第一节
系膜细胞

一、系膜细胞的基本生物学功能

（一）肾小球系膜细胞的基本生物学结构和功能

肾小球系膜包括系膜细胞和基质，位于肾小球小叶的中央。由于毛细血管内皮层和系膜之间没有肾小球基底膜，所以毛细血管内皮层能与系膜直接接触。背离血管内皮处的基底膜称为系膜角。在近毛细血管区，系膜细胞的突起伸向系膜角，并延伸到内皮细胞层和基底膜之间的狭窄区间。成年小鼠系膜细胞占整个肾小球总细胞数的1/3，每天整个肾小球的细胞更新率约为1%，主要为内皮细胞，系膜细胞的更新率更低，足细胞尚未发现有更新的证据。正常人的系膜中只有血管平滑肌细胞样内源性系膜细胞，炎症情况下尚可以见到单核巨噬细胞。

系膜细胞突起中含有大量的微丝束，它们从突起的一侧横跨向对侧走行。系膜细胞通过这些突起可直接或间接与基底膜相连，从而锚着在基底膜上。微纤维与基底膜是系膜细胞非常有效的收缩结构。

系膜的细胞外基质（extracellular matrix，ECM）由肾小球毛细血管丛的小叶中心基质构成。ECM的主要成分包括纤维结合素、层粘连蛋白素和Ⅳ、Ⅴ级胶原蛋白。纤维结合素是最丰富的ECM成分，它与微纤维相连，将系膜细胞与细胞结构（如基底膜）连在一起。

系膜和系膜细胞具有多种功能，具体见于表4-1-1。

（二）体外培养的系膜细胞的特点

通过差异筛分肾皮质匀浆可以获得肾小球作为系膜细胞培养的原材料。用含有10%～20%胎牛血清培养基培养2～3代，可以去除内皮细胞和足细胞，建立相对同源的系膜细胞系。体外培养的系膜细胞呈梭形和星形，可有α-肌动蛋白的表达，细胞基质中以Ⅰ型和Ⅲ型胶原为主（占90%），而Ⅳ型胶原很少。这完全不同于正常肾脏组织中的系膜细胞。在正常的肾组织中系膜细胞并不表达α-肌动蛋白，而肾小球中也是以Ⅳ型胶原为主，只有在病理情况下才会有α-肌动蛋白的表达。

培养的系膜细胞缺少与其他肾小球自身细胞或渗透细胞的接触，生长在相对高浓度的胎牛血清中，并含有系膜细胞再生的细胞因子，因此，培养的系膜细胞是激活的细胞，而不是体内正常肾小球中所看到的静息型细胞。

总之，既往通过系膜细胞培养获得的数据与体内正常肾小球所得的结果并不一致，但与疾病情况下相似。在标准细胞培养条件下，系膜细胞表现与体内激活的细胞一致的表型，没有完全去分化，因此体外大多数的反应模式与体内一致，或者与正常情况一致，或者与疾病状态一致。

二、系膜细胞介导肾损伤的机制

系膜细胞所处的位置、结构与功能特点，使其易于沉积损伤性血浆成分和滤过残渣。循环免疫复合物或其他大分子不断进入系膜，当这些物质不能被清除造成堆积，便激活系膜细胞，导致系膜细胞增殖和分泌表型的改变，一旦被激活，系膜细胞分泌大量的物质，调节炎症反应，以及肾小球微循环和ECM的沉积，影响肾小球功能。

肾小球系膜细胞是各种不同损伤的靶细胞，通过体液或细胞免疫机制产生免疫损伤。很明显，系膜的损伤进程与免疫攻击的类型、程度和持续时间有关。一旦损伤物质或机制被清除或中和，系膜和毛细血管丛的组织完整性得到恢复，炎症反应便可中止。这一损伤修复过程的调控需要释放许多生物因子，骨髓来源的炎症细胞以及系膜细胞的增殖和分泌表型的改变有助于这一过程的顺利进行。对于急性或一过性损伤，炎症反应后通常会伴有一个炎症消散期。如果系膜持久地遭受损伤，炎症过程会变成慢性，一些介质和旁分泌、自分泌的调节因子会持续释放，从而使炎症持续不退。肾小球硬化导致的肾小球和肾脏小管间质部位的缺血可以加重这一损伤。系膜细胞的持续激活，可能与系膜细胞增殖和分泌活性改变有关。

（一）免疫介导的系膜损伤

1.体液免疫机制

免疫荧光可以在受损的肾组织内发现各种免疫球蛋白和补体成分的沉积，特别是在系膜区。沉积抗体的特异性并不确定，也无法确定相应的抗原是来自病原微生物的碎片，还是血液循环中的自身抗体。这些物质或者以分开的形式，或者以抗原-抗体复合物的形式进入系膜，或者在系膜内形成免疫复合物。常见的免疫球蛋白成分有IgG、IgA和IgM。

在肾小球肾炎受损的组织中，可以发现抗体和补体C3、C5b-9，以及C1q等。人体和鼠的系膜细胞表达C1q受体，与Fc受体一起促进C1q免疫复合物在系膜区的沉积。虽然，某些类型肾小球肾炎系膜上的补体激活，并不产生具有膜攻击性的C5b-9复合物，以及导致系膜细胞溶解。但是，激活的系膜细胞分泌的生物活性物质成分，产生了变化，并可以引起炎症反应。最近的研究提示，系膜细胞能结合补体成分（如C3）。尽管尚不清楚导致系膜细胞过度表达补体受体的机制，但可以肯定补体异常合成与激活有助于免疫球蛋白在系膜的沉积。这一过程是否与IgA肾病有关尚未可知。

2.细胞免疫机制

系膜细胞与免疫细胞之间存在着特异性相互作用。系膜细胞能被T辅助细胞产生的物质激活，而且系膜细胞分泌T细胞共刺激因子，如白细胞介素-1（interleukin 1，IL-1）和白细胞介素-6（interleukin 6，IL-6）。虽然系膜细胞并不持续表达主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex，MHC）Ⅱ类分子，但是它们能在体内被重组的T细胞淋巴因子如γ-干扰素（interferon gamma，IFN-γ）诱导。联合INF-γ和IL-1或肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）也能诱导系膜细胞表达细胞间黏附因子1（intercellular adhesion molecule 1，ICAM1）。因此，系膜细胞在与T淋巴细胞相互作用中作为抗原呈递细胞替代巨噬细胞发挥辅助细胞的功能。有报道发现IFN处理的小鼠系膜细胞能够加工和呈递外源性抗原给特异性T细胞，ICAM单克隆抗体降低系膜细胞与T细胞间的黏附作用和系膜细胞对抗原的呈递功能。抗MHCⅡ类分子抗体也能消除系膜细胞的抗原呈递作用，但不影响分子间的黏附功能。将INF-γ/TNF-α处理的系膜细胞与异体淋巴细胞共培养，其结果显示系膜细胞表达具有功能活性的MHCⅡ类分子。这些MHCⅡ类分子阳性的系膜细胞能够激活异体T淋巴细胞。目前尚不知道这些实验结果是否与患者体内的炎症反应一致。

（二）IgA1的糖基化模式

在IgA肾病中，增加的部分循环IgA1在一些碳链侧链（O-聚糖）中具有半乳糖缺乏，其与重链的铰链区段连接。O-糖基化位点不是随机分布。

这种糖基化模式主要影响黏膜组织中产生的聚合IgA1，但半乳糖缺乏的聚合IgA1是循环中的一种次要分子形式。半乳糖基化不良的IgA1合成显然是由IgA1分泌中相关酶活性不平衡引起的。IgA肾病患者的细胞可能会改变黏膜细胞和全身细胞间的这些细胞，使黏膜细胞到达全身部位，并将低半乳糖基化的黏膜型IgA1分泌到循环中。IgA1-合成分泌针对黏膜病原体的半乳糖缺陷型IgA1细胞可能受到类固醇受体的先天免疫系统的影响。

衍生的抗原偶尔沉积在系膜中，没有证据表明这些环境抗原直接参与IgA肾病的发病。由于半乳糖缺乏，截短的IgA1铰链区聚糖中的N-乙酰半乳糖胺被暴露。通过天然存在的IgG或IgA1抗体识别该IgA1铰链区新表位导致在循环中形成免疫复合物，或在半乳糖缺乏的IgA1于肾小球沉积后原位形成免疫复合物。

所有循环的半乳糖缺乏型IgA1都存在于与聚糖特异性抗体结合的免疫复合物中，这种抗体可能阻断肝细胞对唾液酸糖蛋白受体的接近。因此，这种半乳糖缺乏的IgA1逃避肝脏中正常的IgA1分解代谢途径，到达肾小球毛细血管网，其大的窗孔覆盖在系膜细胞上。一些复合物具有IgA1作为抗糖链抗体的唯一同种型，或许可以解释为什么IgA可以是系膜中唯一的免疫球蛋白。聚糖特异性IgG抗体具有不寻常的结构特征，增加了它们与半乳糖缺乏的IgA1 O-结合的亲和力。其V _H （重链可变区）抗原结合部分的互补决定区中的第3个氨基酸通常是丝氨酸而不是丙氨酸。这种改变源于主动免疫应答期间的体细胞突变。抗糖链抗体的起源尚未完全确定。一些病毒和细菌在细胞表面表达N-乙酰半乳糖胺，这种微生物的感染可以促进与半乳糖缺乏的IgA1交叉反应的抗聚糖抗体的合成。

在系膜区，复合半乳糖缺乏的IgA1可能附着于细胞外基质中的纤连蛋白或Ⅳ型胶原或系膜细胞上的转铁蛋白受体或整合素。活化系膜细胞分泌细胞外基质成分，增强诱导型表达一氧化氮合酶，并释放各种IgA肾病特有的肾损伤介质：血管紧张素Ⅱ、醛固酮、促炎和促纤维化细胞因子和生长因子。此类事件的后果，可能引起细胞周期延长，细胞凋亡，氧化应激，补体活化，进一步导致系膜细胞增多，系膜基质扩张，足细胞和近端小管上皮细胞损伤，肾小球基底膜通透性增加，肾小球和间质区瘢痕形成。这种肾损伤会导致高血压、蛋白尿、血尿和肾小球滤过率降低。

（三）系膜溶解

系膜溶解可以有3种情况。第一类包括由于原发性系膜损伤导致的严重系膜溶解，表现为肾小球系膜囊性变和随后发展的增生性肾小球肾炎，有2种动物模型表现出这样的改变：竹叶青蛇毒素模型和Thy-1肾炎模型，它们的主要损伤部位分别在系膜细胞基质或系膜细胞。被蛇咬伤的患者可发生增生性肾小球肾炎，但并不清楚这些损伤是否由系膜溶解造成。第二类以系膜溶解伴内皮下空间变宽为特征，被认为是继发于原发性内皮细胞损伤。这一类型的损伤包括放射性肾病和溶血尿毒症综合征等血栓性微血管病、恶性高血压、抗磷脂抗体综合征和先兆子痫等。第三类是伴有薄层系膜小结的系膜溶解，被认为是由相对轻微但持续不断的系膜和内皮损伤造成。最常见的疾病包括糖尿病肾病患者特异性的Kimmelstiel-Wilson结节，一般认为是由毛细血管微动脉瘤所致，但电镜下清楚的显示为系膜溶解的修复期，支持在薄层小结的形成中有系膜溶解的再发生。另外在免疫球蛋白轻链或重链沉积病、淀粉样变、纤维性肾小球疾病，以及膜增生性肾小球肾炎都发现有系膜溶解。在以血流动力学改变为特点的充血性心力衰竭合并肾小球扩张和充血的患者的肾小球中，也有典型的系膜溶解、微动脉瘤形成。

（四）炎症反应造成的系膜二次损伤

免疫介导的初次攻击可以激活系膜细胞，导致化学性和血管活性物质的合成、释放和激活。例如：系膜中免疫复合物的沉积可以激活系膜细胞和补体，在急性系膜损伤后，局部集聚的炎性细胞（包括中性粒细胞、血小板和单核-巨噬细胞）为清除局部损伤物质，修复局部组织，可以释放更多的可溶性生物活性物质，这些物质可引起系膜细胞的激活，诱导系膜细胞增殖，促进系膜细胞通过自分泌和旁分泌产生更多的介质和细胞基质，加重细胞损伤。目前还没有可靠的方法评估促炎症介质和抗炎症介质的活性、影响范围以及释放的顺序等，更不清楚下调系膜细胞分泌的生物活性介质对系膜的损伤程度产生怎样的影响。

在急性免疫介导的损伤（如进展性肾小球肾炎伴系膜增生和基质构建）之后，尽管系膜免疫沉积物和浸润的炎症细胞已经清除或消失，仍有未知因子持续激活系膜细胞，引起慢性肾小球肾炎。

（五）系膜细胞的增殖

系膜细胞的增殖失衡在肾小球损伤及其进展中起关键作用。正常成年哺乳动物的系膜细胞生长率很低，这是由于在静息期，系膜细胞几乎不接触有丝分裂原，其对各种细胞生长因子受体的表达下降，系膜细胞也可以分泌多种生长抑制因子来维持低增殖活性。在体外培养的各种因子刺激下，系膜细胞可分泌多种对系膜细胞增殖发挥刺激作用或抑制作用的可溶性因子或配体，由于刺激/抑制因子或受体的比例失调，最终导致系膜细胞增殖。

（六）系膜细胞转分化

体内和体外培养的系膜细胞都被认为是一个终末分化的、可收缩的、不具分裂功能的细胞，并可以被多种因素激活并增殖。系膜细胞转分化和表型改变的精确标志至今仍未明了，促进其表型改变的因素包括系膜细胞本身及其他细胞经自分泌或旁分泌产生的各种可溶性因子、非可溶性ECM成分、物理或毒性刺激之间的反应等多个因素组成的网络。一般认为α平滑肌肌动蛋白或新合成的胶原蛋白是系膜细胞激活转分化的标志，表明其具有血管平滑肌细胞以及肌纤维母细胞的某些特性。在IgA肾病的研究表明，如果系膜细胞表达平滑肌α肌动蛋白，则预示肾功能进行性下降。尽管表达平滑肌α肌动蛋白和Ⅰ型、Ⅲ型胶原能够反应系膜细胞在血管压力或炎症刺激下有收缩和/或分泌功能的改变，但并不表明系膜细胞已经成功的转分化。

（七）系膜细胞迁徙

系膜细胞损伤和系膜溶解后，肾小球血管丛需要系膜细胞再生。在Thy-1肾炎模型中，未受损伤的系膜细胞通过增殖和迁移完成再生。迁移与再生是2个独立的过程，因为注射碱性纤维母细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）的抗体只能抑制增殖而不影响单个细胞从血管内到外周的迁移。血小板衍生生长因子（platelet derived growth factor，PDGF）和血管紧张素Ⅱ促进系膜细胞迁移，而肾上腺髓质素或环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）则抑制系膜细胞的迁移。

（八）系膜细胞收缩

体内和体外的实验都表明，系膜细胞的收缩有助于肾小球滤过作用的调节。某些血管活性物质在体外可以促进培养的系膜细胞收缩，在体内则可以降低肾小球超滤系数。这些血管活性物质部分是由系膜细胞以自分泌的方式进行的，如内皮素、血栓素A ₂ （thromboxine A2，TXA ₂ ）、腺苷等。系膜中存在区域性肾素-血管紧张素系统，受到牵拉后血管紧张素受体和血管紧张素原增加。因此，系膜细胞能通过这一区域性肾素-血管紧张素系统，调节对肾小球内压力变化的反应。系膜细胞的收缩过程依赖Ca ²⁺ ，并伴有花生酸样物质的产生，这些物质以引起血管收缩的前列腺素（prostaglandin E ₂ ，PGE ₂ ）和前列环素（prostacyclin，PGI ₂ ）为主，故可能以负反馈的方式加强血管的收缩作用。

（九）系膜细胞-基质之间的相互作用

系膜细胞的形态和功能不仅受可溶性调控因子（细胞因子、生长因子、酶等）的影响，而且也受非扩散性系膜ECM的信号影响。这些分子能与系膜细胞表面特异性ECM受体相互作用，诱导调节细胞反应，如黏附、迁移、合成/分泌活性物质以及细胞的生长发育。系膜细胞与基质之间的关系首先表现在肾小球毛细血管丛的胚胎发育期间系膜细胞的定位、锚定和分化过程。

系膜细胞表面有多种ECM分子的受体表达，这些受体的配体多是各种胶原蛋白、层粘连蛋白和纤维结合蛋白等（表4-1-2），这些可溶性ECM配体与整合素相互作用以及随后的整合素介导的局部黏着斑激酶（focal adhesion kinas，FAK）硫酸化，可以引发系膜细胞细胞核外的信号转导至细胞核，使细胞合成各种生物活性物质的比例和速度失衡，决定细胞的凋亡或存活。

1.ECM对系膜细胞黏附的调节

在不同的细胞的研究均提示，ECM不仅调节细胞的生长，而且调节ECM的合成。ECM影响系膜细胞的纤维的许多方面如黏附、生长发育、迁移、分化、修复甚至凋亡等。

2.在肾小球损伤修复中的作用

ECM是正常肾小球的重要组成部分，有证据表明ECM在受损的肾小球的修复过程中可以诱导凋亡，但相关的研究尚未在临床得到证实。

三、系膜细胞在IgA肾病中的作用

（一）IgA在系膜细胞的沉积

研究表明IgA肾病是由于异常的IgA沉积在系膜区导致，推测其沉积的途径可能有：①IgA与沉积于系膜区的外源性抗原结合；②IgA与系膜区自身抗原结合；③肾小球系膜区存在与IgA特异性结合的受体。大量研究证实IgA与系膜细胞结合触发了系膜细胞的活化与增殖、细胞因子的释放和系膜基质的增生，但具体机制尚不清楚。已发现5种IgA受体：①FcαR（Fc receptor for IgA）髓源性细胞表达，选择性结合IgA1和IgA2抗体；②多聚免疫球蛋白受体（polymericimmunoglobulin receptor，pIgR），结合IgA、IgM的J链，主要集中在黏膜区表达；③去唾液酸糖蛋白受体主要表达在肝上，识别糖蛋白的去唾液酸糖蛋白部分，包括IgA1；④Fcα/µR；⑤转铁蛋白受体（TfR/CD71）。后4种还可结合IgA以外的其他配体。既往研究发现IgA肾病患者系膜细胞上Fcα/µR、CD71表达明显增高，它们和多聚IgA的高亲和力特征，可能介导了IgA在系膜区的一系列病理事件。

（二）IgA在系膜细胞的清除

人类系膜细胞表面不表达FcαR、pIgR，但表达一种特殊的受体Fcα/μR，另外还表达TfR，TfR对mIgA的亲和力远大于对pIgA的亲和力。体外培养的人类系膜细胞可以结合pIgA及mIgA，并且呈剂量依赖关系。由此推测：人类系膜细胞结合pIgA是通过Fcα/μR引起的。Fcα/μR是一种不同于CD89的跨膜糖蛋白，分子量为58 000，N末端有少量糖分子。 Fc α /μR 基因的变异体或 Fc α /μR 基因的多态性可以影响Fcα/μR的表达水平。IgA肾病的病情严重程度的差异以及不同预后可能同 Fc α /μR 基因的多态性有关。细胞因子也影响Fcα/μR的水平，用IL-1刺激人类系膜细胞后，发现Fcα/μR mRNA表达上调，推测细胞因子通过调节Fcα/μR的表达来影响IgA肾病进展以及预后。Fcα/μR在正常人和IgA肾病患者体内的表达、结构、功能是否有差异，Fcα/μR对正常IgA和糖基化异常IgA的结合能力是否有差异，尚需进一步研究。

（三）IgA在系膜沉积对系膜细胞的激活

含有IgA的免疫球蛋白单体、多聚体或循环免疫复合物在系膜区沉积后会导致系膜细胞的激活；反映系膜细胞合成、分泌、增殖和凋亡的各种生物标志分子的表达也发生相应的变化（表4-1-3）。其导致的系膜细胞的最终结局取决于外界刺激的强弱和持续时间，也与各种因子分泌的平衡有关（详细内容见第三章相关章节）。