低氧在衰老相关肾功能改变中作用(综述)

低氧在衰老相关肾功能改变中作用（综述） 2014 年 09 月 28 日 10:58 来源：中华肾脏病杂志 作者：刘金瑞 蔡广研 邹洪斌 陈香美 衰老是随着寿命增长一个不可避免的过程，到 2020 年，预计我国老年人口（65 岁） 将达到 2.48 亿。到 2050 年，中国人口老龄化问题更加严重，总数将超过 4 亿。 据美国肾脏数据系统显示：6574 岁以及 75 岁以上老年人群，终末期肾衰竭发病率 分别为 11%和 14%。解放军总医院全军肾脏病研究所对北京市社区健康人群的流行病学调查 结果显示：血压、血糖、血脂及血尿常规正常的 65 岁以上健康人群，36.4%的个体 GFR 小 于 60mlmin-1(1.73 m2)-1。 2014 年世界肾脏病日主题为防治老年慢性肾脏病，伴随自然衰老而引起的肾功能减退 问题需引起重视。作为运输氧合血液到组织内维持器官寿命及组织活性的心血管系统，在 衰老组织中可见动脉增厚、硬化等功能障碍，引起组织灌注降低，导致局部缺血。 伴随组织灌注降低，组织低氧可致氧化系统与抗氧化系统（活性氧自由基、活性氮自 由基产生过多）失衡，直接引起组织损伤，尤其是纤维化发生。衰老相关组织损伤在肾脏 的表现尤为突出，不仅有肾小球的形态改变，而且伴随显著的肾小管间质细胞表型转变， 促进肾功能减退。本文将以低氧在衰老相关肾间质纤维化中作用为切入点作一综述。 一、衰老肾脏功能改变与低氧之间的关系 老年个体肾功能的变化为肾血管阻力增加，肾血流量减少，在 50 或者 60 岁以后这些 变化更明显。肾脏衰老组织学表现为局灶性肾小球硬化、系膜基质增生、基底膜增厚、肾 小管间质纤维化以及血管再生能力减弱。 有研究证实，年老大鼠较年轻大鼠肾小管周毛细血管 （peritubularcapillaries，PTCs）数目明显下降，年轻大鼠仅在肾髓质区域观察到低氧 现象，而年老大鼠肾组织中低氧区域波及皮质，且差异具有统计学意义。 可见随着年龄增长，肾脏血管逐渐变得稀疏，引起肾实质缺血低氧。肾实质在人 3080 岁开始减少，尤其是在 50 岁以后，脂肪、纤维疤痕可能会取代一些实质组织，残 余肾小球通过收缩出球小动脉提高滤过率，由此引起的高球内压导致肾小球硬化。 75 岁时，即使正常衰老组织，肾小球受损及局部肾小球硬化率亦可占 30%，影响肾脏 血流量。推测老年肾脏血管数目减少与血流量下降是衰老肾脏处于低氧环境中的主要原因。 低氧证实与肾小管间质病变有关，它诱导肾小管上皮间充质改变（EMT）、纤维及胶 原产生，这一过程可引起肾间质纤维化、PTCs 减少，加重低氧，这样产生一个闭合回路加 速肾脏向终末期肾脏病（endstage renaldisease，ESRD）的转变。 反之在慢性梗阻性肾病（COU）、慢性肾小管间质性肾炎（CTIN）、慢性肾盂肾炎 （CPN）、黄肉芽肿性肾盂肾炎（XGPN）、ESRD 等多种类型的慢性肾小管间质疾病中均观 察到 PTCs 密度、平均直径下降。 PTCs 下降是 CKD 的一个危险因素。衰老大鼠肾组织 PTCs 中内皮细胞氮氧化物合酶 （eNOS）下降，且肾小管上皮细胞、单核细胞中均出现 eNOS 免疫炎性反应，引起肾小管间 质损伤，暗示衰老相关的肾间质纤维化可能是缺血、缺氧（因 PTCs 减少及 eNOS 表达受损） 的重要反应。 随着年龄增长，组织低氧与器官衰老相伴而行。目前研究显示，低氧可通过多种途径 影响肾间质纤维化发展。 二、低氧对肾间质纤维化的作用 如上所述，肾小管哲间质纤维化是肾脏衰老主要组织学改变之一。参与衰老相关肾间 质纤维化的重要因素有：炎性反应氧化应激晚期糖化终产物（AGES)慢性低氧等。由衰老引 起的组织低氧可通过低氧诱导因子(HIFs)依赖，非 HIFS 依赖途径参与肾间质纤维化。 1. HIFs 依赖途径： HIFs 是正常或者变异的细胞在面对低氧刺激时最基本的转录应答反应。它可诱导 40 多个基因的转录，包括红细胞生成素（EPO）、葡萄糖转运蛋白 1（GLUT1）、糖酵解酶、 血管内皮生长因子（VEGF）及其蛋白产物增加氧输送及适应低氧环境的基因。 目前 HIFs 对肾间质纤维化影响具有两面性。一方面 HIFs 可保护肾组织对低氧的耐受， 减轻肾损伤，Oh 等使用 COCL2 预处理促使 HIF1 表达增加，发现 HIF1 削弱环孢素 A 诱导的 NFB 的磷酸化、波形蛋白（Vimentin）、SMA 的表达，减缓炎性反应及纤维 化。 另外，Kobayashi 等观察到低氧或者髓系细胞中 HIF1 的活化可延缓肾脏炎性反应 相关的慢性肾损伤。HIF1 可能通过抑制炎性反应保护肾功能。虽然 HIF2 作为 HIFs 非稳定 亚基中的另一成员，主要在肾脏成纤维样细胞及内皮细胞中表达，但亦有研究证 明 L含羞草氨酸可通过上调 HIF2 亚型及其靶基因 VEGF、EPO 改善慢性肾脏病 （chroinckidneydisease，CKD）晚期肾功能，另一方面低氧亦可通过 HIFs 途径促进肾间 质纤维化。 低氧在肿瘤细胞中的研究较多，证实 HIF1、HIF2 主要通过 EMT 相关的转录因 子或者抑制因子（Twist，Snail，Slug，SIP1/ZEB2）、活化信号通路 （TGF1，Notch，NFB，Wnt/catenin，Hedgehog）或者上调炎性反应相关的细胞 因子（TNF、IL6、IL1）来促进肿瘤迁移。 在肾脏，HIF1 通过其下游靶基因 Twist、CTGF、TGF1/Smad3 参与低氧诱导的 肾间质纤维化，低氧还可以通过 HIF1 诱导 I 型纤溶酶原激活抑制因子（PAI1）的表 达，其中 PAI1 通过抑制纤溶酶依赖的细胞外基质（ECM）降解来促进 ECM 的积聚。 目前认为 HIFs 对肾间质纤维化的作用与组织低氧时间长短有关。急性缺氧，HIFs 增 加可保护肾组织免受低氧损伤；慢性缺氧，HIFs 表达增加则诱导肾间质纤维化。 低氧会诱导 HIFs 增加已经非常明确：囊性纤维化跨膜通道调节因子（CFTR）是器官 适应低氧的重要因子，其通过调控胞内活性氧（ROS）水平稳定 HIF1；AktmTOR 上调 HIF1 的表达，mTOR 刺激 HIF1mRNA 转录生成蛋白质。 但亦有研究证明即使在含氧量正常情况下，一氧化氮（NO）、活性氧簇（ROS）、肿 瘤坏死因子 （TNF）、白介素 1（IL1）、血管紧张素（Ang）、 TGF、NFB、高糖以及生长因子，如表皮生长因子（EGF）、胰岛素、胰岛素样生长因 子（IGFs）等，可直接或者间接抑制 HIF 羟基化，促进 HIF1 水平的增加。 如上所述，TNF、IL1 等炎性因子参与对 HIFs 的调控。事实上，肾脏细胞衰老， 不仅改变细胞形态，促使肾小球滤过率下降，还促发炎性反应。炎性反应不仅导致肾髓质、 肾皮质氧分压下降，而且随着炎性细胞增殖及随后肾间质纤维化的发生，肾小管与供氧微 血管之间的距离逐渐增加进一步加重低氧。 炎性细胞主要依赖 HIF1 途径适应低氧微环境，巨噬细胞浸润在低氧引起的终末期 肾脏病中发挥重要作用。 低氧亦可促进炎性细胞聚集，增加内皮转运蛋白、细胞因子 TNF、IL1 的表达。 这些细胞因子穿过血管内皮到达低氧区域，对早期组织创伤修复及肉芽组织形成有积极作 用。 2. 非 HIFs 依赖途径： 低氧亦可独立于 HIFs，通过与纤维化有关的信号因子、信号通路或者 microRNA（miRNA）影响肾间质纤维化。首先，NFB 转录因子在低氧促纤维化过程中扮 演重要角色。 Wan 等研究证明在肾脏疾病中，为维持 PTCs 密度，近端小管上皮细胞表达 VEGF 受体 来进行调控。另外低氧刺激人类膀胱上皮细胞，NFB 活化，诱导 IL1、IL6 表达水平 增加，导致纤维化。 其次 PI3KAkt 信号通路、腺苷信号分子被证明参与低氧诱导的肾间质纤维化。低氧 刺激 HK2 细胞，胆绿素还原酶通过 PI3KAkt 通路介导低氧诱导的 EMT，而腺苷是低氧诱 导的一种信号分子，低氧促进腺苷受体介导的环腺苷酸应答元件结合蛋白（CREB）功能活 化，诱使 A2B 腺苷样受体表达增加，导致 IL6 产生促进肾间质纤维化作用。 近几年来生命科学研究领域的一个重大突破就是在真核生物体内发现了具有调节功能 的非编码的 microRNA，主要通过与靶标基因 3UTR 的完全或不完全配对，降解靶标基因 mRNA 或抑制其翻译，这种 microRNA 沉默效应的多面性使得细胞能够在多种信号通路中快 速转换。 参与低氧诱导肾间质纤维化中具有代表性的 microRNA 为 miR200 家族和 miR21。miR21 通过 TGF1 信号通路促进肾间质纤维化，miR200、miR29 通过抑制 EMT 和胞外基质产生改善肾间质纤维化。 TGF1 是起始和维持 EMT 的主要细胞因子，microRNA 可直接或者间接诱导其表达。 低氧时 miR192 表达增加，抑制 miR192 可阻止 TGF1 诱导的 EMT。 另外低氧降低 miRNA34 的表达，而 miRNA34 可通过 Notch1、Jagged1 蛋白抑制 EMT。总之，衰老肾组织局部低氧可通过多种途径影响肾间质纤维化。近年来，寻找改善肾 组织缺氧的治疗措施成为研究的热点。 三、改善肾组织缺氧的措施 肾间质纤维化是 CKD 的最终结局之一，改善缺氧可能成为阻止 CKD 进展的有效方法。 但专门针对改善低氧从而延缓衰老相关纤维化的研究甚少。 目前可从抑制 Ang、模拟限食、增加 PTCs 改善肾组织缺氧这 3 方面进行借鉴。低氧 状态下，Ang增加，它不仅直接促进全身微动脉收缩，而且还促进活性氧簇及 TGF1 的 生成。 血管紧张素受体拮抗剂血管紧张素转换酶抑制剂（ACEI）与 ARB 类药物可改善衰老 相关的肾小管萎缩、肾间质纤维化，肾小球硬化与单核细胞浸润。 在 SD 大鼠糖尿病模型中，缬沙坦通过下调 HIF1 及其靶基因的活性，改善肾间质 纤维化。在 5/6 肾切除 SD 大鼠中，氯沙坦通过下调 HIF1、上调基质金属蛋白酶 9/组织 金属蛋白酶抑制物 1（MMP9/TIMP1）基因，改善肾间质纤维化。 在单侧输尿管梗阻（UUO）模型中，坎地沙坦增加 X盒结合蛋白1（XBP1）表达， 减少活性转录因子 4（ATF4）、cATF6、CHOP 蛋白表达，阻止内质网应激诱导的细胞凋亡、 纤维化，减轻肾损伤。 模拟限食可延缓组织衰老及其相关纤维化，对低氧诱导纤维化的保护作用亦有报道。 二甲双胍最开始用于 2 型糖尿病的治疗，现在被认为具有模拟限食的功效。 体内实验，在 ZDF 大鼠中，二甲双胍降低 ATP 产生及氧耗，增加细胞内氧分压，削弱 HIF1 表达及哌莫硝唑染色，改善肾损伤；而体外实验亦证明在人肾近端小管上皮细胞 中，二甲双胍抑制 HIF1 及其靶基因的表达。 另外白藜芦醇是在葡萄皮中发现的一种单体，可模拟限食所产生的生物学效应，被证 明可降低氧化应激时肾损伤。Kitada 等最近研究证明在 UUO 动物模型或者体外培养的细胞 中，白藜芦醇活化 sirt1，进而抑制 Smad3 的乙酰化，导致 TGF1 诱导的 IV 胶原及纤连 蛋白的表达减少，改善低氧应激时肾脏损伤。 此外食用富含维生素 E、牛磺酸的食物可抵抗氧化应激，对衰老相关肾间质纤维化具 有保护作用。肾脏衰老明显特征为 PTCs 密度下降，因此寻找增加 PTCs 密度的治疗方案至 关重要。目前可能有两种途径，一方面，通过神经生长因子1（netrin1）、NO、L含羞 草氨酸增加 PTCs 密度。 在 5/6 肾切除小鼠中，Adnetrin1 治疗组 PTCs 密度增加，改善组织低氧、减轻肾间 质纤维化。NO 作用于平滑肌细胞，扩张血管，改善肾脏血流量，延缓缺氧刺激。 在 UUO 动物模型中，注射 L精氨酸促进 NO 合成，可增加 VEGF、eNOS 及 PTCs 的密度， 明显减少 HIF1、TGF1 的表达，证实 NO 在肾脏血管新生及延缓肾间质纤维化进程中 发挥重要作用。 另外，与 Ang生理作用相反的血管紧张肽 ANG（17）亦是通过 NO 扩张血管，改善 肾脏间质纤维化。在 CKD 早期，使用 PHD 抑制剂（L含羞草氨酸），增加 CTGF、pSmad3 的表达，加速肾功能损伤及纤维化。 在 CKD 终末期使用 L含羞草氨酸，可活化 HIF2，上调 EPO、VEGF 表达，保护 PTCs，延缓 CKD 疾病进展。另一方面，可通过抑制天然血管抑制剂凝血酶敏感蛋白 1（TSP1）的表达，增加 PTCs 密度。UUO 诱导肾间质纤维化中，TSP1RNA 抑制剂增加 VEGF 表达、PTCs 密度，降低 HIF1、胶原及 CTGF 的表达，可改善 PTCs 损伤组织间质 纤维化。 借鉴上述的干预措施，应