慢性肾脏疾病影响世界上超过10％的人口，大多数情况是由肾脏滤过屏障的疾病引起的，该屏障位于一百万个称为肾小球的微血管内。尽管数十年来人们已经知道肾脏中的肾小球是血浆滤过和尿液生成的部位，但目前分子屏障的结构和功能仍然让人难以捉摸。而且，自从人们认识到肾素-血管紧张素系统的抑制剂对降低蛋白尿和减慢糖尿病性肾脏疾病的进展是有益的几十年以来，患者仍然处于糖尿病和其他蛋白尿性肾脏疾病导致终末期肾衰竭的风险中。
越来越多的证据表明，当钠-葡萄糖共转运蛋白2（SGLT2）抑制剂用于治疗患有蛋白尿和肾功能下降的糖尿病患者或无糖尿病患者时，其降糖作用超出了降低血糖的简单作用。有人提出来解释SGLT2抑制剂的肾脏保护作用，包括降低肾小球毛细血管内的压力，从而保护肾小球足细胞，肾小球足细胞是大多数蛋白尿性肾脏疾病的靶标。肾小球压力的降低似乎是由传入小动脉的收缩所介导的，这些小血管为肾小球微循环提供了来自循环的大量血液。如下所述，这些观察结果与我们目前对肾小球毛细血管压力，肾小球基底膜（GBM）和足细胞在调节肾小球对白蛋白和其他蛋白质的通透性中各自作用的理解非常吻合。
肾脏功能取决于大量水和小溶质的大量过滤，以清除源自细胞内代谢和胃肠道微生物代谢的潜在毒素，以及维持盐和水以及酸碱稳态。在健康的成年人中，肾小球每天可产生多达升的肾小球滤出液，但只有极少量的白蛋白渗入尿液，最终产生的终产物尿液的体积更要远远小于肾小球滤出液。尽管根据肾小球滤出液中白蛋白含量的估算值（与血浆中相比）有所变化，并且通过肾小管重吸收毫无疑问地回收了一些滤过的白蛋白，但与肾小球滤过液一起逸出的血浆蛋白数量很少，而这主要取决于肾小球滤过屏障的选择性渗透性。
减少可用于过滤的肾小球毛细血管表面积或改变毛细血管壁的固有渗透性的各类疾病会降低肾小球的滤过率（GFR）。尽管下游的补偿机制可在生理水平上维持肾小球-肾小管平衡并调节体液，电解质和酸碱平衡，但即使GFR的少量降低也与心血管疾病的发病率和死亡率增加以及总生存期降低有关。蛋白尿是通过改变其选择性滤过性而影响肾小球毛细血管壁的另一种疾病表现，即使在通常不被认为是病理性的尿白蛋白水平下，甚至在没有高血压和糖尿病的情况下，它也与心血管疾病的发病率和死亡率增加有关。
年4月15日来自科隆大学医学院和波士顿大学医学院的ThomasBenzing和DavidSalant教授在NEnglJMed杂志上发表了题为《InsightsintoGlomerularFiltrationandAlbuminuria》的综述文章，基于定义肾小球滤过屏障和电荷选择特性的经典研究，介绍健康时肾小球毛细血管壁的独特结构和组成如何保持高度选择性的滤过特性，以及在肾脏疾病中的改变情况。由于本人水平有限，遂将原文适当翻译，供各位感兴趣者查阅，亦希望各位通过原文更为真切的了解作者的内容。
足细胞损伤的影响
人肾中百万个肾小球中的每个毛细血管都包含一个滤过装置。每个滤过装置由三层组成：专职且有孔的内皮细胞，它们衬在毛细血管壁的内腔侧。以细胞外基质为主的GBM，其中包含IV型胶原蛋白，层粘连蛋白-，胶原蛋白以及硫酸化蛋白聚糖；以及覆盖GBM外表面的足细胞，通过与相邻足细胞的突触交叉的延伸部分（足突）紧密包裹肾小球毛细血管（图1）。相邻细胞的足突被过滤缝隙分开，由膜状细胞接合处桥接，称为裂孔膜；足突通过各种蛋白质牢牢地附着在GBM上，从而导致细胞与基质的粘附。足细胞的复杂结构可以对大量液体和微小溶质进行超滤，这对于正常清除有毒废物是必不可少的。而白蛋白和大多数其他血浆蛋白成分则会保留在血液中。
足细胞的基因突变是家族性和散发性肾脏疾病中白蛋白尿的遗传原因，这激发了对足细胞病理生物学的研究，并加深了我们对肾小球滤过屏障的认识。此类研究始于大约二十年前，最初是确定芬兰先天性肾病综合征的遗传病因，这是一种罕见的常染色体隐性遗传疾病，由NPHS1突变引起。这些突变导致婴儿和幼儿出现严重的蛋白尿，并伴有进行性肾衰竭。
NPHS1编码免疫球蛋白超家族蛋白nephrin，它是裂孔膜的主要组成部分（图1）。Nephrin分子连接了两个相邻足突之间的距离，形成了一个40nm的膜状细胞连接。Nephrin通过募集了衔接蛋白诱导信号转导至裂孔膜的大型多蛋白复合物（图1）。基于nephrin的蛋白质相互作用对于塑造独特的足细胞超微结构是必不可少的，它通过响应机械信号和控制足细胞的细胞骨架重排来介导信号传导（图1）。此外，已证明NPHS2编码的Podocin与裂孔膜上的nephrin相互作用，并在包含离子通道的裂孔膜组织缝隙-隔膜复合物的脂质环境中作为机械传感器。Podocin是患有“激素抵抗”肾病综合征（不能通过糖皮质激素治疗缓解的肾病综合征）的儿童和青少年中最常见的突变蛋白。
图1.超高分辨率成像中足细胞足突的形态学特征
扫描电子显微镜显示肾小球毛细血管的外部，发生血浆超滤（图A和C）。刺激的发射耗竭显微镜显示连接相邻足突过程的裂孔膜（图B和D）（洋红色表示nephrin，绿色表示podocin）。相邻的相互交叉的足突（图C和D）的颜色编码显示了相邻足细胞之间的相互作用。还显示了裂孔膜蛋白复合物的示意图，该复合物桥接了相邻足突之间的距离，并允许形成裂孔膜（图E）。Nephrin和Neph1是跨细胞蛋白，具有连接相邻足突的细胞外结构域。这些蛋白质的细胞质尾巴与支架蛋白质（例如ZO-1（小带闭合）），信号转导接头（例如Nck）和激酶（例如磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K））相互作用，以调节肌动蛋白的细胞骨架。膜蛋白podocin聚集在膜上，与nephrin相互作用，并协调裂孔膜蛋白复合物上的蛋白质和脂质环境，从而使TRPC6（瞬态受体电位阳离子通道6）成为机械敏感通道。
此外，目前已经鉴定出许多其他的足细胞表达基因，这些基因突变后会引起白蛋白尿，包括细胞骨架基因ACTN4和INF2。这些观察结果与足细胞的肌动蛋白细胞骨架在维持足突结构和肾小球滤过屏障的完整性中的关键作用相一致。对这些突变及其产生的突变蛋白的研究已经清楚地表明，足细胞损伤可引起尿白蛋白的发生。此外，许多获得性疾病，包括糖尿病性肾病，微小病变性疾病，局灶性节段性肾小球硬化，膜性肾病，高血压性肾脏疾病，人类免疫缺陷病毒相关性肾病和狼疮性肾炎，也会影响足细胞，导致滤过屏障和蛋白尿功能障碍。当足细胞受损时，足突的细胞间连接和细胞骨架结构发生特征性改变，称为足突融合（foot-processeffacement）。这些变化原则上是可逆的，这突出了足细胞的动态结构改变。但是，足细胞是有丝分裂后的细胞，自我更新的能力非常有限。因此，无论是由于脱落还是细胞死亡造成的足细胞丢失，都会导致不可逆转的损害和肾脏滤过单位的瘢痕形成。
足细胞丢失是肾小球硬化发展的罪魁祸首，这一假说是在30多年前提出的，随后在实验和临床上都得到了验证。在患有类固醇抵抗性肾病综合征的人中，已经在编码线粒体蛋白的基因中鉴定出突变，其导致线粒体功能障碍和呼吸酶活性受损。在蛋白尿的小鼠模型中，足细胞中发生了氧自由基损伤，类似地观察到了这种突变。目前，已发现许多涉及足细胞蛋白的突变，随着技术的进步已经发现越来越多的基因可以调节足细胞的功能，该列表一直在增长。而这其中大多数足细胞损伤都是获得性因素所导致，其中许多是抗体介导的。
足细胞自身免疫的影响
获得性足细胞自身免疫的最早例子来自Heymann肾炎的研究，Heymann肾炎是一种大鼠膜性肾病的模型，其中循环抗体与足细胞足突底部的膜孔中的靶抗原megalin结合，之后激活补体并引起人膜性肾病的特征性形态变化。这些变化包括足突融合，裂孔膜错位，严重蛋白尿，活性氧的产生，以及通过新基质的产生和IV型胶原的脂质过氧化作用使GBM出现紊乱。随后在大多数人膜性肾病病例中鉴定出该抗原，并证明该抗原是针对M型磷脂酶A2受体（PLA2R）的循环自身抗体的靶标。PLA2R在人足细胞上表达，并与抗PLA2R自身抗体一起脱落，形成上皮下免疫沉淀。随后，在抗PLA2R抗体阴性的膜性肾病中，发现了越来越多的足细胞靶抗原。这些抗体比抗PLA2R抗体更少见，它们导致相同或非常相似的病理特征，并在临床上表现为肾病综合征或严重的蛋白尿。
除了针对引起肾小球疾病的足细胞抗原的自身抗体外，还有两个与众不同但证据充分的例子，它们是针对足细胞蛋白的同种抗体引起的肾小球病变。在NPHS1突变的婴儿中，不存在裂孔膜蛋白Nephrin，因此在生命的早期即可发展为终末期肾衰竭。当此类患者接受肾脏移植时，有时会复发肾病综合征。但其机制不同于先天性肾病综合征。在从未表达过nephrin的患者中，该综合征是由于在移植的肾脏中针对新抗原的anti-nephrin同种抗体的发展所致。通过在啮齿动物模型中注射针对nephrin细胞外区域的抗体，可以重现这一观察结果。
另一例涉及足细胞抗原的同种免疫性肾病的例子是在患有肾病综合征的婴儿中描述的，其母亲的中性内肽酶（NEP）缺乏是由于先前怀孕时对NEP阳性伴侣的致敏作用所致。母体IgG抗NEP抗体的胎盘传代结合了胎儿足细胞上的NEP，并在新生儿中诱发了膜性肾病，表现为严重的蛋白尿。在所有这些情况下，足细胞损伤，足突融合和GBM的继发性改变是常见的。
尽管此类研究明确支持足细胞在维持功能性肾脏滤过屏障中的关键作用，但GBM的缺陷以及肾小球内皮细胞的损伤也可引起白蛋白尿，从而强调了三层滤过屏障在肾小球选择性滤过中的关键作用。GBM的贡献可以通过以下事实来说明：皮尔逊氏综合征（Pierson’ssyndrome）中层粘连蛋白（laminin-）的成分突变，层粘连蛋白β2链的遗传突变以及Alport综合征中IV型胶原的α3，α4和α5链的突变导致蛋白尿和进行性肾脏疾病。此外，对肾小球内皮细胞的损害也可引起白蛋白尿。例如，在先兆子痫中，干扰肾小球内皮细胞的血管内皮生长因子（VEGF）信号会导致蛋白尿和肾病综合症。先兆子痫是一种复杂的高血压疾病，在美国影响了5-10％的孕妇，其特征在于可溶性fms样酪氨酸激酶1（sFlt-1）的过表达，可溶性fms样酪氨酸激酶1（sFlt-1）是一种可结合并中和VEGF的可溶性VEGF受体。随之而来的缺乏VEGF会导致产妇血管功能障碍和器官损害。同样，贝伐单抗的抗VEGF治疗可能会导致白蛋白尿，高血压和肾小球疾病。
肾小球滤过的生物物理模型
尽管对肾小球滤过障碍进行了数十年的研究，但直到最近才有一种生物物理模型来解释肾脏如何在允许筛选分子的同时进行广泛的液体过滤。几十年前，通过电子显微镜进行的研究发现，类似白蛋白大小的不同示踪剂或更大尺寸的示踪剂研究表明，GBM在将蛋白质保留在血浆中同时允许自由过滤水和溶质的过程中起着重要作用，因为示踪剂并未进入GBM，而是被限制在其内皮细胞下表面。嘌呤霉素（一种抑制蛋白质合成的抗生素，用于研究蛋白尿模型）介导的足细胞损伤导致示踪剂连续渗透进入GBM并被足细胞摄取。相反，其他注射的示踪剂似乎能够通过GBM，但在足细胞裂孔膜的水平受阻，这一观察结果得出结论：裂孔膜是选择性过滤器的主要障碍。几十年来，关于滤过调控的争议一直无法解决，基于GBM上的粗滤器和裂孔膜片的细滤器的解说不能解释为什么肾小球不会被部分过滤的蛋白质阻塞。
图2.驱动和抑制肾脏过滤的压力梯度
约40mmHg的静水压力梯度（肾小球毛细血管压力[PGC]约为50毫米汞柱，鲍曼的空间静水压力[PBS]为10毫米汞柱之间的差）减去毛细血管血浆（piGC）（当血液进入肾小球毛细血管时，汞含量约为24毫米汞柱）的渗透压，可驱动肾小球毛细血管过滤。腔内压力在毛细血管壁上施加了物理作用力，该作用力被肾小球基底膜（GBM）和足细胞所抵消。piGC从正常动脉血的值开始，并随着超滤作用从毛细管中去除液体而上升。Bowman空间（piBS）中的渗透压始终接近0毫米汞柱。
鉴于有大量证据表明足细胞损伤是大多数蛋白尿性肾脏病的根本原因，因此，采用了包括超高分辨率成像和人类疾病的基因工程小鼠模型在内的新技术，可以在以前没有的条件下研究肾小球滤过屏障超微结构。这些进展导致了能够通过实验验证的肾小球超滤的生物物理模型的发展。约20mmHg的净滤过压力驱动肾小球毛细血管滤过，该压力来自约40mmHg的静水压力梯度减去渗透压。血浆（当血液进入肾小球毛细血管时约为24毫米汞柱），其作用是抑制过滤（图2）。显著的腔内压力在毛细血管壁上施加了物理力，而GBM和足细胞则抵消了这一力。具体来说，指状足细胞足突可以抵抗肾小球毛细血管中静水压力的物理作用，从而压缩GBM的凝胶状结构（图3）。由于这些生物物理特性的改变，GBM起到了选择性渗透过滤的作用，并限制了通过扩散和大流量传输的大分子的渗透性。因此，足细胞的复杂足突处理结构不仅最大程度地增加了可用于过滤水和小溶质的面积，而且还提供了抗血压的机械抵抗力，可压缩GBM，保持渗透性并防止白蛋白和其他大分子的损失（图4）。
图3.肾小球超滤的凝胶压缩模型
相互交叉的足细胞足突抵消了肾小球毛细血管中的静水压力，从而压缩了GBM的凝胶状结构。GBM改变后的生物物理特性可作为选择性渗透的过滤器。当足细胞受到损伤时，它们会呈现出更加简化的结构，并且裂孔膜的长度会大大减少。伴随地，足细胞的支撑力消失，GBM的压缩力降低，这增加了对白蛋白的渗透性。
当足细胞损伤时，足细胞的结构会出现简化，裂孔膜的长度会大大减少，从而导致裂孔膜面积的减少以及水和小溶质的肾小球滤过率的下降（图4）。同时，足细胞的支撑力消失，GBM的压缩力降低，从而增加了对白蛋白的渗透性（图3）。这种结构假说解释了当白蛋白通透性增加时GFR可能下降的问题，而这是蛋白尿性肾病患者中发现的现象。尽管其他因素的贡献，例如GBM的电势和具有排斥功能内皮细胞带电的糖萼也可能起一定作用，该生物物理模型解释了肾小球滤过屏障如何通过最大化滤过面积来优化水力传导性，在过滤大量液体的同时，通过压缩GBM来阻止蛋白质的通过。
图4.受损的足细胞以圆形过程和裂孔膜缩短为特征
足细胞的复杂脚部处理结构不仅使过滤水和小溶质的可用面积最大化，而且还提供了抗血压的机械抵抗力，从而使压缩的GBM能够保持选择性的通透性。该结构在肾小球疾病中丢失，导致裂孔膜缩短。A，B和C显示了健康状态下裂孔膜的形态特征（在野生型小鼠中），D，E和F显示了疾病早期过程中形态特征的改变（Nphs2RQ/AV突变）。A和D图中的洋红色表示nephrin，B和E中的绿色表示Podocin，C和F中显示了叠加的颜色。
这些有关肾小球滤过的新研究数据强调了调节肾小球血流动力学的重要性，并且除了更好地了解血管紧张素转化酶抑制剂或血管紧张素受体阻滞剂的有益作用外，还具有极强的临床意义。
在早期白蛋白尿病中，裂孔膜的长度明显减少。由于裂孔膜的宽度被认为是固定的，并由桥接相邻足突之间距离的相互作用分子决定，因此缩短裂孔膜似乎会导致减少过滤面积。在这种情况下，滤过率至少部分由血管紧张素II介导的传出小动脉收缩来维持，其有害作用抵消了维持GFR的益处。首先，毛细血管压力的增加不能被有缺陷的足细胞完全抵消，这导致蛋白尿的增加，并可能导致进一步的伤害。其次，在过滤面积减小的同时保持GFR会大大增加屏障处的局部流体流量，从而使足细胞暴露于相当大的横向剪切应力，并导致足细胞通过脱落以及肾小球潜在的瘢痕形成而丢失。血管紧张素II介导的肾素-血管紧张素系统抑制传出小动脉收缩是抗蛋白尿疗法的基石，以限制糖尿病和非糖尿病性肾脏疾病的进行性足细胞损伤和损失。
然而，超滤也通过失去对传入小动脉的调节而发生。几项研究表明，SGLT2抑制剂可减轻糖尿病患者（以及潜在的非糖尿病患者）肾功能的恶化，例如进展为终末期肾脏疾病，血清肌酐水平加倍或因肾病死亡。研究认为这主要是通过收缩传入小动脉和抑制超滤来介导的。SGLT2抑制作用会减少近端小管内葡萄糖和钠的重吸收，从而重新将钠输送至致密斑（maculadensa）并导致通过肾小球肾小球反馈和传入血管收缩来纠正超滤。功能失调的足细胞不能充分抵消肾小球毛细血管压升高，这表明SGLT2介导的传入小动脉血管收缩可能是有益的（图2）。
SGLT2抑制剂的作用在所有肾功能水平上似乎都是一致的，降低至每1.73平方米人体表面积每分钟30毫升的GFR，而降低葡萄糖的作用与肾小球滤过率成正比。当肾功能下降时，降糖效果显著降低，格外强调了在进行性肾脏疾病中调节肾小球血流动力学的重要性。
结论
在过去的20年中，我们对肾小球毛细血管滤过器的功能和蛋白尿症的潜在机制的了解已经取得了一些发展。经过数十年的研究，现在有机会开发基于机制的治疗方法，该疗法一方面调节肾小球的血流动力学，另一方面保护机械敏感的足细胞，以防止慢性肾脏病的进展。
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BenzingT,SalantD.InsightsintoGlomerularFiltrationandAlbuminuria.NEnglJMed.Apr15;(15):-.doi:10./NEJMra8786.PMID:.
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