沈艺佳,周菁,任莹莹,李涵,顾玥
(1.河南大学人民医院/河南省人民医院 肾内科,河南 郑州 450003;2.河南省肾病临床医学研究中心,河南省肾脏病免疫重点实验室,河南 郑州 450003)
急性肾损伤(acute kidney injury,AKI)是由手术、脓毒血症、危重疾病状态、肾毒性药物应用等原因引起的肾功能短时间内急速下降且广泛存在于临床的一种综合征。既往研究认为AKI是一种无长期后遗症的临床疾病,而近年来的研究发现AKI是进展至慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)的高危因素[1-2]。一项荟萃分析表明,AKI患者发生CKD的风险是非AKI患者的2.67倍,进展至终末期肾脏病的风险是非AKI患者的4.81倍[3]。在一项随访时间为3 a的研究中发现,重度AKI患者在随访结束时CKD的发生率为44%,轻度AKI患者,包括肾功能已恢复正常的患者,最终也有22%进展至CKD[4]。AKI进展至CKD给个人、家庭及社会带来沉重的医疗负担,改善全球肾脏病预后组织建议在AKI发生后3个月评估肾功能,对有CKD发生风险的患者进行定期随访评估,然而目前缺少有效的评估方法[5]。肾穿刺活检是用于评估肾脏结构变化的金标准,一方面肾穿刺活检是有创操作,有引起血尿甚至危及生命的风险,另一方面并非所有AKI患者都可进展至CKD,因此大规模开展此项检查极为困难;而血清肌酐水平并不能识别早期肾脏结构损伤,且可能会受到许多非肾脏疾病的影响[6]。已有研究表明,高龄、合并糖尿病、AKI的持续时间和严重程度、反复发作AKI是AKI进展至CKD的危险因素,而生物标志物的测定可以有效提高对AKI进展至CKD高危患者的识别[7]。目前已发现一些生物标志物在早期筛查AKI进展至CKD的高危患者中有潜在价值,本文就这些生物标志物展开综述。
AKI发生时常引起肾小管细胞损伤,尽管肾组织和肾小管细胞具有强大的修复能力,但多数研究表明AKI后适应不良性修复是进展至CKD的关键驱动因素;AKI进展至CKD的机制较为复杂,包括促炎性损伤多而抗炎性修复少的免疫反应失衡、肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system,RAS)的激活、表观遗传学改变、线粒体功能障碍、G2/M期细胞周期阻滞、间质纤维化的发展、组织和细胞衰老等多种机制[8-10]。尽管AKI进展至CKD的机制已被广泛研究,但尚无有效方法跟踪AKI后的肾脏结构损伤,也无有效干预措施延缓或阻断AKI进展至CKD。因此,在研究AKI进展至CKD发病机制的同时寻找有潜力的生物标志物及发现潜在的干预靶点是目前研究的切入点之一。
2.1 中性粒细胞明胶酶相关载脂蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin,NGAL)NGAL是由位于人类9p34染色体上的基因编码的一种小分子分泌蛋白,正常情况下,人体组织器官中NGAL相关的mRNA表达量很低,而在肾小管上皮细胞受损期间,肾小管上皮细胞中的表达NGAL的mRNA上调导致产生大量的NGAL,从而致血液和尿液中的NGAL浓度迅速升高[11]。在动物实验及临床研究中发现,与传统标志物相比,NGAL是有效的早期诊断AKI的新型生物标志物,而NGAL是否可以作为早期识别AKI进展至CKD高危患者的潜在标志物也受到广泛的关注。一项在小鼠的缺血再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury,IRI)模型中的研究发现,与对照组相比,缺血组的肾脏在IRI后第10、28天发生明显的肾小管纤维化;在对IRI后恢复期肾脏基因表达的差异性分析中发现,表达NGAL的基因在IRI后第3、10、28天均显著上调,这表明AKI发生之后肾脏可能处于持续损伤阶段[12]。另一项在大鼠的IRI相关AKI至肾纤维化模型中也发现,在IRI后28 d,肾组织中表达NGAL的mRNA水平仍较高,且与大鼠的肾脏纤维化呈正相关[13]。在一项前瞻性临床研究中发现,AKI后90 d肾功能完全恢复的患者入院时尿液NGAL、血清NGAL中位浓度分别为264.68、351.86 μg·L-1,而AKI后90 d进展至CKD的患者入院时尿液NGAL、血清NGAL中位浓度分别为885.72、790.99 μg·L-1,两者之间的差异有统计学意义;ROC曲线表明入院时测定的尿液NGAL、血清NGAL水平在预测AKI后90 d进展至CKD均有较高的灵敏度[14]。在另一项回顾性研究中发现尿液NGAL水平与持续性AKI、随访期间发生肾脏不良事件及进展至CKD相关,且在预测模型中加入AKI发生后72 h内测定的尿液NGAL水平可提高对AKI患者1 a后发生持续性肾功能不全的预测效能[15]。因此,NGAL有望成为早期识别AKI进展至CKD高危患者的良好生物标志物。
2.2 肾损伤分子-1(kidney injury molecule-1,KIM-1)KIM-1是由位于人类5号染色体长臂5q33.3位点上的基因编码的一种跨膜糖蛋白;在正常肾脏中,KIM-1的表达极少,而在肾小管上皮细胞受到损伤时,KIM-1的表达显著增加,进一步至KIM-1从细胞表面脱落进入血液和尿液的含量也增加。既往的研究表明KIM-1不仅是AKI的潜在标志物,也可以反映AKI后肾脏的修复活动[16]。在小鼠IRI模型中的研究发现,与对照组相比,缺血组的肾脏在IRI后第10、28天发生明显的肾小管纤维化;在对IRI后恢复期肾脏基因表达的差异性分析中发现,表达KIM-1的基因在IRI后第3、10、28天均显著上调[12]。在顺铂诱导的大鼠AKI模型中发现,在AKI发生时,尿液KIM-1明显升高;在AKI恢复后,仍有一部分大鼠的尿液KIM-1升高,这可能代表肾脏此时处于亚临床损伤阶段,而传统的标志物并不能识别此时的肾脏损伤[17]。在一项平均随访时间为4 a的研究中发现,术前和术后测定的血液KIM-1水平升高在预测AKI进展至CKD的风险较非AKI患者分别增加0.99倍、1.22倍[18]。在一项多中心研究中发现,在行血管造影术前1~2 h内测定的血浆KIM-1水平较高与90 d后发生肾脏不良事件(肾脏不良事件定义为需要透析治疗或肾功能持续下降)相关;在校正尿微量白蛋白比尿肌酐(albumin-to-creatinine ratio,ACR)及基线肾小球滤过率水平后,90 d后存在肾脏不良事件组的血浆KIM-1水平仍显著高于90 d后未发生肾脏不良事件组[19]。因此,动态监测KIM-1水平可能有助于识别AKI发生后有进展至CKD风险的患者。
2.3 可溶性尿激酶型纤溶酶原激活物受体(soluble urokinase plasminogen activator receptor,suPAR)在炎症或其他因素刺激下,膜结合受体尿激酶型纤溶酶原激活物受体(urokinase plasminogen activator receptor,uPAR)被细胞表面的酶裂解,从细胞表面脱落形成suPAR[20]。在临床及动物实验研究中发现,高水平suPAR与AKI有关;suPAR可能通过调节细胞生物能、增加氧化应激从而增加近端肾小管对损伤的敏感性[21]。同时有研究表明suPAR是一种慢性炎症标志物,与各种高危人群CKD的发生相关;目前也有大量研究表明suPAR可作为一种特殊的肾脏危险因素将AKI与CKD联系起来;且suPAR是一种稳定的生物标志物,个体suPAR水平的测定被证明在5~7 a具有相关性[22-23]。一项回顾性研究发现,在入院时测定的suPAR水平每升高1倍,其以后发生急性肾脏病的风险增加1.51倍,发生CKD的风险增加0.57倍[24]。另一项在基线肾小球滤过率至少为60 mL·min-1·1.73-1·m-2的患者中的研究也发现,基线时高suPAR水平患者发生CKD的风险是低suPAR水平患者的3.13倍[25]。SuPAR可能是一种慢性低度炎症状态,从而参与各种高危人群远期肾功能下降并进展至CKD的发病过程。
2.4 单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)MCP-1是一种特异的单核细胞驱化因子和激活因子,在正常肾脏中弱表达,在IRI后立即增多表达。研究表明MCP-1通过其在巨噬细胞募集中的作用介导肾损伤,血液和尿液MCP-1升高已被证明是早期诊断AKI的生物标志物;间质单核细胞浸润与各种急慢性肾损伤相关,而MCP-1表达增多与单核细胞浸润密切相关,因此MCP-1是否可以早期识别AKI进展至CKD的高危患者也被不断研究[26-27]。YAP蛋白是Hippo信号通路的主要转录共激活因子,与慢性炎症相关;最近一项在小鼠IRI至AKI模型中的研究发现,肾小管YAP蛋白的激活与适应不良性修复有关,MCP-1随着YAP蛋白的激活而增多,从而参与AKI进展至CKD的发病过程[28]。一项前瞻性研究发现,心脏术后6 h内测定的尿液MCP-1水平每增加2倍,其发生CKD的风险可增加1.12倍[29]。另一项多中心前瞻性研究发现,在发生AKI后3个月测定的尿液MCP-1水平较高的患者在长期随访中进展至CKD的可能性更高。这表明AKI发生后,肾脏可能长期处于炎症和肾小管损伤状态,然而目前用于临床的检测方法并不能检测出这种损伤[30]。
2.5 表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)EGF是代表上皮细胞完整性和修复的生物标志物,在肾损伤后肾小管上皮细胞的修复中起重要作用。研究表明血和尿EGF的水平缺乏相关性,尿EGF可能是与AKI后肾小管修复相关的良好标志物[31]。研究发现,近端肾小管上皮细胞表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)的持续激活是AKI和CKD患者发生肾脏纤维化的标志[32]。在万古霉素诱导的小鼠AKI至CKD模型中发现,EGFR通过上调信号转导和转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)、同源结构域相互作用蛋白激酶2(homeodomain interacting protein kinase 2,HIPK2)的表达水平介导AKI进展至CKD的过程,且EGFR抑制剂的应用可显著改善肾脏纤维化的发展,EGFR/STAT3/HIPK2信号轴的发现也为AKI进展至CKD的治疗提供新思路[33]。一项多中心前瞻性研究发现,心脏术后6 h内尿液EGF水平每升高2倍,其进展至CKD的风险可降低22%[29]。研究表明尿EGF水平较高可反映功能性肾小管的质量及再生能力,而较低的尿EGF水平与间质纤维化和肾小管萎缩相关;EGF可通过激活再生通路促进AKI后肾小管损伤的修复,尿EGF可能是与多种肾脏疾病相关的新一代标志物,将尿EGF纳入风险评估模型可能有助于早期识别肾功能持续下降及CKD进展的高危人群[34]。因此,动态监测AKI患者的尿液EGF水平可能有助于识别AKI进展至CKD的高危患者。
2.6 Dickkopf相关蛋白3(dickkopf-related protein 3,DKK3)DKK3是Dickkopf家族的成员之一,在健康的肾脏组织中不表达,是肾小管上皮细胞处于应激状态时合成的一种分子量为38 kDa的分泌型糖蛋白,在Wnt/β-catenin信号通路的调控中起重要作用[35]。在对CKD发病机制的研究中发现,DKK3通过激活Wnt/β-catenin通路参与肾脏纤维化的进展;在对AKI发病机制的研究中发现,AKI发生时瞬时的Wnt/β-catenin通路的激活有益于AKI后短期肾功能恢复,DKK3通过抑制Wnt/β-catenin通路参与AKI的发生,然而持续的Wnt/β-catenin通路激活可驱动肾脏纤维化,导致AKI进展至CKD,同时在动物实验中发现,DKK3基因的缺失可减轻肾脏纤维化[36]。一项在手术患者中的研究发现,术前测定的尿DKK3/肌酐>471 pg·ng-1的患者术后发生AKI风险是尿DKK3/肌酐<471 pg·ng-1患者的1.65倍,在为期820 d的随访中肾功能下降的风险是尿DKK3/肌酐<471 pg·ng-1患者的2.01倍[37]。急性疾病质量倡议主持的共识会议建议可考虑将DKK3作为评估AKI进展至CKD的指标之一[38]。因此,尿DKK3水平可能是早期识别AKI进展至CKD的高危患者的良好标志物,同时对DKK3的转化研究可能会对AKI患者的远期预后带来新的干预途径。
2.7 血管紧张素原(angiotensinogen,AGT)RAS系统在AKI发生后的过度和持续激活可通过多种机制向CKD进展,一方面,血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)不仅可增加肾小球小动脉的阻力,特别是传出小动脉的阻力,并且可破坏传入小动脉的自我调节能力,从而导致高滤过、肾小球高血压和硬化;另一方面,AngⅡ还可通过促进肾脏成纤维细胞增殖直接导致肾脏纤维化,同时伴有转化生长因子β1、纤维连接蛋白、结缔组织生长因子、Ⅰ型胶原蛋白表达的增加;除此之外,AngⅡ还可通过上调纤溶酶原激活物抑制物1和基质金属蛋白酶组织抑制物1,从而促进细胞外基质的聚集,以及其他多种途径参与AKI进展至CKD的发病过程[39]。AGT是合成血管紧张素Ⅰ(angiotensinⅠ,AngⅠ)和AngⅡ的底物,可以分泌到肾小管管腔中并在尿液中被检测到,且研究表明尿AGT可反映肾脏的RAS状态[40]。在小鼠IRI至AKI模型中的研究发现,尿AGT的持续升高与AKI后肾脏纤维化有关;在IRI后第14天测定的尿AGT水平在预测IRI后第84天发生肾脏纤维化的ROC曲线下面积为0.81;若是在AKI后干预RAS激活可减轻肾脏纤维化的进展[6]。在AKI进展至CKD的大鼠模型中发现,在IRI后第30天开始使用肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin-angiotensin-aldosterone system,RAAS)抑制剂治疗大鼠,通过分析IRI后第90天炎症标志物水平、肾脏组织学变化比较不同分组发生CKD的情况,结果发现使用RAAS抑制剂可显著减轻大鼠肾脏向CKD进展[41]。因此,关于尿AGT在AKI进展至CKD发病机制中的研究有助于追踪AKI后的早期肾脏结构损伤,且RAAS抑制剂的使用也可能成为治疗或延缓AKI进展至CKD的有效治疗方法。
2.8 微小RNA(microRNA,miRNA)研究表明,表观遗传学改变参与AKI进展至CKD的病理过程,其中涉及组蛋白修饰、DNA甲基化及非编码RNA(non coding RNA,ncRNA)[42]。MiRNA是研究最广泛的ncRNA,是由20~22个核苷酸分子组成,可调控基因的表达和蛋白质的合成,且稳定存在于人的各种体液之中,具备作为生物标志物的必要条件[43]。在马兜铃酸诱导的小鼠AKI至CKD模型中发现,核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信号激活和促炎细胞因子显著升高可诱导miR-382的过度表达,至miR-382的靶基因人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因(phosphatase and tensin homologs deleted on chromosome 10,PTEN)的表达下调,进一步至其下游的蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)信号通路被激活,最终导致细胞外基质的沉积增加和肾脏纤维化进展;在miR-382基因敲除的小鼠中给予同样的马兜铃酸诱导肾损伤,结果发现肾脏损害明显减少,总之,NF-κB/miR-382/PTEN/AKT轴可能在马兜铃酸诱导的AKI进展至CKD的发病机制中发挥重要作用,而靶向miR-382也为延缓AKI进展至CKD提供一种新的干预靶点[44]。在IRI诱导的小鼠AKI至CKD模型中发现,槐耳提取物可通过上调miR-1271抑制内质网应激标志物葡萄糖调节蛋白78和C/EBP同源蛋白的表达,从而减轻AKI进展至CKD期间内质网应激诱导的肾脏纤维化和细胞凋亡[45]。在其他AKI至CKD的动物模型中也发现各种miRNA的不同作用,如miR-101的过表达可抑制纤维化和上皮间质转化过程而延缓AKI进展CKD、肾小管细胞来源的外泌体miR-150-5p可通过细胞因子信号抑制因子1介导成纤维细胞活化促进AKI后肾脏纤维化的发生、从外泌体中分离出的miR-105可促进AKI后肾脏纤维化的发生、长链ncRNA-H19可通过与miR-196a竞争性结合激活Wnt/β-catenin信号通路而诱导AKI进展至CKD[46-49]。总之,目前的研究表明,miRNA检测不仅可用于早期识别AKI后的肾脏纤维化,也可为治疗肾脏纤维化提供新的干预靶点,因此开展快速的检测方法、进行大规模的研究是当前需要解决的问题。
2.9 其他标志物尿ACR是评估慢性肾脏病进展的生化指标。近期有文献报道,尿ACR可以作为一般人群中AKI发生的预测因素,高水平尿ACR患者发生AKI的风险是低水平尿ACR患者的2.73倍[50]。同时在一项多中心前瞻性研究发现,发生AKI后3个月测定的尿ACR水平较高是预测这些患者进展至CKD的独立危险因素,因此在AKI患者的随访中可考虑将尿ACR作为常规测量指标[51]。此外,目前有研究表明胱抑素C、YKL-40也称甲壳素酶3样蛋白1、尿调节素、可溶性肿瘤坏死因子受体1、可溶性肿瘤坏死因子受体2、核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3、肝型脂肪酸结合蛋白、金属蛋白酶组织抑制剂2、胰岛素样生长因子结合蛋白7、人丝氨酸蛋白酶抑制因子3等标志物可能也是早期识别AKI进展至CKD的高危患者的潜在生物标志物,但是这些生物标志物是否可作为长期随访AKI患者中的测定指标仍需大量临床及动物研究进行验证[5,30,52-55]。
AKI是进展至CKD的高危因素,早期识别AKI患者中可能进展至CKD的高危人群,发现潜在治疗靶点进行早期干预对改善患者的远期预后、减轻医疗负担至关重要,因此迫切需要开发出一种与肾脏病理变化密切相关的无创生物标志物。一方面AKI的发病原因较多,另一方面目前关于这些标志物的研究多集中于动物实验研究,大型临床研究相对较少,因此关于这些标志物在临床中的转化应用仍需继续研究。同时寻找与AKI进展至CKD相关的更加敏感的生物标志物也是必不可少的工作。