自噬缺陷与AMPK失活驱动糖尿病肾病中铁死亡的新机制

《Diabetologia》：Defective autophagy and AMPK inactivation drive ferroptosis in diabetic kidney disease

本研究针对糖尿病肾病（DKD）患者急性肾损伤（AKI）易感性增高的临床问题，聚焦于近端肾小管上皮细胞（PTECs）中铁死亡（ferroptosis）的作用机制。研究人员通过分析人肾活检标本及构建1型（STZ诱导）和2型（db/db）糖尿病小鼠模型，发现DKD中自噬（autophagy）受损和AMP激活蛋白激酶（AMPK）信号失活显著增强了PTECs对铁死亡的敏感性。机制上，自噬缺陷通过升高线粒体活性氧（ROS）促进铁死亡，而高糖（HG）环境则通过抑制AMPK-乙酰辅酶A羧化酶（ACC）轴加剧这一过程。使用自噬增强剂雷帕霉素或AMPK激动剂AICAR干预可有效减轻糖尿病肾脏的铁死亡及相关损伤。该研究揭示了糖尿病肾病中铁死亡的新调控通路，为开发以自噬和AMPK为靶点的肾脏保护策略提供了理论依据。

　　

在全球范围内，糖尿病影响着超过5亿人，其中约40%会发展为糖尿病肾病（Diabetic Kidney Disease, DKD），这不仅可能导致肾衰竭需要透析或移植，还会增加心血管疾病和早逝风险。更令人担忧的是，糖尿病患者发生急性肾损伤（Acute Kidney Injury, AKI）的风险显著增高，且肾脏恢复能力较差。AKI已被确认为慢性肾脏病和终末期肾病的重要危险因素，因此，阐明糖尿病患者易发生AKI的机制至关重要。

铁死亡（Ferroptosis）是一种铁依赖性的、由脂质过氧化驱动的新型程序性细胞死亡方式，在多种AKI模型中，特别是在近端肾小管上皮细胞（Proximal Tubular Epithelial Cells, PTECs）中，扮演着核心角色。然而，铁死亡在DKD相关AKI易感性中的具体作用尚不清楚。另一方面，自噬（Autophagy）作为细胞内重要的降解和回收系统，对维持细胞稳态至关重要。先前研究表明，自噬能保护PTECs免受AKI损伤，但在糖尿病状态下，PTECs中的自噬功能出现紊乱。同时，作为细胞能量感受器的AMP激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase, AMPK）在糖尿病肾脏中也常处于失活状态。这些线索促使研究人员思考：在糖尿病肾病中，自噬功能受损和AMPK失活是否会共同加剧PTECs的铁死亡，从而增加AKI的易感性？

为了回答这个问题，由Sho Matsui和Takeshi Yamamoto共同领导的研究团队在《Diabetologia》上发表了他们的最新成果。他们综合利用人类肾活检组织、遗传修饰小鼠模型和原代细胞培养，深入探讨了自噬和AMPK信号在调控糖尿病肾脏铁死亡中的关键作用及其分子机制。

研究采用的关键技术方法主要包括： 对来自大阪大学医院的人类肾活检标本（包括DKD和非DKD个体）进行免疫组织化学分析，检测铁死亡（4HNE）、自噬（SQSTM1/p62）和AMPK活性（p-AMPK）相关标志物。构建了1型糖尿病（STZ诱导）和2型糖尿病（db/db）小鼠模型，并施加肾脏缺血再灌注（Ischemia-Reperfusion, IR）损伤以模拟AKI。使用了PTEC特异性Atg5基因敲除（Atg5KO）小鼠及其原代细胞，以及药理学工具如铁死亡抑制剂Ferrostatin-1 (Fer-1)、自噬诱导剂雷帕霉素和AMPK激动剂AICAR进行干预。通过流式细胞术评估细胞死亡和脂质过氧化，利用荧光探针和电镜观察线粒体功能与形态，并进行了RNA测序（RNA-seq）和基因集富集分析（GSEA）来探索潜在通路。

铁死亡特征在DKD患者的PTECs中增强

研究人员首先分析了人肾活检样本，发现与非DKD个体相比，DKD患者的PTECs中脂质过氧化产物4-羟基壬烯酸（4-Hydroxynonenal, 4HNE）的表达显著增加，这提示铁死亡特征增强。同时，自噬标志物sequestosome 1 (SQSTM1/p62) 出现积聚（表明自噬流受损），并且磷酸化AMPK（p-AMPK）水平降低，表明AMPK活性受到抑制。相关性分析显示，4HNE阳性面积与SQSTM1/p62积聚呈正相关，而与p-AMPK阳性面积呈负相关。这些结果在人体组织水平证实，DKD的PTECs确实处于铁死亡易感状态，且与自噬受损和AMPK失活相伴发生。

自噬减轻1型糖尿病肾脏的铁死亡易感性

在动物模型中，研究人员利用链脲佐菌素（Streptozocin, STZ）诱导的1型糖尿病小鼠，并结合PTEC特异性Atg5敲除（Atg5KO）小鼠，进行了肾脏IR损伤实验。结果发现，STZ处理的Atg5KO小鼠遭受IR后，肾小管损伤最为严重，细胞死亡（TUNEL阳性）和4HNE表达也最高。而使用铁死亡特异性抑制剂Fer-1处理，能显著减轻所有实验组（包括糖尿病和自噬缺陷小鼠）的IR损伤，且各组间损伤程度无差异。这表明，在1型糖尿病背景下，自噬功能的丧失会显著增加肾脏对铁死亡依赖性AKI的敏感性，而自噬本身起着保护作用。

增强自噬可抑制2型糖尿病肾脏的铁死亡易感性

在2型糖尿病db/db小鼠模型中，IR损伤同样导致了严重的肾小管损伤和铁死亡标志物升高。值得注意的是，db/db小鼠本身的自噬活性因mTOR信号激活而受到抑制。研究人员发现，用雷帕霉素（mTOR抑制剂，可诱导自噬）预处理db/db小鼠，能够像Fer-1一样，有效减轻IR后的肾损伤和铁死亡。这一结果说明，通过药理学手段增强自噬，足以对抗2型糖尿病所赋予的铁死亡易感性。

Atg5缺陷使PTECs对铁死亡敏感

为了在细胞水平验证自噬的作用，研究人员分离了对照组和Atg5KO小鼠的原代PTECs。Atg5KO细胞表现出典型的自噬缺陷特征：ATG5蛋白减少、微管相关蛋白轻链3（Microtubule-associated protein light chain 3, MAP1LC3）的脂化形式（LC3-II）转换受阻以及SQSTM1/p62积聚。当用铁死亡诱导剂erastin2处理时，Atg5KO细胞比对照组细胞死亡更显著，脂质过氧化水平也更高，而这种效应可被Fer-1完全逆转。这直接证明了自噬功能对PTECs抵抗铁死亡至关重要。

自噬通过降低线粒体ROS抑制铁死亡

机制探索方面，RNA-seq和GSEA分析显示，Atg5KO细胞在erastin2处理后，氧化磷酸化通路相关基因显著下调。进一步实验发现，Atg5KO细胞的线粒体膜电位降低，线粒体ROS产生增加，线粒体脂质过氧化也更为明显。在体实验也证实，IR损伤后的Atg5KO小鼠肾脏中，琥珀酸脱氢酶（Succinate Dehydrogenase, SDH）活性（反映线粒体呼吸功能）下降，电镜下可见线粒体出现膜破裂等铁死亡相关形态改变。最关键的是，当研究人员使用溴化乙锭（Ethidium Bromide, EtBr）处理细胞，耗竭线粒体DNA/RNA，构建“Rho°”细胞（线粒体功能严重缺陷）后，发现erastin2诱导的铁死亡在Atg5KO Rho°细胞中显著减轻。这表明自噬缺陷导致的铁死亡易感性，很大程度上依赖于功能正常的线粒体及其产生的ROS。

高糖通过使AMPK失活促进铁死亡

研究还考察了AMPK的作用。在体外，用高糖（High Glucose, HG）培养基培养PTECs，会导致p-AMPK及其下游靶点磷酸化ACC（p-ACC）水平下降，同时伴随铁死亡易感性增加。而使用AMPK激动剂AICAR处理，可以恢复p-AMPK和p-ACC水平，并显著抑制HG条件下erastin2诱导的铁死亡和脂质过氧化。此外，AICAR还能改善HG导致的自噬流受损。在糖尿病小鼠模型中，STZ小鼠和db/db小鼠肾脏的p-AMPK和p-ACC表达均低于对照组。给予AICAR治疗，能有效减轻这两种糖尿病模型小鼠在IR损伤后的肾小管损伤、细胞死亡和脂质过氧化。

研究结论与意义

本研究系统地揭示了糖尿病肾病中近端肾小管上皮细胞铁死亡易感性增高的新机制。主要结论包括：

1. 1.
   临床相关性： 在DKD患者肾组织中，PTECs确实存在铁死亡特征增强、自噬功能受损和AMPK活性降低的现象，且三者相互关联。
2. 2.
   机制一： 自噬功能受损，通过导致线粒体功能障碍和ROS积累，从而加剧铁死亡。自噬（特别是线粒体自噬）的正常功能对于清除受损线粒体、维持线粒体质量控制和抑制ROS至关重要。
3. 3.
   机制二： 糖尿病相关的高糖环境引起AMPK信号失活，进而通过影响其下游脂代谢调控因子ACC等，促进铁死亡的发生。激活AMPK则能产生保护效应。
4. 4.
   治疗潜力： 药理学干预，如增强自噬（雷帕霉素）或激活AMPK（AICAR），在糖尿病动物模型中均能有效减轻铁死亡相关的AKI。

该研究的创新之处在于，首次将糖尿病肾病、自噬缺陷、AMPK失活和铁死亡这几个关键病理环节联系起来，阐明了它们之间的因果网络。这不仅深化了对糖尿病并发症发病机制的理解，更重要的是为临床干预提供了新的靶点。针对自噬和AMPK通路开发治疗策略，有望为糖尿病肾病患者，特别是那些面临AKI高风险的患者，提供新的肾脏保护方案。此外，该研究提示，在应用铁死亡诱导剂进行抗癌治疗时，需注意其对正常组织（如肾脏）的潜在影响，而激活自ophagy或许能起到保护作用。总之，这项研究为理解糖尿病相关肾损伤的细胞分子机制做出了重要贡献，并开辟了新的治疗研究方向。