尿毒症脑病和血管内皮功能障碍关系的研究进展

赵瑞杰，王浩，陈丁丁

(中国药科大学，江苏 南京 211198)

慢性肾病是一种高度流行(占人口的10%～13%)，不可逆、进行性疾病，并与较高的心血管风险相关。这种病理的患者大部分时间仍无症状，只有在较晚期才出现典型的肾功能不全并发症。其治疗可以是保守治疗或替代治疗(血液透析、腹膜透析、肾移植)[1]。尤为重要的是，慢性肾病病理呈现出较高的并发症和死亡率风险，特别是心血管方面相关的[2-3]。终末期肾脏病(end-stadge renal disease,ESRD)患者另一种最常见的并发症就是尿毒症脑病，是尿毒症患者出现精神、神经等中枢神经系统方面异常，以神经精神症状为主要临床表现的一种综合征。近年来该病发病率有明显的上升趋势。尿毒症性脑病又叫作肾性脑病，其研究机制比较复杂，目前具体机制还在大量探索中，其中有研究表明脑血管内皮受损，导致血脑屏障破坏，通透性增加可以引起尿毒症毒素在脑中积累，这可能是尿毒症脑病的发病机制之一[4]。因此，修复血管内皮可作为防治本病的一种治疗策略。

1 尿毒症脑病

CKD可导致患者肾功能下降，无法及时、有效地清除尿毒症毒素[5]。尿毒素因肾功能丧失，体内代谢产生的氮质废物不能排出体外，在机体内蓄积导致一系列水电平衡失调、水潴留、电解质紊乱。这些废物未及时排出体外，在体内不断堆积所形成的物质叫尿毒素[6]。近年来对尿毒素症引起的大脑形态与功能变化也逐渐重视起来，中枢神经系统血管形成的内皮屏障可以限制分子与离子在血液和大脑之间的流动。血脑屏障对维持大脑内环境的稳定，限制毒素和病原体渗入大脑至关重要[7]，其破坏可能导致对神经元有毒物质的渗入[8]。而脑血管内皮的损伤是大脑疾病早期病变的基本动因，也是血脑屏障(blood brain barrier 3,BBB)受损的病理基础。

2 血管内皮功能障碍的机制

心血管疾病(CVD)仍然是慢性肾脏疾病(CKD)患者死亡的主要原因。在许多慢性和危及生命的疾病中一般涉及血管功能障碍，这些血管功能是由器官特异性分化的内皮细胞(EC)介导的；不同的器官型功能属性和控制内皮细胞分化和血管床特异性功能的分子机制直到最近才被人熟知，可为新的血管靶向治疗铺平道路，治愈迄今为止难以治愈的疾病[9-10]。血管内皮障碍的机制有这些方面：①内皮信号细胞的改变；②氧化应激的改变；③内皮细胞前炎症因子的激活；④线粒体功能紊乱等等[11]。

2.1 内皮信号细胞的改变 内皮细胞在调节血管壁稳态起着重要作用。内皮[12]是一个动态的、功能复杂的器官，参与调节几个重要的生物学机制，包括维持血管张力、通透性、炎症反应、免疫和血管生成。因此，维持内皮细胞正常的结构和功能是血管健康的基础。在大多数CKD患者中，循环中IL6、CRP和TNF-α水平升高[13]。随着CKD向肾衰竭发展，血管内皮逐渐被激活，释放可溶性黏附分子ICAM-1、VCAM-1和基质金属蛋白酶。这些内皮激活的生物标志物刺激NF-κΒ通路，从而损害内皮细胞内壁和细胞基质之间的相互关系[14]。

2.2 氧化应激的增加 氧自由基是NO生物利用度的另一个关键决定因素。ROS通过清除NO，导致过氧亚硝酸盐的生成，进一步降低NO的生物利用度，导致DNA、蛋白质、脂类等氧化损伤[15]，所有这些改变都可能触发或者放大炎症。不同氧化物前体可直接刺激血管内皮细胞或平滑肌细胞，上调致动脉粥样硬化基因的表达，促进单核细胞黏附及炎性分子释放,加重局部炎症反应。有实验研究表明过氧化氢可诱导内皮细胞间黏附-1(ICAM -1)蛋白及mRNA表达增加,而抗氧化剂对此有抑制作用。因此，可以通过抗氧化剂来减少氧化应激的发生[16]。

2.3 内皮细胞前炎症因子的激活 炎症作为慢性肾脏疾病(CKD)的一个重要组成部分，与心血管疾病、蛋白质能量消耗和死亡率有关。血管内皮既受炎症过程的影响，也参与炎症过程。内皮细胞可被促炎因子激活，包括肿瘤坏死因子TNF-α和C反应蛋白，以促进动脉粥样硬化表型[17]。尿毒症毒素在炎症的发病和进展状态发挥非常重要的作用，通过增加C反应蛋白(CRP)、一氧化氮(NO)和激活B细胞(NF-κB)，导致促炎细胞因子水平的增加，如白细胞介素-6(IL-6)、IL-1。这些也会抑制甲状旁腺激素(PTH)的分泌，以及提高肿瘤坏死因子TNF-α和促炎分子的水平[18]。这一过程导致炎症状态的恶化，并导致各种并发症的发生或加重等。

2.4 线粒体功能紊乱 线粒体是维持真核动物细胞功能的一种非常重要的动态细胞器，其融合与分裂的平衡状态维持着线粒体的正常形态。很多证据表明[19]，线粒体的异常分裂与ROS的产生有着密切的联系，并在内皮功能损伤的发生发展中发挥着重要作用。在收到缺氧损伤性应激刺激时，血管内皮细胞线粒体分裂增加，与此同时细胞内ROS的水平也显著上升，进而引起内皮功能障碍，并抑制了线粒体的异常分裂，细胞内的ROS产生则会相应减少，内皮功能得到改善。研究表明[20]：ROS的过量产生是内皮功能障碍甚至心血管疾病的重要促进因素，而线粒体是ROS的主要场所。此外，线粒体对真核细胞的活性、功能和活力至关重要，线粒体功能障碍是参与急性肾损伤(AKI)和慢性肾脏疾病的发病机制，以及AKI后肾脏的异常修复[21]。因此维持线粒体的稳定性至关重要。

3 尿毒症脑病的认知障碍

慢性肾脏疾病(CKD)导致尿毒症毒素水平升高，进而导致中枢神经系统血管损伤。Muhammed等[22]研究表明：CKD患者的脑成像显示前额皮质白质受损，在动物模型中显示，皮质下单胺能和胆碱能系统受损，并伴有广泛的大血管和微血管损伤。有研究表明[23]，目前针对心血管危险因素的干预(如抗高血压药物、抗血小板药物和他汀类药物)似乎对CKD相关的MCI几乎没有作用，表明在MCI发病机制中，尿毒症神经毒素的积累可能比血流动力学因素或脂质代谢紊乱更为重要。CKD与认知功能障碍或其中间表型之间的联系目前还尚不清楚。其中针对血管危险因素修正、身体和认知活动的预防策略已在普通人群中显示出前景，并可能合理地外推到ESRD人群，相关因素的修改需要进一步研究，才能推荐用于治疗或预防认知障碍[24]。

4 尿毒症脑病的主要治疗措施

脑功能的持续性取决于自身调节机制对脑血流量和血脑屏障的维持，这些机制的变化很可能会导致永久性的神经损伤。因此保护BBB的稳定性具有重大意义。有研究结果表明细胞间黏附分子-1(ICAM-1)参与血管内皮细胞损伤的病理过程，可造成血脑屏障的破坏和炎性细胞黏附浸润，从而损害神经元功能可能也是尿毒症脑病的发病机制之一。因此，修复血管内皮尤为重要。机体血管内皮修复的两个重要的方式是抗氧化应激和促进内皮祖细胞的动员和定向分化。

4.1 抗氧化应激 活性氧和活性氮是一类活性分子，它们在正常的代谢过程中通过酶和非酶的氧化反应不断形成。在生物体内，ROS是在质膜、细胞质、过氧化物酶体、溶酶体以及线粒体膜和内质网的生化反应产物。人体本身对OS有一种内在的防御机制：抗氧化剂。抗氧化剂通过自身被氧化来抑制一些破坏性的氧化反应。在此过程中，氧化剂转化为毒性较低的化合物，并阻断毒性代谢物的二次生成。随后，防御系统的目的是修复分子损伤或增强内源性抗氧化剂防御系统，它由酶和非酶抗氧化剂组成[25-26]。

4.1.1 酶促抗氧化功能 酶促抗氧化剂可分为两类[27]：①主要组成作用的抗氧化酶：超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH)和硫氧还原蛋白，其功能是维持细胞内的还原基和保持氧化还原平衡的稳定；②抗氧化反应元件(ARE)驱动的酶：直接失活氧化剂，增加谷胱甘肽合成和再生水平，并刺激NADPH合成，产生炎症。其中SOD是细胞内自由基解毒的关键酶[28]。它将氧自由基转化为H2O2和氧气，反过来，过氧化氢酶或谷胱甘肽过氧化物酶系统将H2O2还原为水。超氧化物歧化酶也有抑制NO氧化失活的作用。

4.1.2 非酶的抗氧化剂 非酶抗氧化剂或低分子量抗氧化剂存在于血浆、细胞外液、细胞内液、脂蛋白和细胞膜中。除谷胱甘肽外，可分为两大类:水溶性抗氧化剂和脂溶性抗氧化剂。

主要的可溶性非酶抗氧化剂[29]：谷胱甘肽，它依赖于谷胱甘肽过氧化物酶的活性。此抗氧化剂具有保护细胞大分子，解毒H2O2和脂质过氧化物的作用，因为自由硫醇基，它可以给自由基一个电子，使它们无害。这会导致抗氧化剂本身氧化，将其转化为谷胱甘肽二硫化(GSSG)。后者被谷胱甘肽还原酶还原为谷胱甘肽，该酶以NAD(P)H氧化酶为电子供体。水溶性抗氧化剂：抗坏血酸或维生素C是一种还原剂，具有细胞内和细胞外的抗氧化能力[30]。抗坏血酸随后被氧化为半氢抗坏血酸和脱氢抗坏血酸。半氢抗坏血酸和脱氢抗坏血酸都可以通过3种不同的途径以及GSH[31]还原为抗坏血酸。对于脂溶性抗氧化剂常用丁基羟基茴香醚(BHA)、没食子酸丙酯(PG)和二丁基羟基甲苯(BHT)等人工合成的油溶性抗氧化剂，无论是水溶性的还是脂溶性的都具有很好的抗氧化作用，在生物体内占据重要作用。

4.2 促进内皮祖细胞的动员和定向分化 目前对于血管疾病的治疗，大量的研究者旨在通过促进EPCs的动员或者提高循环系统中EPCs数量来改善并提高血管的再生内皮化及心血管化作用，即内皮修复和血管再生[32]。内皮细胞在新血管生成、内皮功能的维持及内皮损伤修复过程中起着重要作用。EPCs作为ECs的前体细胞，是经原造血干细胞分化而来的，主要存在于骨髓的干细胞巢中，可动员分化为成熟的ECs进而对血管内皮损伤进行修复并参与血管新生从而改善心血管功能[33]。目前在心血管疾病中EPCs的机制仍不明确，据大量研究表明PI3K/Akt/eNOS信号通路在骨髓EPCs的动员过程中发挥着重要作用。另外，研究证明上调VEGF表达可通过MMP-9依赖性动员机制来提高EPCs水平。因此可通过调控PI3K/Akt/eNOS信号通路及VEGF来增加其EPCs的动员，促进新生血管的生成[34]。

5 总结与展望

事实上，几十年来，心血管疾病发病率和死亡率一直是肾病学家关注的焦点。其他研究表明，血管内皮生长因子(VEGF)在促进动脉粥样硬化形成中发挥重要作用。最近，内皮祖细胞(EPCs)被认为是CKD中内皮损伤的特异性标志物。内皮细胞损伤时，这些细胞通常从骨髓中活化，参与修复细胞。此外，慢性肾病中许多潜在的尿毒症毒素，包括特定的调节一氧化氮合酶的胍基化合物，如肌酐、胍、甲基胍等与尿毒症脑病有关，这也带来一系列患者认知的障碍。研究表明，尿毒症患者大脑中NO的增加可能与尿毒症毒素胍基化合物的蓄积有关，这些毒素可能通过影响NO的活性，从而引起尿毒症脑病。内皮祖细胞有利于血管内皮的修复，血管功能的改善，不仅对脑损伤修复有利，对心血管系统的意义也很大。利用内皮祖细胞治疗尿毒症脑病是一个很有前景的方法。但是目前阶段CKD对大脑直接的损伤作用机制复杂，尚需进一步研究。