蛋白质结合的尿毒症毒素与血液透析患者认知功能的研究进展

李贵友，刘伦志

(湖北民族大学附属民大医院 肾病内科，湖北 恩施 445000)

在过去的几十年中，维持性血液透析(maintenance hemodialysis,MHD)患者的认知功能障碍成为关注的重要问题，其中多达60%～90%患者有一定程度的认知功能障碍[1]。认知功能障碍指各种因素造成的言语、注意、思维、记忆及知觉等高级脑皮层功能的损害。既往有研究表明，在MHD患者中认知障碍的发生率比普通人群中的类似年龄人群约高3倍，认知功能障碍与生活质量差，住院风险和死亡率有关[2-3]。认知功能障碍的病因包括高龄，脑血管疾病，贫血，药物不良反应和尿毒症毒素等，其中特别是蛋白结合的尿毒症毒素(protein-bound uremictoxins,PBUTs)受到了高度关注，血液和大脑中PBUTs的积累可影响认知功能[4]。由于与血液中的白蛋白紧密结合，因此很难通过透析消除，PBUTs的积累可引起脑血管病变和神经变性，前者指其对脑内皮细胞产生直接影响，导致氧化应激，慢性炎症，动脉粥样硬化和血-脑屏障异常，后者指其直接神经毒性，对小胶质细胞，星形胶质细胞和神经元的后续作用而促进脑损伤，从而导致认知障碍和痴呆[5-6]。本文就MHD患者中PBUTs对认知功能的作用、机制及其治疗现状的研究进展做一综述。

1 PBUTs的来源及代谢

1.1PBUTs的来源 尿毒症综合征归因于大量化合物的积累，这些化合物在正常情况下会被肾脏排泄，当这些化合物与生物学功能发生负面作用时，被称为尿毒症毒素。欧洲尿毒症毒素工作组(EUTox)发布的根据生化特性将尿毒症毒素作如下分类[7]：①小型水溶性化合物：如肌酐、次黄嘌呤及草酸盐等；②较大的“中间分子”：如甲状旁腺激素、肿瘤坏死因子α及胱抑素C等；③与蛋白质结合的化合物：如吲哚-3-乙酸(IAA)，对甲酚硫酸盐(PCS)，吲哚酚硫酸盐(IS)，苯乙酰基谷氨酰胺(PAG)等。其中以与蛋白质结合的化合物，即蛋白结合的尿毒症毒素(protein-bound uremictoxins，PBUTs)目前总计10大类32种，由于结合方式的差异其与白蛋白亲和力也不同，而决定了PBUTs的浓度和特异性。白蛋白可在多个位点结合各种配体，PBUTs主要结合在Sudlow位点Ⅰ或Ⅱ上。据报道，大多数PBUTs通过氢键、离子键、疏水作用力、范德华力以及位阻因子与白蛋白紧密结合，而3-羟基-4-甲基-5-丙基-2-呋喃丙酸与白蛋白共价结合到Sudlow位点Ⅰ，这种结合导致其构象变化，继而影响白蛋白的结合特性。

大多数PBUTs是肠源性毒素，由食物中的氨基酸经肠道内细菌作用生成。在MHD患者中由于尿素蓄积以及结肠上皮分泌尿酸和草酸盐，导致肠道的生化环境发生变化，从而改变了微生物组。此外，抗生素，铁补充剂质和高纤维食物的限制可能会导致微生物组改变，MHD患者常见的临床并发症便秘，使结肠中未消化蛋白质的可用性增加，这有利于厌氧细菌代谢，从而导致更多的尿毒症毒素产生。MHD患者中的PBUTs由于它们与血浆白蛋白的紧密结合，大大增加了他们的分子量，既不能通过尿液排出，也很难通过透析方式有效的消除，在体液中积累[8]。

1.2PBUTs的代谢 研究已证明，消除蛋白质结合的化合物(包括药物和内源性毒素)的最终途径通常由肾脏近端小管细胞分泌，肾近端小管分泌由两个重要的跨膜途径组成，首先其促进蛋白质结合的化合物从血液到肾小管细胞，再从肾小管细胞到管腔(尿液)的转运[9]。对于非肾细胞和近端肾小管细胞，特定的有机阴离子转运蛋白(organic anion transporter,OAT)推动了这一过程，即rOAT1/Slc22a6和rOAT3/Slc22a8负责肾脏近端小管基底外侧膜上尿毒症毒素的摄取，从肾小管周围毛细血管分泌到近端小管细胞中的，OAT 首先可能在结合的溶质和蛋白质的解偶联中起作用[10]。MHD患者肾小管分泌功能障碍会促使PBUTs在体内的蓄积，脑内PBUTs水平较高，通过导致氧化应激，慢性炎症，动脉粥样硬化和血-脑屏障异常，对小胶质细胞，星形胶质细胞和神经元的后续作用进，而损害机体各器官系统，如加速肾功能恶化和肾纤维化进展、提高心血管并发症发生率、导致肾性骨病、加速对神经系统和认知功能损害等[11]。

2 PBUTs与认知功能的相关研究

MHD患者中有多达60%～90%有一定程度的认知障碍，其发生率比类似年龄的普通人群约高3倍，有研究显示PBUTs与注意力、定向能力、语言、记忆、执行能力、抽象思维、视觉空间、计算力和理解判断等认知功能有关[4,6,12]。PBUTs引起认知功能障碍机制分为脑血管病变和神经变性组成，前者指通过氧化应激，慢性炎症，导致血管内皮细胞功能障碍，引起动脉粥样硬化、高血压、血管钙化和血-脑屏障异常等；后者指其直接神经毒性，对小胶质细胞，星形胶质细胞和神经元的后续作用而促进脑损伤，从而导致认知障碍和痴呆。

2.1PBUTs引起脑血管病变导致认知障碍 近年来，我们已经认识到小血管疾病(smallvesseldiseases，SVD)对认知障碍有重要影响，SVD是一种全身性疾病，与弥漫性内皮功能障碍有关，会影响脑供血系统终端的小动脉、毛细血管、微动脉和小静脉。脑SVD引起局灶性腔隙性脑梗塞和更多的弥散性缺血，称为脑白质疏松症，尽管通常无症状，但其几乎占所有认知功能障碍痴呆病例的一半[13]。在MHD患者中，PBUTs通过增加活性氧(reactiveosygenspecies,ROS)的产生和增加炎症基因[白细胞介素(IL)-6、IL-8、细胞内黏附分子1及细胞趋化蛋白1]的表达来介导氧化应激，这些炎性产物促进血管钙化，还通过激活芳香族化合物受体(AhR)/p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)/核因子κB(nuclear factor kB,NF-κB)途径诱导环氧化酶(Cyclooxygenase,COX)-2上调，从而诱导内皮氧化应激和炎症，加速动脉粥样硬化的进展，而引发脑小血管疾病[14-15]。PBUTs不仅是血管内皮功能障碍的诱导剂，也可引起引起外周微血管功能障碍，动物实验评估了PBUTs对小鼠模型中脑微循环功能的影响，并在小鼠体内证明暴露于体外的IS增加氧化应激，通过降低NO水平，诱导的脑内皮细胞功能障碍[16-17]。这些数据表明PBUTs不仅可以在大血管中诱导内皮功能障碍，而且还可以通过增加ROS产生而在脑微血管中诱导内皮功能障碍，而且NF-κB的必需调节因子特异性缺陷可损害内皮细胞，引起毛细血管破坏和低灌注，减少神经-血管偶联和血脑屏障完整性，血管特异性改变伴随行为改变，这种现象可能直接解释脑SVD与认知功能的关系[18]。

MHD患者常伴有高血压，包含交感神经元的延髓头端腹外侧区(rostral ventrolateral medulla，RVLM)是调节血压的关键区域[19]。根据最近的一项研究，IS和甲基胍通过特定转运体rOAT3直接刺激大鼠RVLM神经元，产生氧化应激，通过添加抗氧化剂抑制了PBUTs诱导的RVLM神经元的活性，这表明PBUTs诱导的氧化应激在RVLM神经元的激活中起着关键作用，PBUTs诱导氧化应激后激活RVLM神经元而引起高血压[20]。高血压也是脑小血管疾病发展的主要危险因素，是认知障碍的主要原因之一，靶向治疗PBUTs诱导的RVLM神经元的活化，可能是减少高血压和继发性认知衰退和痴呆的有效方法[21-22]。RVLM神经元过度活化引起的高血压等导致周围血管功能障碍，这改变了正常的血液动力学，可能导致脑血管疾病的发生。

2.2PBUTs引起神经变性导致认知障碍 PBUTs可以直接影响神经胶质功能并引起神经元损伤，也可以诱导神经胶质细胞的氧化应激和炎症介质产生。星形胶质细胞是中枢神经系统中最丰富的神经胶质细胞，为神经元提供结构，营养和代谢支持，调节突触活动，并参与有助于神经元发育的多种脑功能，对各种形式的痴呆症起作用，复杂神经元-神经胶质细胞相互作用障碍是包括神经退行性疾病在内的多种神经系统疾病的重要病理生理机制[23]。神经胶质细胞中由PBUTs引起的氧化应激和炎症的潜在特定途径有：①烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶和谷胱甘肽水平变化；②AhR和NF-κB激活；③Nrf2介导的抗氧化反应减少；④激活促炎性介质产生；⑤改变神经胶质增生/细胞周期[24]。此外，IS和将IS与神经毒性联系起来的神经元损伤之间存在直接联系，IS和IAA是有效的AhR配体，在大脑中AhR广泛表达在大脑皮层，海马和小脑中它与氧化应激或兴奋性毒性引起的感觉运动和认知功能障碍有关，PBUTs激活星形胶质细胞中的AhR，促进氧化应激，该结果与人类血管内皮细胞中AhR介导的氧化应激途径相符。PBUTs还降低了血红素加氧酶1和NADH脱氢酶1的表达，而导致中枢神经系统细胞中抗氧化防御能力下降和氧化应激诱导损伤。

在PBUTs导致神经变性的病理事件中，小胶质细胞比星形胶质细胞活化更早，它通过释放炎性介质和活性氧来促进星形细胞活化，另一方面，活化的星形胶质细胞促进远处的小胶质细胞的活化。活化的小胶质细胞和星形胶质细胞还释放多种细胞因子，趋化因子和毒性因子，例如TNF-α、IL-6和NO，所有这些都可能导致神经元毒性并导致侵袭性神经元凋亡，是神经系统疾病神经元丧失中最关键的事件[25]。在PBUTs的作用下，星形胶质细胞和小胶质细胞产生混合细胞因子以及诱导型一氧化氮合酶(iNOS)和COX-2等促炎酶，与氧化应激条件一起可以影响并参与神经变性，也可诱导的内皮功能障碍可能导致血脑屏障破坏和白细胞粘附，增加白细胞浸润到大脑中受损的程度。此外，PBUTs增加了皮质和海马神经元的神经元细胞死亡，支持了其在神经元丢失中的作用[26,27]。认知功能障碍还与神经元凋亡反应有关，触发复杂的细胞事件，从而逐渐导致凋亡性和坏死性神经元细胞死亡。几乎所有的神经系统疾病都涉及氧化应激 ，ROS的积累会导致神经元损伤并引发细胞凋亡，因此，PBUTs还可通过氧化应激增加引起的直接神经毒性作用而促进认知功能障碍[28-29]。

3 降低PBUTs相关措施

3.1限制PBUTs生成 通过增加碳水化合物和纤维化合物以及减少蛋白质摄入量(尤其是色氨酸，苯丙氨酸和富含酪氨酸的食物)，可使PBUTs中的PCS、IS和IAA水平显着降低。然而，MHD患者很难进行这种饮食，在MHD患者中蛋白质限制会导致营养不良，最近的研究显示MHD患者蛋白的摄入量应不少于1.1 g/(kg·d)[30]。有研究证明益生元，益生菌和合生素等可调节MHD患者大肠中的微生物群可能会抑制某些PBUTs产生，使血清PCS和IS水平降低，Eidi等[31]在42例MHD患者中使用鼠李糖乳杆菌1个月，Rossi等[32]在37例慢性肾脏病患者中使用6周的合生素治疗后，血清PBUTs浓度也明显降低。已有研究证明，AST-120是一种口服碳吸附剂，可PBUTs在多个器官中的蓄积，Adesso等[33]在18例患者中使用AST-120，减少PBUTs在神经胶质细胞中介导的炎症反应，炎症反应可通过激活胶质细胞而引起认知功能损害的变化，如突触丧失、树突状改变、神经元凋亡、神经发生受损、记忆功能障碍和下丘脑功能改变等，AST-120修饰或降低PBUTs具有潜在的治疗效果，但仍需进一步大规模的试验。

3.2白蛋白置换剂提高PBUTs清除率 白蛋白是主要的毒素结合蛋白，具有6个亚结构域 (ⅠA，ⅠB，ⅡA，ⅡB，ⅢA和ⅢB)和九个脂肪酸结合位点。尿毒症毒素通过非共价键与白蛋白结合，这种结合是可逆的，允许其他物质竞争性的与其结合。白蛋白可在多个位点结合各种配体，蛋白结合的尿毒症毒素主要结合在Sudlow位点Ⅰ或Ⅱ上。Madero等[34]的研究将置换剂型血液透析首次在人体内实行，布洛芬与PBUTs中PCS和IS具有相同的主要白蛋白结合位点，在血液透析期间注入以置换这些毒素，而增加其清除率，基于这次的研究进一步验证了前期在人体外蛋白结合的尿毒症毒素的置换剂的功效[35-36]。这是置换剂增的首次人体研究，但布洛芬不是理想的置换剂，因为它不适合长期使用。将来用于临床高级安全置换剂，应满足几个标准：这些物质必须是安全的，长期使用不会在体内积聚，共享相同白蛋白结合位点的有益物质不会发生置换。未来的研究鼓励寻求安全有效的置换剂，以增强MHD患者中PBUTs的清除。

3.3改善透析疗法 在常规血液透析中PBUTs没有被充分去除，血液透析滤过的清除率在标准高通量血液透析的基础上只稍有增加。透析液流量的增加提高了强蛋白结合毒素即IS和PCS的还原率和清除率，而对于弱结合毒素，如IAA和对甲酚葡萄糖醛酸，增加血液流量也是有利的。血液透析模型模拟表明，去除蛋白质结合型尿毒症毒素的其他方法也存在如：①用混合基质膜，十六烷基固定的纤维素珠或者沸石分子筛吸附毒素；②使用白蛋白或活性炭来维持透析液中整个透析液纤维的扩散梯度；③用蛋白结合竞争剂置换白质结合的尿毒症毒素，以增加游离毒素；④利用高频电磁场减弱毒素对白蛋白的亲和力[37-38]。展望未来，需要将数学建模和临床实践研究结合起来，以指导透析技术的发展，从而提高结合型尿毒症毒的透析清除率。

综上所述，蛋白结合的尿毒症毒素与认知功能障碍有关，是影响维持性血液透析患者认知功能的危险因素，需引起临床工作者和研宄者的重视。故提高对蛋白质结合尿毒症毒素的认识，发现新的清除方法和透析模式，降低认知障碍发病率，将为防治血液透析患者认知障碍提供新靶点。