#552#
#肾脏病基础#
内皮细胞在肾小球选择性滤过及蛋白尿形成中的作用
李 恒 综述 胡伟新 审校
关键词 肾小球滤过屏障 内皮细胞 糖萼
肾小球滤过膜是肾小球选择性滤过功能的结构基础,从内至外由肾小球内皮细胞(EC)、基膜(glo-merularbasementmembrane,GBM)和脏层上皮细胞(足细胞)构成。这三层结构构成了肾小球滤过的机械和电荷屏障,使分子量较大或分子量虽较小但带有负电荷的物质(如白蛋白)不能滤出至肾小囊。一旦肾小球滤过膜结构受到损伤,蛋白等大分子物质将透过滤过膜,形成蛋白尿。滤过膜结构的破坏是各种以蛋白尿为主要表现的肾小球疾病的共同机制。因此,研究滤过膜的生理功能和损伤机制,对于深入理解肾脏病的发生、发展至关重要。
近年来,对于这方面的研究热点集中在足细胞上。这是因为:(1)足突裂隙是滤过膜结构中孔径最狭小的部位,被认为是滤过膜机械屏障所在之处;(2)在多种以大量蛋白尿为特点的肾脏疾病中,通过电镜方法可以直接观察到足细胞形态和结构的破坏;(3)随着分子生物学进展,Nephrin、Podocin等足突表面分子的发现及其功能的确定,进一步确定足细胞在肾小球选择性滤过中的重要作用。
相比之下,滤过膜最内层的EC在肾小球选择性滤过中的作用一直未得到重视。但实际上滤过膜三层结构是作为一个整体发挥作用的,EC损伤同样会
[3]
导致大量蛋白漏出。这说明EC在肾小球选择性滤过中也具有非常重要的作用。本文将对EC在肾小球选择性滤过和蛋白尿形成中的作用作一综述。EC的特殊结构在选择性滤过中的作用
EC糖萼和网状塞结构 很早人们就发现GBM
[作者单位]浙江大学医学院附属第一医院肾脏病中心(李 恒)
(杭州,310003)
南京军区南京总医院解放军肾脏病研究所(胡伟新)
,[1,2]
上附有硫酸肝素、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等带负电
[4]
荷的物质,因此人们认为滤过膜电荷屏障位于GBM上
[5]
。但是对从滤过膜中分离出来的GBM进
[6]
[7]
行生理学测试表明,GBM的电荷屏障作用远远小于完整滤过膜。Rossi等发现去除GBM上的硫酸肝素并不会造成蛋白尿。这些研究表明GBM并非滤过膜上主要的电荷屏障。那么,电荷屏障究竟位于何处呢?
研究表明,EC表面覆盖着一层由蛋白多糖、糖蛋白、糖胺多糖和血浆蛋白等物质构成的被膜,称为/糖萼0(glycocalyx)
[8]
(图1)。糖萼中同样富含硫
[9]
酸肝素、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等物质,还粘附
着血浆来源的带有负电荷的类粘蛋白(orosomu-[10][11]
coid)。Montesano等研究表明EC糖萼主要是由EC分泌的。Sorensson等
[12]
发现肾小球EC自身
[13]
也能合成类粘蛋白。Sorensson等还发现白介素
1可加速体外培养的牛肾小球EC合成硫酸肝素、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等带负电荷物质,而嘌呤霉素氨基核苷(puromycinaminonucleoside,PAN)可抑制上述物质合成。这表明EC合成负电荷物质减少及
图1 肾小球滤过膜结构示意图[7]
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的重要结构
[20]
EC糖萼电荷屏障受损可能是PAN肾病模型形成的机制之一。Deckert等发现,糖尿病患者肾小球内皮细胞受损后合成带负电荷糖蛋白能力下降,使其表面所带负电荷下降,是导致患者产生微量白蛋白尿的主要原因。最近,Jeansson等采用糖胺多糖降解酶(肝素酶、软骨素酶和透明质酸酶)降解小鼠肾小球EC表面糖萼后发现肾小球对白蛋白和中性聚蔗糖(Ficoll)的通透性都显著增加。因此,目前认为EC糖萼是滤过膜电荷屏障的主要所在,并具
[16]
有一定的分子量筛选能力。
但是,众所周知肾小球毛细血管袢EC上密布直径较大的/窗口0(fenestrae)。EC是如何防止大分子物质从/窗口0中直接通过的呢?Rostgaard等
[17]
[15]
[14]
。近来发现,胞膜窖结构会向压力较
[21]
高处密集,是EC表面的压力感受器。血流动力学改变可通过胞膜窖结构影响EC信号传递等生理功能。胞膜窖的主要成分窖蛋白1(caveolin-1)与内皮来源一氧化氮合成酶(eNOS)结合,抑制一氧化氮
[22]
活性。窖蛋白1基因敲除小鼠血浆一氧化氮水平较正常上升5倍
[24]
[23]
。而一氧化氮对血管通透性
和血流动力学均有显著影响,并被证实参与多种肾脏疾病发生。因此,胞膜窖和窖蛋白极有可能参与血流动力学改变引起的内皮和滤过膜结构损伤,但是目前这方面还缺乏实验证据。EC与足细胞的相互作用
肾小球滤过膜三层结构间可通过细胞因子和其它信号系统相互影响。足细胞对EC结构和功能的维持尤为重要。足细胞产生血管内皮生长因子(VEGF),而EC表面存在Flk1(fetalliverkinase1)、Flt1(fms-liketyrosinekinase1)等VEGF受体
[25]
通过新型固定方法结合电镜观察发现EC窗
口并非是空的,其上覆盖着由蛋白多糖等物质构成的纤维状结构,称为网状塞(sieveplugs)(图2)。
网状塞的存在为EC的电荷和分子量筛选作用提供了物质基础。对网状塞及其在肾小球选择性滤过中
的作用还需要深入研究。
。
VEGF具有促进血管形成和增加血管通透性等作用。在肾脏发育过程中,足细胞通过表达VEGF等细胞因子吸引EC靠近并形成血管袢和滤过膜结构
[26]
。VEGF基因表达缺陷会导致肾小球不能形
[27]
成毛细血管袢,并引起胚胎死亡。胚胎期采用VEGF抗体或可溶性VEGF受体干扰VEGF信号系统也会导致肾小球毛细血管袢缺失
[30]
[28]
,肾脏发育成
[29]
熟后再干扰VEGF信号系统会引发蛋白尿
图2 内皮细胞窗口网状塞电子显微镜照片和示意图
[引自:RostgaardJ&QvortrupK1MicrovascRes,1997,53:1-13]
。
Eremina等发现足细胞VEGF-A表达异常会引起
类似先兆子痫的EC病变(endotheliosis)和蛋白尿,VEGF-A表达缺失会引起实验动物肾小球毛细血管袢不能形成和死亡,而采用基因工程方法引起VEGF-A过度表达会引起类似HIV相关性肾病的毛细血管袢塌陷。以上研究表明足细胞VEGF适时、适量的表达对肾小球毛细血管袢的形成及EC形态和功能的维持非常重要。
血管生成素(angiopoietin,Ang)是另一类由足细胞分泌的重要的血管活性物质,其受体(Tie)位于血管EC表面。Ang-1具有促进EC成熟、维持血管的稳定、抗炎和降低血管通透性等作用,而Ang-2可通过与Ang-1竞争受体拮抗Ang-1的作用
[32]
[33]
[31]
[31]
EC间的紧密连接 肾小球毛细血管袢EC间
通过紧密连接(tightjunction)互相结合。紧密连接由多种蛋白组分构成,其中最主要的一类是Claudin家族。研究表明,改变小鼠EC紧密连接处Claudin
[18]
蛋白组分会影响细胞膜电荷选择能力。Sutton[19]
等发现急性缺血可通过破坏EC间的紧密连接引起蛋白尿。这表明紧密连接是维持EC选择性滤过作用的重要结构。在其他肾脏疾病中是否也存在破坏EC紧密连接的现象值得研究。
EC胞膜窖(caveolae)结构 胞膜窖是EC表面胞膜内陷形成的烧瓶状结构。胞膜窖遍布于EC表面。
Ang系统在肾脏发育过程中也具有非常重要的作用。Yuan等发现抗-GBM抗体肾炎模型中
[34]
,
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现人工合成的Ang-1类似物能降低db/db糖尿病小鼠蛋白尿,具有肾脏保护作用。
[35]
Natoli等发现足细胞产生的Wilm瘤抑制蛋白1(WT-1)基因突变会引起EC功能障碍和毛细血管袢扩张。这表明WT-1也是足细胞调控EC功能的物质之一。
可见,足细胞产生的VEGF、Ang、WT-1等物质对肾小球血管袢形成及EC结构和功能的维持都至关重要。
EC与基膜的相互作用
在胚胎发育过程中,GBM是由EC和足细胞分别产生的膜结构相互融合形成的
[36]
等
[46]
研究表明,采自局灶节段肾小球硬化症患儿的
血清可以增加实验大鼠肾小球白蛋白通透性,而正常人血清可以抑制这种作用。该作者通过对血清成分进一步分析表明,一些高密度脂蛋白成分[包括载脂蛋白(apolipoprotein,Apo)J、ApoL、ApoE2、ApoE4和ApoA-IV的一种28-kD大小的片段]是降低肾小球白蛋白通透性的主要成分。该作者还发现外源性ApoE、ApoJ和ApoA-IV也具有类似正常人血清的作用,而用抗体拮抗上述蛋白后这种作用消失。Musante等
[47]
对FSGS患儿血清进行色谱和电泳分
析后也发现,ApoJ、fibulin、玻连蛋白(vitronectin)等血浆蛋白是维持离体大鼠肾小球滤过屏障的重要血浆成分。
上述血浆蛋白对肾小球EC的影响及其在肾脏病发生、发展中的作用值得进一步研究。
小结:带负电荷的EC糖萼是滤过膜主要的电荷屏障,EC上的网状塞、紧密连接、胞膜窖等结构对维持滤过膜的功能也非常重要。EC接受血浆来源的及足细胞分泌的多种物质的调控,以维持其结构和功能的稳定。EC还可以通过分泌糖胺多糖、蛋白多糖等参与GBM的构建、影响GBM的功能,而正常的GBM对毛细血管袢发育也很重要。因此,EC绝非仅是物质通过滤过膜的通道,而是积极参与肾小球选择性滤过的重要成员。对肾小球EC生理和损伤、修复机制的研究将会加深人们对肾脏病的认识,为防治肾脏病提供新的思路。
参
考
文
献
。肾脏发育成
熟后,EC和足细胞等仍能通过分泌、吸收等方式影
[37][38]
响GBM的结构和功能。Kasinath等发现转化生长因子B1(TGF-B1)能促进EC分泌硫酸肝素至GBM。Chai等发现TGF-B1还能引起EC分泌反常的A1、A2层粘连蛋白至GBM上,并认为EC可通过该途径参与TGF-B1引起的肾小球纤维化过程。Zeisberg等发现高血糖可导致肾小球ECⅣ型胶原A3、A5链合成增加,并认为这可能是糖尿病肾病GBM增厚的原因之一。上述研究表明EC对GBM有重要影响。反之,正常的GBM对EC也非常重
[41]
要。Miner等发现层粘连蛋白A5链基因突变引起的GBM坍塌将导致内皮和系膜细胞排列紊乱,不能形成正常的袢结构。血浆成分对EC通透性的影响
EC是滤过膜结构中直接与血浆接触的部分。很早人们就推测血清中可能存在一些增强和抑制肾小球EC通透性的物质,肾小球EC通透性的改变是这些物质消长的结果。但这些物质具体成分无人知晓。近来人们发现,血清白蛋白具有清除氧自由基、为EC提供脂质等作用
[43]
[42]
[40]
[39]
1 JalankoH.Pathogenesisofproteinuria:lessonslearnedfromnephrin
andpodocin.PediatrNephro,l2003,18:487-491.
2 AsanumaK,MundelP.Therdeofpodocytesinglomerularpathobiolo-gy.ClinExpNephro,l2003,7(4):255-259.
3 PavenstadtH,KrizW,KretzlerM.Cellbiologyoftheglomerular
podocyte.PhysiolRev,2003,83:253-307.
4 MinerJH.Renalbasementmembranecomponents.KidneyInt,
1999,56:2016-2024.
5 FarquarMG.Editoria:ltheprimaryglomerularfiltrationbarrierbase-mentmembraneorepithelialslits?KidneyInt,1975,8:197-211.6 BoltonGR,DeenWM,DanielsBS.Assessmentofthecharge-selec-tivityofglomerularbasementmembraneusingficollsulfate.AmJPhysio,l1998,274:F889-F896.
7 RossiM,MoritaH,SormunenR,etal.Heparansulfatechainsof
perlecanareindispensableinthelenscapsulebutnotinthekidney.EJ.,-.
,血清白蛋白缺失可导致
[44]
EC和滤过屏障受损。Amore等发现Amador-i
糖基化的白蛋白可引起血管EC凋亡,增加肾小球通透性,并认为这可能是糖尿病肾病致病机制之一。可见,白蛋白对维持EC的正常功能非常重要。除白蛋白外,如前文所述,血清中的类粘蛋白粘附于EC糖萼,可增强糖萼的电荷屏障作用
[45]
[10]
。Haralds-
son等发现即使是极低浓度的血清类粘蛋白也能
选力。近
8 LuftJH.Finestructureofcapillaryandendocapillarylayerasre-vealedbyrutheniumred.FedProc,1996,25:1773-1783.9 OhlsonM,SorenssonJ,HaraldsonB.Age-lmembranemodelofglo-merularchargeandsizeselectivityinseries.AmJPhysio,l2001,280:F396-F405.
10SchnitzerJE,PinneyE.Quantitationofspecificbindingoforosomu-coidtoculturedmicrovascularendothelium:roleincapillarypermea-bility.AmJPhysio,l1992:263:H48-H55.
11MontesanoR,MossazA,RyserJE,etal.Leukocyteinterleukinsin-duceculturedendothelialcellstoproduceahighlyorganized,glyco-saminoglycan-richpericellularmatrix.JCellBio,l1984,99:1706-1715.
12SorenssonJ,MatejkaJL,OhlsonM.Humanendothelialcellspro-duceorosomucoidanimportantcomponentofthecapillarybarrier.AmJPhysio,l1999,276:H530-H534.
13SorenssonJ,BjornsonA,OhlsonM,etal.Synthesisofsulphated
proteoglycansbybovineglomerularendothelialcellsinculture.AmJPhysiolRenalPhysio,l2003,284:F373-F380.
14DeckertT,Feldt-RasmussenB,Borch-JohnsenK,Kofoed-Enevolds-enA:Albuminuriareflectswidespreadvasculardamage:TheStenohypothesis.Diabetologia,1989,32:219-226.
15JeanssonM,HaraldssonB.Morphologicalandfunctionalevidencefor
animportantroleoftheendothelialcellglycocalyxintheglomerularbarrier.AmJPhysiolRenalPhysio,l2006,290(1):F111-F116.16DeanWM,LazzaraMJ,MyersBD.Structuraldeterminantsofglo-merularpermeability.AmJPhysilo,2001,281:F579-F596.17RostgaardJ,QvortrupK.Sieveplugsinfenestraeofglomerularcapillar-ies-siteoffiltrationbarrier?CellTissuesOrgans,2002,170:132-138.18VanItallieCM,FanningAS,AndersonJM.Reversalofchargeselec-tivityincationoranion-selectiveepitheliallinesbyexpressionofdi-fferentclaudins.AmJPhysiolRenalPhysio,l2003,285:F1078-F1084.
19SuttonTA,MangHE,CamposSB,etal.Injurytotherenalmicro-vascularendotheliumaltersbarrierfunctionafterischemia.AmJPhysiolRenalPhysio,l2003,285:F191-F198.
20MinshallRD,TiruppathiC,VogelSM,etal.Vesicleformationand
traffickinginendothelialcellsandregulationofendothelialbarrierfunction.HistochemCellBio,l2002,117:105-112.
21RizzoV,MortonC,DepaolaN,etal.Recruitmentofendothelialcaveo-laeintomechanotransductionpathwaysbyflowconditioninginvitro.AmJPhysiolHeartCircPhysio,l2003,285:H1720-H1729.22KoneBC,KuncewiczT,ZhangW,etal.Proteininteractionswith
nitricoxidesynthase:controllingtherighttime,therightplace,andtherightamountofnitricoxide.AmJPhysiolRenalPhysio,l2003,285:F178-F190.
23MinshallRD,SessaVC,StanRV,etal.Caveolinregulationofendo-thelialfunction.AmJPhysiolCellMolPhysio,l2003,285:L1179-L1183.
24RuilopeLM,LaharaV,RodicioJL.Participationofnitricoxidein
:ilerolnthofhypertension.JHypertens,1994,12:623-631.
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25RobertB,ZhaoX,AbrahamsonDR.Coexpressionofneuropilin-1,
flk1andVEGF(164)indevelopingandmaturemousekidneyglomer-ul.iAmJPhysiolRenalPhysio,l2000,279:F275-F282.26SaxenL,SariolaH.Organogenesisofthekidney.PediatrNephro,l
1987,1:385-392.
27CarmelietP,FerreiraV,BreierG,etal.Abnormalbloodvesseldeve-l
opmentandlethalityinembryoslackingasingleVEGFallele.Na-ture,1996,380:435-439.
28RobertB,AbrahamsonDR.Controlofglomerularcapillarydevelop-mentbygrowthfactor/receptorskinases.PediatrNephro,l2001,16:294-231.
29SugimotoH,HamanoY,CharytanD,etal.Neutralizationofcircu-latingvascularendothelialgrowthfactor(VEGF)byant-iVEGFant-ibodiesandsolubleVEGFreceptor1(sFit-1)inducesproteinuria.JBiochem(Tokyo),2003,278:12605-12608.
30EreminaV,SoodM,HaighJ,etal.Glomerular-specificalterations
ofVEGFAexpressionleadodistinctcongenitalandacquiredrenaldiseases.JClinInvest,2003,111:707-716.
31SatchellSC,HarperSJ,TookeJE,etal.Humanpodocytesexpress
angiopoietin-1,apotentialregulatorofglomerularvascularendothelialgrowthfactor.JAmSocNephro,l2002,13:544-550.
32WoolfAS,YuanHT.AngiopoietingrowthfactorsandTiereceptor
tyrosinekinasesinrenalvasculardevelopment.2001,16(2):177-184.
33YuanHT,TippingPG,LiXZ,etal.Angiopoietincorrelateswith
glomerularcapillarylossinant-iglomerularbasementmembraneglo-merulonephritis.KidneyInt,2002,61:2078-2089.
34LeeS,KimW,MoonSO,etal.RenoprotectiveeffectofCOMP-an-giopoietin-1indb/dbmicewithtype2diabetes.NephrolDialTrans-plant,2006,3:[Epubaheadofprint].
35NatoliTA,LiuJ,EreminaV,etal.AmutantformoftheWilms'
tumorsuppressorgeneWT1observedinDenys-Drashsyndromeinter-fereswithglomerularcapillarydevelopment.2002,13(8):2058-2067.
36KasinathBS.Glomerularendothelialcellproteoglycans:regulationby
TGF-beta1.ArchBiochemBiophys,1993,44:370-377.37ShenGQ,KresbachG,SpiroMJ,etal.Evaluationofthecellspec-i
ficityandsulfatedependenceofglomerularextracellularmatrixproteo-glycansynthesis.ArchBiochemBiophys,1995,73:83-93.38KreidbergJA.Podocytedifferentiationandglomerulogenesis.
SocNephro,l2003,14:806-814.
39ChaiQ,KragS,MinerJH,etal.TGF-beta1inducesaberrantlaminin
chainandcollagentypeisotypeexpressionintheglomerularbasementmembrane.NephronExpNephro,l2003,94(4):e123-e136.40ZeisbergM,EricksenMB,HamanoY,etal.Differentialexpression
oftypeIVcollagenisoformsinratglomerularendothelialandmesang-ialcells.BiochemBiophysResCommun,2002,295(2):401-407.
JAm
JAmSocNephro,l
PediatrNephro,l
()
#560#
15BrunskillNJ,StuartJ,TobinAB,etal.Receptor-mediatedendocyto-sisofalbuminbykidneyproximaltubulecellsisregulatedbyphos-phatidylinositide3-kinase.JClinInvest,1998,101:2140-2150.16RuggenentiP,RemuzziG.Timetoabandonmicroalbuminuria?Kid-neyInt,2006,70(7):1214-1222.
17LemleyKV,BlouchK,AbdullahI,etal.Glomerularpermselectivity
attheonsetofnephropathyintype2diabetesmellitus.Nephro,l2000,11:2095-2105.
18BrennerBM,GarciaDL,AndersonS.Glomeruliandbloodpressure.Lessofone,moretheother?AmJHypertens,1988,1:335-347.19BarkerDJ,OsmondC,ForsenTJ,etal.Trajectoriesofgrowthamong
childrenwhohavecoronaryeventsasadults.NEnglJMed,2005,353:1802-1809.
20PeruzziL,TrusolinoL,AmoreA,etal.Tubulointerstitialresponses
intheprogressionofglomerulardiseases:albuminuriamodulatesa-lphavbeta5integrin.KidneyInt,1996,50:1310-1320.
21HirschbergR.Bioactivityofglomerularultrafiltrateduringheavypro-teinuriamaycontributetorenaltubulo-interstitiallesions:
evidenceJAmSoc
-124.
22NelsonRG,MeyerTW,MyersBD,etal.Clinicalandpathological
courseofrenaldiseaseinnon-insulin-dependentdiabetesmellitus:thepimaIndianexperience.SeminNephro,l1997,17:124-131.23ChenJ,MuntnerP,HammLL,etal.Themetabolicsyndromeand
chronickidneydiseaseinU.S.adults.AnnInternMed,2004,140:167-174.
24HeartOutcomePreventionEvaluation(HOPE)StudyInvestigation,
Effectsofanangiotensin-converting-enzymeinhibitor,ramipri,loncar-diovasculareventsinhigh-riskpatients.NEnglJMed,2000,342:145-153.
25BianchiS,BiggaziR,CampeseM.(1997):Microalbuminuriaines-sentia.lhypertension.JNephro,l10:4216-4218.
26BrennerBM,CooperME,deZeeuwD,etal.Effectsoflosartanon
renalandcardiovascularoutcomesinpatientswithtype2diabetesandnephropathy.NEnglJMed,2001,345:861-869.
[收稿日期]2006-10-13
(本文编辑 文 君 丁大洪)
foraroleforinsulin-likegrowthfactorI.JClinInvest,1996,98:116
(上接第555页)
41MinerJH,LiC.Defectiveglomerulogenesisintheabsenceoflaminin
alpha5demonstratesadevelopmentalroleforthekidneyglomerularbasementmembrane.DevBio,l2000,217:278-289.
42IglesiasJ,AbernethyVE,WanyZ.Albuminisamajorserumsurviv-alfactorforrenaltubularcellsandmacrophagesthroughscavengingofROS.AmJPhysio,l1999,277:F711-F722.
43FriedTA,McCoyRN,OsgoodRW.Effectofalbuminonglomerular
ultrafiltrationcoefficientinisolatedperfuseddogglomerulus.AmJPhysio,l1986,250:F901-F906.
44AmoreA,CirinaP,ContiG,etal.Amador-iconfiguratedalbumin
inducesnitricoxide-dependentapoptosisofendothelialcells:aposs-iblemechanismofdiabeticvasculopathy.NephrolDialTransplant,2004,19:53-60.
[收稿日期]2006-10-12
(本文编辑 莫 非 丁大洪)
45HaraldssonB,RippeB.Orosomucoidasoneoftheserumcomponents
contributingtonormalcapillarypermselectivityinratskeletalmuscle.ActaPhysiolScand,1987,129:127-135.
46CandianoG,MusanteL,CarraroM,etal.Apolipoproteinsprevent
glomerularalbuminpermeabilityinducedinvitrobyserumfrompa-tientswithfocalsegmentalglomerulosclerosis.2001,12:143-150.
47MusanteL,CandianoG,BruschiM,etal.Characterizationofplas-mafactorsthatalterthepermeabilitytoalbuminwithinisolatedglo-merul.iProteomics,2002,2(2):197-205.
JAmSocNephro,l
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#肾脏病基础#
内皮细胞在肾小球选择性滤过及蛋白尿形成中的作用
李 恒 综述 胡伟新 审校
关键词 肾小球滤过屏障 内皮细胞 糖萼
肾小球滤过膜是肾小球选择性滤过功能的结构基础,从内至外由肾小球内皮细胞(EC)、基膜(glo-merularbasementmembrane,GBM)和脏层上皮细胞(足细胞)构成。这三层结构构成了肾小球滤过的机械和电荷屏障,使分子量较大或分子量虽较小但带有负电荷的物质(如白蛋白)不能滤出至肾小囊。一旦肾小球滤过膜结构受到损伤,蛋白等大分子物质将透过滤过膜,形成蛋白尿。滤过膜结构的破坏是各种以蛋白尿为主要表现的肾小球疾病的共同机制。因此,研究滤过膜的生理功能和损伤机制,对于深入理解肾脏病的发生、发展至关重要。
近年来,对于这方面的研究热点集中在足细胞上。这是因为:(1)足突裂隙是滤过膜结构中孔径最狭小的部位,被认为是滤过膜机械屏障所在之处;(2)在多种以大量蛋白尿为特点的肾脏疾病中,通过电镜方法可以直接观察到足细胞形态和结构的破坏;(3)随着分子生物学进展,Nephrin、Podocin等足突表面分子的发现及其功能的确定,进一步确定足细胞在肾小球选择性滤过中的重要作用。
相比之下,滤过膜最内层的EC在肾小球选择性滤过中的作用一直未得到重视。但实际上滤过膜三层结构是作为一个整体发挥作用的,EC损伤同样会
[3]
导致大量蛋白漏出。这说明EC在肾小球选择性滤过中也具有非常重要的作用。本文将对EC在肾小球选择性滤过和蛋白尿形成中的作用作一综述。EC的特殊结构在选择性滤过中的作用
EC糖萼和网状塞结构 很早人们就发现GBM
[作者单位]浙江大学医学院附属第一医院肾脏病中心(李 恒)
(杭州,310003)
南京军区南京总医院解放军肾脏病研究所(胡伟新)
,[1,2]
上附有硫酸肝素、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等带负电
[4]
荷的物质,因此人们认为滤过膜电荷屏障位于GBM上
[5]
。但是对从滤过膜中分离出来的GBM进
[6]
[7]
行生理学测试表明,GBM的电荷屏障作用远远小于完整滤过膜。Rossi等发现去除GBM上的硫酸肝素并不会造成蛋白尿。这些研究表明GBM并非滤过膜上主要的电荷屏障。那么,电荷屏障究竟位于何处呢?
研究表明,EC表面覆盖着一层由蛋白多糖、糖蛋白、糖胺多糖和血浆蛋白等物质构成的被膜,称为/糖萼0(glycocalyx)
[8]
(图1)。糖萼中同样富含硫
[9]
酸肝素、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等物质,还粘附
着血浆来源的带有负电荷的类粘蛋白(orosomu-[10][11]
coid)。Montesano等研究表明EC糖萼主要是由EC分泌的。Sorensson等
[12]
发现肾小球EC自身
[13]
也能合成类粘蛋白。Sorensson等还发现白介素
1可加速体外培养的牛肾小球EC合成硫酸肝素、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等带负电荷物质,而嘌呤霉素氨基核苷(puromycinaminonucleoside,PAN)可抑制上述物质合成。这表明EC合成负电荷物质减少及
图1 肾小球滤过膜结构示意图[7]
#553#
的重要结构
[20]
EC糖萼电荷屏障受损可能是PAN肾病模型形成的机制之一。Deckert等发现,糖尿病患者肾小球内皮细胞受损后合成带负电荷糖蛋白能力下降,使其表面所带负电荷下降,是导致患者产生微量白蛋白尿的主要原因。最近,Jeansson等采用糖胺多糖降解酶(肝素酶、软骨素酶和透明质酸酶)降解小鼠肾小球EC表面糖萼后发现肾小球对白蛋白和中性聚蔗糖(Ficoll)的通透性都显著增加。因此,目前认为EC糖萼是滤过膜电荷屏障的主要所在,并具
[16]
有一定的分子量筛选能力。
但是,众所周知肾小球毛细血管袢EC上密布直径较大的/窗口0(fenestrae)。EC是如何防止大分子物质从/窗口0中直接通过的呢?Rostgaard等
[17]
[15]
[14]
。近来发现,胞膜窖结构会向压力较
[21]
高处密集,是EC表面的压力感受器。血流动力学改变可通过胞膜窖结构影响EC信号传递等生理功能。胞膜窖的主要成分窖蛋白1(caveolin-1)与内皮来源一氧化氮合成酶(eNOS)结合,抑制一氧化氮
[22]
活性。窖蛋白1基因敲除小鼠血浆一氧化氮水平较正常上升5倍
[24]
[23]
。而一氧化氮对血管通透性
和血流动力学均有显著影响,并被证实参与多种肾脏疾病发生。因此,胞膜窖和窖蛋白极有可能参与血流动力学改变引起的内皮和滤过膜结构损伤,但是目前这方面还缺乏实验证据。EC与足细胞的相互作用
肾小球滤过膜三层结构间可通过细胞因子和其它信号系统相互影响。足细胞对EC结构和功能的维持尤为重要。足细胞产生血管内皮生长因子(VEGF),而EC表面存在Flk1(fetalliverkinase1)、Flt1(fms-liketyrosinekinase1)等VEGF受体
[25]
通过新型固定方法结合电镜观察发现EC窗
口并非是空的,其上覆盖着由蛋白多糖等物质构成的纤维状结构,称为网状塞(sieveplugs)(图2)。
网状塞的存在为EC的电荷和分子量筛选作用提供了物质基础。对网状塞及其在肾小球选择性滤过中
的作用还需要深入研究。
。
VEGF具有促进血管形成和增加血管通透性等作用。在肾脏发育过程中,足细胞通过表达VEGF等细胞因子吸引EC靠近并形成血管袢和滤过膜结构
[26]
。VEGF基因表达缺陷会导致肾小球不能形
[27]
成毛细血管袢,并引起胚胎死亡。胚胎期采用VEGF抗体或可溶性VEGF受体干扰VEGF信号系统也会导致肾小球毛细血管袢缺失
[30]
[28]
,肾脏发育成
[29]
熟后再干扰VEGF信号系统会引发蛋白尿
图2 内皮细胞窗口网状塞电子显微镜照片和示意图
[引自:RostgaardJ&QvortrupK1MicrovascRes,1997,53:1-13]
。
Eremina等发现足细胞VEGF-A表达异常会引起
类似先兆子痫的EC病变(endotheliosis)和蛋白尿,VEGF-A表达缺失会引起实验动物肾小球毛细血管袢不能形成和死亡,而采用基因工程方法引起VEGF-A过度表达会引起类似HIV相关性肾病的毛细血管袢塌陷。以上研究表明足细胞VEGF适时、适量的表达对肾小球毛细血管袢的形成及EC形态和功能的维持非常重要。
血管生成素(angiopoietin,Ang)是另一类由足细胞分泌的重要的血管活性物质,其受体(Tie)位于血管EC表面。Ang-1具有促进EC成熟、维持血管的稳定、抗炎和降低血管通透性等作用,而Ang-2可通过与Ang-1竞争受体拮抗Ang-1的作用
[32]
[33]
[31]
[31]
EC间的紧密连接 肾小球毛细血管袢EC间
通过紧密连接(tightjunction)互相结合。紧密连接由多种蛋白组分构成,其中最主要的一类是Claudin家族。研究表明,改变小鼠EC紧密连接处Claudin
[18]
蛋白组分会影响细胞膜电荷选择能力。Sutton[19]
等发现急性缺血可通过破坏EC间的紧密连接引起蛋白尿。这表明紧密连接是维持EC选择性滤过作用的重要结构。在其他肾脏疾病中是否也存在破坏EC紧密连接的现象值得研究。
EC胞膜窖(caveolae)结构 胞膜窖是EC表面胞膜内陷形成的烧瓶状结构。胞膜窖遍布于EC表面。
Ang系统在肾脏发育过程中也具有非常重要的作用。Yuan等发现抗-GBM抗体肾炎模型中
[34]
,
#554#
现人工合成的Ang-1类似物能降低db/db糖尿病小鼠蛋白尿,具有肾脏保护作用。
[35]
Natoli等发现足细胞产生的Wilm瘤抑制蛋白1(WT-1)基因突变会引起EC功能障碍和毛细血管袢扩张。这表明WT-1也是足细胞调控EC功能的物质之一。
可见,足细胞产生的VEGF、Ang、WT-1等物质对肾小球血管袢形成及EC结构和功能的维持都至关重要。
EC与基膜的相互作用
在胚胎发育过程中,GBM是由EC和足细胞分别产生的膜结构相互融合形成的
[36]
等
[46]
研究表明,采自局灶节段肾小球硬化症患儿的
血清可以增加实验大鼠肾小球白蛋白通透性,而正常人血清可以抑制这种作用。该作者通过对血清成分进一步分析表明,一些高密度脂蛋白成分[包括载脂蛋白(apolipoprotein,Apo)J、ApoL、ApoE2、ApoE4和ApoA-IV的一种28-kD大小的片段]是降低肾小球白蛋白通透性的主要成分。该作者还发现外源性ApoE、ApoJ和ApoA-IV也具有类似正常人血清的作用,而用抗体拮抗上述蛋白后这种作用消失。Musante等
[47]
对FSGS患儿血清进行色谱和电泳分
析后也发现,ApoJ、fibulin、玻连蛋白(vitronectin)等血浆蛋白是维持离体大鼠肾小球滤过屏障的重要血浆成分。
上述血浆蛋白对肾小球EC的影响及其在肾脏病发生、发展中的作用值得进一步研究。
小结:带负电荷的EC糖萼是滤过膜主要的电荷屏障,EC上的网状塞、紧密连接、胞膜窖等结构对维持滤过膜的功能也非常重要。EC接受血浆来源的及足细胞分泌的多种物质的调控,以维持其结构和功能的稳定。EC还可以通过分泌糖胺多糖、蛋白多糖等参与GBM的构建、影响GBM的功能,而正常的GBM对毛细血管袢发育也很重要。因此,EC绝非仅是物质通过滤过膜的通道,而是积极参与肾小球选择性滤过的重要成员。对肾小球EC生理和损伤、修复机制的研究将会加深人们对肾脏病的认识,为防治肾脏病提供新的思路。
参
考
文
献
。肾脏发育成
熟后,EC和足细胞等仍能通过分泌、吸收等方式影
[37][38]
响GBM的结构和功能。Kasinath等发现转化生长因子B1(TGF-B1)能促进EC分泌硫酸肝素至GBM。Chai等发现TGF-B1还能引起EC分泌反常的A1、A2层粘连蛋白至GBM上,并认为EC可通过该途径参与TGF-B1引起的肾小球纤维化过程。Zeisberg等发现高血糖可导致肾小球ECⅣ型胶原A3、A5链合成增加,并认为这可能是糖尿病肾病GBM增厚的原因之一。上述研究表明EC对GBM有重要影响。反之,正常的GBM对EC也非常重
[41]
要。Miner等发现层粘连蛋白A5链基因突变引起的GBM坍塌将导致内皮和系膜细胞排列紊乱,不能形成正常的袢结构。血浆成分对EC通透性的影响
EC是滤过膜结构中直接与血浆接触的部分。很早人们就推测血清中可能存在一些增强和抑制肾小球EC通透性的物质,肾小球EC通透性的改变是这些物质消长的结果。但这些物质具体成分无人知晓。近来人们发现,血清白蛋白具有清除氧自由基、为EC提供脂质等作用
[43]
[42]
[40]
[39]
1 JalankoH.Pathogenesisofproteinuria:lessonslearnedfromnephrin
andpodocin.PediatrNephro,l2003,18:487-491.
2 AsanumaK,MundelP.Therdeofpodocytesinglomerularpathobiolo-gy.ClinExpNephro,l2003,7(4):255-259.
3 PavenstadtH,KrizW,KretzlerM.Cellbiologyoftheglomerular
podocyte.PhysiolRev,2003,83:253-307.
4 MinerJH.Renalbasementmembranecomponents.KidneyInt,
1999,56:2016-2024.
5 FarquarMG.Editoria:ltheprimaryglomerularfiltrationbarrierbase-mentmembraneorepithelialslits?KidneyInt,1975,8:197-211.6 BoltonGR,DeenWM,DanielsBS.Assessmentofthecharge-selec-tivityofglomerularbasementmembraneusingficollsulfate.AmJPhysio,l1998,274:F889-F896.
7 RossiM,MoritaH,SormunenR,etal.Heparansulfatechainsof
perlecanareindispensableinthelenscapsulebutnotinthekidney.EJ.,-.
,血清白蛋白缺失可导致
[44]
EC和滤过屏障受损。Amore等发现Amador-i
糖基化的白蛋白可引起血管EC凋亡,增加肾小球通透性,并认为这可能是糖尿病肾病致病机制之一。可见,白蛋白对维持EC的正常功能非常重要。除白蛋白外,如前文所述,血清中的类粘蛋白粘附于EC糖萼,可增强糖萼的电荷屏障作用
[45]
[10]
。Haralds-
son等发现即使是极低浓度的血清类粘蛋白也能
选力。近
8 LuftJH.Finestructureofcapillaryandendocapillarylayerasre-vealedbyrutheniumred.FedProc,1996,25:1773-1783.9 OhlsonM,SorenssonJ,HaraldsonB.Age-lmembranemodelofglo-merularchargeandsizeselectivityinseries.AmJPhysio,l2001,280:F396-F405.
10SchnitzerJE,PinneyE.Quantitationofspecificbindingoforosomu-coidtoculturedmicrovascularendothelium:roleincapillarypermea-bility.AmJPhysio,l1992:263:H48-H55.
11MontesanoR,MossazA,RyserJE,etal.Leukocyteinterleukinsin-duceculturedendothelialcellstoproduceahighlyorganized,glyco-saminoglycan-richpericellularmatrix.JCellBio,l1984,99:1706-1715.
12SorenssonJ,MatejkaJL,OhlsonM.Humanendothelialcellspro-duceorosomucoidanimportantcomponentofthecapillarybarrier.AmJPhysio,l1999,276:H530-H534.
13SorenssonJ,BjornsonA,OhlsonM,etal.Synthesisofsulphated
proteoglycansbybovineglomerularendothelialcellsinculture.AmJPhysiolRenalPhysio,l2003,284:F373-F380.
14DeckertT,Feldt-RasmussenB,Borch-JohnsenK,Kofoed-Enevolds-enA:Albuminuriareflectswidespreadvasculardamage:TheStenohypothesis.Diabetologia,1989,32:219-226.
15JeanssonM,HaraldssonB.Morphologicalandfunctionalevidencefor
animportantroleoftheendothelialcellglycocalyxintheglomerularbarrier.AmJPhysiolRenalPhysio,l2006,290(1):F111-F116.16DeanWM,LazzaraMJ,MyersBD.Structuraldeterminantsofglo-merularpermeability.AmJPhysilo,2001,281:F579-F596.17RostgaardJ,QvortrupK.Sieveplugsinfenestraeofglomerularcapillar-ies-siteoffiltrationbarrier?CellTissuesOrgans,2002,170:132-138.18VanItallieCM,FanningAS,AndersonJM.Reversalofchargeselec-tivityincationoranion-selectiveepitheliallinesbyexpressionofdi-fferentclaudins.AmJPhysiolRenalPhysio,l2003,285:F1078-F1084.
19SuttonTA,MangHE,CamposSB,etal.Injurytotherenalmicro-vascularendotheliumaltersbarrierfunctionafterischemia.AmJPhysiolRenalPhysio,l2003,285:F191-F198.
20MinshallRD,TiruppathiC,VogelSM,etal.Vesicleformationand
traffickinginendothelialcellsandregulationofendothelialbarrierfunction.HistochemCellBio,l2002,117:105-112.
21RizzoV,MortonC,DepaolaN,etal.Recruitmentofendothelialcaveo-laeintomechanotransductionpathwaysbyflowconditioninginvitro.AmJPhysiolHeartCircPhysio,l2003,285:H1720-H1729.22KoneBC,KuncewiczT,ZhangW,etal.Proteininteractionswith
nitricoxidesynthase:controllingtherighttime,therightplace,andtherightamountofnitricoxide.AmJPhysiolRenalPhysio,l2003,285:F178-F190.
23MinshallRD,SessaVC,StanRV,etal.Caveolinregulationofendo-thelialfunction.AmJPhysiolCellMolPhysio,l2003,285:L1179-L1183.
24RuilopeLM,LaharaV,RodicioJL.Participationofnitricoxidein
:ilerolnthofhypertension.JHypertens,1994,12:623-631.
#555#
25RobertB,ZhaoX,AbrahamsonDR.Coexpressionofneuropilin-1,
flk1andVEGF(164)indevelopingandmaturemousekidneyglomer-ul.iAmJPhysiolRenalPhysio,l2000,279:F275-F282.26SaxenL,SariolaH.Organogenesisofthekidney.PediatrNephro,l
1987,1:385-392.
27CarmelietP,FerreiraV,BreierG,etal.Abnormalbloodvesseldeve-l
opmentandlethalityinembryoslackingasingleVEGFallele.Na-ture,1996,380:435-439.
28RobertB,AbrahamsonDR.Controlofglomerularcapillarydevelop-mentbygrowthfactor/receptorskinases.PediatrNephro,l2001,16:294-231.
29SugimotoH,HamanoY,CharytanD,etal.Neutralizationofcircu-latingvascularendothelialgrowthfactor(VEGF)byant-iVEGFant-ibodiesandsolubleVEGFreceptor1(sFit-1)inducesproteinuria.JBiochem(Tokyo),2003,278:12605-12608.
30EreminaV,SoodM,HaighJ,etal.Glomerular-specificalterations
ofVEGFAexpressionleadodistinctcongenitalandacquiredrenaldiseases.JClinInvest,2003,111:707-716.
31SatchellSC,HarperSJ,TookeJE,etal.Humanpodocytesexpress
angiopoietin-1,apotentialregulatorofglomerularvascularendothelialgrowthfactor.JAmSocNephro,l2002,13:544-550.
32WoolfAS,YuanHT.AngiopoietingrowthfactorsandTiereceptor
tyrosinekinasesinrenalvasculardevelopment.2001,16(2):177-184.
33YuanHT,TippingPG,LiXZ,etal.Angiopoietincorrelateswith
glomerularcapillarylossinant-iglomerularbasementmembraneglo-merulonephritis.KidneyInt,2002,61:2078-2089.
34LeeS,KimW,MoonSO,etal.RenoprotectiveeffectofCOMP-an-giopoietin-1indb/dbmicewithtype2diabetes.NephrolDialTrans-plant,2006,3:[Epubaheadofprint].
35NatoliTA,LiuJ,EreminaV,etal.AmutantformoftheWilms'
tumorsuppressorgeneWT1observedinDenys-Drashsyndromeinter-fereswithglomerularcapillarydevelopment.2002,13(8):2058-2067.
36KasinathBS.Glomerularendothelialcellproteoglycans:regulationby
TGF-beta1.ArchBiochemBiophys,1993,44:370-377.37ShenGQ,KresbachG,SpiroMJ,etal.Evaluationofthecellspec-i
ficityandsulfatedependenceofglomerularextracellularmatrixproteo-glycansynthesis.ArchBiochemBiophys,1995,73:83-93.38KreidbergJA.Podocytedifferentiationandglomerulogenesis.
SocNephro,l2003,14:806-814.
39ChaiQ,KragS,MinerJH,etal.TGF-beta1inducesaberrantlaminin
chainandcollagentypeisotypeexpressionintheglomerularbasementmembrane.NephronExpNephro,l2003,94(4):e123-e136.40ZeisbergM,EricksenMB,HamanoY,etal.Differentialexpression
oftypeIVcollagenisoformsinratglomerularendothelialandmesang-ialcells.BiochemBiophysResCommun,2002,295(2):401-407.
JAm
JAmSocNephro,l
PediatrNephro,l
()
#560#
15BrunskillNJ,StuartJ,TobinAB,etal.Receptor-mediatedendocyto-sisofalbuminbykidneyproximaltubulecellsisregulatedbyphos-phatidylinositide3-kinase.JClinInvest,1998,101:2140-2150.16RuggenentiP,RemuzziG.Timetoabandonmicroalbuminuria?Kid-neyInt,2006,70(7):1214-1222.
17LemleyKV,BlouchK,AbdullahI,etal.Glomerularpermselectivity
attheonsetofnephropathyintype2diabetesmellitus.Nephro,l2000,11:2095-2105.
18BrennerBM,GarciaDL,AndersonS.Glomeruliandbloodpressure.Lessofone,moretheother?AmJHypertens,1988,1:335-347.19BarkerDJ,OsmondC,ForsenTJ,etal.Trajectoriesofgrowthamong
childrenwhohavecoronaryeventsasadults.NEnglJMed,2005,353:1802-1809.
20PeruzziL,TrusolinoL,AmoreA,etal.Tubulointerstitialresponses
intheprogressionofglomerulardiseases:albuminuriamodulatesa-lphavbeta5integrin.KidneyInt,1996,50:1310-1320.
21HirschbergR.Bioactivityofglomerularultrafiltrateduringheavypro-teinuriamaycontributetorenaltubulo-interstitiallesions:
evidenceJAmSoc
-124.
22NelsonRG,MeyerTW,MyersBD,etal.Clinicalandpathological
courseofrenaldiseaseinnon-insulin-dependentdiabetesmellitus:thepimaIndianexperience.SeminNephro,l1997,17:124-131.23ChenJ,MuntnerP,HammLL,etal.Themetabolicsyndromeand
chronickidneydiseaseinU.S.adults.AnnInternMed,2004,140:167-174.
24HeartOutcomePreventionEvaluation(HOPE)StudyInvestigation,
Effectsofanangiotensin-converting-enzymeinhibitor,ramipri,loncar-diovasculareventsinhigh-riskpatients.NEnglJMed,2000,342:145-153.
25BianchiS,BiggaziR,CampeseM.(1997):Microalbuminuriaines-sentia.lhypertension.JNephro,l10:4216-4218.
26BrennerBM,CooperME,deZeeuwD,etal.Effectsoflosartanon
renalandcardiovascularoutcomesinpatientswithtype2diabetesandnephropathy.NEnglJMed,2001,345:861-869.
[收稿日期]2006-10-13
(本文编辑 文 君 丁大洪)
foraroleforinsulin-likegrowthfactorI.JClinInvest,1996,98:116
(上接第555页)
41MinerJH,LiC.Defectiveglomerulogenesisintheabsenceoflaminin
alpha5demonstratesadevelopmentalroleforthekidneyglomerularbasementmembrane.DevBio,l2000,217:278-289.
42IglesiasJ,AbernethyVE,WanyZ.Albuminisamajorserumsurviv-alfactorforrenaltubularcellsandmacrophagesthroughscavengingofROS.AmJPhysio,l1999,277:F711-F722.
43FriedTA,McCoyRN,OsgoodRW.Effectofalbuminonglomerular
ultrafiltrationcoefficientinisolatedperfuseddogglomerulus.AmJPhysio,l1986,250:F901-F906.
44AmoreA,CirinaP,ContiG,etal.Amador-iconfiguratedalbumin
inducesnitricoxide-dependentapoptosisofendothelialcells:aposs-iblemechanismofdiabeticvasculopathy.NephrolDialTransplant,2004,19:53-60.
[收稿日期]2006-10-12
(本文编辑 莫 非 丁大洪)
45HaraldssonB,RippeB.Orosomucoidasoneoftheserumcomponents
contributingtonormalcapillarypermselectivityinratskeletalmuscle.ActaPhysiolScand,1987,129:127-135.
46CandianoG,MusanteL,CarraroM,etal.Apolipoproteinsprevent
glomerularalbuminpermeabilityinducedinvitrobyserumfrompa-tientswithfocalsegmentalglomerulosclerosis.2001,12:143-150.
47MusanteL,CandianoG,BruschiM,etal.Characterizationofplas-mafactorsthatalterthepermeabilitytoalbuminwithinisolatedglo-merul.iProteomics,2002,2(2):197-205.
JAmSocNephro,l