【肾世图卷】CKD和肌肉萎缩

骨骼肌是人体最大和最具活力的蛋白质储存库，占健康个体体重的40-45%

生理情况下，肌肉质量的显著波动在健康成年人中并不常见。通过平衡蛋白质合成和降解来维持肌肉质量，该代谢占每日蛋白质周转量的75%

目前在临床和科研中，用于骨骼肌量与质的评估方法包括：

① 人体测量学

② 肌肉代谢物的生化检测

③ 生物阻抗分析

④ 影像学测量肌肉尺寸

各种方法的优缺点见表

 肌肉萎缩定义为“一种以全身骨骼肌质量和总量进行性丧失为特征的综合征，导致身体残疾、生活质量差和死亡增加等不良后果”（欧洲老年人肌肉减少症工作组 (EWGSOP) ）

肌肉萎缩是CKD晚期的一个常见特征，伴有肌肉萎缩的患者更容易出现多种合并症和过早死亡

研究显示ESRD患者肌肉萎缩的发病率为20-44%。图显示儿童CKD患者中肌肉减少和蛋白能量损耗(PEW)的发病率，随着eGFR的下降，肌肉总量明显减少

01

肌肉生长和蛋白合成的机制

 成熟的肌肉除了肌肉纤维和肌细胞外，周围还覆盖卫星细胞。卫星细胞通常是静止的，但在肌肉损伤或生长因子水平变化(如胰岛素样生长因子1[IGF-1])后，开始表达生肌调节因子，细胞开始增殖和分化，产生肌成细胞和肌细胞，融合和进一步分化形成肌原纤维

肌细胞合成蛋白质的能力受氨基酸和核糖体水平以及合成代谢信号的调节。其中蛋白质的翻译受mTORC1依赖性和mTORC1非依赖性信号级联(MAPK-ERK1/2)调控

02

肌肉蛋白质降解

细胞内肌肉蛋白通过不同的蛋白水解系统降解

① 泛素-蛋白酶体系统(UPS)加速蛋白质降解

 一种高效且严格调控的细胞内蛋白质降解系统

被蛋白酶体降解的蛋白质通过高度整合的多酶过程进行修饰，该过程涉及E1泛素激活酶、E2泛素结合酶和E3泛素连接酶，并导致多聚泛素链的翻译后添加

CKD、癌症和糖尿病等分解代谢疾病与UPS流量增加有关；特别是几种E3连接酶的转录产物，包括bxo32、Trim63和Trim32选择性地在骨骼肌中表达，导致关键肌肉调节蛋白和收缩蛋白的精确靶向降解

② 半胱天冬酶3(Caspase 3)

Caspase 3通常被称为细胞凋亡过程中的“执行性蛋白酶”

 非肌肉细胞中Caspase 3的激活促进了程序性细胞死亡。然而在多核肌纤维中，caspase 3的激活会导致与萎缩相关的过程，而不是肌纤维的凋亡

    ✔ 活化的caspase 3作为一种蛋白水解酶改变细胞蛋白质的功能，切割26S蛋白酶体的Rpt2和Rpt6亚基，从而产生更具活性的蛋白酶体复合物

    ✔ 通过蛋白水解切割肌动球蛋白复合物中的肌动蛋白而导致肌肉蛋白质的损失，从而促进肌节分解。这个过程中产生的14-kDa肌动蛋白片段，为体内进行性肌肉萎缩的生物标志物

③ 自噬

 自噬是第三种蛋白水解系统

    ✔ 非选择性地降解细胞内蛋白质和细胞器，如受损的线粒体

    ✔ 自噬过程涉及自噬细胞的形成，由失调的胰岛素或IGF1信号传导和受损的细胞器触发：持续吞噬细胞内蛋白质和细胞器 ➡ 形成完整的自噬体并伴有LC3-II(成熟自噬体的标志物)的附着 ➡ 自噬体与溶酶体融合 ➡ 溶酶体含有酸性蛋白酶，降解吞噬的蛋白质和细胞器

03

CKD对肌肉蛋白合成/流失的影响

CKD抑制肌肉卫星细胞功能

在CKD小鼠模型中，卫星细胞释放的生肌细胞因子：MyoD和肌细胞生成素降低，卫星细胞增殖和分化减少

IGF1是卫星细胞功能的关键调节因子，卫星细胞功能障碍与IGF-1活性降低有关，患有CKD的小鼠或诱导性、部分缺失Igf1的小鼠在肌肉中发生纤维化。机制为CKD诱导的卫星细胞中IGF1-AKT信号受损而导致肌肉再生缺陷 

CKD导致肌细胞核糖体和蛋白质合成受损

与对照组相比，CKD患者或者小鼠，氧化亮氨酸和非氧化亮氨酸处理(蛋白质合成的体内指标)均显著降低

CKD老鼠/患者的肌肉活检中，染色质修饰去甲基化酶-nucleolar protein 66(NO66)表达增高，而NO66可以通过表观遗传来抑制肌肉蛋白质合成

CKD小鼠肌肉中microRNAmiR-23a和miR-29减少，抑制肌纤维合成

CKD 增加肌肉蛋白的分解代谢

 自噬与caspase 3和UPS 协同工作，以加速CKD期间肌肉中肌肉蛋白质和细胞器的损失

 CKD可激活肌肉中的自噬过程

????图示通过蛋白质印迹法，与假手术组相比，CKD组小鼠的腓肠肌裂解物中自噬体相关蛋白Bnip-3、Beclin-1、PI3KC3、LC3、Atg12/5、P62、mTOR和磷酸-mTOR明显增加

从系统角度看，CKD导致肌肉萎缩的相关机制????

① 代谢性酸中毒

    ✔ 正常大鼠对代谢性酸中毒的反应是刺激肌肉中的蛋白质分解代谢，相对于蛋白质合成减少，其程度更大

    ✔ 在 CKD 大鼠模型中，添加碳酸氢钠在很大程度上消除了肌肉中蛋白质降解的增加。这些结果在临床上也得到了证实

    ✔ 机制：代谢性酸中毒增加泛素mRNA和蛋白酶体亚基的表达，表明UPS中蛋白水解被激活，同时代谢性酸中毒可诱发胰岛素抵抗

② 炎症

    ✔ CKD患者的循环促炎细胞因子水平升高，包括 IL-6、TNF-α、血清淀粉样蛋白A 和C反应蛋白。尤其是IL-6相关的细胞因子，会导致肌肉蛋白质加速降解

    ✔ 机制

      ▪ 与肌肉中细胞因子信号传导抑制因子3(SOCS-3)的表达增加有关。高水平的SOCS-3会降低胰岛素受体底物1(IRS-1)水平并抑制细胞内胰岛素信号传导，从而激活caspase-3和UPS

        ▪ 和转录激活因子3(Stat3)及其靶基因之间的关系。IL-6诱导的pStat3激活还刺激CCAAT/增强子结合蛋白δ(C/EBPδ)，后者激活肌生长抑制素，因此导致肌肉损失

③肌生长抑素GDF8

    ✔ 最初被确定为TGFβ蛋白超家族的成员，是一种主要在骨骼肌中产生的肌因子，促进骨骼肌和心肌分解代谢

    ✔ 以自分泌方式通过与激活素II 型受体ActRIIA和ActRIIB相互作用来影响肌肉蛋白质代谢和卫星细胞功能。ActRII受体的激活 ➡ 转录因子SMAD2和SMAD3的活性增加 ➡ 增加细胞因子和其他破坏蛋白质稳态的信号传导介质的表达

    ✔ 一项对5期CKD患者的肌肉活检样本的研究发现，肌生长抑制素表达与肌肉量减少之间存在关联

    ✔ 用肌生长抑素的抗体治疗CKD小鼠，可以改善干细胞功能，增加肌肉蛋白合成率和IGF1信号传导，并降低蛋白质降解率

④ 下丘脑食欲调节

    ✔ CKD患者的激素(例如生长素释放肽、瘦素和 PYY3-36)和分解代谢物(即尿毒症因子)发生改变，导致下丘脑黑皮质素4受体(MC4R)的活性增加，并与厌食症和肌肉萎缩相关

⑤ miRNA

    ✔ CKD小鼠的肌肉中至少有12 种microRNA 的表达发生了改变，其中一些与肌肉萎缩有关

04

延缓CKD患者肌肉萎缩的策略

尽管在过去的几十年里，对CKD发病原因和疾病进展机制的了解有了很大进展，但对CKD某些并发症的治疗和预防，譬如肌肉萎缩，并没有很多的进展。表为治疗肌肉萎缩的一些措施

① 营养和控制酸中毒

 纠正代谢性酸中毒应该是减少CKD患者肌肉蛋白流失的首选方法

富含蛋白质的饮食会增加代谢性酸中毒的发生，因为氨基酸、磷脂和磷蛋白的代谢会刺激酸的产生。因此，建议CKD患者食用低蛋白饮食，每天0.6克蛋白质/公斤

鼓励患者食用补充有亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸的酮酸类似物的极低蛋白饮食，这些类似物在代谢时产生的酸少于相应的氨基酸 

② 运动和针灸

CKD 鼠抗阻运动(肌肉超负荷)的极端模型增加了IGF-1以及IGF-1下游介质的表达，包括IRS-1、PI3K、pAkt和肌生长抑制素

 单次抗阻运动可以刺激血液透析患者肌肉中的蛋白质合成代谢，18周的耐力运动可以改善蛋白质代谢的标志物，包括IGF-1和肌生长抑制素

 microRNA水平可能是一种模拟运动效果和改善CKD诱导的肌肉萎缩的潜在方法。抗阻运动增加了CKD小鼠肌肉中miR-23a和miR-27a的水平

低频电刺激针灸(Acu/LFES)改善了CKD患者和动物模型以及其他萎缩相关疾病的肌肉萎缩

③ 药理干预

生长素释放肽补充剂

 酰基-生长素释放肽或生长素释放肽类似物可增加CKD患者食欲，和血清 IGF1 水平增加相关

肌生长抑素拮抗剂

 如上所述，在小鼠中抗肌生长抑制素抗体可逆转CKD相关的体重和肌肉质量损失，并抑制炎症细胞因子的循环水平

ω-3 多不饱和脂肪酸

 在癌症和饥饿的动物模型中，给予ω-3 多不饱和脂肪酸、二十碳五烯酸，逆转肌肉萎缩基因的表达

 在血液透析患者，12周的二十二碳六烯酸治疗改善炎症标记物和降低的前臂肌肉蛋白降解

05

骨骼肌和肾脏的相互作用

骨骼肌分泌多种肌因子、生物活性肽、脂质和microRNA，这些信号分子进入循环系统，与受体器官(包括肾脏)相互作用，从而诱导局部细胞代谢的变化

肾脏中的病理事件反过来也会影响骨骼肌中的蛋白质代谢，肾脏损伤可诱导特定的肾细胞(肾成纤维细胞、肾小球旁器细胞)产生和分泌激活素A，激活素A进入循环并与肌肉纤维上的激活素II型受体结合。这些受体诱导肌肉中雄激素的表达，破坏蛋白质稳态，最终导致肌肉萎缩

CKD导致肌肉损失的病理生理机制是相当复杂的

在CKD中，肌肉生物发生、蛋白质合成和蛋白质降解之间的微妙平衡会因多种因素的作用而被破坏

目前还没有有效的治疗方法可以成功预防肌肉萎缩

随着我们对CKD肌肉和其他器官中发生的细胞变化越来越了解，新数据将为开发新的对抗肌肉损失的候选方法提供信息

Ref

1 Nat Rev Nephrol. 2021 Nov 8. doi: 10.1038/s41581-021-00498-0

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by 肾世风云 · 钟钟