常染色体显性遗传多囊肾病间质病变

Interstitial Disease of Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease

摘要: 常染色体显性遗传多囊肾病(Autosomal dominant polycystic kidney disease, ADPKD)是一种常见的单基因遗传病。它是导致终末期肾衰的重要疾病之一，发病率约为1/1000~1/400，约占终末期肾病病因的10%。目前尚缺乏有效治疗药物。近年来，国内外对其发病机制、诊断及治疗方面进行了很多相关的研究及其论述，主要集中在囊泡的发生发展和囊液分泌等方面，对肾脏间质参与的病变过程，如间质的炎症和纤维化，探讨较少。本文主要综述ADPKD发病机制及其间质病变在ADPKD发病中的作用。

Abstract: Autosomal dominant polycystic kidney disease is a common single-gene genetic disease. It is one of the most important causes of end-stage renal failure. Its incidence is about 1/1000-1/400, accounting for about 10% of end-stage renal disease etiology. There are no effective drugs currently. In recent years, domestic and oversea researchers have conducted a lot of studies and discussions related to the pathogenesis, diagnosis and treatment, focused on the cyst development and secretion of cyst fluid secretion. But there is little research on renal interstitial disease, including interstitial inflammation and fibrosis. In this review, we mainly discuss the pathogenesis of ADPKD and effectives of interstitial disease in ADPKD.

1. 引言

常染色体显性遗传多囊肾病(Autosomal dominant polycystic kidney disease, ADPKD)是一种较常见的单基因遗传病，发病率约为1/1000-1/400[1] ，是导致终末期肾衰的重要疾病之一，约占终末期肾病病因的10%。多在成年后出现症状，囊肿在出生时即已存在；或在成年时发生和发展。以双肾充满囊液的囊泡进行性发生发展为主要病变特点，并常伴发肝、胰、脾等器官囊性病变及颅内动脉瘤、心脏瓣膜异常，高血压等心脑血管病变。临床表现为腰痛及上腹痛(82.5%)、高血压(56.8%)、血尿(39.6%)、腹部肿块(30.1%)、尿路感染(6.2%)、肾绞痛(6.7%)及并发尿路结石(10.6%)，囊肿进行性生长，对肾脏结构和功能的损害日益加重，50％的患者在60岁前发展为终末期肾病(ESRD) [2] 。目前，主要采用手术治疗方法：囊肿去顶减压术，保护剩余正常肾单位免遭囊性组织的进一步的挤压和损伤。对于肾功能不全的终末期及晚期患者，需进行肾透析和肾移植。本文主要综述近年来ADPKD发病机制，尤其是间质病变的相关研究进展。

2. ADPKD发病机制及其病程进展

已发现与ADPKD发病相关的3个基因PKD1、PKD2、PKD3。其中PKD1定位于16染色体短臂1区3带(16p13)，PKD2定位于4号染色体长臂2区1带至3带之(4q21-23)，分别编码多囊蛋白1(polycystin-1, PC1)和多囊蛋白2(polyeystin-2, PC2)。多囊蛋白(PC)可以调控增殖，分化及肾小管的发生。PC1作为膜受体广泛分在肾脏、肝脏、胰腺、小肠等组织的细胞膜上，主要分布在肾小管上皮细胞细胞膜的3个位置上：细胞-基质局部粘附复合体，细胞间的粘附连接，纤毛。其氨基端位于细胞外，羧基端位于细胞内。它是一种力敏感性蛋白，参与维持纤毛正常感知。纤毛具有运动及感知外界信号的功能纤毛在维持多囊蛋白正常功能中起重要作用，任何引起纤毛功能缺陷的基因突变(如PC1、PC2)都会导致多囊肾病[3] [4] 。

PC2表达于内质网、细胞膜底外侧及初级绒毛中，包括六个跨膜区域，其氨基端和羧基端都位于细胞内，PC2与电压激活性钙离子通道同源，起非选择性阳离子通道作用，可通过影响细胞内钙离子浓度，独立或与多囊蛋白1共同发挥作用，调节细胞增殖分化，参与ADPKD的发生发展。约85%的ADPKD患者由PKD1突变所致，约15%患者由PKD2突变引起，两者症状相似，PC1和PC2对细胞内钙的浓度有很大影响[5] ，Pkd1编码的多囊蛋白-1 (PC1)功能缺陷被认为是肾囊泡发生发展的主要原因。多囊蛋白分布广泛，并参与细胞-细胞、细胞-基质间的相互作用。有研究表明PC1还可利用螺旋结构与细胞外基质直接作用，引起剂量依赖的增值抑制[6] 。Weston等[7] 通过实验证实其在体外可与某些胶原蛋白相结合，并可被可溶性糖类抑制。同时PC1可以调节胶原，纤维结合素，层粘连蛋白及囊液层粘连蛋白碎片的结合反应。2006年Jiang[8] 等建立的Pkdl基因突变小鼠模型，该模型的正常PCl减少，证实了Pkd1剂量的降低可导致1型ADPKD囊肿的形成。2000年Pritcbard[9] 、2006年Thivierge[10] 等均证实了Pkdl基因的过表达同样会导致囊肿的形成。Pkd1过表达或低表达均可引起囊肿的形成。

充液囊泡的发生发展和间质纤维化是导致终末期肾功能衰竭的主要原因。Liu等[11] 证实了PC1基因的缺失可以通过增加TGF-β下游信号通路分子，如CTGF、p-smad2/3，对TGF-β的反应活性，进而促进TGF-β信号通路的表达。实验表明[12] 人类ADPKD肾脏囊泡上皮细胞内TGF-β及其通路的相关信号分子均高表达。而TGF-β是导致间质纤维化的重要信号分子，参与了ADPKD间质纤维化及其病程的进展。近十年来，因肾衰竭加重住院患者比例明显增加[13] ，延缓肾衰竭治疗逐步得到重视。

3. 间质病变

3.1. 细胞外基质(ECM)积聚及其间质纤维化

ADPKD囊肿的发生发展一般伴有进行性间质细胞数增加、细胞外基质(ECM)的堆积、肾小管间质的纤维化和肾小管基底膜增厚。肾小管间质纤维化的特点是渐进性的ECM积聚。ECM是由各种大分子，包括胶原蛋白，纤连蛋白，弹性蛋白，层粘连蛋白，蛋白多糖和非胶原糖蛋白构成的。基质金属蛋白酶(matrix metallo proteinases, MMPs)是一种可以分解多种细胞外基质组分，促进细胞增殖迁移的蛋白酶家族。在正常组织中，MMPs表达量很少，ADPKD患者血清及肾组织中MMP-1，MMP-9和组织金属蛋白酶抑制因子1 (TIMP1)均有升高[14] [15] 。尽管MMP-2被认为可以通过促进ECM降解而抑制间质纤维化，但其过表达可一定程度通过促进EMT而加重纤维化[16] 。TIMPs可通过抑制MMPs的活性促进ECM的积聚。但TIMP-1的基因缺失并不能减少纤维化反应[17] 。而TIMP-3的基因缺失加剧肌纤维母细胞活化[18] 。ADPKD的病理改变可能与MMPs/TIMPs基因表达失衡有关[19] 。ADPKD是ECM异常合成与降解共同作用的结果[18] 。细胞外基质的重塑为囊泡生长提供了条件。有研究结果表明[20] PKD肾脏中细胞外基质胶原蛋白的过表达和MMPs活性的增加可导致囊泡的形成和发展。MMPs通过调节基质蛋白的合成分解促进多囊肾病发展。巴马司他是一种广谱的金属蛋白酶抑制剂，已被证明能够通过抑制金属蛋白酶参与的细胞外基质的异常降解而减少Han：SPRD大鼠PKD模型的肾囊泡数量和肾脏体积[21] 。还有研究显示，ADPKD囊肿上皮细胞中β-1整联蛋白的粘合力得到了巩固和加强，使其粘合胞外基质中的胶原蛋白和层粘连蛋白的能力比正常细胞强2~5倍[22] 。

PC1具有特殊的能够与多种细胞外基质相互作用的功能域。PC1表达异常会引起细胞外基质的异常。PC1具有募集E-cadherin的作用，E-cadherin是间质纤维化的重要标志之一，可维持细胞形态、运动及粘附功能，当PC1异常时，E-cadherin减少，提示ADPKD病程中有间质纤维化的参与。Norman等[23] 报道，ADPKD肾中取出的间质成纤维细胞具有更强的增殖能力，可产生和分泌更多的成纤维细胞因子-1 (fibroblast growth factor-1, FGF-1)和转化生长因子β(TGF-β)，可能参与了ADPKD纤维化反应，且FGF-1可诱发细胞内蛋白更为快速和持续的酪氨酸磷酸化。匹格列酮可能通过上调E-cadherin、抑制酪氨酸酶磷酸化，延缓肾囊泡发展。Northern印迹显示，ADPKD中各基质蛋白的mRNA增加，且基质成分的合成增加[24] 。PC1的功能之一是通过与mTOR形成复合物抑制mTOR的活性；在ADPKD中由于PC1缺失，不能形成抑制性复合物，mTOR通路可影响胶原蛋白的合成与稳定，还与TGF-β等信号通路相互作用影响细胞外基质的产生。mTOR通路被激活后，可引起细胞增生及纤维化最终引起囊肿[25] 。PC2也可能通过调控蛋白质合成等方式与ECM相联系。在Pkd2基因突变小鼠和ADPKD患者体内，囊泡的发展和间质纤维化水平有着密切的关系[26] 。

综上可见，细胞外基质重塑和间质纤维化与ADPKD病程关系密切，而抑制细胞外基质重构和间质纤维化进程可减缓ADPKD病程的进展。

3.2. 间质炎症

炎症可能在ADPKD的发病中起着重要作用。纤维化标志之一是持续性炎症浸润。对ADPKD终末期肾脏基因进行分析显示有免疫及炎症反应相关基因的表达[12] 。Karihaloo等[27] 运用基因敲除方法构建的PKD小鼠模型发现，囊肿壁旁活化巨噬细胞的含量明显增加，巨噬细胞的浸润可促进囊肿内壁细胞的增生及PKD的进展，去除巨噬细胞可抑制上皮细胞的增生及囊肿的生成，还有研究[28] 发现在ADPKD患者尿液中出现单核细胞趋化蛋白-1 (monocyte chemoattractant protein-1, MCP1)，且该蛋白在尿液中的高表达与囊肿生长密切相关。因此，抑制巨噬细胞的聚集、及相关炎症信号分子(如IL-1β，TNF-α和IL-2)可作为一个新的治疗方向。Berthier等[29] 研究发现，ADPKD的SPRD小鼠模型中MMP-2和基质MMP-14有明显的过表达，而免疫抑制剂西罗莫司可明显改善两者的过表达，减少基质、肾小管基底膜和囊肿的病变。免疫抑制剂雷帕霉素(rapamycin, RAPA)可抑制PKD肾脏增大及囊肿生长，保护肾功能[30] 。

4. 转化生长因子-β (TGF-β)激活的信号通路在间质病变中的作用

肾小管上皮细胞间充质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)是肾小管间质纤维化的重要机制之一，而TGF-β是最重要的诱导上皮细胞转分化的细胞因子，其诱导EMT的过程也是在病理状态下导致肾间质纤维化的主要途径[31] 。TGF-β属于一组调节细胞生长和分化的TGF-β超家族。在哺乳动物至少发现有TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、TGF-β1β2四个亚型。其中TGF-β1在人血小板和哺乳动物骨中含量最高。TGF-β1可激活下游的Smad2/3，CTGF等信号通路参与间质纤维化过程。并可通过激活ERK等旁路途径影响细胞增殖和某些炎症反应。研究表明[32] 在ADPKD患者肾组织中TGF-β1、TβR I、TβR II、CTGF的蛋白及mRNA的表达较正常肾组织明显增加，主要分布在萎缩的肾小管、囊壁细胞、间质血管周围。肾间质纤维化的程度与TGF-β1、CTGF的mRNA和蛋白的阳性表达均呈明显正相关。TGF-β纤维化细胞因子在人ADPKD的囊泡上皮细胞[12] [33] 和Pkd-1敲除小鼠模型中均高表达[34] 。除TGF-β1外的大部分生长因子，均可刺激体外囊肿衬里上皮细胞的增殖，在ADPKD肾脏囊液中的浓度也高于正常组织及ADPKD患者血浆和尿液中的浓度。这些生长因子通过自分泌和旁分泌促进囊泡发生发展[35] -[40] 。尽管纤维化过程有多种纤维化因子的参与，但TGF-β1在所有肾脏纤维化疾病中均有表达的上调，其下游Smad信号通路是纤维化的一个标志[41] 。有研究结果表明[37] ，ADPKD患者肾脏囊泡衬里上皮细胞的细胞核内P-Smad增加，且其集聚主要发生在PKD进展阶段，而非起始阶段。TGF-β也主要在囊泡的进展以及ADPKD纤维化进程中发挥作用，而非囊泡的起始形成过程。TGF-β1能通过激活Smad通路增强CTGF启动子活性。CTGF不仅能促进胶原I、II、IV及纤维连接蛋白(fibronectin, FN)等多种ECM成分的产生，还能通过抑制胶原酶、基质金属蛋白酶和纤溶酶原激活因子(TMP)的活性及促进纤溶酶激活物抑制因子(PAI)和金属蛋白酶组织抑制因子(TIMP)的表达抑制ECM的降解。此外，CTGF还能介导细胞黏附。TGF-β1还作用于许多其他非Smad信号通路，如MAPKs信号通路中的ERK、JNK/p38，PI3K-Akt和WNT/GSK3/β-catenin等[42] ，这些通路被证明在纤维化过程中被激活，如TGF-β1可通过激活p38MAPK活化CREB等转录因子，CREB可以诱导FN mRNA的表达增加参与诱导ECM合成。此外，在ADPKD中，TGF-β在正常肾小管上皮细胞中抑制EGF引起的细胞增殖的功能发生缺失。MAPK/ERK特异性抑制剂PD98059可以抑制由TGF-β引起的FN mRNA的表达及FN的分泌，表明MAPKs在系膜细胞中TGF-β引起的细胞外基质产生有着重要作用[43] 。

ADPKD病人囊泡上皮细胞中存在着显著的Wnt信号通路的激活。研究表明Wnt信号转导通路在肾间质纤维化的发生发展中发挥着重要作用[44] 。已证实[44] [45] Wnt信号通路的激活可引起Twist、E-cadherin、FN、MMP-7、α-SMA等与纤维化相关基因的增强或减弱。Wnt信号通路还与TGF-β1通路， PI3K/Akt通路和ILK之间有着紧密联系。TGF-β1可以促进Wnt蛋白的分泌，进而促进EMT[46] 。

也有研究指出[47] ，由正常人肾脏细胞和ADPKD肾脏细胞分泌的TGF-β2均可抑制囊泡的形成和增长。

综上可知TGF-β1在ADPKD间质病变进程中起着重要作用。

5. cAMP信号通路与间质病变的关系

在ADPKD中由于PC1的突变，钙离子浓度的降低，cAMP合成增多，降解减少使其在细胞内的浓度上升。cAMP具有促进有丝分裂与抑制有丝分裂的作用。cAMP在正常的肾脏上皮细胞中通过抑制Ras/Raf/MEK/ERK通路抑制细胞增生；在ADPKD上皮细胞中，cAMP可以通过活化PKA，进而激活B-Raf/MEK/ERK通路而诱导细胞增殖[48] ，cAMP还可以通过cAMP/PKA/CFTR 途径促进囊液分泌、囊肿增大[49] 。cAMP的这种作用由细胞内钙离子调控，正常肾脏上皮细胞中钙离子可抑制B-Raf信号通路的激活，抑制细胞内钙离子可以抑制PI₃-K/Akt通路，从而解除对B-Raf的抑制，激活cAMP下游信号通路[50] 。以往研究认为，PKA的活化可以抑制TGF-β诱导的下游信号通路如：ERK、p38等，进而抑制胶原的合成，在ADPKD中，cAMP/PKA信号通路的激活对囊液分泌、细胞增殖都有重要作用，但其对TGF-β引起的间质纤维化的作用尚不明确。

Epac (exchange protein directly activated by cAMP)，主要表达在肾组织,是一种于1998年发现的新的cAMP信号通路下游的效应分子。Rap1是Ras癌基因家族成员之一。cAMP/Epac/Rap1信号通路具有广泛的生理效应，可激活B-Raf、ERK等下游效应分子，参与细胞内外整合素信号传递，增强细胞黏附功能，调节细胞增殖和凋亡等。Epac-Rapl参与了多种肾脏疾病病理生理过程，包括肾脏纤维化、小管细胞的肥大、增殖与凋亡等。该信号通路是否也参与了ADPKD肾脏纤维化尚需进一步探讨和研究。

6. 问题与思考

ADPKD的主要病变包括囊泡上皮细胞的增值，囊液的分泌，间质的纤维化和炎症。已证明cAMP信号通路可以通过影响细胞增殖，囊液分泌等途径影响ADPKD中囊泡的发生发展，那么该信号途径是否也参与ADPKD中间质病变过程？尚需进一步的探讨研究。

近几年有关ADPKD的致病基因及发病机制的研究取得了较大进展，但目前尚缺乏特异有效的治疗药物。目前治疗药物的研究主要集中在：减少环磷酸腺苷(cAMP)水平；抑制细胞增生；减少囊液分泌。ADPKD中PC1基因的缺失，mTOR、Wnt等信号通路的激活，细胞外基质异常的集聚，TGF-β1等相关纤维化因子的高表达，均与间质纤维化有着密切联系，提示ADPKD中间质病变参与了重要作用。为寻找新的延缓终末期肾病、治疗多囊肾病的有效措施，对间质病变的深入探讨研究有助于为治疗ADPKD寻找新的靶点。

项目基金

国家自然科学基金资助项目(No. 81370783)。

NOTES

^*通讯作者。