九、细胞自噬与细胞凋亡
自噬（autophgy）和凋亡（apoptosis）是公认的两个重要的细胞过程，允许细胞和生物体对各种应激所致的细胞损伤作出应答。自噬用来清除细胞内损伤的细胞器，细胞凋亡则会去除整个受损的细胞。某些刺激因子包括营养不足或病毒感染，可以刺激自噬反应，使细胞适应改变的细胞或环境条件，然而，对于那些无法通过自噬处理刺激源的细胞最终可能会发生细胞凋亡。在1型糖尿病的发病机制中，自噬和凋亡均被激活。自噬和凋亡在糖尿病肾病的发病过程中具有重要作用。
（一）细胞自噬
自噬，一个源自希腊语的术语，指“自食其力”。自噬是一种高度保守的溶酶体降解途径，它去除蛋白质聚集物和受损细胞器，以维持细胞的稳态。自噬发生在大多数细胞的基础水平，是重要的应激反应机制，并参与了各种疾病的发病机制。根据胞内底物运送到溶酶体的方式不同，哺乳动物细胞自噬可分为三种主要方式：巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬。通常我们研究的是巨自噬（以下简称自噬）。肾细胞自噬缺陷或功能不全，包括足细胞、系膜细胞、内皮细胞和肾小管细胞，是糖尿病肾病的发病机制之一。
在非糖尿病的情况下，肾脏的自噬反应是正常和有效的，细胞内应激如缺氧、活性氧和内质网应激可诱导自噬，营养耗尽或低能量也可以通过抑制mTORC1和激活AMPK和SIRT1来增强自噬。非糖尿病条件下的自噬激活可以维持细胞内环境稳定，防止肾损伤。在糖尿病情况下，高糖激活mTORC1并抑制AMPK和SIRT1的活性，过度活化的mTORC1可以通过磷酸化ULK1来抑制自噬，AMPK和SIRT1的抑制进一步削弱了糖尿病患者的自噬。在早期糖尿病中，高糖诱导的细胞内应激可能激活自噬，作为细胞保护的补偿反应，在糖尿病晚期，营养感应途径的持续紊乱极大抑制了肾脏的自噬，最终导致自噬失调和糖尿病肾病的发展，因而恢复自噬活性可能成为保护肾脏免受糖尿病肾病伤害的治疗新选择。
1型和2型糖尿病患者肾小球和肾小管细胞中的自噬都受到损害。尽管糖尿病肾脏的自噬能力有所降低，但是由于细胞压力的高暴露，保护性自噬的需求显著增加，这种矛盾的自噬反应可能导致糖尿病肾病肾脏损伤的发展和进展。
1.足细胞自噬
足细胞即使在基础条件下也显示出高自噬率，这表明自噬是足细胞内环境稳定的基本自我修复机制。在糖尿病肾病早期，足细胞可能通过激活各种细胞内应激信号如活性氧、内质网应激等诱导自噬。
糖尿病肾病足细胞早期诱导自噬试图消除蛋白质聚集物和老化细胞器，包括线粒体、内质网和溶酶体，以保护肾脏。然而，在糖尿病肾病晚期（或体外长期暴露于高糖），营养感应通路的持续干扰和新识别的信号通路数量的增加，可能会极大地损害足细胞自噬，导致受损细胞器的累积，这可能会将细胞保护性应激信号转换为细胞毒性状态，而没有返回点。失调的自噬进一步加重蛋白尿和足细胞损伤，最终导致糖尿病肾病进展为终末期肾病。
2.肾小管上皮细胞自噬
肾小管上皮细胞中的自噬反应不同于足细胞中诱导的自噬反应。肾小管上皮细胞在正常情况下表现出非常低的基础自噬水平。特异性抑制近端小管细胞自噬会诱导肾脏老化，表明在肾小管上皮细胞中需要低水平且足够的基础自噬来维持细胞稳态。在肾毒性应激和缺血/缺氧应激等条件下自噬在肾小管上皮细胞中被显著激活，并对肾小管损伤和细胞死亡起到保护作用。肾小管上皮细胞的基础和适应性自噬活性有助于维持细胞和细胞器的稳态/抗应激能力，从而防止肾小管间质纤维化、凋亡和炎症。糖尿病通过减少小管上皮细胞中的Sirt1抑制自噬，蛋白尿、高脂肪饮食、过量营养和糖尿病诱导的肾小管细胞mTORC1活化抑制自噬，导致小管细胞损伤，饮食限制可激活Sirt1并抑制mTORC1，从而预防糖尿病肾病。SGLT-2抑制可能会诱导糖尿病肾脏近端肾小管上皮细胞自噬。高糖则能够抑制1型和2型糖尿病动物近端和远端肾小管细胞的自噬。
从肾小球滤出的蛋白尿是肾毒性应激，并且蛋白质的重吸收增加在肾小管上皮细胞中激活自噬。蛋白尿在肾小管上皮细胞中诱导自噬，主要作为细胞存活的保护机制。然而，糖尿病可能通过过度活化的mTORC1或减少的SIRT1途径抑制肾小管上皮细胞中蛋白尿诱导的自噬，导致肾小管上皮病变加剧，肾小管上皮细胞中自噬损伤和晚期糖基化终产物累积之间的相互关联，导致糖尿病肾病肾小管损伤。
糖尿病条件下受损的自噬不能去除受损的溶酶体，导致晚期糖基化终产物积聚。反过来，晚期糖基化终产物超载会进一步诱导溶酶体功能障碍，并干扰晚期糖基化终产物的溶酶体清除。这种恶性循环最终不仅会导致肾小管上皮细胞的不可逆损伤，还会严重影响肾小球和肾小管间质，导致糖尿病肾病的进展。在培养的人肾小管上皮细胞（HK-2细胞系）和糖尿病患者肾小管上皮细胞中，晚期糖基化终产物超载导致了自噬溶酶体途径的中断。
3.系膜细胞自噬
在糖尿病情况下，组织金属蛋白酶抑制因子3（tissue inhibitor of metalloprotease 3，TIMP-3）的下调可能通过FoxO1/STAT1途径抑制系膜细胞的自噬，导致糖尿病肾病进展。晚期糖基化终产物诱导的活性氧刺激了培养系膜细胞的线粒体去极化和凋亡。同时，晚期糖基化终产物还通过活性氧激活系膜细胞的自噬和有丝分裂，这在减少线粒体损伤和活性氧生成中发挥了重要作用。抑制自噬增强了晚期糖基化终产物诱导的系膜细胞凋亡，提示自噬在晚期糖基化终产物处理的系膜细胞中的保护作用。
高糖抑制自噬，伴随着Ⅰ型胶原的积累以及细胞的肥大和增殖。高糖还上调系膜细胞中的miR21，下调靶基因PTEN，增加PI3K、PKB和mTOR的磷酸化，熊果酸可逆转这些改变，自噬被重新激活，导致系膜损伤和Ⅰ型胶原产生减少。损害糖尿病系膜细胞的自噬，可能导致糖尿病肾病恶化。
4.内皮细胞自噬
肾小球内皮细胞的自噬保持了内皮完整性和足细胞超微结构，以维持肾小球基底膜稳态。STZ诱导的内皮细胞特异性Atg 5（自噬相关基因5）缺陷型糖尿病小鼠显示肾小球基底膜功能障碍，导致与对照糖尿病小鼠相比出现更严重的蛋白尿、空泡化、肾小球内皮细胞分离、肾小球基底膜增厚、足细胞足突变宽和消失，表明自噬对肾小球滤过屏障的细胞层、内皮细胞和足细胞起到了关键的保护作用机制。
TGF-β诱导的骨形态发生蛋白和激活素膜结合抑制剂（bone morphogenetic protein and activin membrane binding inhibito, BAMBI）通过自噬降解，促进内皮细胞的纤维化改变，与BAMBI野生型小鼠相比，STZ诱导的糖尿病的BAMBI缺陷小鼠出现了更多蛋白尿，足部突起变宽，肾小球中替代TGF-β途径ERK1/2和Smad1/5的激活增加。
（二）细胞凋亡
细胞凋亡是遗传程序性细胞死亡，是自然细胞死亡的过程，对于所有多细胞生物的发育和正常稳态至关重要，其在生物体的存活中具有关键作用，并且在所有高等真核生物中功能上都是保守的。其形态学变化主要是细胞皱缩、DNA降解、染色质凝聚、线粒体肿胀、凋亡小体形成，最终被巨噬细胞或其他细胞吞噬。高血糖状态促进糖尿病肾病肾脏中各种类型细胞的凋亡，在患有糖尿病肾病患者的肾组织中，普遍存在肾小管上皮细胞，内皮细胞和间质细胞的凋亡。高血糖环境诱导细胞凋亡，凋亡导致糖尿病肾病肾功能逐渐丧失。糖尿病肾病相关细胞凋亡存在内在和外在两种途径，具体又分为线粒体通路、内质网通路和死亡受体通路3条主要信号通路。
线粒体调节（内源性凋亡途径）的作用已成为糖尿病组织损伤的经典途径，内源性途径与锚定在线粒体中的因子密切相关。高水平的活性氧改变线粒体脂质双分子膜的通透性，导致细胞色素c从线粒体释放到细胞质中，然后细胞色素c与活化的因子-1结合并激活caspase-9，然后激活caspase-3，从而通过DNA梯状条带，染色质浓缩和膜起泡促进细胞死亡的发生。外源性途径由细胞转运膜死亡受体引发。激活死亡受体如TNF受体基因超家族募集衔接分子并激活caspase-8或caspase-10，后者裂解下游底物，即其他caspase，包括caspase-3。最后，这些凋亡途径会聚在caspase-3上，导致其他蛋白酶的裂解并导致细胞凋亡。TNF受体超家族的Fas死亡受体，是凋亡的重要诱导物，在糖尿病并发症的发展中起重要作用。凋亡相关蛋白（如bax、胞质细胞色素c和caspase-3）的表达水平升高与高血糖引起的肾组织损伤有关，厄贝沙坦和培哚普利治疗可通过阻断糖尿病肾病中的RAAS，降低凋亡相关蛋白的表达，有效改善肾组织损伤和凋亡。
细胞凋亡是糖尿病导致血管内皮细胞损伤及功能障碍的早期事件，并与包括糖尿病肾病在内的血管并发症的发生发展密切相关。内质网应激与晚期糖基化终产物诱导的系膜细胞凋亡有关，而4-苯基丁酸对内质网应激的抑制成功逆转晚期糖基化终产物诱导的系膜细胞凋亡。FABP-4是脂肪酸的载体蛋白，与糖尿病和糖尿病肾病有关。主要在肾小球系膜细胞中表达，其在糖尿病肾病肾活检中表达增加，FABP-4介导的内质网应激参与糖尿病肾病的系膜细胞凋亡。由于足细胞具有高蛋白质折叠能力及其高水平的合成代谢或分解代谢活性，因此对内质网应激高度敏感。高葡萄糖浓度可诱导足细胞中的内质网应激和细胞凋亡。
细胞凋亡在糖尿病患者肾小管萎缩中起着关键作用，是肾小管中特有的形态学变化之一，是肾纤维化的主要原因。ATF4/p16信号通过晚期糖基化终产物诱导肾小管上皮细胞内质网应激激活，并与糖尿病肾病进展相关。棕榈酸（palmic acid）是糖尿病肾病中肾小管间质损伤的重要启动子，可激活近端肾小管细胞的内质网应激和凋亡。棕榈酸对大麻素受体1的激活导致糖尿病肾病中近端肾小管细胞的内质网应激和凋亡。