第二篇 肾脏疾病的病理生理基础
第一章 肾脏细胞生物学特点
第一节 肾脏细胞的代谢
机体器官组织中的细胞数目在生理情况下是相对恒定的，这种细胞数量的相对稳定通过细胞增殖修复与死亡的相对平衡，即细胞更新代谢（cell turnover）而实现。肾脏作为由多种细胞组成的器官，随着生物个体的发育、生长、成熟和衰老，其细胞也经历发育、分化、衰老和死亡的过程，同时又不断有细胞增殖、分化进行更新和补偿。正常情况下，肾脏内细胞的更新代谢率很低，但在受到损伤破坏后，可以通过细胞再生得到修复和更新。
一、肾脏细胞的种类与基本功能
肾脏固有细胞（resident cell）种类较多。肾小球中主要有肾小球内皮细胞，肾小球脏层上皮细胞，肾小球壁层上皮细胞，系膜细胞；肾小管间质中主要有肾小管上皮细胞，间质成纤维细胞。
（一）肾小球内皮细胞
肾小球毛细血管内皮细胞为单层扁平细胞，沿血管壁呈不规则排列。细胞体积小而呈椭圆形，靠近系膜区，内含少量内质网、线粒体、核糖体和电子密度不等的小泡。内皮细胞上的窗孔结构（fenestration）孔径为50～100μm，构成机械屏障阻止血细胞与大分子物质的漏出。内皮细胞表面覆盖一层酸性糖蛋白（podocalycin），该蛋白是一种带负电荷的唾液酸糖蛋白，构成肾小球滤过膜的静电屏障，限制了带负电荷的蛋白滤过。内皮细胞还具有抗凝与抗血栓形成的作用，通过自分泌与合成一系列体液因子，如：内皮素（endothelin）、前列环素（prostacyclin）、一氧化氮（NO）和凝血因子Ⅷ等，来调节肾小球局部血流动力学和凝血过程。
（二）肾小球脏层上皮细胞
肾小球脏层上皮细胞又称足细胞（podocyte），贴附于肾小球基底膜外侧，胞体较大，是肾小球中体积最大的细胞，有许多大小不等的足样突起。足细胞表达多种特异性标记蛋白，如：nephrin、p-cadherin、podocin、podoplamin、CD2AP、synatopodin等。足突之间的裂孔直径为10～40nm，裂孔上覆有一层4～6nm厚的裂孔膜。足细胞的细胞膜和裂孔膜表面覆有一层唾液酸糖蛋白，并且足细胞自身可合成富含负电荷的硫酸肝素，共同维持滤过膜的电荷屏障，对大分子物质的滤过有选择性通透作用。同时足细胞胞质内具有大量散在的微丝、微管和中间丝，并可见肌球蛋白丝，后者收缩时，可改变裂孔的大小，影响毛细血管的管径和血流量，从而影响滤过膜的通透性。
（三）肾小球壁层上皮细胞
肾小球壁层上皮细胞呈扁平多边形，在肾小球的尿极处与近端小管上皮细胞相连接，在血管极处，外层返折为包曼氏囊内层。壁层上皮细胞排列成薄层，胞质内细胞器少，细胞表面有1～2根纤毛和偶见的微绒毛，细胞器包括较少的小线粒体和高尔基复合体，以及相对较多的直径为40～90mm的小包囊。
（四）系膜细胞
系膜细胞是一种多功能细胞，正常情况下占整个肾小球细胞数的1/4～1/3。系膜细胞大小不一，呈星型或多型性，有许多长短不等的突起。细胞核小而圆或略有凹陷，染色深，是肾小球固有细胞中核染色最深的细胞；细胞质染色略深，含过碘酸雪夫氏染色（periodic acid-Schiffstain，PAS）阳性物质，有明显的高尔基复合体，核糖体丰富，内质网发达，吞噬体大小不等，有少量散在的溶酶体，在细胞质中有时可见到分泌颗粒。此外，在细胞核周围及细胞突起中有较多微管和微丝，有稳定毛细血管管径和维持基底膜张力的作用，可以调节肾小球血流动力学及其滤过功能。另外，系膜细胞可产生系膜基质，还有吞噬功能，能清除血液滤过时滞留于基底膜上的大分子物质，并参与基底膜的更新。
（五）肾小管上皮细胞
肾小管包括近端小管、细段和远端小管三部分，管壁由单层上皮细胞和基膜组成，各段肾小管上皮细胞的形态结构随功能差异而有所不同。肾间质成纤维细胞位于相邻小管的基底膜之间和管周毛细血管之间，呈星形，有薄而长的突起，并有分支，相邻细胞的突起经中间连接样结构相互连接，构成一个三维的细胞网。细胞核不规则，粗、滑面内质网丰富，可以产生网状纤维和胶原纤维，是肾间质中主要的胞外基质产生细胞。
二、细胞周期简介与肾脏细胞再生
（一）细胞周期
细胞周期（cell cycle）是指一次细胞分裂结束开始到下一次细胞分裂结束所经历的过程。一个细胞周期可以人为地划分为先后连续的4个时期，即G1期（gap1 phase）、S期（synthesis phase）、G2期（gap2 phase）和M期（mitosis phase）。G1期为DNA合成前期。上一次细胞分裂产生的子代细胞立即进入一个新的细胞周期，开始合成细胞生长所需要的蛋白质、糖类和脂质等，但不合成细胞核DNA。G1期晚期存在检验点（checkpoint），细胞只有在内、外因素共同作用下才能通过检验点，顺利通过G1期，进入S期并合成DNA。影响这一事件的外在因素主要包括营养供给和相关的激素刺激等，而内在因素则主要是与细胞分裂周期相关基因（cell division cycle gene，cdc基因）调控过程相关的内在因素。在G1期，一些细胞暂时脱离细胞周期，停止细胞分裂，一旦得到信号指令，会快速返回细胞周期，分裂增殖。这类细胞被称为为G0期细胞或静止细胞（quiescent cell）。就高等生物的细胞而言，细胞周期的时间长短的差别主要取决于G1期。
S期即DNA合成时期。进入S期后，DNA开始复制。DNA复制的起始和复制过程受到多种细胞周期调节因子的严密调控。
G2期为DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间。此时细胞核内DNA的含量加倍，其他结构物质和相关的亚细胞结构也已完成进入M期的必要准备。但细胞能否顺利进入M期，要受G2期检验点的控制。只有当所有利于细胞分裂的因素得到满足以后，细胞才能顺利实现从G2期向M期的转化。
M期即细胞分裂期。真核细胞的细胞分裂包括有丝分裂（mitosis）和减数分裂（meiosis）。体细胞一般进行有丝分裂；成熟的生殖细胞进行减数分裂。减数分裂是有丝分裂的特性形式。细胞经过有丝分裂，将S期复制的染色体DNA平均分配到两个子细胞中。细胞分裂期可分为前期、前中期、中期、后期及末期。在前期，细胞主要发生两个事件：间期细长，弥散样分布的线性染色质凝缩（chromatin condensation）形成光镜下可辨的早期染色体结构；细胞分裂极确立和纺锤体（spindle）开始装配；在前中期（prometaphase），细胞的核膜崩解、纺锤体装配完成，形成有丝分裂器（mitotic apparatus）。细胞分裂进入中期，所有染色体排列到赤道面上，纺锤体结构呈现典型的纺锤体样。在分裂后期，赤道面上的染色体的两条姐妹染色单体分离，分别向两极运动。姐妹染色单体分离到达两极，有丝分裂即进入末期（telophase）。在分裂末期，染色体去浓缩，核仁核膜重现，胞体逐渐分离、形成两个子细胞。
（二）肾脏细胞再生
细胞再生（cellular regeneration）是指为修复缺损而发生的同种细胞的增生。再生可分为生理性再生（physiological regeneration）和修复性再生（reparative regeneration）。前者指生理情况的细胞更新；后者即病理状态下的修复反应。再生的过程涉及细胞的增殖、分化、去分化和细胞迁移等。
1.肾脏固有细胞参与的肾脏再生
与蛇和斑马鱼等低等脊椎动物不同，哺乳动物肾脏的再生能力有限[1]。发育过程中，肾脏部分切除可引起新的肾单位的形成（nephrogenesis），但出生后不久肾脏就失去了这种能力[2-4]。在生理状况，成年哺乳动物的肾脏相对静止，除了肾小管上皮细胞外，其他细胞一般不发生增殖。
在病理状况下，成年哺乳动物的肾脏表现出一定程度的再生能力。肾脏的再生涉及肾小管上皮细胞去分化（dedifferentiation），间质细胞转分化（transdifferentiation）和干细胞的活化。
1）肾小管上皮细胞再生：
在急性缺氧和肾毒性等引发的急性肾损伤中，尚存的肾小管上皮细胞，经过迁移、去分化、增殖和再分化修复损伤的肾小管[5,6]。
2）足细胞再生：
在成年哺乳动物的肾脏中，足细胞一般不再发生增殖或分化。然而，在多种肾小球疾病，如局灶节段性肾小球硬化症，特别是塌陷型中足细胞能经过去分化、增殖和再分化生成更多的足细胞[7]。成体肾脏中，足细胞还能由足细胞祖细胞（podocyte progenitors）分化而来[8]。多项研究表明人和啮齿类动物成体肾的壁层上皮细胞（parietal epithelial cells）能分化为足细胞[9]。
3）系膜细胞的再生：
在生理情况下系膜细胞很少分裂，但病理因素刺激（如肾小球炎症、高糖、AGES、局部RAS激活、活性氧增多等）的情况下，系膜细胞能增殖。Hugo等在抗Thy1系膜增生性肾小球肾炎模型中观察到了系膜细胞的再生，同时他们发现肾小球外存在“细胞库（reserve cell）”补充受损的系膜细胞[10]。Daniel等发现“细胞库”中存在肾脏多功能间质干细胞[11]。
4）肾间质成纤维细胞：
正常情况下肾间质成纤维细胞处于静息状态，是一类低代谢、非激活状态的细胞。肾损伤会诱导肾脏成纤维细胞增殖，肾小管上皮细胞转分化和肾间质中的多能间充质干细胞分化来增加成纤维细胞的数量[12,13]。
5）肾乳头（renal papilla）干细胞：
用肾脏成体干细胞定位技术发现肾髓质的肾乳头部是成体干细胞的壁龛[14]。生理状况下，成年大鼠肾乳头的细胞处于细胞周期停滞状态并能终生维持此状态；这些细胞在缺血诱导的一过性损伤修复过程可脱离这种状态重新进入细胞周期[15]。
6）肾脏间质干细胞：
研究发现在成体肾脏的肾间质中存在多能间充质干细胞[16]。生理状况下，间充质干细胞处于静止状态，急性和慢性肾损伤能激活这些细胞。例如，肾损伤后，间充质来源的细胞能分化为成纤维细胞[12,13]和肾小球系膜细胞[11]。
2.肾脏外干细胞参与的肾脏再生
成体肾脏干细胞的发现令人兴奋，但到目前为止，对肾脏成体干细胞如何在体内维持干细胞特性以及如何提高这些细胞的再生能力来实现肾脏修复的机制尚不清楚。因此，目前对于肾脏再生的研究工作主要集中于如何利用肾脏外的干细胞，如骨髓间质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs），胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES）和诱导性多功能干细胞（iPS）来修复肾脏的损伤。大量的研究显示，干细胞对于肾脏损伤修复具有重大的潜力[1]。
三、肾脏干细胞
干细胞（stem cell）是指具有自我复制能力和分化潜能的细胞。根据分化能力不同，干细胞可分为全能干细胞（totipotent stem cell）、多能干细胞（multipotent stem cell）和单能干细胞（unipotent stem cell）。全能干细胞能分化为机体所有类型的细胞，多能干细胞能分化为多种类型的细胞，而单能干细胞只能分化为单一类型的细胞。根据分化阶段或来源，干细胞还可分为胚胎干细胞和成体干细胞（adult stem cell）。胚胎干细胞是来源于胚囊（blastocyst）内细胞团的全能干细胞[17]。成体干细胞是指位于成体组织中能分化为一种或多种类型细胞的干细胞。最近的研究还发现通过转入外源的重编程因子，分化的体细胞能够被重编程为多能干细胞，即诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPS cells）[18]。
哺乳动物的肾脏发育经历前肾、中肾和后肾，只有后肾存活并维持功能至终生；初始形成的后肾由输尿管芽（ureteric bud，UB），生后肾间充质组织（metanephricmesenchyme，MM）及基质细胞（stromal cells）三部分组成[19]。因此，输尿管芽和生后肾间充质组织均可能是肾脏干细胞（renal stem cell）的发源地，但近年的研究发现肾脏干细胞来源于后者。利用细胞谱系追踪（cell-lineage tracing）技术，研究者发现生后肾间充质组织中的细胞能产生肾单位的所有表皮细胞[20]。值得关注的是，哺乳动物的肾脏中可能存在成体干细胞。在人和啮齿类动物的成体肾脏中有能分化为肾小管上皮细胞和足细胞的双潜能祖细胞（bipotent progenitors），小管祖细胞（tubular progenitors）和足细胞祖细胞（podocyte progenitors）；在生理状态下，肾脏成体干细胞处于静止状体，肾损伤能激活成体干细胞，使之增殖、分化参与肾脏修复[1,9,21]。但是，肾脏成体干细胞及其可能的病理作用目前受到严重的质疑[5,22]。
四、细胞衰老
细胞衰老（cell senescence）是细胞生存过程中增殖能力和生理功能逐渐丧失并趋向死亡的不可逆的过程[23]。细胞衰老可分为复制衰老（replicative senescence，RS）和压力诱导的早熟性衰老（stress-induced premature senescence，SIPS）。
（一）细胞衰老的特征
1.形态变化 衰老细胞的形态变化主要表现在细胞皱缩，膜通透性、脆性增加，核膜内折，细胞器数量特别是线粒体数量减少，胞内出现脂褐质（lipofuscin）颗粒样物质沉积。
2.生长停滞（growth arrest）衰老细胞生长停滞，不可逆的退出细胞周期，停止分裂。
3.抗细胞凋亡（apoptosis resistance）许多（但不是全部）类型的衰老细胞有抗细胞凋亡信号的特点。例如，衰老的人成纤维细胞能抵御神经酰胺诱导的细胞凋亡，但内皮细胞不能[24]。
4.基因表达改变 衰老细胞有显著地基因表达改变，例如细胞周期基因和细胞外基质成分表达下调，细胞周期抑制因子（如p21和p16）、细胞基质降解酶、某些细胞因子和免疫监视因子表达增加等[25]。
5.衰老细胞还表现出其他一些生物学特征，例如衰老相关β-半乳糖苷酶（senescence associatedβ-galactosidase，SAβ-gal）活性的增强[26]，衰老相关的DNA损伤灶（senescence-associated DNA-damage foci，SDFS）和衰老相关异染色质灶（senescence-associated heterochromatin foci，SAHFs）[27]等细胞学标记的形成等。
然而，这些生物学特征并不是衰老细胞所特有的，也并不是所有类型的细胞衰老后都表现这些特征。
（二）细胞衰老的分子机制
1.复制衰老的分子机制
复制衰老指体外培养的正常细胞经过有限次数的分裂后，停止生长，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象[28]。细胞内端粒（telomere）缩短是导致复制衰老的直接原因[29]。端粒是真核细胞染色体末端的DNA-蛋白质复合体，能保护染色体不被核酸酶降解以及防止染色体的相互融合，维持染色体的完整。由于DNA聚合酶不能从头合成子链，复制母联的3’端时，子链5’端与之配对的RNA引物被切除后会产生末端缺失，使得子链的5’端随着复制数的增加而逐渐缩短[30]。端粒酶（telomerase）能够以自身含有的RNA为模板，逆转录出母链末端的端粒DNA，从而避免了子链端粒序列的缩短[31]。然而，在正常的体外细胞中，端粒酶处于失活状态。端粒的缩短引发DNA损失反应（DNA damage response，DDR），激活p53信号通路，导致不可逆地退出细胞周期，走向衰亡[32]。
2.压力诱导的早熟性衰老
除了端粒缩短诱发的复制衰老以外，端粒外的DNA损伤、氧化应激和癌基因激活等也能缩短细胞的复制寿命，促进衰老。这种类型的衰老被称为压力诱导的早熟性衰老[33]。严重的DNA损伤，特别是双链DNA断链是细胞衰老的显著诱因[34]。氧化损伤理论是衰老机制的主要理论之一。该理论认为，衰老现象是生命活动中代谢产生的活性氧造成的损伤积累引起的[35]。生物体吸收的氧中2%～3%的转变为活性氧成分（reactive oxygen species，ROS），包括超氧阴离子、过氧化氢和羟自由基。ROS成分对生物大分子，如蛋白质、脂质和DNA等均有损伤，而且还会使线粒体DNA发生变异，从而引起细胞衰老。癌基因激活导致DNA复制的改变，包括活化的DNA复制起始点增加、复制子增多、DNA再复制事件、单链DNA聚集等，这些事件导致DDR激活，使细胞周期停滞，导致细胞衰老；癌基因激活还促进易染色质的形成使与增殖相关的基因转录沉默，最终导致不可逆的细胞周期停滞[36,37]。SIPS的发生涉及p53-p21以及p16信号通路。
（三）细胞衰老的生物意义
细胞衰老在抑制肿瘤[38]和促进机体的衰老方面发挥着重要作用。最近，来自西班牙学者的两项研究还发现细胞衰老在小鼠的胚胎发育过程中具有关键作用。两个研究小组分别对小鼠胚胎内耳和中肾小管的发育，四肢形成过程中顶端外胚层嵴的发育中的细胞衰老现象进行了研究[39,40]。两项研究都说明，胚胎时期的细胞衰老有重要的作用，而且胚胎细胞的衰老和成年细胞衰老存在共同但不完全相同的细胞调节通路。这些发现也提示细胞衰老不只是对细胞应激的被动反应，也是一种主动必要的现象；细胞衰老也许和细胞程序性坏死、自噬和凋亡一样，是胚胎正常发育的重要保障[41]。
（四）肾脏衰老
随着年龄的增加，肾脏也发生结构和功能上的衰老，而这些改变是由于肾脏细胞衰老引起的[42]。在体内和体外环境中，肾脏细胞既有复制衰老也有压力诱导的早熟性衰老[43,44]。在体内人类肾脏细胞发生端粒缩短而引起复制衰老[45]，有意思的是大鼠和小鼠肾脏细胞的端粒并没有明显缩短[46]。在体内，慢性缺血/缺氧、长期高血糖、慢性氧化应激等因素也能诱导人类肾脏细胞的早熟性衰老。这些因素引起DNA损伤、氧化应激等，从而激活P53和/或P16信号通路，使细胞不可逆的推出细胞周期，导致细胞衰老。
（董 政 李思佳）
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第二节 肾脏细胞的生长、肥大和凋亡
细胞是构成有机体的基本单位。细胞正常发育、生长、分化的精密调节是决定组织器官结构和功能的基础。在生命周期中，细胞、组织和器官的数目、体积或干重的不可逆增加过程称为细胞生长，它包括细胞增殖（proliferation）、细胞肥大（hypertrophy）和细胞分化成熟过程。同时在正常的组织器官中，细胞死亡也是维持组织功能和形态所必需的。细胞死亡的方式主要包括细胞坏死（necrosis）和细胞凋亡（apoptosis）。
一、细胞的生长和肥大
（一）细胞增殖
哺乳动物机体的细胞增殖为有丝分裂（mitosis）。如前一节所述，细胞周期包括即G1、S、G2和M四个期段。经过一次有丝分裂，一个母细胞分裂为两个子细胞，如此不断循环，细胞可以呈指数式生长。正常机体的细胞增殖是一个复杂的网络过程，促进细胞增殖的因素和抑制细胞增殖的因素处于动态平衡中，使细胞数量控制在维持组织器官正常生理结构和功能所需状态。细胞增殖的调控涉及多种因子和多个层次的调控，如生长因子、细胞周期控制系统、细胞周期基因、原癌基因等。其中细胞生长因子是促进细胞增殖的主要因素。研究证实，肾脏能产生多种促进细胞增殖的因子，如表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）、胰岛素样生长因子（insulin-like growth factor，IGFs）、肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）、血小板源生长因子（platelet derived growth factor，PDGF）等多种类型的生长因子，这些因子在急性肾小管坏死后肾小管的修复以及肾损伤后残余肾小球的代偿增生中发挥着重要作用。当肾脏受到各种病理损伤或刺激时，肾脏局部细胞或全身产生的细胞因子作用于肾脏固有细胞，或者炎症细胞浸润、聚集在肾脏局部，产生过多的炎症因子，这些因子可促进肾脏细胞病理性增殖，比如系膜细胞增殖及系膜基质的增宽，从而导致肾脏疾病的发生[1-3]。
（二）细胞肥大
细胞肥大是指细胞体积的增大，细胞内蛋白、RNA合成增加，而DNA不增加，其机制可以是依赖于细胞周期或不依赖于细胞周期。细胞周期依赖的细胞肥大机制主要是因为：细胞在从G1期进入S期之间有一个限制点（restriction point），当细胞不能越过这个限制点时，细胞不能合成DNA而停滞在G1期，若外界刺激比如某种生长因子、慢性物理压力作用、高糖刺激等继续存在时可引起系膜细胞、足细胞的肥大。引起非细胞周期依赖的细胞肥大在肾脏主要发生于肾小管上皮细胞，其机制主要是细胞蛋白降解被抑制，使细胞蛋白合成与降解比例失衡，细胞蛋白堆积，细胞出现肥大，可以发生于单侧肾切除、糖尿病、代谢性酸中毒[4,5]。
二、肾脏细胞坏死与凋亡
细胞坏死是细胞受到化学因素（强酸、强碱、有毒物质）、物理因素（如热、辐射）和生物因素（如病原体）等环境因素的伤害引起的细胞死亡现象。细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡和坏死是各种疾病中组织损伤的基础。
（一）细胞凋亡
细胞凋亡通路可以包括内源性和外源性通路。内源性通路中，细胞应激（cell stress）直接导致线粒体外膜通透（mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP），导致凋亡因子，如细胞色素c释放，进而激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-9（caspase 9）。外源性途径中，死亡受体的结合导致适应性蛋白的募集，随后激活caspase 8。内质网应急可激活caspase 12[6]。
虽然凋亡有多种起发机制，但最终都涉及线粒体。例如，外源性通路中caspase 8剪切Bid（一种仅含BH3域的Bcl-2家族蛋白），导致其移位至线粒体，引发MOMP和细胞色素c释放。因此以MOMP为表现的线粒体损伤被认为是凋亡的中心控制点。在分子水平，Bcl-2家族蛋白是维持线粒体完整的关键。Bcl-2的同源结构域决定了该蛋白是促凋亡或抑制凋亡的。比如抗凋亡因子Bcl-2、Bcl-XL通常有4个Bcl-2的同源结构域。促凋亡因子可以分为两组：有多个Bcl-2的同源结构域的蛋白比如Bax、Bak，和仅含BH3的蛋白如Bid、PUMA（p53上调凋亡调控因子）。抗凋亡蛋白Bcl-2通过维持线粒体膜的完整保护细胞，而促凋亡因子则增加线粒体膜的通透性导致细胞死亡。Bax和Bak是凋亡中MOMP的必经之路。因此，Bax和Bak基因敲除可以显著减少急性肾损伤中肾小管的凋亡[7]。
最近的研究发现线粒体是一种高度动态的细胞器[8]。线粒体动力学包含线粒体分裂和融合两个过程。融合促进纤维状线粒体网络形成，而分裂则导致线粒体断裂。在哺乳动物细胞中，线粒体融合涉及Mitofusin-1,-2（结合线粒体融合蛋白-1,-2）和OPA1（视神经萎缩相关蛋白1），而分裂取决于Drp-1（动力相关蛋白1）、FIS-1（分裂蛋白）等。在体内试验中，线粒体动力学紊乱的病理作用首次在缺血和顺铂诱导的急性肾损伤（AKI）模型中得到证实[9]。在这些模型中，Drp1进入线粒体，导致一系列线粒体断裂，促进Bax/Bak激活，细胞色素c释放，caspase激活，最后导致凋亡。用药物或基因手段抑制Drp1则可以维持线粒体的丝状形态，抑制肾小管细胞的凋亡从而缓解AKI[9]。
（二）细胞坏死
与细胞凋亡不同，坏死表现为细胞膜完整性的丧失。因此，细胞坏死伴随着未处理的细胞内物质的释放，比如细胞器，高度免疫原性的蛋白质，如IL-33、F-actin（肌动蛋白），ATP，IL-1和HMGB1，双链DNA和RNA。这些免疫原性的细胞成分被统称为DAMPs（损伤相关分子模式）[10]。DAMP在肾脏中的动态释放已被活体显微镜检查所证实[10]。虽然最初认为是偶然的，最近的工作揭示了几个由遗传决定的调节坏死的途径[11,12]。在分子水平上，最具特征的坏死通路是以RIP激酶为基础的程序性细胞坏死。
在肾脏，程序性坏死最早是在缺血模型中被证实。Nec-1，一种RIP1抑制剂，可以减轻肾缺血所致急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）[13]。与此一致的是，RIP基因敲除小鼠对缺血和顺铂诱导的AKI耐受[14]。除RIP外，线粒体失调，特别是线粒体通透性转换（mitochondrial permeability transition，MPT），也能够诱导细胞坏死。MPT表现为线粒体内膜通透，其分子组成仍然不清楚，但是通常认为，CypD（基质蛋白亲环素D）参与其调节。据报道，缺血和顺铂诱导的AKI在CypD缺陷小鼠中被明显减轻，表明MPT可能参与小管细胞的坏死[14]。
三、细胞自噬及其在肾脏病中的作用
（一）细胞自噬
自噬是一种高度保守的生理代谢过程，通过自噬和溶酶体，消除、降解和消化受损、变性、衰老和失去功能的细胞、细胞器和变性蛋白质与核酸等生物大分子，为细胞的重建、再生和修复提供必需原料，实现细胞的再循环和再利用。自噬作为一个基本的生物活动以及作为细胞应激反应之一，在维持细胞内环境的稳定中起重要作用。与泛-蛋白酶体系统（UPS）不同，UPS主要选择性地降解细胞内的短效蛋白质，而细胞自噬“非选择性”地降解细胞内的长效大分子及受损的细胞器[15]。
自噬大致分为以下三种：宏自噬（macroautophagy）、微自噬（microautophagy）和分子伴侣介导的自噬（chaperone-mediated autophagy）。微自噬是胞内物质直接通过溶酶体膜的内陷被吞噬，并形成溶酶体内膜泡，这种内膜泡将其包裹物释放到溶酶体中降解；分子伴侣介导的自噬是一种特异性地含有KFERQ模序蛋白质的蛋白质降解途径，这些含KFERQ模序的蛋白质可被分子伴侣HSC70识别并通过LAMP2A蛋白转运入溶酶体中被降解。而宏自噬常被人们狭义地等同为细胞自噬，一般包含五个步骤：①双膜结构，也就是所谓的吞噬泡的启动；②吞噬泡的扩展；③结构成熟形成自噬体；④自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体，以及最后⑤降解吸入的生物物质[16]。可见，自噬是一个复杂但有序的分子过程，现已发现三十多个自噬基因（autophagy-related gene，ATG）[17]。
（二）细胞自噬与肾脏病理
近年越来越多的证据表明，自噬在多种肾脏病中起重要的调控作用，比如涉及急性肾损伤，糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）和多囊肾（polycystic kidney disease，PKD）等等。
1.细胞自噬与AKI
AKI时，细胞自噬主要发生在肾小管上皮细胞中。在缺血和肾毒性模型中，药理抑制剂（如氯喹，3-甲基腺嘌呤）阻断细胞自噬，并增强AKI，最先提示自噬对肾脏的保护作用[18,19]。进一步的研究表明，在肾小管特异性ATG基因敲除小鼠模型中观察到变形的线粒体累积，异常同心膜结构和胞质内包涵体，SQSTM1和泛素阳性蛋白聚集在肾小管，最终导致细胞失调。重要的是，在缺血再灌注或顺铂处理时，ATG基因敲除小鼠与野生型相比AKI更严重，从而证实自噬在AKI中的肾脏保护作用[20-22]。
自噬对于AKI的保护机制目前尚不清楚。一般认为，细胞自噬可以清除错误折叠的蛋白质和受损的细胞器，以维持细胞内环境稳定，从而防止细胞凋亡。此外，自噬激活的信号通路有可能干扰细胞死亡通路。例如，从激活的自噬蛋白复合物解放的Bcl-2等可以阻止内源性和外源性的凋亡。自噬还可以防止在正常情况或病理情况有害的炎症反应。但是自噬在AKI中对肾小管上皮细胞的保护作用机制有待进一步研究[23]。
2.细胞自噬与多囊肾
自噬可能在多囊肾囊肿的形成和生长中发挥作用[24]。首先，多囊肾中增加的促红细胞生成素和HIF1α水平证实多囊肾是在缺氧的局部形成，而生理性应激反应如缺氧可以引起自噬[25]。第二，已有的研究提供了强有力的证据，表明在肾小管上皮细胞异常增殖和凋亡对于PKD囊肿发展和/或生长起着至关重要的作用，而细胞凋亡和自噬是密切相关的。但是自噬与凋亡的关系很复杂，依赖与细胞的类型、损伤的性质以及损伤的时间，在PKD中两者的关系尚待研究。第三，在PKD的发生中存在PtdIns3K-AKT1-TSC-mTOR通路的激活，而mTOR抑制剂可在PKD动物模型中有一定的治疗作用[26]。一般来说mTOR的激活抑制自噬，而mTOR抑制剂雷帕霉素可诱导自噬。第四，研究PKD的cpk小鼠模型发现，巴弗洛霉素A1诱导LC3-Ⅱ在野生型小鼠肾脏中增加，而cpk小鼠中表达不增加，提示着自噬的缺陷可能是PKD疾病进展的特点。因此在研究药物治疗PKD之前，应确定这些药物对于PKD中自噬的作用。
3.细胞自噬与肾移植
在移植过程中肾脏面对相当大的应激，包括缺血（冷保存法和热缺血）、再灌注损伤、毒性（神经碱钙抑制剂肾毒性）、免疫攻击（炎症、细胞和体液同种免疫），血流动力学（低血压和高血压）、感染（BK病毒与细菌性肾炎）和代谢性应激（高血糖和血脂异常）等。自噬是出现在移植的一个重要适应过程，在此过程中，自噬起保护作用还是毒性作用取决于所面对的应激的性质[27]。
例如冷保存法。从肾脏摘取到肾脏移植间的间隙为几小时到36小时。在这段时间内，供体肾脏冰存于含营养成分和溶质的保存液，以限制缺血导致的营养丢失（但不缺氧）。冷缺血是一种有害的过程，促进细胞死亡，激活先天免疫。使用威斯康星大学（UW）溶液（一种广泛用于肾保存液）冷保存大鼠肾脏，会增加自噬通量和细胞凋亡。加入巴弗洛霉素A1的UW液可抑制自噬，减少凋亡[28]。虽然添加巴弗洛霉素A1对肾脏病理和功能的影响仍有待确定，这些结果提示了调节自噬在冷保存的潜在益处。
冷保存后，一旦肾血流量的建立就会发生再灌注损伤。再灌注损伤促进活性氧释放，增加缺血应激，导致所谓的缺血再灌注损伤。缺血再灌注损伤可因为低温保存诱导的自噬加重。事实上，氧化应激上调自噬调控因子的表达，包括LC3和becn1134210促进自噬。通过注射重组人腺病毒cDNA BCL2L1可抑制细胞凋亡和自噬，因为BCL2L1抑制线粒体外膜通透性及活性氧产生[29]。此外，BCL2L1表达增强可减少急性肾小管坏死、改善肾功能不全。类似的结果在Bcl-2转基因小鼠模型发现。但是研究的局限性在于没有区分这种保护是基于抑制细胞凋亡还是自噬。
移植后需使用免疫抑制剂。钙调磷酸酶抑制剂（环孢素和他克莫司）是强有力的免疫抑制药物，研究证明CsA激活自噬和防止通过内质网应激诱导的细胞死亡[30]。其他免疫抑制药物，包括吗替麦考酚酯和鞘氨醇激酶抑制剂，可能参与调控自噬相关流程，但其机制和功能在肾移植中的影响仍有待研究。
4.细胞自噬与肾小球足细胞
肾小球足细胞是肾小球中最脆弱的部分，与肾小球疾病的进行性蛋白尿和肾小球滤过率损失相关。因此，在肾小球足细胞数目减少预测肾脏疾病和肾脏衰老的进程。虽然足细胞损伤的分子程序尚不完全清楚，但是氧化应激、内质网应激、线粒体损伤、细胞骨架紊乱是肾小球硬化形成的关键机制。足细胞是有丝分裂后细胞，其替换能力有限。
在正常状况下，足细胞就具有较高的基础自噬水平。高自噬虽不影响足细胞的分化，但对足细胞有丝分裂后的动态平衡的维持至关重要，可能是防止足细胞退化的关键。这一结论主要基于Huber实验室的工作。他们发现，当Atg5从足细胞中敲除后，足细胞出现退化死亡，并在后期导致老年性蛋白尿和肾小球硬化[31]。
足细胞中自噬的调节目前仍不明了。在一般情况下，mTOR途径是常见的调控哺乳动物自噬的通路。然而，足细胞表现相当独特，其高自噬率似乎不依赖于mTOR调控。最近的研究提出了一种可能的解释是mTOR的自噬空间耦合室（TOR-autophagy spatial coupling compartment，TASCC）把mTOR和自噬体分割从而阻断了mTOR对自噬的负性调节[32]。
5.细胞自噬与肾脏衰老
最近几十年的研究结果表明，自噬和分子伴侣介导自噬随着年龄增长而下降，导致相关的细胞废物堆积以及渐进性的老化。肾脏是衰老的一个典型靶器官。随着年龄的增长，CKD发生率增高。肾脏的老化表现为肾小球硬化和肾间质纤维化与足细胞损伤与肾小管损伤。肾小球足细胞的典型的组织学变化是终末分化和长寿命的有丝分裂后细胞。因此，足细胞的命运在很大程度上依赖于其应付压力的能力。此外，近端肾小管上皮细胞内含有大量的细胞器，如线粒体和内质网，并吸收大量肾小球过滤的蛋白。这些结果很容易导致我们推测，自噬在维持足细胞和肾小管上皮细胞的动态平衡和功能起着重要作用，而其不足可能导致肾脏衰老。
事实上，最近研究表明自噬对足细胞和肾小管上皮细胞在衰老的保护作用。比如研究足细胞特定ATG5基因敲除的小鼠，发现其足细胞中受损的线粒体和泛素化蛋白累积，从而加重年龄相关的蛋白尿和肾小球硬化[31]。近端小管特异敲除ATG5和ATG7基因也导致年龄依赖的线粒体的积累显著增加，以及泛素化的蛋白质和SQSTM1累积为增加，进一步显著增加肾小管细胞凋亡[20,21]。这提示在足细胞和肾小管上皮细胞中细胞自噬缺陷与肾脏老化的发展有关。因此，激活自噬剂可能防止肾脏的衰老，对自噬与肾衰老的研究可能有助老年人肾脏的保护。
（董 政 陈晓君）
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第三节 细胞因子与生长因子
各种循环中或组织局部产生的细胞因子与生长因子是调控肾脏正常生理功能和病理变化的重要影响因素。有关其在不同疾病状态下的表达及对发病或病理进展的影响，本书其他篇章中有详细阐述。本节仅就细胞因子与生长因子的概况进行简要介绍。
一、细胞因子
细胞因子（cytokine）指由活化免疫细胞或非免疫细胞，如成纤维细胞、血管内皮细胞等，合成分泌的能调节细胞生理功能，介导炎症反应，并参与免疫应答和组织修复等多种生物学效应的小分子多肽或糖蛋白。肾脏疾病发生和发展与肾脏局部因子的变化密切相关。肾脏疾病时细胞因子至少通过两种途径参与病变过程：其一是作为“攻击性”炎症介质，启动或促进肾组织的炎症和损伤。其二是作为抗炎症因子，参与肾脏的自身防御。“攻击”和“防卫”的平衡决定了肾脏疾病的转归[1]。
（一）细胞因子的种类
广义的细胞因子主要包括以下7类:
1.白细胞介素（interleukins，ILs）：
包括从IL-1到IL-30。
2.干扰素（interferon，IFN）：
三个亚型α、β、γ。
3.肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）：
α、β。
4.集落刺激因子（colony sitimulating factor，CSF）：
G-CSF、M -CSF、GM-SF。
5.趋化因子（chemokine）：
IL-8、MCP-1、RANTES。
6.黏附分子（adhesion molecules）：
ICAM、VCAM、integrin、selectin。
7.生长因子（growth factor）：
TGF-α、TGF-β、PDGF、CTGF、EGF、HGF。
（二）细胞因子作用的共同特点
1.分子量低（<25kD），属蛋白或糖蛋白。
2.大多是通过自分泌方式（autocrine）作用于自身产生细胞和/或旁分泌方式（paracrine）作用于邻近的靶细胞并在局部发挥作用。
3.细胞因子需与靶细胞上的高亲和力受体特异结合后才发挥生物学效应，并且细胞因子的产生和作用具有多向性，即单一刺激（如抗原、丝裂原、病毒感染等）可使同一种细胞分泌多种细胞因子，而一种细胞因子由多种不同类型的细胞产生可作用于多种不同类型的靶细胞。
4.细胞因子具有激素样活性，作用迅速而短暂，生物学效应极强。单一细胞因子可具有多种生物学活性，但多种细胞因子也常具有某些相同或相似的生物学活性，主要参与免疫反应和炎症反应，如感染免疫、肿瘤免疫、自身免疫、移植免疫等诸多方面。
5.细胞因子调节网络（cytokine network）体现在：①多效性：一种细胞因子对不同细胞产生不同的生物学效应；②重叠性：几种不同的细胞因子作用于同一靶细胞，产生相同或相似的生物学效应；③协同性：两种或两种以上的细胞因子共同作用，并且一种细胞因子强化另一种细胞因子的功能，两者表现为协同作用；④拮抗性：一种细胞因子抑制另一种细胞因子的功能。
（三）细胞因子受体
细胞因子发挥广泛多样的生物学功能是通过与靶细胞膜表面的受体相结合，并将信号传递到细胞内。绝大多数细胞因子受体存在着可溶性形式。了解可溶性细胞因子受体产生的规律及其生理和病理意义，将扩展人们对细胞因子网络作用的认识。检测细胞因子及其受体的水平已成为基础和临床免疫学研究中的一个重要的方面。
根据细胞因子受体胞膜外区氨基酸序列的同源性和结构征，可将细胞因子受体主要分为四种类型[2,3]：免疫球蛋白超家族（IGSF）、造血细胞因子受体超家族、神经生长因子受体超家族和趋化因子受体。
1.免疫球蛋白超家族
该家族成员胞膜外部分均具有一个或数个免疫球蛋白（Ig）样结构域[4]，目前已知，属于IGSF成员的细胞因子受体的IL-1Rt Ⅰ（CD121a）、IL-1RtⅡ（CD121b）、IL-6Rα链（CD126）、gp130（CDw130）、G-CSFR、M-CSFR（CD115）、SCFR（CD117）和PDGFR，并可分为几种不同的结构类型，不同IGSF结构类型的受体其信号转导途径也有差别。
2.造血细胞因子受体超家族
造血细胞因子受体超家族（haemopoietic cytokine receptor superfamily）又称细胞因子受体家族（cytokine receptor family），可分为红细胞生成素受体超家族（erythropoietin receptor superfamily，ERS）和干扰素受体家族（interferon receptor family）[5,6]。所有成员胞膜外区与红细胞生成素受体胞膜外区体在氨基酸序列上有较高的同源性，分子结构上也有较大的相似性。属于ERS的成员有EPOR、血小板生成素R、IL-2β链（CD122）、IL-2Rγ链、IL-3Rα链（CD123）、IL-3Rβ、IL-4R（CDw124）、IL-5Rα链、IL-5βα链、IL-5Rβ 链、IL-6Rα链（CD126）、gp130（CDw123）、IL-7R、IL-9R、IL-11R、IL-1240kDa亚单位、G-CSFR、GM-CSFRα链、GM-CSFRβ链、LIFR、CNTFR等，此外，某些激素如生长激素受体（GRGR）和促乳素受体（PRLR）亦属于ERS。
3.神经生长因子受体超家族
NGFR超家族的成员包括神经生长因子受体（nerve growth factor receptor，NGFR）、TNF-RⅠ（CD120a）、TNF-RⅡ（CD120b）、CD40、CD27、T细胞cDNA-41BB编码产物、大鼠T细胞抗原OX40和人髓样细胞表面活化抗原Fas（CD95）[6,7]。NGFR超家族的结构特点NGFR超家族成员其胞膜外由3～6个约40个氨基酸组成的富含Cys区域，如NGFR、TNF-RⅠ、TNF-RⅡ有4个结构域，CD95有3个结构域，CD30有6个结构域。所有成员N端第一个区域中均含6个保守的Cys以及Tyr、Gly、Thr残基各一个，其他区域亦含4～6个Cys。TNF-RⅠ、CD95、CD40分子之间胞质区约有40%～50%同源性。
4.趋化因子受体
到目前为止，趋化因子家族的成员至少发现了19个。细胞趋化因子受体种类有IL-8RA、IL-8RB、MIP-1α/RANTEs R、NCP-1R和细胞趋化因子受体（red blood cell chemokine receptor，RBCCKR）。所有趋化因子受体都属于G蛋白偶联受体/STR，N端在胞膜外，C端位于胞质内[8]。
二、生长因子
生长因子（growth factors）是一类通过与特异的、高亲和的细胞膜受体结合，调节细胞多种生物学功能的多肽类分子，广泛存在于血小板和各种组织细胞中，对不同种类细胞具有一定的专一性。在分泌特点上，生长因子主要属于自分泌（autocrine）和旁分泌（paracrine）。各类生长因子都有其相应的受体，是普遍存在于细胞膜上的跨膜蛋白，不少受体具有激酶活性，特别是酪氨酸激酶活性（如pDGF受体、EGF受体等）。生长因子细胞因子种类繁多，作用复杂，可分血小板类生长因子（血小板源生长因子PDGF）、表皮生长因子类（表皮生长因子（EGF）、转化生长因子α（TGFα）、肝素结合EGF样生长因子、成纤维细胞生长因子（aFGF、bFGF）、胰岛素样生长因子（IGF）、神经生长因子（NGF）、肝细胞生长因子（HGF）等。
三、细胞因子与生长因子在肾脏生理和病理中的作用
正常肾组织表达某些细胞因子，其生理意义目前还不完全清楚，但由于这些细胞因子具有分化因子的功能，故推测可能在维持正常肾脏结构和功能方面起作用。肾脏疾病状态时，可合成、分泌多种细胞因子，其中既有启动或促进肾组织的炎症和损伤的细胞因子，也有促进炎症消散和组织修复的因子，二者水平的平衡结果决定肾脏疾病的转归。以下简要介绍参与肾脏炎症疾病的主要细胞因子以及生长因子。
1.IL-1
IL-1主要由单核细胞、巨噬细胞合成和分泌。肾脏上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞、肾小球系膜细胞、血管平滑肌细胞等在某些条件下亦可产生IL-1。IL-1具有广泛的免疫调节作用，并有致热和介导炎症的作用，它的生物学功能是通过与相应高亲和力受体结合而介导的。IL-1在肾小球硬化的起始和进展过程中起着重要的作用。IL-1可刺激肾小球系膜细胞活化和增殖、分泌转化生长因子（TGF-β1）、产生胶原，引起细胞外基质积聚[9]。
2.IL-6
T细胞、B细胞、单核细胞在致炎症因素刺激下可分泌IL-6。肾小球系膜细胞、内皮细胞、成纤维细胞等在IL-1、TNF、PDGF、IFN-β、PolyI- C、A23187、PMA等刺激下可产生IL-6。IL-6可促进多种细胞的增殖，如B淋巴细胞杂交瘤、浆细胞瘤、EBV转化的B细胞、T细胞和肾小管上皮细胞等[10]。IL-6还可促进B细胞分化和免疫球蛋白的分泌。
3.IL-10
IL-10是一种多功能负性调节因子，主要由Th2细胞、活化的B细胞、单核细胞、巨噬细胞产生，它参与免疫细胞、炎症细胞、肿瘤细胞等多种细胞的生物调节，在自身免疫性疾病、严重感染性疾病、肿瘤及移植免疫等多种疾病中发挥重要作用。多组研究表明IL-10在活动性狼疮有高表达，且与狼疮致病性自身抗体的产生密切相关。在间质性肾炎及新月体肾炎中，使用基因敲除小鼠证实Treg细胞产生的IL-10发挥着重要抗炎症的作用[11]。
4.IL-17
Th17细胞是2005年由Park和Harrington[12]等发现的一种CD4+T细胞，Th17主要产生IL-17，IL-17通过与受体结合，可诱导效应细胞分泌趋化因子、集落刺激因子等，进而促进中性粒细胞和巨噬细胞的产生和募集。此外，Th17细胞与其他CD4+T细胞亚型之间存在复杂的相互调控网络。正常机体内，介导免疫耐受的Treg细胞和介导炎症反应的Th17细胞间功能相互拮抗，两者保持平衡。机体发生异常时，Th17/Treg功能失衡，引起一系列炎症免疫反应损伤机体。体外研究显示，IL-17可以上调小鼠肾小球系膜细胞炎症cc趋化因子配体2（CCL2）/单核细胞趋化蛋白1（MCP-1）、CCL3/巨噬细胞炎症蛋白1（MIP-1）和CCL20/肝和活化调节趋化因子（LARC）的表达。Gan等对C57BL/6野生型和IL-17A-/-髓过氧化物酶型（MPO）-小血管炎小鼠模型进行了研究，发现与野生型小鼠相比，IL-17A-/-小鼠病变肾小球比例、肾小球浸润细胞和病理性蛋白尿显著降低，肾脏CCL5 mRNA和巨噬细胞浸润量减少，提示Th17在疾病发生中起重要作用[13]。
5.集落刺激因子（CSF）
根据细胞因子刺激不同造血细胞系或不同分化阶段的细胞在半固体培养基中形成不同细胞集落，分别命名为粒细胞CSF（GCsF）、巨噬细胞CSF（R/ICsF）、粒细胞和巨噬细胞CSF（GM-CSF）、多重集落刺激因子（multi-CSF，又称IL-3）、干细胞因子（SCF）和促红细胞生成素（EPO）。浸润肾脏的炎性细胞（包括T细胞、B细胞、巨噬细胞、肥大细胞）和肾脏固有细胞（如内皮细胞、成纤维细胞等）均可产生G-CSF、M-CSF和GM-CSF[14]。其中T细胞和巨噬细胞一般在免疫应答或炎症介质刺激过程中直接产生，而内皮细胞、成纤维细胞可在LPS、IL-1和TNF刺激下产生。G-CSF主要作用于中性粒细胞。肾脏的细胞生物学基础系造血细胞的增殖、分化和活化，还具有对人粒细胞、单核细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞以及成肌纤维细胞的趋化作用。M-CSF主要的生物学作用是促进单核-吞噬细胞包括破骨细胞在内的存活、增殖和活化。M-CSF是炎症反应中的介质，并可提高巨噬细胞杀伤肿瘤细胞和微生物的能力。EPO是一种刺激红细胞生成的糖蛋白。肾脏是EPO产生的主要来源，产生EPO细胞为肾小管基底膜外侧的肾小管周围的间质细胞，主要为成纤维细胞。EPO可特异地作用于红细胞样前体，对其他细胞系几乎没有作用。
6.肿瘤坏死因子
肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）主要由单核细胞和巨噬细胞产生，LPS是较强的刺激诱导剂。IFN-γ、M-CSF、GM-CSF对单核细胞/巨噬细胞产生TNF-α也有刺激作用，而PGE则有抑制作用。T淋巴细胞在PMA刺激下也可分泌TNF-α。SAC、PMA、抗IgM可刺激正常B细胞产生TNF-α。此外，中性粒细胞亦可产生TNF-α。TNF-α在肾脏损伤中的作用直到1989年才大致阐明。Bertani及其研究小组观察到，将人重组TNF-α注入家兔体内后，诱导了家兔肾小球毛细血管内炎症细胞的出现，特别是出现了肾小球内皮的损伤、毛细血管腔内多型核白细胞的聚集和纤维素样物质沉积。研究显示，在DKD患者早期即发现血清TNF-α等炎症因子的增加，并且含量的增加与蛋白尿的程度相关[15]。
7.γ-干扰素
γ-干扰素（IFN-γ）主要由活化Th1产生，活化的NK细胞也可产生IFN-γ。IFN-γ生物学作用有较严格的种属特异性，人IFN-γ只作用于人或灵长类动物的细胞。IFN-γ诱导单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞等MHCⅡ类抗原的表达，使其参与抗原提呈和特异性免疫的识别过程。此外，IFN-γ可上调内皮细胞ICAM-1（CD54）表达，促进巨噬细胞Fc-γR表达，协同诱导TNF并促进巨噬细胞杀伤病原微生物。
8.趋化因子
由组织细胞和微生物产生的趋化剂（chemoattractants）对白细胞的趋化作用（chemotaxis），是炎症发生过程中重要的起始步骤，也是机体防御和清除入侵病原体等异物先天性免疫功能的一个重要方面。在免疫复合物、毒素、低氧等刺激下，肾脏固有细胞（内皮细胞、系膜细胞、足细胞、小管上皮细胞及间质细胞）都可释放趋化因子。趋化因子及其受体参与肾脏疾病进展的多个阶段，从而使得白细胞黏附、迁移、分化及聚集；聚集的白细胞除对肾脏产生直接损伤作用外，可进一步分泌趋化因子及其他细胞因子。
9.黏附分子
黏附分子（adhesion molecule）是指由细胞产生、存在于细胞表面、介导细胞与细胞间或细胞与基质间相互接触和结合的一类分子。黏附分子大多为糖蛋白，少数为糖脂，分布于细胞表面或细胞外基质。黏附分子以配体-受体相对应的形式发挥作用，导致细胞与细胞间、细胞与基质间或细胞-基质-细胞之间的黏附，参与细胞的信号转导与活化、细胞的伸展和移动、细胞的生长及分化、炎症、血栓形成、肿瘤转移、创伤愈合等一系列重要生理和病理过程。黏附分子是肾脏急性缺血/再灌注损伤、肾小球炎症发生的重要启动因素。
10.血小板分泌的生长因子
血小板源生长因子（platelet derived growth factor，PDGF）PDGF是一种多肽类促细胞生长因子，可由系膜细胞、间质细胞、集合管上皮细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞、单核细胞、成纤维细胞等多种细胞分泌。PDGF家族拥有A、B、C、D 4条多肽链，它们通过二硫键连接而形成同型或异型二聚体，包括PDGF-AA、PDGF-BB、PDGFF-AB、PDGF-CC和PDGF-DD 5种形式。PDGF只有通过与效应细胞上的PDGF受体（PDGFR）结合才能发挥作用，PDGFR为胞外含糖基的免疫球蛋白样区域和胞内含酪氨酸蛋白激酶活性区域的单链跨膜糖蛋白，由α、β两种亚单位组成，具有αα、αβ和ββ三种二聚体亚型。PDGF在肾脏可激活肾固有细胞如肾脏成纤维细胞、系膜细胞、血管内皮细胞等多种细胞的增殖，诱导肾小管和间质细胞转分化以及ECM积聚，激活致肾脏纤维化下游因子TGF-β、CTGF，因此，PDGF在肾脏纤维化的发生发展中发挥着非常重要的作用[16]。
11.转化生长因子
转化生长因子β（transforming growth factor β，TGFβ）属于TGFβ超家族成员，家族还包括还有活化素（activins）、抑制素（inhibins）、缪勒管抑制质（Mullerian inhibitor substance，MIS）和骨形成蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）。TGFβ可由血小板、巨噬细胞分泌，同时肾脏内所有固有细胞均可表达和分泌。一般以无活性的形式（latency associated peptide，LAP）分泌，在酸性条件下，可被蛋白酶活化。TGFβ具有TGFβ1、TGFβ2、TGFβ3三个亚型，是一种细胞生长的双向调节因子，即具有生长促进和生长抑制的两重属性，可精细调节体内细胞的生长。所有肾脏细胞表面都有TGFβ受体，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型三种形式，分子量分别为53kD、70～85kD和250～350kD。Ⅰ、Ⅱ型TGFβ均为糖蛋白，胞质区具有丝氨酸/苏氨酸激酶区，它们和TGFβ1的亲和力要比和TGFβ2的亲和力大10～80倍；Ⅲ型受体是一种蛋白聚糖，缺乏蛋白激酶活性，对于其如何参与信号的传递还不清楚。TGFβ抑制上皮细胞的增殖，但对肾小球系膜细胞、成纤维细胞既促进细胞增殖，又促使其细胞外基质的合成。TGFβ影响细胞分泌、活化的作用机制复杂，是调节肾脏炎症、硬化的最重要的生长因子。
12.成纤维细胞生长因子
成纤维细胞生长因子（ fibroblast growth factor，FGF）包括两个亚型，即酸性（acid fibroblast growth factor，aFGF）和碱性（basic fibroblast growth factor，bFGF）成纤维细胞生长因子。bFGF可以由内皮细胞、平滑肌细胞、巨噬细胞分泌。它的作用是促进所有中胚层来源的细胞（如成纤维细胞、血管内皮细胞）增殖，且对内皮细胞有趋化和促有丝分裂作用，促进血管形成。成纤维细胞生长因子23（FGF23）是成骨细胞和骨细胞分泌的细胞因子，分子量约为32kD，是成纤维细胞生长因子家族的最新成员，是近年来慢性肾脏病（CKD）的研究热点。人体大多数组织都表达FGF的受体（FGFR），而共受体跨膜蛋白Klotho主要表达于肾脏及甲状旁腺，使FGFR真正成为FGF23的特异性受体，并使FGF23具有器官特异性。FGF23的主要生理学作用包括以下三点：①排磷：与远端肾小管的FGFR-Klotho复合体结合，下调近端肾小管的钠-磷共转运体，使尿重吸收磷减少，尿磷增加，血清磷降低；②减低1,25(OH)2D3：直接抑制1α羟化酶，使1,25(OH)2D3合成减少，同时刺激24-羟化酶，加快1,25(OH)2D3失活，导致1,25(OH)2D3水平下降；③直接抑制甲状旁腺激素（PTH）分泌，下调磷、维生素D水平，间接升高循环PTH，但总体PTH水平下降。FGF23水平升高与CKD患者中的许多不良临床后果相关，可能是因为其促进左心室肥大，促进心血管事件发生，进而影响CKD患者临床预后[17]。
13.肝细胞生长因子
肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）来源广泛，正常组织其表达于肝、肾、小肠、胰腺、甲状腺等器官。HGF在肾脏由肾小球内皮细胞、系膜细胞、间质成纤维细胞等间充质来源的细胞生成。研究认为，在肾小管间质纤维化早期阶段，肾小管上皮细胞成纤维细胞转分化（tubular epithelial-mesenchymal transition，TEMT）是可逆的，及早进行HGF治疗有可能诱导已发生转分化的肾小管上皮细胞重新转分化为小管上皮细胞，维持肾脏正常的组织和结构[18]。
14.血管内皮细胞生长因子
血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是一高度特异的血管内皮细胞有丝分裂素，具有促进内皮细胞增殖、迁移，促进血管生成，增加血管通透性以及血管维持功能，是新生血管形成的主要调控者。在人类肾脏存在的分子主要是VEGF165，主要表达在足细胞，肾组织局部的VEGF浓度和分布的变化与肾脏疾病患者蛋白尿的产生密切相关，同时组织中的VEGF含量与病变的程度相关。最近的研究发现VEGF可以调控足细胞上的瞬时受体电位阳离子通道蛋白6（TRPC6），后者同样和肾脏疾病的蛋白尿有关[19]。
15.表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）
表皮生长因子其受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）是一种受体酪氨酸激酶。在急性肾损伤的动物模型，表皮生长因子受体激活促进肾小管细胞的增殖。表皮生长因子激活表皮生长因子受体，能增强急性肾损伤后肾功能和结构的恢复。但是最近的研究表明，表皮生长因子受体的激活可能通过参与肾间质成纤维细胞激活的机制，诱导的肾小管萎缩，炎性细胞因子过度产生，和/或促进肾小球和血管损伤，进而导致梗阻性肾病、糖尿病肾病、高血压肾病和肾小球肾炎等疾病的进展[20]。
16.结缔组织生长因子
结缔组织生长因子（connective tissue growth factor，CTGF）首先在人的脐静脉内皮细胞条件培养基中发现。它属于一种即刻早期基因CCN（CTGF，Cyr61，nov）家族成员之一，广泛存在于人类多种组织器官，如心脏、肺脏、肝脏、肾脏和结缔组织中，尤其在肾脏中含量最高。其生物学效应主要是促进间充质来源细胞（如成纤维细胞、软骨细胞）增殖、细胞外基质合成分泌[21]。在病理情况下，CTGF过度表达与某些增生性和纤维化性疾病的发生密切相关，如肾纤维化、肝硬化、肺纤维化和硬皮病等。
（董 政 陈晓君）
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第四节 细胞与细胞和细胞与基质的相互作用
细胞与细胞外基质（ECM）以及细胞之间的相互作用不仅在器官的生长与发育、组织损伤修复等诸多生理与病理过程中扮演至关重要的角色，而且细胞与其周围ECM的相互作用也直接影响到细胞的功能和ECM的命运[1,2]。近年来的研究结果表明，ECM不仅可以维持组织器官的正常结构，而且其组成与构成的变化还直接影响细胞的功能、生成、分化并参与疾病的病变过程。因此肾脏发生病变时，不仅相关细胞的结构和功能发生改变，而且可因各类细胞之间、与ECM之间的相互作用而引发肾组织结构的异常，破坏肾脏组织结构的异质性和完整性[3,4]。本节将重点讨论与肾脏基本病变（如：上皮细胞病变、肾组织纤维化以及肾脏炎性损伤）密切相关的细胞和细胞基质间的相互作用。
一、肾小球足细胞、裂隙隔膜及基底膜的相互作用
肾小球上皮细胞（glomerular epithelial cells，GEC）包括脏层上皮细胞和壁层上皮细胞。肾小球脏层上皮细胞（glomerular visceral epithelial cells，GVECs）又称足细胞（podocyte），位于肾小球毛细血管外侧的基底膜上[5]。足细胞的相邻足突之间彼此交错形成滤过裂隙，被称为裂孔隔膜（slit diaphragm，SD）的连续性膜样结构所连接，是参与肾小球滤过膜的主要细胞成分之一（见本篇第四章第一节）。近年来肾小球足细胞方面的研究已经取得了明显的进展，但是裂孔隔膜的分子组分仍然有待进一步证实[6]。目前认为，SD不仅是一种特殊的细胞黏附复合物，为滤过屏障提供结构基础，而且参与对于维持足细胞功能所必需的细胞信号传导[6]。足细胞通过存在于足突底部的整合素α3β1复合物锚定于肾小球基底膜（GBM）上，这一细胞-基质整合素信号对于肾小球滤过屏障精细结构的维持必不可少。
足细胞相互间并不能表达经典的紧密连接蛋白（如symplekin和occludin等，也未发现有claudin蛋白家族成员的表达）。裂孔隔膜复合体包含P-黏蛋白、ZO-1及α-、β-、γ-连接素等成分[7]。近年来的研究表明，肾小球的裂孔隔膜中存在着一种以P-黏蛋白为基础特异接合，P-钙黏蛋白可以被认为是核心蛋白，其胞外区参与形成裂孔隔膜孔隔膜的择通透性功能则由其他蛋白（如nephrin等）执行；而P-黏蛋白的胞内区与β-和/或γ-连接素形成复合体，这个复合体可通ZO-1和α-连接素与肌动蛋白细胞骨架相连。研究发现，结构蛋白如nephrin，CD2AP和podocin是维持肾小球正常滤过和调控裂孔隔膜结构的需成分。
nephrin是含有8个免疫球蛋白（Ig）样区域和一个Ⅲ型纤维连接蛋白（FN）区域的跨膜糖蛋白，分子量约180kD[8]。过去一直认为nephrin仅在裂隙隔膜上特异性表达，但是新近在脑和胰腺组织的某些特定部位也发现有nephrin的表达。nephrin的胞内区富含丝氨酸和酪氨酸，提示其可能参与细胞内的信号传递途径。现在认为nephrin有以下功能：①维持SD结构的完整性。②与足细胞内细胞骨架及紧密连接相关蛋白相互作用，维持足细胞正常的形态及功能。③参与细胞信号转导。研究表明，nephrin的编码基因NPHS1突变会导致芬兰型先天性肾病综合征，人类的糖尿病肾病中nephrin的表达也会减少[9]。大多数研究者认为nephrin的减少与蛋白尿的发生密切相关。最近的研究发现我国传统中草药雷公藤的提取物可减轻嘌呤霉素肾病蛋白尿，上调nephrin和podocin表达以及稳定足细胞骨架，对足细胞损伤有保护作用[10]。
CD2AP是含有多个硫氢基区域的接头蛋白，分子量为80kD，主要表达在上皮细胞和淋巴细胞。它可以与T细胞和自然杀伤细胞CD2受体的胞内区域结合，参与局部T细胞的趋化与聚集，并能够增强T细胞与抗原递呈细胞的黏附[11]。在肾脏组织中，CD2AP定位于足细胞的裂孔隔膜的胞质侧，可与nephrin的胞内羧基端相互作用，该区域也是nephrin与细胞骨架相锚定的部位。对CD2AP基因敲除小鼠的研究发现，该基因敲除6～7周小鼠才会发生蛋白尿及死亡，提示CD2AP可能并不是裂孔隔膜的必需成分，可能仅在肾小球病变的晚期对裂孔隔膜完整性的维持起一定的作用[12]。
podocin是新发现的足细胞特异性蛋白，由常染色体隐性遗传激素抵抗性肾病综合征相关的基因NPHS2编码并表达[13]。podocin定位于裂孔隔膜面，在其插入位点形成一个发夹结构，它可通过其COOH末端与nephrin、CD2AP相互作用形成nephrin复合体，对SD的正常滤过功能发挥关键性作用根据其定位特性。podocin的编码基因突变可导致常染色体隐性遗传激素抵抗型肾病综合征，患病儿童早期发病并迅速进展到终末期肾衰竭。podocin的多种突变（G92C、V180M、R238S）可影响与nephrin在结构上的连接，从而导致足突细胞病变和大量蛋白尿，R229Q的变异则与肾小球硬化有关[14]。
除了上述结构蛋白的作用之外，正常情况下定位于裂隙隔膜上与足细胞胞膜上的唾液酸残基，可受到分子量为14.0kD的上皮细胞的多离子集合体podocalyxin的封闭，这对于维持裂隙孔的完整性以及在肾小球滤过蛋白方面具有至关重要的作用。实验证据包括：在氨基核苷嘌呤霉素诱导的肾病中发现唾液酸含量的减少可能部分参与了裂孔隔膜的缺陷；应用酶学方法将唾液酸从裂孔隔膜上移除，能够导致足细胞的电荷变化和肾小球的损伤；相反，肾小球上皮细胞和足细胞的唾液酸表达增加也与多种肾小球病理变化相关[15]。
二、肾小管上皮细胞间的相互作用
肾小管上皮细胞之间的紧密连接是小管液重吸收与分泌的基础，而细胞黏附分子（cell adhesion molecule，CAM）则是构成上皮细胞间紧密连接的分子结构基础。所谓CAM是指参与细胞间及细胞与ECM之间相互作用的分子，主要包括钙黏素、选择素、免疫球蛋白超家族、整合素及透明质酸黏素等。
所有的CAM都是跨膜糖蛋白，其分子结构由以下3部分构成[16]：①膜外区，指黏附分子肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体的识别与结合；②跨膜区，多为一次跨膜；③胞质区，肽链的C端部分，通常较小，可与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的化学信号分子相连，参与黏附分子相关的信号传递。CAM的作用机制有3种模式：相邻细胞表面的种CAM分子间的相互识别与结合（亲同性黏附），相邻细胞表面的不同种CAM分子间的相互识别与结合（亲异性黏附）以及相邻细胞表面的相同CAM分子借细胞外的连接分子相互识别与结合。
1.E-钙黏蛋白的基本结构
诸多细胞间蛋白参与上皮细胞间的紧密连接，其中钙黏蛋白（cadherin）对上皮细胞间的相互作用最为重要，它参与上皮细胞性小管的形态发生、细胞凋亡、增殖、迁移、分化和侵入等[17]。钙黏蛋白超家族至今已发现30种以上的家族成员，可分为经典钙黏蛋白、细胞桥粒钙黏蛋白、重要钙黏蛋白和钙黏蛋白相关蛋白4组，肾小管上皮细胞的E-钙黏蛋白属于经典钙黏蛋白亚家族。钙黏蛋白属亲同性CAM，其作用依赖于Ca2+的存在，又可称为钙依赖性跨膜蛋白。此类蛋白分子结构具有较高的同源性，蛋白的膜外部分形成5个结构域，其中4个为同源结构，均具有结合Ca2+的部位，N末端的一个结构域是决定其结合特异性的关键部位，其中数个氨基酸残基的变更即足以使结合特异性发生转变。钙黏蛋白分子的胞质域具有高度保守性，主要参与该蛋白的细胞内信号传递。
2.E-钙黏蛋白与上皮细胞极性
位于上皮细胞膜的钙黏蛋白通过不同的连接蛋白与不同的细胞骨架成分相连，参与上皮细胞极性形成，并维持细胞的正常骨架结构。E-钙黏蛋白通过α-、β-和γ-连锁蛋白（catenin）以及黏着斑蛋白（vinculin）、锚蛋白、α辅肌动蛋白等与肌动蛋白纤维相连；桥粒中的钙黏蛋白（如desmoglein及desmocollin）则通过桥粒致密斑与中间纤维相连，再借助与上述结构连接蛋白的相互作用，形成结构蛋白复合物，使得决定上皮细胞极性的功能蛋白或转运蛋白定位于细胞顶端或基侧面。
3.E-钙黏蛋白对上皮细胞功能的影响
目前已知钙黏蛋白的主要生物学功能有：
（1）介导细胞间连接：
E-钙黏蛋白是维持上皮细胞间相互连接的主要黏附分子，是黏合带的主要构成成分。
（2）参与细胞分化：
在胚胎细胞的早期分化和成体组织（尤其是上皮及神经组织）的构筑过程中，钙黏蛋白有着十分重要的作用。比如，发育过程中钙黏蛋白表达的种类与数量决定胚胎细胞间的相互作用（黏合、分离、迁移、再黏合），细胞间微环境的变化则进一步影响细胞的分化，最终参与器官形成过程。
（3）参与细胞的迁移：
钙黏蛋白维持组织结构完整性的作用与该蛋白与连接素共同构成的复合体密切相关。E-钙黏蛋白表达下调或基因突变、α-连接素表达异常或基因缺失以及β-连接素分子异常生化修饰等均能够造成钙黏蛋白-连接素复合体黏附功能的下降，影响上皮细胞间的相互作用与黏附，导致细胞的迁移。已有研究证实，诸多癌细胞表面E-钙黏蛋白的减少甚至消失，导致癌细胞易从瘤块脱落，成为肿瘤侵袭与转移的前提。
（4）维持细胞的生存、拮抗细胞凋亡：
研究发现缺氧、缺血、细胞能量代谢以及细胞内Ca2+浓度的异常，均能够影响上皮细胞E-钙黏蛋白的表达，由此而导致与该蛋白相关的细胞内信号（如PI3激酶/Akt）传递的异常，造成与细胞凋亡相关的信号蛋白（如Bad等）的功能变化，结果促使上皮细胞发生脱落，甚至凋亡。
三、细胞与细胞外基质的相互作用
细胞与ECM之间的相互作用几乎参与了所有细胞功能的调节。细胞与ECM的相互作用是通过间质黏附分子实现的。肾脏组织内的ECM受体包括：整合素家族、糖蛋白胶原受体、Laminin受体以及硫酸肝素糖蛋白等。整合素（integrin）家族是目前研究最为清楚的基质受体，在肾脏的发育和病理生理过程中具有重要作用。新近的细胞生物学研究还证实，ECM可通过整合素对肾脏细胞功能进行调节[18]。因此，探讨细胞-基质的相互作用，对于充分认识肾脏病有着十分重要的意义。
1.整合素的基本结构
整合素是依赖于Ca2+的细胞黏附分子，主要介导细胞与细胞间的相互作用及细胞与ECM间的相互作用。由α和β链组成的整合素是跨膜异二聚体，其α和β链的分子量均为120～185kD。整合素均属于Ⅰ型跨膜蛋白，其细胞外域有700～1000个氨基酸残基，胞质域为30～50个氨基酸。α链的N端有结合二价阳离子（如Ca2+）的结构域，胞质区近膜处都有一个非常保守的KXGFFKR序列，与整合素活性的调节有关。迄今为止，已发现19个α和9个β链，它们按不同的组合构成20余种整合素。1个β链可以和不同的α链形成功能特异的整合素，由此而构成整合素的亚家族。目前已知最大的整合素亚家族是由β1与12个不同的α链所构成的β1整合素亚家族，其特点是彼此拥有相同的β1链。β1整合素主要介导细胞与细胞外基质成分之间的相互作用，也部分参与细胞之间和粒细胞与内皮细胞间的作用。全身几乎所有的组织或器官均存在β1整合素，也是肾脏表达的主要整合素。β2整合素主要存在于各种白细胞表面，介导细胞间的相互作用。β3整合素主要存在于血小板表面，介导血小板的聚集并参与血栓形成以及粒细胞与内皮细胞的相互作用。除β4整合素可与肌动蛋白及其相关蛋白质结合外，α6β4整合素以层粘连蛋白为配体，参与上皮细胞半桥粒的形成。胶原、纤维连接蛋白等多种ECM分子可分别通过各自分子中一个短的氨基酸序列与整合素α链和β链的细胞外域相结合，而只有整合素β链的胞质域能够和细胞内的骨架蛋白（如talin、vinculin和β-actinin等）相结合。Arg-Gly-Asp是第一个被确认能与整合素相结合的氨基酸片段。
2.整合素在肾脏的分布
处于发育阶段以及成熟的肾脏均表达不同类型的整合素。如：未分化的肾间叶细胞表达能与纤维连接蛋白（FN）、血管细胞黏附蛋白1（VCAM-1）、胶原和Laminin相结合的α1β1和α4β1；在发育肾皮质外周伸张的输尿管芽和上皮形成过程中的小管周均有α3β1和α6β1表达；后肾间叶细胞表达的α8β1能够与输尿管芽相互作用，而表达于S形小管区的α2β1参与近端小管的发育。在成熟的肾脏中没有α4β1的表达，α1β1仅局限在系膜细胞和内皮细胞表达；α3β1主要位于肾小管上皮细胞，在远端小管和集合管也有微弱的α3β1和α6β1表达。这些整合素分子均是介导该部位细胞与ECM不同成分相连接的主要蛋白。
3.整合素的基本细胞生物学作用
整合素具有参与细胞迁移、细胞外基质组装、细胞分化与增殖的作用[19]。在维持正常肾组织结构与功能稳定的过程中，整合素的作用取决于细胞中其蛋白的表达与分布。
整合素对于肾脏的形态发生有着重要的作用，但其作用机制尚不十分清楚。体内外研究发现，在输尿管芽和早期输尿管芽细胞中均能检测到整合素α3、α6、β1和β4链的表达。分别抑制这些整合素，可明显抑制输尿管芽分支形态的形成；分化的间充质中共表达层粘连蛋白和α6β1整合素，抗α6抗体可抑制后肾的肾小管生成；发育过程中足细胞上α6β1受体呈一过性表达，与肾小球基底膜上层粘连蛋白的显著分布相关，提示α6β1整合素在肾小球形态发生中可能起作用。此外，骨桥蛋白和α5β3整合素在肾小管形成中可能也起一定作用，因为两者的抗体均可抑制后肾的肾小管形成；应用反义RNA技术抑制α5或α5m的配体纤维蛋白原的表达，还可以导致肾单位数目减少以及输尿管芽分支结构的破坏，表明纤维蛋白原与α5β3间的相互作用在肾脏的发生中至关重要；但是，α6和α5基因敲除小鼠仍具有相对正常的肾脏，说明上述整合素缺乏时可能还有其他的整合素代偿其作用。近年来通过基因突变动物模型进行研究发现：α3突变小鼠的输尿管芽分支减少、肾小管的囊性扩张、足突缺失、肾小球基底膜的结构破坏及肾小球毛细血管襻的减少。培养α3βl缺失小鼠的集合管细胞，发现它仍然可以保持钙黏蛋白介导的细胞连接，但是其结构较正常的上皮细胞稍差，细胞不能装配细胞骨架，而仅表现为骨架蛋白actin的表达。α8突变小鼠输尿管芽的发育和分支以及间质细胞形成上皮结构的能力均发生障碍。新近还发现一个命名为nephronectin的α3β1新配体，该蛋白与Wolffian管和输尿管芽的生长有一定的相关性，在肾脏的发育中可能作为一种高度候选蛋白介导α8β1的基本功能。维持肾脏独特的结构是整合素的重要功能。构成肾小球滤过屏障的足细胞和具有特定极性的肾小管上皮细胞对于肾脏的两项基本生理功能——滤过和重吸收有着重要的作用。整合素参与了肾脏足细胞以及肾小管上皮细胞的结构与功能分化。在肾小球中，β1整合素集中分布在内皮细胞和足细胞的肾小球基底膜（GBM）侧，超微结构研究显示，黏着斑蛋白（vinculin）和细胞骨架蛋白talin均聚集在邻近GBM和actin骨架蛋白丝的3级足突的基面，talin含有3个与vinculin结合的位点，vinculin则具有多个配偶体，包括α-辅肌动蛋白、β-连环蛋白、vinexin、paxillin和F-肌动蛋白，因此，talin介导了整合素胞内区与actin之间的连接，将整合素与肌动球蛋白的收缩结构相耦联。显微注射抗talin抗体能导致局部连接结构和相关应激纤维骨架的瓦解。由于足细胞的骨架蛋白在调节肾小球滤过屏障以及整合素在细胞骨架形成中的重要作用，人们推断足细胞上的整合素表达与分布变化可能会影响肾小球的滤过。此外，在肾小管上皮细胞中，β1-整合素也是定位于与肾小管基底膜相邻的细胞基底面，其正常分布具有维持肾小管完整性和极性特征的作用。
4.介导或调控整合素信号转导的相关蛋白
研究显示，有3种蛋白分子是整合素介导信号的重要调节者，即整合素相关激酶（integrin-linked kinase，ILK）、衔接蛋白PINCH（particularly interesting Cys-His-rich protein）和parvin，它们形成一个异源三聚体的复合体，按照其发现顺序排列被称之为IPP复合体[20,21]。
整合素相关激酶（ILK）是一种细胞内的丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶，可与整合素β的胞质区相互作用，在不同类型的细胞中介导整合素信号传导。ILK于1996年在针对能够结合于整合素β1细胞质蛋白所进行的酵母双杂交筛选实验中被识别出来的。其蛋白包含3个结构域：N端结构域含有3个介导蛋白-蛋白相互作用的锚蛋白重复序列（ankyrin repeats，ANK），推定的第4个ANK缺少保守的残基；C端拥有与Ser/Thr蛋白激酶同源的重要序列；另有1个血小板-白细胞C激酶底物同源（pleckstrin homology，PH）结构域定位于这两个结构域之间，并与它们部分重叠。细胞培养实验表明，ILK的PH结构域的生理性配体是磷脂酰肌醇-3,4,5-三羟甲基氨基甲烷磷酸盐PtdIns(3,4,5)P3。ILK是IPP复合体的中央成分，它通过N端的ANK结构域与PINCH结合，并通过激酶结构域与parvin结合，并将复合体连接于整合素β1和β3的细胞质尾部。研究显示，ILK的表达失调涉及多种慢性肾脏病的发病机制，包括肾病综合征、糖尿病肾病及梗阻性肾病。新近研究表明，体内足细胞中的ILK桥接了整合素与SD的信号传导，提示ILK在足细胞的生理学中也十分重要。PINCH1和PINCH2均为衔接蛋白，含有5个LIM结构域和串联的核定位信号，两个亚型都通过N端的LIM结构域与ILK结合。parvins是一个包括了actopaxin/CH-ILKBP/α-parvin,affixin/β-parvin和γ-parvin的蛋白家族，通过两个钙结合蛋白同源（calponinhomology，CH）结构域与ILK结合。α-parvin和ILK之间的相互作用部分依赖于PtdIns(3,4,5)P3及cdc2和促有丝分裂活化蛋白激酶（MAPK）对α-parvin的磷酸化。
IPP复合体既是整合素与肌动蛋白细胞骨架之间的一个接头，又是一个调节数种信号通路的中心。有许多分子可与IPP复合体相互作用，IPP复合体通过与不同信号通路的上游调节因子直接相互作用而成为一个信号平台。作为一个重要的细胞外信号的传感器，IPP复合体能够控制细胞形态和细胞行为的许多方面。虽然有许多功能可能在所有的细胞类型中是共同的，但某些功能显然是细胞类型特异性的，ILK与不同亚型PINCH和parvin的结合可能参与了这种特异性的形成。
5.ILK的生物学作用
（1）与ILK相互作用的配体：
如上所述，ILK具有衔接蛋白的功能，脊椎动物的ILK能够直接与整合素β1和β3的细胞质尾部结合，并通过与parvin的相互作用与肌动蛋白细胞骨架间接连接。ILK与细胞骨架的相互作用也可以通过LD基序（LD motif）与LIM-结构域的衔接蛋白paxillin而实现，paxi11in通过与α-parvin和肌动蛋白结合衔接分子vinculin的相互作用结合于丝状肌动蛋白（F-actin）上，并通过ILK激酶结构域内的一个paxillin结合位点与ILK相结合。此外，kindlin-1可结合于整合素β1和β3的细胞质结构域，MIG2/kindling-2与migfilin结合，migfilin再与衔接蛋白f ilamin结合，后者可与包括丝状肌动蛋白和整合素在内的几种分子相互作用，由此在ILK与肌动蛋白细胞骨架之间提供另一个连接。
（2）ILK的催化活性：
近期报道的体外实验显示，重组纯化的ILK可以使几种底物磷酸化，其活性很容易被检测出来，表明ILK可能也具有催化活性。然而，尽管ILK的激酶结构域显示其与Ser/Thr蛋白激酶具有显著同源性，但在催化环和保守的DXG基序中的序列却例外。由于ILK缺乏明显的催化基团和Mg2+螯合的残基，因而其结构与典型激酶序列的差异很难解释所观察到的激酶活性。目前，在体内ILK是否拥有足够的活性作为有生理学意义的激酶还未可知。
（3）ILK的代表性底物：
目前最广泛用于体外ILK活性检测的底物是GSB3β和Akt/PKB（蛋白激酶B）。Akt/PKB的活化可能需要在Thr308残基经磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）依赖激酶1（PDK1）的磷酸化作用以及在Ser473残基经PDK2的磷酸化作用。免疫沉淀实验已显示ILK可直接与Akt/PKB结合。
（4）ILK活性的调节：
ILK依赖的磷酸化作用以PI3K依赖的方式调节。在体外实验中，PI3K活性抑制剂可降低ILK的活性，而PI3K催化亚单位的过度表达或PtdIns(3,4,5)P3的加入可以分别增加ILK依赖激酶的活性。对Akt/PKB在Ser473磷酸化作用的检测显示，心肌细胞中胸腺肽β4的表达也使ILK的活性增加。相反，ILK的催化活性受磷酸酶ILK相关蛋白（ILKAP）负调节，ILKAP能够减弱体外ILK的激酶活性以及体内GSK3β的磷酸化作用，但Akt/PKB的磷酸化作用不受影响。这表明GSK3β和Akt/PKB均被认为是ILK的底物，但其激活机制可能不同。也有报道称，ILK在体外能够自磷酸化。
四、循环细胞与肾脏血管内皮细胞之间的相互作用
处于体循环中的白细胞、血小板主要通过选择素与肾脏血管内皮细胞之间发生相互作用[22]。
1.选择素的基本结构、配体与表达特征
选择素（selectin）主要参与白细胞与血管内皮细胞之间的识别与黏合。目前已知有3种：即L（白细胞）选择素、E（内皮细胞）选择素和P（血小板）选择素，其中，R选择素也能表达于内皮细胞。人类和鼠选择素家族的编码基因均定位于1号染色体长臂。所有选择素的膜外区均由3个结构域构成，即120个氨基酸构成的N端C型凝集素结构域、大约30个氨基酸构成的保守EGF样结构域以及约60个氨基酸残基构成的与补体调节蛋白有同源性的、选择素特异的重复序列结构域，此外，选择素分子还具有单个跨膜区和短羧基末端的胞内区。
选择素的配体为细胞表面的糖基化蛋白，与选择素N末端凝集素结合区域相互作用。部分是位于膜外局部含高密度O连接聚糖的黏蛋白，其中3个成分已被克隆并得到确认，即血管黏膜地址素黏附分子1（MAdCAM-1）、CD34和糖基化依赖的细胞黏附分子-1（GlyCAM-l），3者均具有L选择素配体的特性。MAdCAM-1主要表达于黏膜的淋巴组织，可能参与调节淋巴细胞的归巢；CD34主要见于多能造血干细胞和非淋巴结的内皮细胞（包括肾小球内皮细胞）等，在感染时可能参与局部白细胞的趋化与聚集的调节。研究表明，CD34和MAdCAM-1都含有免疫球蛋白样结构域，与发现的许多结合到选择素结合区域的整合素配体相似。该结构域的功能不仅参与淋巴细胞的迁移和滞留，并可能与淋巴细胞穿过淋巴组织的生理学效应相关。GlyCAM-1缺乏跨膜结构域，由高内皮静脉特异性内皮细胞合成并分泌入血液，具有竞争性抑制与L-选择素黏附的作用。此外，P选择素和D选择素的配体也已被识别。P选择素糖蛋白配体具有对R选择素高亲和力的特点，并且同样也是B和L-选择素的反受体。E-选择素及P-选择素所识别并与之结合的糖配体主要为唾液酸化及岩藻糖化的N乙酰氨基乳糖结构（sLeX和sLeA），sLeA结构可修饰多种细胞表面蛋白。先天性sLeX缺陷会使细菌感染发生率增加（2型白细胞黏附缺陷），提示sLeX参与正常宿主防御功能。许多证据显示sLeX和其他相关的选择素碳水化合物配体伴随黏蛋白而存在。
L-选择素广泛存在于各种白细胞的表面，参与炎症部位白细胞的渗出、迁移和浸润过程。它对淋巴细胞黏附到淋巴结静脉内皮细胞并调节淋巴细胞归巢到血管床起重要作用。L-选择素还能够促使白细胞黏附到被细胞因子活化的内皮细胞上，并在感染时趋化白细胞在炎症部位聚集发挥重要作用。P-选择素主要表达于血小板和内皮细胞，它储存于内皮细胞Weibel-Palade小体和血小板α颗粒中，可于几秒至数分钟内迅速迁移至活化细胞的表面，具有促进血小板与中性粒细胞、中性粒细胞与内皮细胞间黏附的作用。相反，E-选择素仅表达在内皮细胞内，通常仅仅在长时间暴露于细胞因子的条件下才能检测到。
2.影响选择素表达的因素
在炎症状态时，活化的内皮细胞表面首先出现P选择素，随后出现E-选择素，它们对于趋化白细胞到达炎症部位并使之聚集具有重要作用。E-选择素存在于活化的血管内皮细胞表面，炎症组织释放的白细胞介素1（IL-1）及肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等细胞因子可激活血管内皮细胞，刺激其合成E-选择素。白细胞表面L-选择素分子上的sLeA与活化的内皮细胞表面的P-选择素及E-选择素之问的识别与结合，可使血液中快速流动的白细胞在炎症部位的血管内皮上减速迁移，即通过分子间的相互作用，造成炎性细胞与血管内皮细胞的相互黏附、分离、再黏附等，如此循环往复，最后使炎性细胞穿过血管内皮屏障，进入炎症部位，并形成局部炎性细胞的聚集。
3.参与中性粒细胞黏附的分子[22,23]
上文已述，整合素家族都是由α和β链构成的异二聚体糖蛋白，主要介导宿主细胞与细胞间和细胞与细胞外基质间的相互作用。VLA4（α4β1整合素）和CD11/CD18β2整合素是典型的在白细胞趋化/聚集时具有核心作用的整合素分子。VLA-4表达于淋巴细胞，单核细胞、嗜碱性粒细胞和嗜酸性粒细胞，在中性粒细胞中也可有表达，它们是VCAM-1和纤维连接蛋白的配体。
白细胞表达下列4种整合素：即CD11a/CD18，CD11b/CD18，CD11c/CD18和CD11d/CD18。CD18（β亚基）由678个氨基酸残基组成，编码于21号染色体。它具有一个由46个氨基酸组成的、高度保守的、含有诸多潜在磷酸化位点的胞质尾区，一个高度保守的跨膜结构域和一个较长的胞外区。CD11a，CD11b和CD11c（α亚基）各自由1 063个、1 136个和1 144个氨基酸残基组成。它们由16号染色体上不同基因编码，具有短的非同源胞质区、高度保守的跨膜区和较长的胞外区，胞外区含有重复的阳离子结合域和高度保守的相互作用结构域，可能是该蛋白重要的黏附结构域。第四个α亚基（CD11d）也已被鉴定，其结构与CD11b/c更为接近。外周血白细胞仅表达中等水平的CD11d蛋白，巨噬细胞和巨噬细胞样细胞的表达水平较高。CD11a/CD18可表达于粒细胞、单核细胞和淋巴细胞。CD11b/CD18和CD11c/CD18见于粒细胞、单核细胞和一些淋巴细胞。
CD11a/CD18的主要配体是免疫球蛋白样细胞间黏附分子-1,2和3（ICAM1-1,-2,-3）。ICAM-1还是CD11b/CD18的配体。CD11c/CD18的配体则包括ICAM-1和CD23。ICAM是细胞表面受体免疫球蛋白超家族的成员之一，每个ICAM含有一个或数个免疫球蛋白同源结构域和一个短的胞质区。其中，ICAM-1是含有5个Ig样结构域的糖蛋白，分子量为76～114kD，是CD11a/CD18和CD1b/CD18的配体。内皮细胞和白细胞可低水平表达ICAM-1，病理条件下内皮细胞能够上调ICAM-1的表达。长时间与细胞因子作用的条件下，其他细胞肾脏细胞（如肾小球系膜细胞和肾小管上皮细胞）可以重新诱导表达ICAM-1。ICAM-2是两个免疫球蛋白样结构域膜外区的CD11/CD18非诱导型Ig样配体，分子量为60kD，内皮细胞和白细胞能够表达高水平的ICAM-2。ICAM-3（CD50）为分子量为124kD的糖蛋白，具有与ICAM-2一样的5个免疫球蛋白样结构域，是目前证实的CD11a/CD18的反受体，表达于所有白细胞，内皮细胞一般不表达ICAM-3。
血管黏附因子1（VCAM-1）是具有7个免疫球蛋白样结构域，22个氨基酸残基跨膜区和19个氨基酸残基胞质区的糖蛋白，分子量为110kD。静止的内皮细胞通常不表达或仅低水平表达VCAM-1，细胞因子或趋化物质（如氧化的低密度脂蛋白）刺激可以诱导内皮细胞、系膜细胞、肾脏上皮细胞和血管平滑肌细胞上调VCAM-l的表达。VCAM-1与VLA4相互作用主要参与除中性粒细胞外的嗜碱性粒细胞、嗜酸性粒细胞、单核细胞和淋巴细胞的黏附反应。
血小板内皮细胞黏附分子-1（PECAM-1）为血小板、白细胞和内皮细胞紧密连接处表达的糖蛋白，分子量为130kD。PECAM-1通过亲同性黏附，即白细胞PECAM-1和表达于细胞连接处内皮细胞PECAM-1的同型相互作用调节感染时内皮细胞间白细胞的渗出。
五、细胞-细胞和细胞-基质相互作用与肾脏病
（一）细胞-细胞相互作用与各类肾脏病[24,25]
1.ICAM-1
大量的数据表明，在肾脏炎症的发病机制中，白细胞的黏附及浸润扮演了重要的角色。正常肾脏中，ICAM-1在以下部位低表达：大血管、肾小球及小管周围毛细血管的内皮细胞腔面；血管系膜区的某些细胞；Bowman囊一些壁层上皮细胞的腔面；近端小管细胞的刷状缘及成纤维细胞样间质细胞。在人类的新月体性肾小球肾炎、膜增生性肾小球肾炎、IgA肾病、紫癜性肾炎、增生性狼疮性肾炎及实验动物的肾毒性血清性肾炎中，则发现肾小球、近远端小管、集合管的腔面及间质细胞中有ICAM-1的表达增加。在STZ诱导的糖尿病大鼠中，肾小球的ICAM-1表达增加，并伴有单核细胞浸润的增多。在高糖和高滤过的实验模型中，ICAM-1表达增加，当用抗体阻断ICAM-1，发现可以有效阻断肾小球中免疫细胞的浸润。然而，虽然ICAM-1的表达水平通常与局部的白细胞浸润相关，但是在没有白细胞浸润的非炎症性肾小球疾病（如微小病变、局灶节段性肾小球硬化及膜性肾病）中也发现了ICAM-l的表达增加。动物实验证据也显示，即便是在ICAM-1高表达时，也不一定有白细胞的浸润。例如：在小鼠的急性Fc-依赖性抗GBM肾炎中研究ICAM-1和CD11b/CD18的作用，发现ICAM-1缺失的动物与野生型动物相比，两者在肾小球多形核白细胞（PMN）的募集浸润方面不存在明显差异；与之相反，CD11b/CD18敲除小鼠则在肾小球PMN浸润方面表现出了时间依赖性的下降。研究者认为，这很可能说明了CD11b/CD18与Fcγ受体的相互作用可能较CD11b/CD18与ICAM-1的相互作用要强得多。由此也引发了近年来研究者对白细胞黏附及浸润过程中ICAM-1作用重要性的再认识和深入探讨。同种异体肾移植排斥反应时ICAM-1的表达方式与肾小球肾炎中的表达方式有所不同。急性排斥反应中，近端小管细胞的腔面、远端小管和集合管的一些固有细胞及浸润的白细胞中均有ICAM-1的显著升高，但是肾小球中却并未有ICAM-1的明显变化。据报道，在急性肾小球肾炎和急性移植排斥反应的患者血清中均可以检测到循环中的可溶性ICAM-1升高。但是，所测到的ICAM-1是否与疾病的活动性相关亦或仅仅是肾小球滤过率下降后的继发性积聚尚不清楚，要判断ICAM-1是否或是在何种程度的变化时确实反映白细胞黏附情况尚十分困难。
2.VCAM-1
在Bowman囊的脏层上皮细胞、一些大血管和小管周围毛细血管的内皮细胞中，VCAM-1均有正常表达。在人类新月体性肾小球肾炎、狼疮性肾炎、IgA肾病和急性间质性肾炎的近端小管细胞中，VCAM-1的表达均增加。在狼疮性肾炎的MRL-lpr小鼠模型中发现内皮细胞中有VCAM-1表达的显著增高，但是在人类肾小球肾炎的内皮细胞中常常并无VCAM-1的诱导表达。在肾炎小鼠中用单克隆抗体阻断VCAM-1和ICAM-1可以抑制T细胞和巨噬细胞在肾脏组织的黏附，说明这些配体参与白细胞的募集。在人类的同种异体移植排斥反应中，常常可以在近端小管的基底外侧，偶尔也在集合管中发现有VCAM-1的重新表达。在发生排斥反应的小管周围毛细血管、小静脉及小动脉的内皮细胞中也可以检测到VCAM-1的明显上升，但是在肾小球细胞中却并未发现这种现象。与ICAM-1一样，VCAM-1在急性炎症及白细胞浸润的区域表达量最高。遗憾的是，VCAM-1基因缺失的小鼠难以用于研究，因为这是一种致死性表型。
目前，原发性肾小球疾病小管间质中ICAM-1和VCAM-1表达增加的机制还在进一步的研究中，初步猜测可能涉及以下几个方面：①当滤过蛋白增加时，近端小管的负荷增加；②缺血；③随血液、尿液或血管外组织液到达小管间质的肾小球细胞因子所产生的作用；④原发病累及小管间质。
3.选择素
E-选择素在正常肾脏中并无表达，但是在一些急性肾小球肾炎、狼疮性肾炎、IgA肾病及感染性休克的患者中，常常可以发现其表达，如在狼疮性肾炎和严重的间质性肾炎的间质静脉的内皮细胞中可见其表达。在糖尿病肾病患者的肾小球和间质中发现有P-选择素和E-选择素的表达增加。小管周围毛细血管的E-选择素水平与间质中CD14阳性的细胞数目呈正相关，这说明D-选择素在间质的白细胞浸润中起到了一定的作用。肾小球E-选择素在高TNF-α循环的患者中常有显著增高，给实验动物肾动脉灌注TNF-α可以诱导E-选择素、ICAM-1和VCAM-1的表达；在肾小球肾炎的实验模型中，如果预先用抗-TNF-α单克隆抗体或可溶性人类重组TNF受体预处理，则会发现黏附分子的表达有所减弱。在人肾小球肾炎中，肾小球中的ICAM-1的表达也与循环中的TNF-α水平密切相关。这些证据表明在肾小球炎症中TNF-α是黏附分子生物合成的重要刺激因子。在急性排斥反应时，内皮细胞中E-选择素的表达增高与ICAM-1和VCAM-1是平行的。在正常肾脏的微血管内皮细胞中有ICAM-2、PECAM-1及黏蛋白CD34的组成性表达，但是，目前还没有研究报道这些配体在肾脏疾病中的表达情况。此外，还有一系列的研究阐述了人肾小球肾炎中ICAM-3-CD11a/CD18的相互作用，说明这些黏附分子可能促进了间质中免疫细胞的浸润。
P-选择素在促进肾小球肾炎免疫细胞浸润方面的重要性仍然有待于进一步研究讨论，因为有较多的实验组在使用功能阻断性抗体时得到了截然相反的实验结果。P-选择素缺失的肾炎小鼠与野生型模型相比，虽然均可发现较为严重的PMN白细胞募集和蛋白尿，但是P-选择素却并不是免疫细胞浸润的必要条件。可以加速P-选择素介导的PMN血小板相互作用的抗炎性脂氧素的跨膜合成在这些动物中是降低的，可以部分解释基因缺失小鼠中炎症反应增强的原因。
（二）细胞-基质相互作用与蛋白尿相关肾脏病[26,27]
人类肾脏的免疫组化分析显示，成熟肾小球足细胞表达高水平的ILK蛋白。Kretzler等人对芬兰型先天性肾病综合征患者的肾小球进行了差异显示筛选研究，发现ILK mRNA是增加的。随后又对两种蛋白尿鼠类模型的ILK表达进行检测，进一步发现ILK的诱导作用在进行性足细胞损伤中是普遍存在的。对ILK信号传导的研究显示，激酶活性因基质附着于足细胞而受到抑制，由于GBM的基质改变是许多肾小球疾病的一个标志，足细胞对其应答表现为足突消失和细胞骨架的变化，因而提示ILK是一个候选信号分子，可介导足细胞对GBM的变化做出的细胞应答。该研究进一步显示，ILK不仅调节整合素的亲和力，而且涉及足细胞基质、细胞骨架和细胞表型之间的相互影响。除干扰足细胞基质的相互作用之外，ILK的过表达还显著地改变了足细胞的表型，使之由一种分支状的细胞形态变成了增生的鹅卵石形状，这些变化与显著的细胞骨架重排相平行。ILK能够直接磷酸化α-actin并因此改变它与肌动蛋白的结合特异性而使α-actin重新分布，从张力丝的联合状态变为黏着斑的形状。因此，在完整的肾小球滤过屏障中，整合素α3β1以一种高亲和力的结合状态锚定在GBM上，ILK处于非活性状态。而一旦足细胞损害或GBM基质改变激活了ILK，有活性的ILK磷酸化整合素β1的细胞质结构域，导致一种低亲和力的结合状态，使足细胞从GBM脱离。由于已知ILK可通过调节核的β-catenin（β-连环蛋白）与LEF-1（lymphoid enhancer factor，淋巴增强因子）转录因子的相互作用而调控细胞的命运，Teixeira Vde P等采用了嘌呤霉素评估ILK信号在足细胞损伤中的作用，发现ILK的活化（而不是突变）可诱导β-catenin向细胞核转移、LEF-1表达以及β-catenin和LEF-1的核共区域化；而小分子ILK抑制剂MC-5能够阻断嘌呤霉素诱导的β-catenin的核转位、足细胞脱离、细胞增生以及裂孔膜分子P-钙黏蛋白和CD2AP（CD2相关蛋白）的阻抑。所以，在足细胞损伤中，ILK能够调节足细胞的细胞-基质相互作用、增殖及裂孔隔膜基因的表达。为了进一步评估ILK在体内的作用，El-Aouni C等设计了Cre介导的足细胞特异性ILK失活的小鼠。这些小鼠在出生时似乎是正常的，但随后发生了进行性的局灶节段性肾小球硬化、并死于终末期肾脏病。白蛋白尿开始时最初的超微结构损伤是GBM的改变，厚度显著增加；伴随着非选择性蛋白尿的进展，足细胞足突消失，裂孔隔膜消失。在蛋白尿开始时，并没有观察到裂孔膜分子（podocin和nephrin）、关键的GBM成分（ fibronectin、laminin和collagen Ⅳ亚型）或足细胞整合素有显著的减少。然而，在ILX缺陷的足细胞中，整合素α3重新定位于沿GBM分布的颗粒中，表明整合素介导的基质装配发生了改变。由于GBM厚度的增加先于足细胞结构损伤，而GBM关键成分的表达与对照组相当，因此提示，ILK对于维持GBM结构与足细胞功能之间的紧密联系是至关重要的。
许多学者深入研究了IPP复合体在足细胞基质黏附、形态学和生存中的作用。已有文献证实，在足细胞分化过程中，伴随着足突的形成，PINCH-1、ILK和α-parvin的表达水平均显著增加。无论是采用ILK抑制剂使PINCH-1-ILK-α-parvin复合物破裂，还是用一个小的复合ILK抑制剂抑制ILK的活性，都会损害足细胞的细胞骨架结构和足细胞的存活。因此，PINCH-1-ILK-α-parvin复合物很可能是足细胞行为的一个关键调节因素，其下调导致了足细胞结构的变化以及凋亡，并最终导致滤过屏障的崩溃和蛋白尿。此外，研究还表明a-parvin N端在足细胞-基质黏附、形态学和生存中有调节作用，其证据包括：①α-parvin N端包含了几个磷酸化位点；②N端磷酸化位点的缺失减少了磷酸化并随之减少了α-parvin与ILK的联系；③过表达α-parvin磷酸化突变体所诱导的表型改变与PINCH-1-ILK-α-parvin复合物分解所致的表型非常相似。这些证据均强烈提示parvin N端调节足细胞功能至少部分是通过影响PINCH-1-ILK-α-parvin复合物的形成来实现的。α-parvin N端参与了α-parvin与ILK磷酸化和相关性的调节，这一发现具有重要意义，它提示了一条新的通路将Ser/Thrˉ磷酸化与PINCH-1-ILK-α-parvin复合物的结构相连接，由此调节足细胞-基质黏附、形态学和生存。因而，PINCH-1-ILK-α-parvin复合物作为一个重要的汇聚点，介导了改变足细胞-基质黏附、细胞结构和生存的多种上游刺激的效应。
还有研究发现氧化应激对于ILK活性的激活作用是呈剂量依赖性的，加入ILK的抑制物，则可恢复足细胞非增殖性、黏附性的表型[28]。Kang等[29]最近使用各种刺激物如阿霉素、TGF-β、高糖等，均能以时间和浓度依赖的方式诱导足细胞ILK表达增加，提示ILK上调可能是足细胞损伤的共同反应。Teixeira等[28]研究中发现加入ILK的抑制因子MC-5，可以明显减少蛋白尿。同时通过腺病毒载体引起足细胞ILK异位高表达，诱导间充质标志物如FN、α-SMA、Desmin的表达，高表达ILK的足细胞呈现异常细胞支架蛋白模式及白蛋白滤出增加，使用ILK小分子抑制剂能阻断上述异常表现。进一步对于体外培养的小鼠足细胞的研究发现，血管紧张素Ⅱ与高糖状态均可调节整合素-ILK系统，并认为这一系统在糖尿病肾病以及其他涉及足细胞损伤的肾脏疾病的发病机制中起到一定的作用[30]。
（三）细胞间及细胞-基质相互作用与急性肾损伤[31]
缺血-再灌注损伤和药物的毒性作用仍然是导致急性肾损伤的主要原因。由于缺血或药物毒性作用造成的肾小管细胞代谢功能的变化，能够直接引发肾小管上皮细胞与小管基底膜之间的黏附与细胞间的相互作用，结果使得肾小管上皮细胞脱落、凋亡和坏死等。此外，与缺血-再灌注损伤相关的肾组织局部炎症反应，对于急性肾损伤的致病过程也有着重要的意义。临床病理观察和动物体内实验均证实，缺血-再灌注损伤能够促进肾脏固有细胞产生炎症细胞因子（如TNF-α、IL-6等）、诱导小管上皮细胞和血管内皮细胞表达与单核细胞等黏附相关的黏附分子（如E-cadherin、ICAM-1、VCAM-1等）表达上调，结果导致以中性粒细胞浸润、募集为病理特征的肾组织损伤。目前认为，中性粒细胞的作用可能主要参与较为晚期的急性肾损伤过程。体内研究结果表明，早期阻断单核细胞的黏附、浸润和聚集（如阻断ICAM-1或拮抗CD11b）均能够减轻缺血-再灌注造成的肾组织损伤，说明细胞间或细胞-基质的黏附与相互作用对于急性肾损伤发病机制有着十分重要的意义。
（四）细胞间及细胞-基质相互作用与肾脏纤维化[32-34]
慢性肾衰竭是一个进展性的病变过程，作为决定肾功能恶化进展速度的肾组织病理学改变——肾小管间质纤维化，正受到各国肾脏病学者的广泛关注。现已证实，无论原发病的病因如何，肌成纤维细胞（myo fibroblast）是ECM的主要来源，其增多与聚集是肾小管-间质纤维化的组织形态学特征。因此，对该细胞来源、生物学特性、影响和调节其功能的研究，以及ECM对于纤维化的意义已成为近年来肾脏病研究领域一个引人瞩目的热点课题。
从理论上讲，肾脏纤维化过程中肾组织内的肌成纤维细胞，可以来自包括间质成纤维细胞、肾小管细胞、血管平滑肌细胞，以及循环中的单核-巨噬细胞在内的多种细胞。在前些年里，肾小管上皮细胞-间质细胞转化（epithelia1-mesenchyma1 transition，EMT）而成为肌成纤维细胞得到很大的关注。但是，近年的研究表明，在体内肾小管EMT转化为肌成纤维细胞的可能性小，即便参与其作用也十分有限。
EMT是指极化的上皮细胞通过去分化改变向间充质细胞转化的过程[35,36]。通常认为EMT是组织损伤或炎症反应后上皮细胞向成纤维细胞转变，进而合成大量纤维化产物，促进组织重构的过程，在正常生理过程中，上述反应在炎症停止后将逐渐减弱消失；但在疾病条件下，炎症刺激长期存在，纤维化EMT将持续不断，并最终导致组织结构破坏及器官纤维化。发生EMT的上皮细胞其主要生物学标志物改变包括上皮粘连蛋白（E-Cadherin）及紧密连接蛋白（ZO-1）表达下调以及间充质连接蛋白（N-, OB-Cadherin）表达上调，随后细胞重新合成纤维细胞特异性蛋白1（FSP1），其细胞骨架蛋白由角蛋白（cytokeratin）向波形蛋白（vimentin）转换，最终具备成纤维细胞特点[37-39]。体外细胞研究发现，多种信号通路参与调控EMT细胞学改变，其中TGFβ-1是最为重要的调控因子，可通过Smad或非Smad通路参与细胞EMT过程[40,41]。然而，从严格意义上证实EMT的存在需要实时监控细胞形态学的变化，这对于体内研究则非常困难。利用细胞系追踪技术（lineage-tracing technique）构建的转基因动物模型是目前探讨EMT过程最有力的研究工具。最近在研究EMT与肾间质纤维化关系的过程中，不同研究团队通过转基因动物模型所获得的结论存在很大的差异，对肾脏纤维化过程中是否存在肾小管上皮细胞向成纤维细胞转分化提出了疑问，EMT也成为目前肾脏纤维化研究争议性最大的问题之一。2002年，Iwano等人通过转基因小鼠实验发现在UUO肾间质纤维化过程中有36%的肾成纤维细胞是来源于发生EMT的肾小管上皮细胞[42]。随后的大量实验室[43-48]及临床观察研究[49-52]分别探讨了EMT的发生机制，支持EMT可能是抗纤维化治疗的潜在性靶点。然而，近年来的一系列研究结果却对肾小管上皮细胞发生EMT提出了质疑[53,54]：首先，研究发现既往在体外实验中证实EMT的过程不一定反映体内的真实情况；其次，目前采用的EMT生物学标志物缺乏特异性，例如Fsp1在健康[55]或纤维化[56]的肾间质成纤维细胞中均有表达，同时还在损伤肾组织间质单核细胞及内皮细胞中均有表达[55,57,58]，而波形蛋白在损伤后的肾小管上皮细胞中的表达可能提示上皮细胞的去分化再生过程，而不是纤维化EMT[40,41]；最后，Humphreys等利用Cre/Loxp重组酶系统构建的转基因动物在肾脏纤维化过程中没有发现肾小管上皮细胞发生EMT的证据[59]。同时，Li[58]以及Koesters[60]在各自独立的转基因动物实验也证实了相似的结果，从而对EMT在肾脏纤维化过程中的作用提出了质疑。Duffield根据新的转基因动物细胞世系研究结果提出，在肾脏发育过程中起源于FOXD1基因的肾间质纤维细胞及血管周细胞（pericyte）是肾纤维化过程肌成纤维细胞的主要来源[61]。而通过对多种转基因小鼠模型的详细分析也发现在肾纤维化过程中仅5%的肌成纤维细胞可能来自肾小管上皮细胞[62]。因此，目前研究提示肾小管上皮细胞在肾纤维化过程中没有或极少发生EMT，而对于肾脏纤维化过程中肌成纤维细胞可能存在的其他各种来源仍需要进一步的研究明确。
总之，细胞间和细胞-基质间的相互作用不仅对于维持肾组织与细胞正常的结构与功能有着重要的意义，同时在肾脏疾病的发生、发展过程中也起到关键的作用。充分认识细胞间和细胞-基质间的相互作用的细胞-分子生物学机制，将有助于人们全面认识肾脏病的发病机制，为早期诊断和有效治疗提供理论和实践基础。
（董 政 周乐天）
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