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腺苷是体内重要的局部代谢物质, 在心肌、骨骼肌和肾脏血流量的调节中发挥重要作用。肾内的腺苷存在于肾内上皮细胞的胞质和细胞间隙中, 在能量供应 (如盐的转运和缺血) 时腺苷大量产生, 它可以激活细胞膜上的腺苷受体来影响肾血管, 肾小球和肾小管的功能。腺苷对于水, 盐的代谢调控, 除了间接通过对肾素的分泌, 肾小球滤过率, 和血液动力的作用, 还可以直接作用于肾小管上皮细胞。腺苷的这些作用是通过与其受体特异性结合而实现的。可见, 肾内腺苷和其受体在肾脏中具有重要的调节作用。
一、肾内腺苷的来源
肾内多个部位均能合成并释放腺苷, 游离状态下腺苷的半衰期很短, 这是由于红细胞的摄取作用[1]。正常生理条件下, 肾脏中的腺苷绝大部分存在于细胞内, 2%~5%的腺苷存在于细胞外, 例如小管液和肾间质中。细胞内的腺苷主要由S-腺苷同型半胱氨酸水解酶通过水解S-腺苷同型半胱氨酸产生。细胞外的腺苷来源有两种:一是由细胞内的腺苷通过易化扩散的形式转运到细胞外;另外一种是由细胞产生的ATP﹑ADP﹑c AMP转化形成。细胞内腺苷的浓度与机体能量代谢状态有关。在正常生理状态时, 腺苷的浓度较低, 一般为nM级;而在缺血缺氧等异常条件下, 可以达到μM级。最近研究发现组织非特异性的碱性磷酸酶 (TNAP) 抑制剂可以减少腺苷的生成, 人类重组的碱性磷酸酶会促进ATP、ADP向腺苷转化[2]。同时, 盐饮食的变化也会影响肾内腺苷的分泌[3]:低盐饮食时, 肾内腺苷会明显降低;而高盐饮食条件下其浓度会升高。
二、腺苷的受体类型与分布
腺苷在机体发挥作用主要是通过与其相应受体结合, 改变第二信使系统活性来调节胞内蛋白激酶信号通路及下游靶基因的表达。腺苷受体是G蛋白偶联受体, 主要有A1、A2a、A2b和A3四种类型, 在肾脏均有表达。A2a、A2b被激活后作用于Gi蛋白, A1、A3作用于Gs蛋白。不同的受体类型在肾脏不同部位的表达情况也不尽相同, 例如Yamaguchi等 (1994) 应用放射自显法和RT-PCR等方法发现了腺苷A1受体在肾脏中广泛表达。Vitzthum等[4]应用PT-PCR技术发现在大鼠和小鼠体内, A2b受体在皮质肾小管中显着表达, 而A2a受体主要在肾血管细胞中存在。
三、腺苷在肾小管不同部位的作用
(一) 近端小管 (proximal tubule, PT)
腺苷与腺苷A1受体结合在保护肾脏上皮细胞, 促进免疫应答, 维持体液平衡和调节血压方面发挥作用。原尿中Na+大部分在近端小管被重吸收, 这个过程中腺苷与腺苷A1受体结合通过调节多种转运蛋白的活性影响Na+的重吸收, 主要包括Na+/PO4-协同转运蛋白 (Na+-dependent phosphate transporter, NaPi) 、Na+/H+交换体3 (Na+/H+exchanger3, NHE3) 和Na+依赖葡萄糖转运体 (Na+-glucose cotransporter, SGLT) 。对于人上皮细胞的研究证实, 近端小管是机体磷酸盐重吸收的主要场所。激活腺苷A1受体可以提高磷酸盐的转运速率, 体内磷酸盐的平衡受到近端小管上皮细胞表达的NaPi-Ⅱa的调节[5]。Sole等 (2004) 在鼠肾小管上皮细胞实验中发现腺苷A1受体的激活对NHE3具有双向调节作用, 低浓度腺苷类似物可以刺激NHE3表达, 而高浓度腺苷类似物则使NHE3失活。在近端小管葡萄糖对于NHE3的活性同样具有双向调节作用, 生理浓度的葡萄糖可以使NHE3激活, 超过生理浓度后反而会抑制NHE3的活性[6]。最近大鼠肾近端小管的实验证实:负责转运葡萄糖的SGLT与NHE3表达部位相似, 二者可能相互影响共同调节近端小管Na+的转运[6,7]。
大鼠在体实验中发现, 选择性的腺苷A1受体拮抗剂CVT-124、DPCPX及KW-3902可以抑制近端小管重吸收, 导致多尿和尿钠增多。因此, 在发生钠潴留时, 如心力衰竭, 可选择性的将腺苷A1受体拮抗剂作为排钠药物, 但效果有待商榷[8]。
一般排钠药物的作用可以从近端小管持续到对醛固酮敏感的远端肾单位, 它们会在远端肾单位刺激K+的分泌, 从而增加肾脏K+排泄。A1受体拮抗剂作为排钠药物时也能促进排钠, 却没有增加肾脏K+的排泄, 加之A1受体也在远端肾单位中表达, 表明A1受体可能会在远端肾单位影响K+的分泌。
甲基黄嘌呤是非选择性的腺苷受体A1和A2a拮抗剂[9], 和选择性的腺苷A1受体拮抗剂相类似也具有诱导排Na+和利尿功能, 在上世纪中期甲基黄嘌呤就被用作利尿剂, 主要是由于甲基黄嘌呤可以使近端小管处小管液的重吸收受到抑制。咖啡因和茶碱作为常见的甲基黄嘌呤类物质同样可以与Gi蛋白结合, 抑制腺苷A1受体, 而且这个过程不需要NHE3的参与[10]。这些发现都有力的说明了腺苷A1受体拮抗剂在调节排Na+和利尿过程中具有重要作用。
肾内腺苷对于近端小管处溶质转运速率影响是双向的。在生理条件下, 腺苷刺激近端小管的重吸收从而减少远端肾单位的负荷, 当超过生理剂量 (例如局部缺血) 会减少近端小管重吸收, 这样可以减少氧的消耗。所以当局部缺血时人们应用腺苷类似物来保护肾脏。但当肾脏腺苷浓度长期处于较高水平时, 与其结合受体发生改变, 同时引起相应部位细胞表型的改变, 反而加重肾脏的损伤[11,12]。
总之, 在近端小管处, 腺苷主要与腺苷A1受体相结合促进Na+的重吸收。
(二) 髓袢升支粗段 (thick ascending limb, TAL)
不同于近端小管, 在髓质髓袢升支粗段 (medullathick ascending limb, m TAL) 上, 腺苷与腺苷A1受体结合可以显着降低钠钾氯同向转运体 (Na-K-2Clcotransporter, NKCC2) 的活性, 抑制NaCl的重吸收。向肾脏髓质灌注腺苷A1受体拮抗剂DPCPX后, 发现不仅改变了肾脏髓质的血流量, 而且增加了尿中Na+的排泄, 说明腺苷A1受体可能会抑制Na+的重吸收。进一步应用基因敲除技术证实, 腺苷A1受体对Na+重吸收的抑制作用发生在TAL上。Beach等 (1992) 证实激活腺苷A1受体抑制了TAL小管液中50%Cl-的重吸收。在大鼠肾髓袢升支粗段管腔膜上, Wei等 (2004) 证明了加入腺苷类似物后, 可激活腺苷A2a受体的活化作用, 通过PKA信号转导通路来刺激TAL上70pS钾通道的活性。在其管周膜上, GuR等 (2007) 发现高浓度的腺苷类似物也可以与腺苷A2a受体相结合, 增加50pS钾通道开放几率, 同时腺苷A2a受体的刺激作用还可以解除花生四烯酸对50pS钾通道的抑制作用。此外, 高浓度的腺苷类似物对于管周膜50pS钾通道的刺激作用是PKA的活化作用和磷脂酶A2 (phospholipase A2, PLA2) 的抑制作用共同所调控的[13]。近期一些研究表明腺苷同样也可以刺激TAL上管周膜CLC-K2氯通道的活性, 其机制可能是先激活PKA而后再抑制PLA2的通路来实现的[14]。钾通道和氯通道活动相互协同[15]对于维持管周膜上膜电位的稳定, 离子的吸收, 细胞的渗透压具有重要作用, 在髓袢升支粗段, 腺苷通过A1受体抑制了管腔膜侧NaCl的重吸收, 而机体在缺血缺氧等病理条件下, 腺苷浓度会急剧增加, 与A2a受体的结合能力增强, 刺激管周膜侧离子通道开放, 增强NKCC2对NaCl的重吸收。
在髓袢升支粗段, 高浓度腺苷 (或腺苷类似物) 可以与腺苷A2a受体结合, 刺激管周膜和管腔膜侧的钾通道的开放, 增加了NKCC2的转运速率, 促进了NaCl的重吸收。与此同时, 还可以与A1受体结合, 但会抑制小管液的重吸收。
(三) 远端肾单位 (distal nephron)
肾脏的远端肾单位包括远曲小管 (distal convoluted tubule, DCT) , 连接小管 (connecting tubule, CNT) 和集合管 (collecting duct, CD) 。远端肾单位对于肾小管离子转运以及水重吸收的调控发挥重要作用。肾DCT可重吸收5%左右的肾小球滤过液, 是RAS系统发挥作用的重要靶点之一。DCT不仅在调节Na+、Cl-、K+等离子吸收及分泌方面扮演重要角色, 而且对调控Mg2+, Ca2+重吸收具有重要作用[16]。Kang等 (2001) 对于鼠的DCT研究发现, 腺苷对于Mg2+的摄取具有双向作用, 可分别通过A1或A2受体来激活或者抑制Mg2+的重吸收。近期人们发现钙结合蛋白中的CBD-28K在DCT小管液中Ca2+重吸收的过程中发挥重要作用[17]。
集合管又分为内髓集合管 (inner medullary collecting duct, IMCD) , 外髓集合管 (outer medullary collecting duct, OMCD) 和皮质集合管 (cortical collecting duct, CCD) 。集合管是机体调节水重吸收的重要场所, 腺苷不仅可以影响集合管水的重吸收, 而且还可以通过与其相应的受体结合影响Mg2+、Ca2+、Na+和Cl-的转运。腺苷可以通过影响抗利尿激素的分泌和集合管上氯通道的活性来影响水的重吸收。在IMCD和CCD的管腔膜侧, 腺苷可以与管腔膜上腺苷A1受体结合抑制抗利尿激素的分泌, 继而减少水的重吸收。集合管上的氯通道参与细胞容量调节、缓解细胞水肿。Schwiebert等 (1992) 发现腺苷可以与腺苷A1受体结合, 通过PLC和PKA通路刺激管腔膜上的氯通道开放, 引起Cl-的分泌增加, 继而影响水的重吸收。Hoenderop等 (1998) 在家兔肾CCD原代培养细胞中发现腺苷与腺苷A1受体结合后, 可以增加胞内cAMP的浓度, 促使小管液中Ca2+的重吸收。同时腺苷还可能通过瞬间感受器电位阳离子通道家族 (transient receptor potential cation channelfamily) 的TRPV5调节CCD处Mg2+的重吸收。腺苷与A1受体结合通过P450单加氧酶的代谢产物11, 12-EET来抑制CCD管腔膜侧上皮细胞钠通道 (epithelial sodium channel, ENaC) 活性, 减少Na+的分泌[18]。在远端肾单位上, 腺苷主要是与腺苷A1受体结合参与水的重吸收过程, 以及对Mg2+和Na+转运的调节。
四、结语与展望
肾内的腺苷可以结合不同的腺苷受体来影响肾血管, 肾小球和肾小管的功能。腺苷可以诱导肾血管的舒张与收缩。腺苷与外皮质的腺苷A1受体结合增加入球小动脉的阻力, 引起血管收缩。同时腺苷也可与内皮质和髓质的腺苷A2受体结合引起血管舒张来增加血液供应。腺苷还可以降低肾皮层的肾小球滤过率, 调节肾脏的管球反馈。在肾小管中, 正常生理条件下, 腺苷是与腺苷A1受体结合控制离子的转运, 尤其是Na+的重吸收, 在缺血缺氧等病理条件下, 局部的耗氧量增大, 引起腺苷急剧增多, 这时会与腺苷A2受体结合, 引起NaCl的重吸收过度增多, 进一步加大氧的消耗, 使缺氧情况更加严重。目前的研究表明, 对于腺苷在肾小管离子转运作用上的研究还仅仅是起步阶段, 尤其是对于远端肾单位上的作用还不是很清楚。现有的研究对于腺苷是如何释放、转运、消除, 其转运机制是怎样的, 目前还存有争议。文中较少提到的腺苷A3受体的作用越来越引起人们的重视。腺苷A3受体表达在入球小动脉并且起到舒张入球小动脉的作用[19]。刺激腺苷A3受体会加重肾脏缺血再灌注损伤。在病理条件下, 抑制腺苷A3受体的活性一定程度上对肾脏起到保护作用。高度选择性的腺苷A3受体拮抗剂在小鼠的肾小球疾病模型中具有明显保护作用[20]。当腺苷A3受体敲除后, 可以延缓高盐饮食引起的高血压病程[21]。腺苷在体内发挥作用往往与其受体相关, 腺苷受体在肾内炎症反应[22], 氧化应激, 代谢紊乱, 肾脏纤维化方面发挥重要作用[23]。腺苷在肾小管中发挥作用时浓度不同往往结合不同的受体产生不同生物学效应。腺苷的不同受体类型在肾脏中的表达可能有助于解释其在肾小管离子转运过程中的不同作用, 这也是以后研究工作的热点。
参考文献
[1] Armstrong D, Summers C, Ewart L, et al.Characterization of the adenosine pharmacology of ticagrelor reveals therapeutically relevant inhibition of equilibrative nucleoside transporter 1.J Cardiovasc Pharmacol Ther, 2014, 19:209~219.
[2] Peters E, Schirris T, van Asbeck AH, et al.Effects of a human recombinant alkaline phosphatase during impaired mitochondrial function in human renal proximal tubule epithelial cells.Eur J Pharmacol, 2017, 796:149~157.
[3] Zou AP, Wu F, Li P L, et al.Effect of chronic salt loading on adenosine metabolism and receptor expression in renal cortex and medulla in rats.Hypertension, 1999, 33:511~516.