROS和细胞因子的刺激下发生磷酸化和快速降解。

这一过程导致游离NF-κB二聚体的释放，然后进行磷酸化并转运到细胞核。随后，这种易位促进了炎症相关基因的转录[7]。然而，研究表明，沉默信息调节转录物1（SIRT1），也称为Sirtuin1，有可能减轻肾脏损伤[8]。SIRT1是一种组蛋白脱乙酰酶，在肾小管上皮细胞（TEC）中过表达SIRT1会抑制NF-κB的激活。这种抑制是通过RelA/p65亚基上Lys310残基的脱乙酰基或通过降低乙酰转移酶P300/CBP的活性而发生的[9]。因此，SIRT1通路为减轻AKI提供了潜在的治疗靶点。地奥司明（Diosmin）是一种在枳实中发现的糖基化多酚类黄酮，主要通过依赖SIRT3介导的NF-κB p65核表达的抗炎症作用来减轻肾纤维化[10]。此外，在肾脏疾病背景下抑制炎症过程的靶向疗法也受到了关注。这包括通过使用微小RNA（miRNA）调节NF-κB信号通路来调节NF-εB通路和特异性抑制NF-κB/NLRP3活性[11]。

缺氧

TEC依赖线粒体呼吸链中的ATP通过Na-K-ATP酶维持肾功能，这一过程高度依赖氧气。AKI期间氧气不足会导致线粒体功能障碍、ROS产生增加和内皮损伤，这会进一步诱导管周毛细血管稀疏，加重组织缺氧并使这一循环永久化[12]。缺氧被证明会显著增加miR-493，导致细胞周期调节因子癌蛋白（stathmin-1、STMN-1）的抑制。这种诱导导致G2/M细胞周期停滞，并在体外释放大量细胞因子[13]。此外，缺氧诱导因子（HIFs）也参与了AKI后肾纤维化的发展过程。通常，HIF由各种亚基组成，包括各种α亚基（HIF1/2/3α）和共享HIF1β。在正常生理条件下，HIF-1α被脯氨酰羟化酶结构域（PHD）蛋白羟基化，然后与Von Hippel-Lindau（VHL）E3泛素连接酶结合，随后在蛋白酶体中降解[14]。在缺氧条件下，PHD蛋白的抑制导致HIF-1/2α易位到细胞核中，与HIF-1β结合并进一步启动基因转录，包括血管内皮生长因子（VEGF）、促红细胞生成素（EPO）和葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）的表达[15]。HIF是否是肾纤维化的保护因素仍在争论中。一些研究表明，HIF通过TGF-β、NF-κB和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）途径或通过p53上调的G2/M细胞周期阻滞途径参与调节促纤维化基因和促进肾纤维化[16-17]。相反，一些作者发现，在缺氧条件下，HIF-1α与FoxO3结合，FoxO3被认为是AKI后的肾脏保护因子，随后抑制FoxO3的羟基化和降解[18]。SerpinA3K是动物模型中AKI向CKD转变的另一种新的生物标志物，敲除SerpinA3K导致FoxO3表达增加，细胞对缺氧损伤的反应得到改善，表明Serpin A3K参与了肾脏氧化反应、HIF1α通路和细胞凋亡[19-20]。

探索PHD抑制剂在肾损伤中有效性的研究强调了HIF对肾纤维化的积极影响[21]。罗沙司他（Roxadustat、FG-4592）是FibroGen近十年前开发的开创性HIF-PHI，通过抑制PHD蛋白发挥作用，从而调节HIF合成和降解之间的动态[22]。该药物已在许多国家获得批准用于与CKD相关的肾性贫血患者[23]。此外，研究表明，罗沙司他通过抑制炎症因子、减轻线粒体损伤、降低Bax和切割的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3的水平来影响肾脏损伤，从而减少细胞凋亡[24]。此外，它通过维持氧化还原平衡和增强肾血管再生来抑制肾纤维化过程。这种作用是通过HIF-1α/血管内皮生长因子A（VEGFA）/VEGF受体1（VEGFR1）信号通路和促进内源性抗氧化超氧化物歧化酶2（SOD2）的表达介导的[25]。

参与肾纤维化过程的信号通路

肾小管损伤后的不适当性修复诱导进行性肾纤维化和肾脏正常结构的破坏，被认为是导致CKD的关键病理机制[26-27]。肾脏中各种局部基质细胞向成肌细胞的转化在进行性肾纤维化中起着重要作用，包括对肾脏成肌细胞和周细胞/血管周围成肌细胞、EMT、内皮细胞向间充质转化（EndMT）和巨噬细胞（骨髓衍生）向成肌转化（MMT）的影响[28]。成肌细胞导致肾实质中细胞外基质的过度产生和沉积，最终导致慢性肾纤维化和肾功能丧失[29]。肾纤维化的复杂过程中涉及严重的分子，主要是Wnt/β-catenin、TGFβ1/SMAD和Hippo信号通路。

01.Wnt/β-Catenin信号通路

Wnt/α-Catenin通路在肾纤维化的发生和信号传递中起着重要作用[30-31]。正常情况下，Wnt/β-catenin激活负责肾组织急性损伤后的细胞修复和再生；然而，该通路的持续激活可能导致肾纤维化，并最终诱导CKD[32]。在正常的生理过程中，由五种蛋白组成的蛋白质复合物通过磷酸化灭活Wnt/β-catenin通路，以防止该通路的过度激活和肾纤维化。然而，在病理状态下，Wnt配体与卷曲蛋白（FZD）、低密度脂蛋白（LDL）受体相关蛋白5/6（LRP5/6）和LRP结合，这些蛋白主要来源于肾小管细胞的细胞质，导致β-catenin的磷酸化减少并将其转化为活性形式下游信号，包括TGF-β1/SMAD信号、RAS、Snail1、Twist1、基质金属蛋白酶7（MMP-7）、瞬时受体电位规范6（TRPC6）和纤溶酶原激活物抑制剂-1（PAI-1），导致成纤维细胞活化[33-34]。Wnt配体的持续表达最终诱导成肌细胞转化，导致纤维化[29]。此外，WNT/β-catenin信号传导参与CKD相关的血管钙化和矿物骨病。例如，WNT/β-catenin通路受到DKK家族蛋白质的严格调控。特别是，DKK3是由“应激”TEC释放的，这会导致肾脏纤维化，并与CKD进展和AKI的短期风险有关[32]。

02.TGF-β1/SMAD信号通路

TGF-β1/SMA信号通路是促进向成肌细胞和肾纤维化转变的另一个重要机制[35]。TGF-β1在非活性状态下产生，与潜伏性相关肽（LAP）和潜伏性TGF-β1结合蛋白（LTBP）结合。各种触发因子，如ROS能够从LAP和LTBP中释放TGF-β1，从而激活TGF-β1。TGF-β1的活性形式与II型TGF-β1受体（TβRII）结合，并进一步与I型TGF-β2受体（TαRI）结合，诱导SMAD2/SMAD3复合物的磷酸化，从而激活SMAD4。SMAD4诱导SMAD2/SMAD3从细胞质向细胞核的易位，并且该复合物最终激活miRNA-21和miRNA-192，最终导致细胞外基质产生和肾纤维化。相比之下，SMAD7是一种由SMAD3转录诱导的抑制性SMAD，调节SMAD3的功能，并作为TGF-β1/SMAD通路的负反馈机制[37-38]。

在正常生理条件下，有大量的SMAD7通过泛素-蛋白酶体降解机制降解TβRI来抑制TGFβ1/SMAD途径[39]。在病理状态下，SMAD3的过表达会诱导SMAD泛素化调节因子1（Smurf1）、SMAD泛素化调节因子2（Smurf2）和arkadia降解SMAD7蛋白[40-41]。这一过程进一步有助于促原过程，诱导向成髓细胞的转变，并诱导肾纤维化进展[42-44]。

03.Hippo信号通路

Hippo通路于20年前首次被发现，被认为与细胞生长、增殖和凋亡有关。它在调节器官大小、组织再生和肿瘤发展方面起着关键作用[45]。各种生理和病理信号可以诱导Hippo信号通路，包括细胞外基质（ECM）硬度、细胞极性和能量应激[46]。上游膜受体充当细胞外生长抑制信号的受体。当抑制信号与受体结合时，TAO激酶通过磷酸化STE20样丝氨酸/苏氨酸激酶1/2（MST1/2）激活Hippo通路，与衔接蛋白Salvador 1（SAV1）形成复合物。随后，该复合物将大肿瘤抑制因子（LATS1/2）和LATS1/2相互作用蛋白MOB激酶激活剂1（MOB1）磷酸化，然后磷酸化的LATS1/2-MOB1复合物将YAP和TAZ磷酸化，这促进了细胞质多泛素化，并随后被蛋白酶体降解YAP/TAZ[47]。相反，Hippo通路的失活导致上游激酶的去磷酸化，导致活性YAP/TAZ迁移到细胞核中。在那里，它们与各种转录因子相互作用，包括TEA结构域DNA结合家族成员（TEAD1-4），以调节细胞增殖[48]。YAP/TAZ也会与其他转录因子结合，包括TCF/LEF转录因子、SMAD1、SMAD2/3和p37[49]。

研究表明，Hippo通路与AKI有关[50]。在AKI修复阶段，肾TEC的细胞质和细胞核中的YAP蛋白水平都会升高，并且它们也与YAP和TEAD表达的变化呈正相关[51]。此外，Hippo通路与肾TEC中的EMT有关，EMT是AKI向CKD过渡的关键过程。EMT是通过TGF-β/Smad通路的激活和肾小管上皮细胞极性的丧失而发生的。这种极性主要由Crumbs（CRB）/PALS1复合物维持，该复合物也调节Hippo信号通路[52-53]。研究表明，中药可能会影响Hippo通路并调节肾纤维化，尽管其用于肾脏疾病的临床证据仍然不足[49]。雷公藤甲素是一种三氧化二萜化合物，已被发现可以通过调节Hippo信号通路抑制TEC中的EMT并减少肾纤维化[54]。此外，槲皮素（Triptolide），一种生物类黄酮药物，激活Hippo信号通路，可能减缓肾脏疾病进展并有助于预防肾纤维化[48]。另一种化合物Verteporfn（VP）是一种用于治疗年龄相关性黄斑变性的光敏剂，可以与YAP结合，破坏其与TEAD的相互作用，这可能会改善肾小管间质炎症和纤维化[55-56]。

先天免疫和适应性免疫

除了成肌细胞过渡外，免疫系统在肾脏损伤和修复的病理生理学的各个方面也起着至关重要的作用。在损伤的急性期，先天免疫系统的成分，如巨噬细胞和中性粒细胞，被招募到损伤部位。它们释放促炎细胞因子，如白细胞介素6（IL-6）和肿瘤坏死因子α（TNF-α），从而增强炎症反应。在AKI的后期，免疫系统也参与了修复过程。例如，巨噬细胞（在急性损伤期间表现为M1表型，通过释放IL-1、IL-6和TNF-α加剧炎症过程）切换到M2表型，介导炎症级联反应并传播修复过程[57-58]。然而，M2型巨噬细胞通过MMT或多种生长因子参与肾纤维化[43]。TEC释放Wnt配体，促使巨噬细胞表型从M1转变为M2，从而促进纤维化[59]。

巨噬细胞还分泌Wnt蛋白、TGF-β1和TIMPs，通过参与细胞外基质的合成和沉积，对肾脏纤维化发挥关键作用[60]。肾细胞中补体水平的升高也与肾纤维化的发病机制有关。例如，PDGFRβ阳性周细胞中C1q水平升高会导致炎症和肾瘢痕形成加剧。这归因于IL-6、单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1；CCL2）和巨噬细胞炎症蛋白-1α（MIP1-α；CCL3）等细胞因子的产生增加[61]。C1r和C1s的mRNA和蛋白质表达在纤维化期间也会增加，这导致C3片段水平的增加，最终传播补体系统的下游反应，导致肌成纤维细胞转化和肾纤维化的激活[62]。动物研究表明，C5敲除和C5R拮抗剂的使用可以减少组织纤维化[63]。其他研究表明，抑制C1r丝氨酸蛋白酶或C3a/C3aR可以有效缓解不同小鼠模型的间质纤维化[64-65]。

适应性免疫系统也参与AKI过程。在最初的损伤过程中，肾树突状细胞向T细胞呈递抗原。活化的T细胞随后释放促炎细胞因子，包括干扰素-γ（IFN-γ），导致整体炎症级联反应[66]。与巨噬细胞中观察到的表型转变非常相似，调节性T细胞是免疫系统的强大介质，在肾脏中变得可识别。这些调节性T细胞通过接触依赖机制和可溶性介质（如IL-10）的释放抑制许多不同免疫细胞的激活，IL-10诱导STAT1、3和5的磷酸化，从而促进损伤后的修复和抗纤维化过程[67-69]。

线粒体功能障碍

AKI，尤其是缺血性损伤，可导致线粒体功能障碍，因为缺氧会破坏线粒体中的电子传递链，并产生过量的含自由基物质。这些有害分子进一步损伤肾小管细胞[70]。在最近的研究中，线粒体功能障碍也越来越被认为是AKI向CKD转变过程中的关键因素[29,71]。基本上，线粒体稳态是通过三个过程来维持的：线粒体动力学、线粒体吞噬和线粒体生物合成[72]。线粒体动力学包括两个不同的过程：断裂（由DRP1调节）和融合（由MFN1、MFN2和OPA1调节）。自噬是受损线粒体被自噬选择性降解的过程，自噬受PINK1-PARK2途径、BNIP3和NIX途径以及FUNDC1途径的调节。线粒体生物合成主要受过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化因子-1α（PGC-1α）的调节，在细胞增殖过程中解决了细胞能量需求的增加，并补充了新形成细胞中的线粒体含量[70-73]。动物研究表明，调节这些参与线粒体稳态过程的基因会影响肾脏损伤、肾脏纤维化和肾小管上皮细胞凋亡的过程[74-77]。例如，肾小管细胞中PGC-1α水平的升高会增加线粒体质量，在缺血和急性损伤后提供肾脏保护，而不会导致细胞死亡[78]。相反，在脓毒性AKI中，PGC-1α的全面缺失会导致严重的肾功能障碍[77]。

G2/M阻滞通路和细胞衰老

DNA损伤反应（DDR）信号传导的启动对于AKI后肾近端上皮细胞的修复机制至关重要。当修复不完全时，受损细胞被阻滞在G2/M期以稳定遗传因子[79-80]。这些细胞随后表现出信使RNA（mRNA）表达的显著上调促纤维化生长因子，如TGF-β1和结缔组织生长因子（CTGF），最终导致间质纤维化[27-81]。雷帕霉素（TOR）自噬特殊偶联区室（TASCC）的靶标与细胞衰老有关，TASCC是G2/M阻滞的肾小管细胞中存在的新型复合物[82]。细胞周期蛋白G1（CG1）在TASCC的形成中起着关键作用，研究表明，近端小管中CG1的缺失或抑制（TASCC复合物的关键成分）的特异性缺失显著减轻了肾纤维化。

上皮Toll样和IL-1受体（TLR/IL-1Rs）是介导细胞衰老和G2/M阻滞途径的其他因素[83]。AKI后，IL-1和DAMPs激活TLRs可引发过度炎症反应，促进间质纤维化；相比之下，删除Myd88，一种TLR/IL-1下游蛋白和一种NF-κB上游蛋白，可以改善肾损伤后的肾纤维化[83-84]。因此，靶向经历G2/M细胞周期阻滞的小管是一种有前景的治疗方法，已经记录了几种干预措施。例如，吡氟氰菊酯-α（piffthrin-α）是一种关键细胞周期调节因子p53的抑制剂，是一种有前景的候选药物，可用于AKI后减少AKI后的肾纤维化[85]。PTBA类似物4-（苯硫基）丁酸甲酯（M4PTB）是一种组蛋白脱乙酰酶抑制剂，也被证明可以减少受损肾小管细胞的G2/M阻滞，从而减少间质纤维化[86]。其他研究揭示了靶向细胞周期蛋白依赖性激酶4/6的特异性抑制剂在优化受损小管细胞周期进程方面的有效性[87-88]，该激酶是细胞周期从G1期进展到S期的关键介质。

肾素-血管紧张素-醛固酮系统

RAAS是由肾脏肾小球旁细胞释放肾素引发的。它将肝脏形成的血管紧张素原转化为血管紧张素I（Ag I），随后通过血管紧张素转换酶（ACE）的作用转化为血管紧缩素II（Ag II）。AKI后RAAS的延长和过度激活可通过各种机制导致CKD进展[89]。Ag II与Ag II受体1型（AT1R）的结合激活RhoGEF/RhoA/ROCK级联反应，并诱导NF-κB、PAI-1、MAPK/细胞外信号调节激酶（ERK）1/2和NADPH氧化酶的过表达。NADPH氧化酶，即产生ROS的酶，会增加细胞内的氧化应激，并导致TGF-β/SMAD和MAPK/ERK1/2的过表达[90-91]。所有这些分子都有助于器官重塑和组织纤维化。此外，AT1R激活通过PI3K/Akt途径介导细胞内一氧化氮（NO）和钙水平之间的平衡。通过肌醇1,4,5-三磷酸（IP3）抑制内皮型一氧化氮合酶（eNOS）和增加细胞质钙水平，会提高输出小动脉的阻力，破坏传入小动脉的自我调节，最终导致肾小球滤过过度和硬化[90,992-93]。

醛固酮是一种盐皮质激素，被认为参与了肾纤维化过程，与通过介导盐潴留来增加血压的作用无关。醛固酮通过诱导ROS的产生、上调EGFR和AT1R的表达以及激活NF-κB和激活蛋白-1（AP-1）对肾脏产生影响。这些分子事件进一步促进细胞增殖、凋亡和上皮细胞的表型转化，进而引发TGF-β、CTGF和PAI-1的表达，最终导致肾纤维化的发展[94-95]。

许多临床试验支持RAS抑制剂（如ACE抑制剂和AT1a受体阻滞剂）对糖尿病或蛋白尿型非糖尿病CKD患者的肾脏保护作用[96-97]。一项涉及70801名患者的荟萃分析显示，AKI后暴露于ACEi/ARB与AKI复发和CKD进展的风险较低有关[98]。然而，只有少数观察性研究探讨了RAS抑制剂对AKI向CKD转变的影响。此外，还没有一项大规模的随机对照试验来评估RAS阻断对AKI的影响以及CKD的后续发展。RAS活性在AKI急性期和严重程度中的作用尚不确定。

结论

将肾脏疾病分为AKI、AKD和CKD，突出了进展的风险以及AKI/AKD与CKD之间的因果关系。AKI是在多种损伤后出现的，导致复杂的病理生理事件，如细胞缺氧、炎症和肾毒性，以及随后的肾损伤。炎症反应在AKI中起着核心作用，细胞应激导致DAMP的释放和先天免疫的激活，导致进一步的损伤和纤维化。包括NF-κB、MAPK和STAT在内的分子途径在与AKI相关的炎症和纤维化中起着关键作用。AKI后的适应不良修复机制，涉及各种肾细胞向成肌细胞的转变，对CKD的进展有重大影响。Wnt/β-catenin、TGF-β/SMAD和Hippo信号通路在这一转变中起着关键作用，促进纤维化并影响肾功能。线粒体功能障碍、细胞衰老、缺氧和RAAS也是AKI进展和CKD转变的关键因素，尤其是RAAS在肾重塑和纤维化中起着重要作用。尽管RAAS的重要性得到了认可，但还需要更多的研究来充分了解其在AKI和随后CKD发展中的作用。

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