儿童慢性肾脏疾病早期诊断的生物标志物研究进展*

王 莉,曹 蕾,王亚丹 综述,张 伟 审校

1.甘肃省妇幼保健院/甘肃省中心医院小儿神经内科,甘肃兰州 730000;2.甘肃省妇幼保健院/甘肃省中心医院小儿心脏肾病风湿免疫科,甘肃兰州 730000;3.兰州大学第二医院肾内科,甘肃兰州 730000

儿童慢性肾脏病(CKD)的病因和进展与成人有很大的不同。众所周知,肾脏和尿路的先天性异常(CAKUT)是导致儿童CKD的主要原因,占儿童CKD人群的60%。每1 000个活产婴儿中有3～6个存在CAKUT,从而增加了CKD的风险[1]。CAKUT包括各种解剖学和组织学上的畸形,而出现梗阻性病变和功能性的异常。CAKUT进展为CKD的过程始于胎儿期,包括一系列病理变化,如肾流出异常(盆腔输尿管连接处梗阻、后尿道瓣膜和膀胱输尿管反流)和肾脏缺失、发育不良、发育不全,肾脏体积减小和肾小球数量减少,肾小管间质变化和集合管上皮重塑。这些病理改变的严重程度和持续时间导致CKD进展情况的差异[2]。早期识别CKD进展的高风险人群,可以发现潜在的治疗目标,以改善肾脏疾病患儿的预后。在严格控制血压和抑制血管紧张素转化酶(ACE)对儿童CKD进展影响的ESCAPE试验(评估血压控制对CKD进展影响的随机临床试验)中的385例儿童中,尿蛋白水平较高者CKD进展的风险增加[3]。虽然蛋白尿和估计的肾小球滤过率(eGFR)在CKD管理和预测结果方面发挥着重要作用,但它们在检测早期损伤和早期干预以减缓CKD进展方面能力有限。随着对于CKD研究的不断深入,越来越多的评价肾脏损伤的方法和生物标志物被提出。最近的研究发现,即使在调整了血清肌酐或eGFR和蛋白尿后,血浆和尿液生物标志物在CKD患儿中的水平仍较高,也与CKD进展独立相关[4-6]。这些新的生物标志物代表了肾小管损伤、肾小管功能障碍、炎症和肾小管损伤后健康修复的不同生物途径,可以作为液体活检来更好地描述儿童CKD的特征。本文就最新的肾脏损伤标志物进行综述,以期提高临床医师对CKD病理生理学的理解,进一步加强CKD患儿的临床管理。

1 目前临床实践中的生物标志物

目前,临床实践中根据改善全球肾脏病预后组织(KDIGO)指南建议,使用eGFR和蛋白尿作为评估CKD进展风险的实验室生物标志物,此外还有临床变量,如患者人口统计学资料和合并症[7]。eGFR是评估CKD进展的晚期标志物,直到发生较大的损伤,eGFR才会下降[8-9]。eGFR通过测量血清肌酐来评估,存在一些局限。在CKD患儿中,肾脏经历了肥大和高滤过阶段[10],这些代偿性变化可以维持肾小球滤过率(GFR),因此,血清肌酐测量有时会忽略正在发生的损害。

蛋白尿是最早应用的也是最经典的肾脏损伤评价指标。近年来,有学者对儿童慢性肾脏疾病(CKiD)队列中的蛋白尿发生情况进行了研究。FATHALLAH-SHAYKH等[11]进行了一项横断面研究,考察了419例儿童的GFR基线特征与蛋白尿的关系。基线GFR(使用碘海醇血浆清除率评估)和蛋白尿之间存在线性关系,GFR每下降10%,尿蛋白与肌酐比率就会增加14%。具体而言,在该研究队列中,尿蛋白与肌酐比率>2.0 mg/mg的人群与尿蛋白与肌酐比率<0.5 mg/mg的人群相比,CKD进展(GFR下降50%或进展为终末期肾病)的时间分别缩短94%和79%(P<0.001)。此外,有研究发现,基线尿蛋白与肌酐比率每增加1倍,eGFR下降4.1 mL/(min·1.73 m2),95%CI为2.5～5.7[12]。蛋白尿作为评估CKD进展的标志物也存在一定局限。其在肾脏发生肾小管细胞损伤、炎症、肾小管间质纤维化、肾小球高滤过和肾小球通透性增加后才会恶化[9]。

2 新型生物标志物

血清肌酐、eGFR、蛋白尿是评价肾脏功能与损伤最常用的指标,但其存在一定的局限。蛋白尿的发生往往提示肾脏损伤已经存在,且不能涵盖一些其他类型的病变,如肾小管间质疾病或高血压肾损害等。尽管已经考虑到CKD进展的已知风险因素,如蛋白尿和血清肌酐水平等,这些指标评估CKD患儿的临床风险仍有很大差异。因此,需要敏感和特异的生物标志物,以便从生物学角度更好地了解CKD发生和进展过程中的风险。新的CKD生物标志物可以帮助识别血清肌酐及尿蛋白正常但正在发生肾小管损伤、肾小管功能障碍、炎症的患者,并更准确地评估肾小管的健康状况。

2.1肾小管损伤和炎症的生物标志物

2.1.1肾损伤分子-1(KIM-1) KIM-1是一种跨膜糖蛋白,在近端肾小管细胞的顶端膜上表达,介导对凋亡细胞和氧化脂质的吸收[13],KIM-1在近端肾小管发生任何形式的损伤时都会表达[14]。近端肾小管损伤是导致CKD进展的一个重要因素。肾小管损伤后,KIM-1脱落进入间质,然后进入血液循环,此时上皮细胞的通透性增加,肾小管细胞的极性消失[15]。因此,KIM-1已被作为评估急性肾损伤(AKI)的生物标志物,最近又被认为是评估糖尿病肾病和多囊肾病中CKD进展的标志物[11,16]。

SANDOKJI等[17]对651例CKD患儿进行了一项前瞻性、多中心的队列研究,与血浆KIM-1水平在最低四分位数的患儿相比,血浆KIM-1水平在最高四分位数的患儿CKD进展的风险显著增加,风险比(HR)为4.29(95%CI2.49～7.38)。当按肾小球与非肾小球的CKD病因进行分层分析时,结果没有显著差异。较高的血浆KIM-1水平与儿童CKD的进展独立相关[3]。同样,在一项CKiD的队列研究中,当比较尿KIM-1的最高与最低四分位数时,发现其与CKD进展的风险独立相关(HR为3.03,95%CI:1.92～4.76)。尿液KIM-1似乎也有协同作用,可以识别CKD进展风险最高的儿童。这项研究还观察到,将尿液KIM-1添加到基线临床模型中,改善了CKD进展的所有3个临床风险预测指标:曲线下面积、综合鉴别改进(IDI)和连续净重分类改进(NRI)[17]。因此,KIM-1很可能作为评估CKD患儿疾病进展的标志物发挥重要作用,以检测早期肾小管损伤。

2.1.2可溶性尿激酶浆细胞激活剂受体(suPAR) 尿激酶浆原激活剂受体(uPAR)是一种膜蛋白,在荚膜细胞、内皮细胞和未成熟的骨髓细胞中表达。激活后,uPAR被分解,以可溶性形式的suPAR释放到血液循环中。最初,suPAR被发现是一种循环因子,通过激活荚膜细胞β3整合素导致肾小球足细胞脱落和蛋白尿,其涉及局灶性肾小球硬化症的发病机制[15]。随后的研究证明了suPAR在成人肾脏疾病中的作用,包括AKI、CKD的发生和CKD的进展[18]。

suPAR与不同疾病状态下的炎症密切相关[19],多项研究表明,suPAR可作为一个新兴的CKD生物标志物:SCHAEFER等[20]对来自两个描述良好的欧洲CKiD队列(ESCAPE试验和4C研究)的898例患儿进行了研究分析,发现血清suPAR水平与CKD进展的风险增加有关,特别是疾病较轻的患儿,在轻至中度CKD[GFR>40 mL/(min·1.73 m2)]的患儿中,对数转换的血清suPAR水平与较高的CKD进展风险有关(HR为5.12;95%CI:1.56～16.7;P=0.007)。在CKiD队列中,使用两种不同的检测方法对儿童的血浆suPAR水平进行了测量。WEIDEMANN等[21]使用酶联免疫吸附试验(ELISA)检测suPAR水平,并在充分调整eGFR和临床变量(如人口统计学资料和蛋白尿)的对数正态回归模型中观察到,血浆suPAR水平在最高四分位数的参与者比suPAR水平在最低四分位数的参与者的CKD进展快33%(相对时间0.67,95%CI:0.50～0.90)。GREENBERG等[4]使用Meso Scale Discovery平台的电化学发光多重检测法来测量CKiD队列的血浆suPAR。在未经调整的分析结果中,他们观察到血浆suPAR水平在最高四分位数的儿童与最低四分位数的儿童相比,CKD进展的风险明显升高(HR为3.92;95%CI:2.53～6.09)[3]。

2.1.3肿瘤坏死因子受体1型(TNFR1)和2型(TNFR2) 肿瘤坏死因子(TNF)-α是一种强有力的促炎症细胞因子。TNFR1和TNFR2是细胞受体,介导TNF-α的细胞内作用[4]。在肾脏中,TNFR1主要存在于肾小球和管周内皮细胞中,并作为局部炎症的一个整体媒介。而TNFR2可以在肾脏中被转录诱导[22-23]。此外,TNFR2在淋巴细胞中表达,参与细胞再生和免疫增殖。TNFR2的激活促进巨噬细胞向间质浸润,增加间质纤维化风险[23]。

在巴西的一项横断面研究中,对34例CKD患儿和34例匹配的健康对照者的血浆肿瘤坏死因子受体(TNFRs)进行了研究[24]。与健康对照者相比,CKD患儿的TNFR1和TNFR2水平更高,TNFR1和TNFR2水平与eGFR呈显著的负相关(r=-0.853、-0.729,P<0.01)。GREENBERG等[4]在一项对651例CKD患儿的研究中发现,血浆TNFR1和TNFR2水平与CKD进展相关。在调整模型中(包括临床变量、高血压、蛋白尿和GFR),基线TNFR1和TNFR2处于最高四分位数的患儿与最低的四分位数的患儿相比,其CKD进展的HR分别为4.14(95%CI:2.11～8.11)和2.55(95%CI:1.45～4.51)。在连续模型中,TNFR1和TNFR2的2倍数与CKD进展的HR分别为1.94(95%CI:1.56～2.40)和1.85(95%CI:1.37～2.51)。虽然调整后的模型中点估计值表明,与非肾小球病因的患儿相比,肾小球病因的CKD患儿TNFRs水平与CKD进展之间有更强的关联,但这两者之间缺乏有力的评估证据。此外,研究显示血浆TNFR1和TNFR2水平与eGFR呈显著的负相关,相关系数分别为-0.740、-0.615(P<0.001)。TNFRs和eGFR之间显著的负相关性提示了循环生物标志物的一个局限性:循环生物标志物的值可能受到肾功能的影响。血浆TNFR1水平升高是由于TNF途径的激活还是由于肾脏功能受损引起的尚不清楚。因此,如果在临床上应用,血浆TNFR1水平可能需要根据个人的eGFR进行校正。尽管存在这些局限性,但TNFRs与GFR下降可能存在着一个共同的生物途径,直接加快了GFR的下降速度,并可能成为评估CKD进展的重要生物标志物。

2.1.4人软骨糖蛋白(YKL-40) YKL-40的主要来源是成熟的巨噬细胞。缺血再灌注损伤后,YKL-40在肾脏巨噬细胞中表达水平上调,可能在肾小管上皮的修复中发挥作用[24]。血清中的YKL-40与多种炎症性疾病的疾病活动直接相关[25-26]。在CKiD队列的研究中测量了血浆YKL-40水平,发现血浆YKL-40水平的增加与CKD进展的风险增加有关(最高四分位数与最低四分位数未经调整的HR为3.97,95%CI:2.57～6.11),但是在调整蛋白尿后,血浆YKL-40水平与CKD进展的关联减弱(最高四分位数与最低四分位数的HR为1.33,95%CI:0.83～2.41)。尿液YKL-40的研究结果与血浆YKL-40相似[7]。YKL-40可能在儿童CKD的进展中发挥作用,但仍需要大规模的临床研究做出进一步的阐述与确证。

2.2矿物和骨骼代谢相关的生物标志物 成骨细胞生长因子23(FGF-23)是一种骨源性激素,由骨细胞和骨成纤维细胞分泌,相对分子质量为32×103。FGF-23是一种功能强大的调磷素,调节机体内血磷与维生素D的代谢平衡[27],被认为是CKD引起的矿物和骨骼疾病的最早检测标志物[28]。SANDOKJI等[17]在对CKD患儿人口统计学资料、CKD特异性因素(如GFR、蛋白尿和高血压)和矿物质代谢物(如磷Z值和维生素D水平)进行调整的模型中,发现FGF23水平仍与CKD进展独立相关,FGF23最高与最低三分位数比较的HR为1.36(95%CI:1.14～1.64)。近期一项CKD患儿横断面研究显示,与CKD 1期患儿[0.65(0.22～1.08)pmol/L]相比,CKD 2期患儿的FGF-23水平[1.60(1.50～1.80)pmol/L]早期升高(P=0.029),且在疾病的晚期阶段存在着明显差异。FGF-23与甲状旁腺激素(PTH,r=0.807,P<0.001)和磷酸盐(r=0.473,P<0.001)相关。该研究还发现,FGF-23水平的升高发生在磷酸盐和PTH升高之前。50%以上的CKD 2期患儿血清FGF-23水平升高,并且该指数随着疾病的发展而增加,在透析阶段血清FGF-23水平升高者达到100%。因此,FGF-23是一个重要的生物标志物,其水平的升高明显早于骨代谢的其他标志物(磷酸盐),可能代表了疾病的临床过程[29]。

2.3肾小管损伤后健康修复的生物标志物 表皮生长因子(EGF)是一种由哺乳动物的几个器官产生的蛋白质,但人类的EGF主要由肾脏产生[30]。在肾脏中,EGF在Henle袢的厚升支和远端卷曲小管中表达。EGF作用于EGF受体信号通路,并介导肾小管细胞的增殖、分化和再生。已有研究表明,尿液EGF的增加与AKI患者和非AKI患者的不良肾脏事件(MAKE)风险降低有关,提示尿液EGF是肾脏损伤后健康修复的标志[31]。

在对CKiD队列的研究中发现,尿液中的EGF对CKD的进展有保护作用[17]。在调整了患儿人口统计学资料、患肾小球疾病的儿童比例、高血压、蛋白尿和GFR后,尿液EGF水平最低四分位数的患儿与尿液EGF最高四分位数的患儿相比,CKD进展的风险要高7倍(HR为7.14,95%CI:3.45～20.0)。在减半的连续模型中,尿液EGF水平与CKD进展相关,HR为1.89(95%CI:1.59～2.27)。笔者观察到,即使在多变量调整后,尿液EGF与CKD进展之间显著的相关性基本没有受到影响。这可能反映出EGF在独立于蛋白尿和eGFR的CKD进展的关键途径中具有重要作用。一项4C研究的CKiD队列中也对尿液EGF进行了研究,较低的对数尿液EGF值与CKD进展风险的增加独立相关(HR为0.76,95%CI:0.69～0.84)[32]。这些发现对EGF水平低或肾小管功能受损的儿童可能有治疗意义。

2.4肾小管功能障碍的生物标志物 α1-微球蛋白(α1M)是一种低相对分子质量的蛋白质,其通常在肾小球过滤,然后由近端小管细胞重吸收。因此,尿液中检测到的α1M是近端肾小管功能障碍的早期生物标志物。α1M主要由肝脏合成,是一种自由基清除剂。在成人队列中,较高的尿液α1M水平与CKD发生、进展,心血管疾病和死亡的风险增加有关[33-34]。近期的一项研究在665例儿童中测量了尿液α1M水平,发现发生CKD进展的患儿与没有发生CKD进展的患儿相比,尿液α1M水平更高。在未经调整的模型中,尿液α1M最高四分位数的患儿与最低四分位数的患儿相比,CKD进展的风险更高(HR为4.70,95%CI:3.34～7.34)。然而,在完全调整后的模型中,这种影响并不显著,而且HR有所减弱(HR为1.25,95%CI:0.70～2.29)[17]。

3 小 结

虽然蛋白尿和eGFR仍然是临床上用于儿童CKD的主要风险分层工具,但其存在一定的局限。蛋白尿的发生往往提示肾脏损伤已经存在。目前辅助肾脏学诊断的检验指标仍存在局限,阻碍了临床医师理解CKD病理生理学的进展。本文综述了最近一些新型生物标志物发现,血浆KIM-1、FGF-23、TNFR1、TNFR2、suPAR和YKL-40,以及尿液EGF、α1M、KIM-1和YKL-40水平升高与CKD进展独立相关。但是目前尚未确证它们应用于临床并指导临床决策的地位,仍存在困难及挑战:(1)研究队列和设计之间存在相当大的异质性,限制了不同研究之间预后表现的比较;(2)单一的生物标志物很少能够达到风险判别或诊断效用的标准,并且估计预后是肾脏病学在临床实践中面临的许多挑战之一;(3)生物标志物尚不能准确表明损伤发生的确切位点和类型。未来研究将利用这些新型生物标志物,根据CKD患病率、进展风险及预后将其更好的分层,明确新发现的生物标志物的基础病理生理学过程。开展大规模及周期长的CKD生物标志物的研究,包括预测的多因素模型及重复研究。生物标志物研究的进一步进展可能使儿科医师能够更好地识别有不良CKD结局的高风险儿童,从而更好地指导临床实践工作。