糖尿病肾脏病的危险因素与病理生理(内分泌学 糖尿病慢性并发症)
糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）亦称糖尿病肾脏病（diabetic kidney disease，DKD），是指糖尿病引起的肾脏病变，主要表现为肾功能减退和视网膜病变，正常人的尿白蛋白排出量＜10mg/24h，尿白蛋白/肌酐比值（urinary albumin/creatine ratio，UACR）＜10mg/g肌酐。如果尿白蛋白＞30mg/d或者＞20μg/min，且能排除其他原因者，即可诊断为糖尿病肾病。DKD是常见的慢性微血管并发症之一，在糖尿病患者群中的发生率为20%～40%，伴有终末期糖尿病肾病（end-stage renal disease，ESRD）的5年生存率小于20%。与糖尿病有关的肾脏病变包括糖尿病性肾小球硬化症、肾小管上皮细胞变性、动脉-微小动脉粥样硬化症、肾盂肾炎及肾乳头坏死等。
狭义的DKD系指糖尿病性肾小球硬化症，这是一种以微血管病变为主的肾小球病变。DKD已成为西方国家人群中ESRD的主要病因。DKD主要见于糖尿病病程较长、病情较重、长期高血糖以及伴有高血压或有吸烟嗜好的男性患者。病程10年以上的1型糖尿病（T1DM）患者累积有30%～40%发生DKD，并是T1DM患者首位死亡原因；约20%的2型糖尿病（T2DM）患者累积发生DKD，在T2DM患者死因中列在心、脑血管动脉粥样硬化疾病之后。
DKD的发病机制仍未阐明。近20～30年来，有关DKD的发生机制研究的进展主要表现在以下4个方面：
- 鉴定出一些T1DM和T2DM并肾病的遗传易感基因和因素；
- 肾小球硬化症与肾血流动力学有关，即与肾入球小动脉扩张使肾小球压力升高有密切关系；
- 尿白蛋白排泄量既是判断DKD病情的良好指标，又是DKD的病因之一；
- 认识到葡萄糖对组织的毒性作用（葡萄糖中毒，glucotoxicity），并将葡萄糖毒性作用的研究深入到了分子水平。
T1DM和T2DM并发DKD的时间可能不一致，但最终的病理生理学机制相似，都与高血糖有关。除此之外，T2DM可能还存在其他损害肾脏的因素，如高血压、高血脂、高尿酸和肥胖等代谢异常。可以肯定的一点是，DKD的病因和发病机制是多因素性的，各因素之间具有协同或交互作用。DKD的发生与糖尿病的类型、病程及血糖控制的情况等有关（下表）。足细胞（podocyte）在维持肾小球滤过屏障（glomerular filtration barrier）的完整性和防止白蛋白尿方面起了重要作用。糖尿病肾病的特点是进行性白蛋白尿（progressive albuminuria），高血糖和胰岛素抵抗所诱发的有害性和保护性细胞反应均是从足细胞开始的。
糖尿病肾病的危险因素
糖尿病肾病与遗传因素相关
并不是所有的糖尿病患者均发生糖尿病肾病。有些患者尽管血糖控制不佳，但并不发生肾损害；而有些患者尽管血糖控制良好，却发生严重肾损害。有报道称，糖尿病肾病患者有家族聚集现象，因此提示糖尿病肾病的发生与遗传因素有关。糖尿病肾病种族发病的差异性也提示其与遗传的关系密切。遗传易患性的机制可能包括家族性高血压、胰岛素抵抗、红细胞膜钠-锂反转移活性升高，以及N-脱乙酰酶、血管紧张素转换酶基因、Na+/K+-ATP酶基因和醛糖还原酶基因的多态性或亚型差异等。与糖尿病肾病发生有关的遗传基因见下表。血管紧张素转换酶（ACE）基因多态性与糖尿病肾病的关系存在种族差异，而且国内报道结论也不尽一致。有研究认为，ACE基因多态性与糖尿病肾病相关，但我们曾对中国汉族人、T2DM合并和未合并肾病的患者进行ACE基因多态性观察，发现ACE基因多态性与糖尿病肾病无关联，但ACE基因型可影响糖尿病肾病患者对ACE抑制剂的反应性。
与糖尿病肾病发生有关的遗传基因
注：RAGE：糖基化产物的受体；Paraoxonase 1：对硝苯磷脂
血流动力学异常启动肾损害
入球和出球小动脉扩张使肾脏呈慢性高灌注状态；糖基化血红蛋白浓度增加可降低红细胞2，3-二磷酸甘油酸（2，3-DPG）水平，血液黏滞度增加，红细胞变形能力降低致肾缺氧而导致高灌注状态；控制不良的糖尿病患者血胰高血糖素增加以及高血糖本身可增加肾血流量；其他使肾血管扩张增加肾灌注的因素包括心房利钠肽和前列腺素E产生增加、蛋白质摄入过多、肾素缺乏、对儿茶酚胺或血管紧张素反应性降低以及钙离子浓度改变等。肾脏的激肽（kinins）生成增加也使肾血管扩张。除了这些因素外，近端小管和Henle袢钠的重吸收增加也使肾小球呈高灌注状态。肾血流量增加和肾高灌注状态可使肾系膜细胞增生。
近年的研究认为，上述这些血流动力学改变和一些细胞因子（如TGF-β等）的交互作用在糖尿病肾病的发生中起重要作用。血流动力学异常通过自分泌-旁分泌途径使细胞因子和生长因子释放增加，细胞外基质蛋白增多。
高血糖与糖基化终产物导致肾损害
高血糖
可引起肾脏肥大及基底膜增厚，增加内皮细胞对白蛋白的渗透性及系膜蛋白质的合成。此外，高血糖可引起肾小球内皮细胞、上皮细胞、系膜细胞和肾小管细胞释放转化生长因子（TGF），使细胞增生肥大。慢性高血糖增加多元醇通路活性，在不需要胰岛素的情况下，增加糖的摄取，促进糖的流入和山梨醇在组织的积累。如在肾组织，山梨醇积聚增多引起细胞肿胀，使细胞外液的肌醇进入细胞受限，细胞内肌醇减少，进而影响磷酸化过程，使Na+/K+-ATP酶活性降低以及细胞生理功能发生障碍。
糖基化终产物
血糖增高时，葡萄糖分子中的羧基可与蛋白质中的氨基结合形成醛亚胺，醛亚胺再发生1个分子结构的重排反应，形成较为稳定的酮胺化合物。在糖化蛋白与未糖化蛋白分子之间以及糖化蛋白分子之间互相结合，酮胺化合物分子逐渐增大和堆积，互相交联形成更为复杂的糖基化终产物（advanced glycosylated-end products，AGEs），这一过程进行得非常缓慢且不可逆，不需要酶催化，因而多发生在机体内代谢周期长的蛋白质分子，如胶原蛋白和晶体蛋白等。AGEs可能是一种致尿毒症性毒性物质，小分子糖基化终产物-肽（ACE-P）与糖尿病肾病的发生发展相关。在肾小球毛细血管糖基化胶原蛋白分子间的异常交联增多，形成网状AGEs，使血浆中一些蛋白质分子如白蛋白和免疫球蛋白等渗入到毛细血管外层，与胶原蛋白的AGEs结合、交织和附着在这些糖基化胶原蛋白分子上，造成蛋白质沉积，引起肾小球毛细血管基底膜增厚及肾小球毛细血管堵塞。同时，沉积的免疫球蛋白复合物具有免疫原性，通过自身免疫反应造成肾小球损伤。此外，基底膜纤维连接素的糖基化使胶原纤维之间的正常连接减少，造成肾小球滤过膜孔径增大。
透析患者可发生“透析相关性肾淀粉样变性”（dialysisrelated amyloidosis），其主要原因是β2-微球蛋白被大量糖化，即AGEs与β2-微球蛋白结合引起淀粉样变性。这些透析患者的血糖可升高或正常，说明蛋白质的糖化和由AGEs形成的组织损害并非糖尿病所特有。AGEs的溶解度低，对酶抵抗，任何原因所致的晚期肾衰都不能用透析来清除AGEs。AGEs通过与AGEs受体（RAGE）结合后发挥作用，RAGE在各种肾细胞广泛存在，是AGEs的信号传导受体，受体刺激后通过激活NF-κB使前炎性细胞因子表达增加；RAGE也可作为一种内皮细胞黏附受体使白细胞聚集从而直接产生炎症作用。AGEs能诱导TGF-β的产生。AGEs在肾小球滤过，近端小管重吸收，在肾小管REAG激活导致这些细胞转变成肌纤维细胞，使肾小管萎缩和间质纤维化。在糖尿病患者，RAGE自身表达上调。因此，目前提出用可溶性的RAGE来清除和中和AGEs治疗糖尿病慢性并发症。
高血糖引起肾脏损害的机制
注：ROS：reactive oxygen species，活性氧；AGEs：糖基化终产物；AT-2：血管紧张素Ⅱ；TGF-β：转化生长因子；VEGF：血管上皮生长因子；MCP-1：monocyte chemotactic protein-1，单核细胞趋化蛋白-1
AGEs加速动脉粥样硬化的进展速度，AGEs与血管中的蛋白质交联后，改变血管基质成分的结构和功能，使血小板互相聚集，最终形成动脉粥样硬化，但这些改变并无特异性。相同的病变过程亦见于老年人、肾功能不全者、老年性痴呆、皮肤病和白内障患者。非糖尿病性肾衰竭时，由于尿毒症的氧化作用和羧化作用（氧化应激），AGEs的生成增多并堆积于肾实质内，造成肾脏损害。只是糖尿病患者的蛋白质糖化和AGEs生成比其他疾病所致的肾病病变更明显，胰岛移植使血糖正常后，或用药物治疗控制糖尿病后，可防止蛋白质的进一步糖化，AGEs的生成相应减少。多元醇通路活性增加和AGEs使氧自由基增加，引起肾损害（上图）。糖尿病肾病病期与血糖控制的关系见下图。
糖尿病肾病病期与血糖控制的关系；注：HbA1c：糖化血红蛋白；UAE：尿白蛋白排泄率；GFR：肾小球滤过率
生长因子/肾脏RAA/炎症因子/氧化应激引起肾损害
生长因子
胰岛素样生长因子（IGF）在糖尿病肾病早期增加，在某些动物模型干扰IGF-1轴可部分减轻糖尿病肾病。TGF-β在糖尿病肾病的发生发展中起着重要的作用。高糖、Amadori产物以及AGEs都增加肾小管、系膜细胞TGF-βmRNA和蛋白的表达。TGF-β启动子中有“葡萄糖反应元件”，TGF-β刺激系膜外基质蛋白的产生，包括纤维连接素以及Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅳ型胶原的产生，通过抑制基质金属蛋白酶从而抑制细胞外基质的降解。在T1DM和T2DM鼠中，长期用抗TGF-β的中和抗体可防止系膜基质增多，延缓肾功能下降。骨形态蛋白-7（BMP-7）是TGF-β超家族的成员，在肾细胞能对抗TGF-β依赖的纤维生成。结缔组织生长因子（CTGF）是富含半胱氨酸的多肽（36～38kD），目前认为它在TGF-β下游发挥作用。目前发现至少存在5种血管上皮生长因子（VEGF）异构体，在足突细胞、远端小管和集合管均有表达。在足突细胞，细胞外基质蛋白调节VEGF的转录。在糖尿病肾病早期VEGF mRNA和蛋白的表达增加，AGEs使VEGF表达增加，用抗VEGF的单克隆抗体处理糖尿病大鼠，能降低高滤过、白蛋白尿和肾脏肥大。高血糖刺激AT-2生成，AT-2影响肾血流动力学，而且其自身还可在肾细胞诱导产生炎症因子和前纤维蛋白生长因子等。
肾脏RAA系统
肾脏能生成肾素、血管紧张素和醛固酮。临床和实验动物研究发现，血管紧张素转换酶抑制剂（ACEI）和1型AT-2受体拮抗剂（ARB）能减轻糖尿病肾病。过去认为，这些药物仅仅改善了血流动力学异常，ACEI还具有抗炎症和抗纤维化的作用。AT-2本身在肾细胞能诱导许多前炎症因子、前纤维蛋白生成因子、生长因子、细胞因子和趋化因子的生成。高糖能刺激肾系膜细胞和肾小管细胞肾素和血管紧张素原的产生，继而使局部AT-2浓度增加，然后通过自分泌或旁分泌机制使细胞因子和生长因子分泌增加。局部AT-2的增加可抑制足突细胞去氧肾上腺素（nephrin，参与肾脏滤过屏障的正常发育并维持其正常功能）的表达，使足突细胞对尿蛋白呈超滤过状态，蛋白超滤过又可加重足突细胞的损害。2型AT-2受体通过激活NF-κB诱导前炎症因子产生。醛固酮在糖尿病肾病的发生中存在不依赖AT-2的作用，醛固酮拮抗剂螺内酯能抑制链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠肾脏胶原纤维的沉积和TGF-β1表达的增加，ACEI可能逆转慢性肾病的进展，新的醛固酮拮抗剂依普利酮（eplerenone）能减少T2DM患者的微量白蛋白尿。
肾脏局部的肾素-血管紧张素-醛固酮（RAA）系统是肾脏的血流动力学和肾小管离子重吸收的调节激素，也是导致肾病和心血管疾病的关键因素。在病理情况下，RAA激活肾脏的炎症与纤维化过程。虽然ACEI和ARB可以降低肾功能损害的发展速度，但因作用不完全，因而仍可发生终末期肾病。醛固酮的生理作用已经从经典基因组效应（genomic effects，即调节肾小管钠的重吸收）扩展到了非基因组作用（nongenomic effects，即促进纤维化、胶原沉着、炎症反应和血管重建等）。从基因组作用看，醛固酮促进肾小管钠的重吸收，但正常人使用大剂量时，因为具有醛固酮脱逸（aldosterone escape）现象并不引起水肿；但在水肿型疾病（如心衰、肝硬化和肾病综合征）时，醛固酮脱逸不再发挥作用，并进而导致钠潴留和全身性水肿。从非基因组作用方面看，大量的证据表明，醛固酮在很多疾病的发生和发展中起了主导作用，因此低剂量的盐皮质激素拮抗剂对尿钠排泄只有微弱效果或完全无效，而中等剂量的螺内酯对三药抵抗性高血压（threedrug-resistant hypertension）有效，因而ACEI联合螺内酯的疗效要明显优于ACEI加ARB治疗，此外，螺内酯还可降低糖尿病肾病的尿白蛋白排泄。
炎症因子氧化应激
从糖尿病患者的肾组织活检和糖尿病动物模型可发现，在肾小球和小管间质中存在炎症状态和单核细胞浸润。单核细胞趋化因子-1（MCP-1）是巨噬细胞/单核细胞的重要趋化因子。高糖刺激系膜细胞的MCP-1表达，糖尿病肾病患者肾活检发现肾小管MCP-1增加。蛋白尿能与高血糖和AGEs相互作用，促进足突细胞和肾小管细胞的趋化因子表达，浸润的单核细胞释放蛋白酶和纤维蛋白生成细胞因子（如TGF-β）使肾单元破坏，用抗炎症药物如霉酚酸酯（mycophenolate mofetil，骁悉）可防止糖尿病肾病的发展。
高血糖可通过几条途径导致肾损伤。研究发现，氧化应激与糖尿病肾病的发生发展密切相关。氧化应激所致蛋白氧化损伤可能在糖尿病血管并发症中起重要作用，活性氧（ROS）参与了糖尿病肾病的发病。从T2DM的启动到临床发病的多年时间中，当轻度高血糖导致氧化应激后，蛋白氧化损伤就已经发生；氧化应激可促进单核吞噬细胞活化，介导炎症因子释放，导致蛋白氧化损伤。糖尿病肾病患者的血白蛋白氧化较无糖尿病肾病患者增强，并且与糖尿病肾病氧化应激状态和慢性炎症状态有关。在肾系膜细胞有葡萄糖转运蛋白4和1（GLUT4和GLUT1）表达，GLUT1刺激细胞外基质蛋白的产生。葡萄糖进入细胞后由于糖酵解和三羧酸循环增加，使电子供体还原型辅酶Ⅰ（NADH）、还原型辅酶Ⅱ（NADPH）和超氧化物增加；高糖使解耦联蛋白-1（UCP-1）过度表达；AGEs形成使蛋白激酶C（PKC）激活，这些均可使线粒体活性氧（ROS）产生增加。在足突细胞，高糖可使花生四烯酸代谢通路激活，这是不依赖线粒体产生ROS的另一条途径。另外，细胞内糖增加在醛糖还原酶的作用下转变为山梨醇，山梨醇旁路激活也可使氧化应激增加。高血糖使二酯酰甘油（DAG）形成增加，DAG增加使PKC激活，PKC激活进一步使有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPKs）通路和ROS激活。敲除PKC-α的糖尿病鼠无白蛋白尿产生，但肾小球肥大和TGF-β表达上调并不受PKC-α敲除的影响，而PKC-β抑制剂能减轻糖尿病肾病。
在前述的氧化应激中，也产生羟甲赖氨酸（carboxymethyl lysine）和戊糖苷（pentosidine），并可与丙醛赖氨酸、4-羟化弹性蛋白物和丙烯醛蛋白等一起沉积于糖尿病肾病病灶内。以上5种化合物都是蛋白质的氨基和羰基在氧化应激催化下进行羰基胺缩合的产物。前者由糖类、脂质和氨基酸衍化而来。糖、脂类和氨基酸的毒性产物使蛋白质的羰基化化学修饰过程称为羰化应激（carbonyl stress）。这种应激可导致糖尿病性肾小球损害。
高血压/脂代谢紊乱/蛋白尿/离子型造影剂促进肾病进展
高血压
糖尿病肾病与高血压可同时存在，互为因果，形成恶性循环。体循环血压增高，使肾脏呈高灌注和肾血流动力学异常，肾小球内异常的血流动力学通过增加物理的和机械的张力改变肾小球、系膜和上皮细胞的生长和功能，结果导致系膜基质的形成和基底膜增厚。异常的肾小球血流动力学也影响某些调节血管舒缩的生长因子肽类的表达，如内皮依赖的松弛因子、内皮素-1和纤溶酶原激活物等。
脂代谢紊乱
脂质刺激TGF-β表达，诱发肾损害和肾小管间质纤维化（tubulointerstitial fibrosis）。研究发现，糖尿病患者强化治疗不仅仅降低大血管事件，而且也减少糖尿病肾病（危险率比HR 0.39）、视网膜病变（HR 0.42）和自主神经病变（HR 0.37）。脂代谢紊乱对糖尿病微血管病变的作用尚不完全清楚，高胆固醇可引起肾功能损害。用高脂饲料喂养糖尿病大鼠12周发现：高脂饲养组糖尿病大鼠的脂代谢紊乱较对照组大鼠显著，以三酰甘油升高显著；出现不同程度的肾小球肥大、基底膜增厚和细胞外基质积聚；24小时尿白蛋白定量显著增高；高血脂降低糖尿病大鼠肾小球组织基质金属蛋白酶-2（MMP-2）表达，增强组织金属蛋白酶抑制物-2（TIMP-2）和Ⅳ型胶原表达；辛伐他汀干预后肾脏的病理改变减轻，下调糖尿病大鼠肾小球组织TIMP-2和Co-Ⅳ的表达，增加MMP-2的表达，减少糖尿病大鼠蛋白尿。
蛋白尿
硫酸乙酰肝素（heparan sulfate，HS）是硫酸乙酰肝素蛋白多糖（heparan sulfate proteoglycan，HSPG）的阴离子蛋白多糖侧链。HSPG存在于基膜的细胞基质中和细胞膜表面。HSPG的主要结构形式——集聚蛋白（agrin）存在于肾小球基膜上。实验证明，用肝素酶水解HS，或用HS抗体中和HS，肾小球基膜的通透性增加，这说明基膜的选择性通透功能主要是由HS决定的。Raats等用抗基膜HSPG核心蛋白抗体和抗HS侧链抗体证明，各种肾小球硬化合并蛋白尿（系统性红斑狼疮、微小病变型肾病、膜型肾小球肾炎和糖尿病肾病等）时，基膜上的HS染色减少，但HSPG核心蛋白的染色无变化。也就是说，蛋白尿性肾小球病变的根本病理改变在HSPG的HS侧链。这种改变亦见于鼠的狼疮性肾炎、阿霉素所致的肾病和Heymann肾炎，而且蛋白尿越严重，HS染色越少。但不同疾病引起蛋白尿的发病机制并不相同。例如，由链佐星诱发的糖尿病肾病动物以及由含高糖培养液培养的肾小球细胞，高糖通过降调节使HS合成减少，HS的硫化程度降低，出现蛋白尿。
蛋白尿不仅仅是糖尿病肾病的一种表现，而且是肾功能损害的独立预测因素，蛋白尿本身可加重肾小球硬化和肾小管间质损伤，蛋白的滤过和重吸收引起炎症和血管活性物质的释放，导致纤维增殖、间质炎症和系膜细胞损伤。
离子型造影剂
离子型造影剂为肾毒性物质，糖尿病肾病患者须慎重使用，在有脱水、肾功能严重减退和心衰时须禁用。造影剂引起正常人肾损害的概率＜5%；在使用低渗造影剂的人群中造成急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）的概率约为6%；当存在上述多种危险因素时，造影剂所致肾损害的发生率为20%～30%，而在糖尿病患者中可能更高。