慢性肾脏疾病影响着全世界10%以上的人口，大多数病例是由于肾脏滤过屏障的紊乱引起的，滤过屏障位于称为肾小球的一百万个微血管单位内。尽管几十年来人们已经知道，在肾脏中，肾小球是血浆超滤和尿液产生的场所，滤过屏障的分子设计和功能直到最近才被发现，自从认识到肾素-血管紧张素系统抑制剂有助于减少蛋白尿和延缓糖尿病肾病进展以来，几十年来，患者仍然面临着糖尿病和其他蛋白肾病导致终末期肾衰竭的风险。
有证据表明，钠-葡萄糖协同转运蛋白2（SGLT2）抑制剂在治疗有或无蛋白尿和肾功能下降的糖尿病患者时，除了具有降糖作用外，还具有附加作用。已经提出了各种机制来解释SGLT2抑制剂的肾保护作用，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，这些足细胞是大多数蛋白性肾病的损伤靶点。肾小球压力的降低似乎是由传入小动脉的收缩介导的，这些小动脉是向肾小球微循环供应大量血液的小血管。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密切相关。
肾功能依赖于大量水和少量溶质的大量过滤，以清除细胞内代谢和胃肠道微生物代谢产生的潜在毒素，并维持盐、水和酸碱平衡。健康成人肾小球每天产生多达L的肾小球滤液，但只有极少量的白蛋白漏入最终产物尿液，尽管肾小球滤过液中的白蛋白（与血浆中的白蛋白相比）的估计值因测量技术不同而有所不同，一些滤过的白蛋白无疑是通过肾小管重吸收回收的，随肾小球滤过液逸出的血浆蛋白量很小，取决于肾小球滤过屏障的选择性通透性。
减少肾小球毛细血管表面积或改变毛细血管壁固有通透性的疾病可降低肾小球滤过率（GFR）。尽管下游代偿机制维持肾小球-肾小管平衡，调节体液、电解质和生理水平的酸碱平衡，GFR即使很小的降低也会增加心血管疾病发病率和死亡率，降低总生存率。蛋白尿，通过改变肾小球毛细血管壁的选择性通透性而影响肾小球毛细血管壁的疾病的另一个表现也与心血管疾病发病率和死亡率的增加有关，即使尿白蛋白水平不被普遍认为是病理性的，甚至在没有高血压和糖尿病的情况下也是如此，我们根据定义肾小球滤过器大小和电荷选择特性的经典研究讨论当前的见解，以帮助解释肾小球毛细血管壁的独特结构和组成如何在健康时维持高选择性滤过特性，以及这种特性如何随肾脏疾病而变化。
足细胞损伤的影响
在人类肾脏的大约一百万个肾小球中，每个肾小球的毛细血管都有一个过滤装置。每个滤过装置由三层组成：沿着毛细血管壁管腔侧排列的特殊且开窗的内皮细胞；一种基于细胞外基质的GBM，含有IV型胶原、层粘连蛋白-和巢蛋白以及硫酸化蛋白多糖；覆盖GBM外表面的足细胞，通过与相邻足细胞交叉的延伸（足突）紧密包裹肾小球毛细血管（图1）。18,19相邻细胞的足细胞足突由滤过缝隙隔开，滤过缝隙由膜状细胞连接桥接，称为狭缝横膈膜20；足突通过各种蛋白质牢固地附着在GBM上，导致细胞-基质粘附。21足细胞的复杂结构允许超滤大量液体和少量溶质，这些是正常清除有毒废物所必需的；白蛋白和大多数其他血浆蛋白成分保留在血液中。
在家族性和散发性肾脏疾病中，足细胞表达的基因突变是导致蛋白尿的遗传原因，这一发现刺激了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理解。这类研究始于大约二十年前，对基因突变的鉴定芬兰型先天性肾病综合征的病因，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，nephrin是狭缝横膈膜的主要组成部分（图1）。Nephrin分子桥接两个相邻足突之间的距离，形成一个40nm的膜状细胞连接。在过滤缝处的一个大的多蛋白复合物的一部分（图1），Nephrin招募衔接蛋白，以诱导信号传递到足细胞细胞骨架。现在很清楚，Nephrin基于蛋白质的相互作用，这对于形成独特的足细胞超微结构、通过对机械信号的反应和控制足细胞中的细胞骨架重排来介导信号转导是必不可少的（图1）。此外，NPHS2的一种产物波多辛已被证明在狭缝横膈膜处与nephrin相互作用，并将狭缝横膈膜复合体的脂质环境组织为在过滤狭缝处也包含离子通道的机械传感器，波多辛是患有“类固醇抵抗”肾病综合征（糖皮质激素治疗不能缓解的肾病综合征）的儿童和青少年中最常见的突变蛋白。
一些额外的足细胞表达基因已经被鉴定，当突变时，会引起蛋白尿，包括细胞骨架基因ACTN4和INF,36；这些观察结果与足细胞肌动蛋白细胞骨架在维持足突结构和肾小球滤过屏障完整性中的关键作用一致。对这些突变和由此产生的突变蛋白的研究清楚地表明足细胞损伤可引起蛋白尿。此外，许多后天性疾病，包括糖尿病肾病、微小病变、局灶性和节段性肾小球硬化、膜性肾病、高血压肾病、人类免疫缺陷病毒相关肾病和狼疮性肾炎，也影响足细胞，导致滤过屏障功能障碍和蛋白尿。当足细胞受到损伤时，足突的细胞间连接和细胞骨架结构发生改变，这些细胞的特征是一种简化的结构，称为足突消失。这些变化原则上是可逆的，强调了足细胞的动态结构。然而，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，无论是由于分离还是细胞死亡，足细胞的丧失都会导致肾滤过单位的不可逆损伤和瘢痕形成。
足细胞丢失是肾小球硬化形成的罪魁祸首这一假说在30多年前提出，随后在实验和临床上都得到了证实。在类固醇抵抗肾病综合征患者中，编码线粒体蛋白的基因也发现了突变，导致线粒体功能障碍和呼吸酶活性受损。在足细胞发生氧自由基损伤的蛋白尿小鼠模型中也观察到了类似的突变。尽管已经确定了许多涉及足细胞蛋白质的突变，但随着技术的发展，这一列表不断增加研究取得了进展，发现了更多调节足细胞功能的基因大多数足细胞损伤是后天获得的，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一些最早的例子来自于对Heymann肾炎的研究，Heymann肾炎是一种大鼠膜性肾病的模型，在这种模型中，循环抗体与足细胞足突底部的包被凹坑中的靶抗原megalin结合，它们激活补体并引起具有人类膜性肾病特征的形态学改变。这些变化包括足突消失、膈肌狭缝脱位、严重蛋白尿和活性氧生成，通过新的基质生成和IV型胶原脂质过氧化导致GBM紊乱。大多数人类膜性肾病患者的抗原随后被鉴定，并被证明是M型磷脂酶A2受体（PLA2R）循环自身抗体的靶点。PLA2R在人足细胞上表达，并与抗PLA2R自身抗体一起脱落，形成上皮下免疫沉积。随后，在抗PLA2R抗体阴性的膜性肾病患者中发现了越来越多的额外足细胞靶抗原。尽管比抗PLA2R抗体更不常见，这些抗体导致相同或非常相似的病理特征，临床表现为肾病综合征或严重蛋白尿。
除了足细胞抗原的自身抗体是肾小球疾病的一个原因外，还有两个不寻常但信息丰富的例子，说明足细胞蛋白的同种异体抗体引起的肾小球疾病。在具有NPHS1（Fin-major）截短突变的婴儿中，缝隙膈肌蛋白nephrin缺失，因此终末期肾衰竭在生命早期发展。当这些病人接受肾移植时，肾病综合征有时会复发。但其发病机制与先天性肾病综合征不同。在从未表达nephrin的患者中，该综合征是由于针对移植肾中新抗原的抗肾上腺素同种异体抗体的产生。通过注射针对nephrin细胞外区域的抗体在啮齿类动物模型中重现了这一观察结果。
另一例涉及足细胞抗原的同种免疫肾病发生在患有肾病综合征的婴儿身上，这些婴儿的母亲患有中性内肽酶（NEP）缺乏症，这是由于以前与NEP阳性伴侣怀孕时致敏所致。母体抗NEP抗体经胎盘传代，与胎儿足细胞NEP结合，引起新生儿膜性肾病，表现为严重蛋白尿。足细胞损伤和足突的简化以及GBM的继发性改变是所有这些疾病的共同特点。
尽管这些研究清楚地支持足细胞在维持功能性肾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导致蛋白尿，强化了选择性肾小球超滤需要三层滤过屏障的概念。GBM的贡献可以通过Pierson综合征中层粘连蛋白-组分的突变来证明，Pierson综合征是一种层粘连蛋白的遗传突变β2链，以及α3，α4，和α阿尔波特综合征中有5条IV型胶原链，导致蛋白尿和进行性肾病。此外，肾小球内皮细胞受损也可引起蛋白尿。例如，在先兆子痫中，血管内皮生长因子（VEGF）信号传导到肾小球内皮细胞的干扰会导致蛋白尿和肾病综合征。先兆子痫影响到美国5%到10%的孕妇，是一种以可溶性fms样酪氨酸激酶1（sFlt-1）过度表达为特征的复杂高血压疾病，sFlt-1是一种结合并中和VEGF的可溶性VEGF受体。由此导致的VEGF缺乏会导致母体血管功能障碍和器官损害。同样，贝伐单抗抗治疗癌症患者可引起蛋白尿、高血压和肾小球疾病。
肾小球超滤的生物物理模型
尽管对肾小球滤过屏障进行了几十年的研究，但直到最近，还缺乏一个生物物理模型来解释肾脏滤过器如何允许广泛的液体过滤，同时限制大分子的筛选。几十年前，用电子显微镜对白蛋白大小或更大的不同示踪剂进行定位的研究表明，GBM在保留血浆中的蛋白质同时允许水和溶质的自由过滤方面起着重要作用，因为示踪剂没有进入GBM，而是局限于其内皮下表面，由嘌呤霉素介导的足细胞损伤，嘌呤霉素是一种抑制蛋白质合成的抗生素，用于研究蛋白尿模型，导致示踪剂连续渗入GBM并被足细胞摄取。相反，其他注入的示踪剂似乎通过GBM，但在足细胞狭缝横膈膜水平受到阻碍，这一观察结果得出结论，狭缝横膈膜是选择性滤过器的主要屏障。几十年来，对滤过控制的争议无法解决，基于GBM处粗滤器和狭缝隔膜处细滤器的解释并不能解释为什么肾小球没有被部分过滤的蛋白质堵塞。
鉴于大量证据表明足细胞损伤是大多数（如果不是全部）蛋白性肾病的基础，新技术，包括超高分辨率成像和人类疾病的基因工程小鼠模型，用超微结构示踪剂和常规光镜和荧光显微镜检查肾小球滤过屏障。这些进展导致建立了一个经实验验证的肾小球超滤生物物理模型。通过肾小球毛细血管的过滤是由大约20毫米汞柱的净过滤压力驱动的，源自约40mmHg的静水压梯度减去血浆的胀形压（血液进入肾小球毛细血管时约24mmHg），其作用是抑制滤过（图2）。显著的管腔压力对毛细血管壁施加物理力，这些力被GBM和足细胞抵消。具体而言，叉指足细胞足突作为支撑物抵抗肾小球毛细血管静水压力的物理力，压缩GBM的凝胶状结构（图3）。这些改变的生物物理特性，GBM起到渗透选择性过滤器的作用，限制通过扩散和体流输送的大分子的渗透性。因此，足细胞复杂的足突结构不仅使水和小溶质的过滤面积最大化，而且还能提供对血压的机械阻力，从而压缩GBM，保持渗透选择性并防止白蛋白和其他大分子的损失（图4）。
当足细胞受到损伤时，它们呈现出更为简化的结构，缝隙横膈膜长度大大缩短，导致滤过缝隙面积减少，肾小球滤过率下降（图4）。同时，足细胞的支撑力丧失，GBM的压缩力降低，从而增加对白蛋白的通透性（图3）。这一结构解释了GFR如何在白蛋白通透性增加的同时下降的难题，这一现象在蛋白肾病患者中得到了优雅的研究和记录。尽管其他因素的作用，如GBM的电动力和内皮细胞带电糖萼的排斥功能，也可能发挥作用，生物物理模型解释了肾小球滤过器如何通过最大化过滤面积（由过滤狭缝的长度定义）来优化大量液体过滤的水力传导率，同时阻止蛋白质通过GBM的压缩。
这些关于肾小球滤过的新数据强调了调节肾小球血液动力学的重要性，并且除了更好地理解血管紧张素转换酶抑制剂或血管紧张素受体阻滞剂的有益作用外，还具有基本的临床意义。在早期蛋白尿疾病中，隔膜的长度明显缩短。由于滤过缝的宽度被认为是固定的，并由连接相邻足突之间距离的相互作用分子决定，缩短滤过缝似乎会导致滤过面积的减少。在这种情况下，滤过率至少部分是由血管紧张素II介导的传出小动脉收缩维持的，这种收缩产生的有害影响抵消了维持GFR的好处。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，这会导致蛋白尿增加，并可能导致进一步的损伤。第二，在滤过面积减少的同时维持GFR会显著增加屏障处的局部液体流量，从而使足细胞暴露于相当大的横向剪切应力，并导致足细胞通过分离而丢失，以及肾小球的潜在瘢痕形成，通过阻断肾素-血管紧张素系统防止血管紧张素II介导的输出动脉收缩是限制糖尿病和非糖尿病肾病进行性足细胞损伤和丢失的抗蛋白治疗的基石。
然而，过度过滤也发生在传入小动脉失去调节。几项研究表明，SGLT2抑制剂对糖尿病（可能是非糖尿病）肾病患者的肾脏转归有缓解作用，如进展为终末期肾病，血清肌酐水平加倍，或因肾脏原因死亡，一种被认为主要通过收缩传入小动脉和防止过度滤过来介导的作用。抑制SGLT2可减少近端小管内葡萄糖和钠的再吸收，通过小管-肾小球反馈和传入血管收缩，重建钠向致密斑的输送，并纠正过度过滤。功能失调的足细胞不能充分抵消肾小球毛细血管压力升高，提示SGLT2介导的传入小动脉血管收缩可能是有益的（图2）。SGLT2抑制剂的作用似乎在所有肾功能水平上都是一致的，每1.73平方米体表面积的GFR估计为每分钟30毫升，而降糖作用与肾小球滤过成正比，并且在肾功能下降时显著降低，强调调节肾小球血流动力学在进展性肾病中的重要性。
结论
我们对肾小球毛细血管滤过功能和蛋白尿机制的认识在过去20年中不断发展。经过几十年的研究，现在有机会开发基于机制的疗法，一方面调节肾小球血流动力学，另一方面保护机械敏感性足细胞，以防止慢性肾脏疾病的进展。
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