相关标志物对COVID-19并发急性肾损伤及预后的预测价值

马建芳, 袁开芬, 黄晓玲, 李艳华, 马 狄

(昆明医科大学第二附属医院全科医学科, 云南 昆明 650101)

新型冠状病毒肺炎(coronavirus disease 2019,COVID-19)是由严重急性呼吸综合征冠状病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus,SARS-CoV-2)感染引起,主要表现为急性呼吸衰竭伴间质性和肺泡性肺炎,也可影响多个器官,肾脏是常见受累的肺外器官,急性肾损伤(acute kidney injury,AKI)是一组以肾小球滤过率(GFR)突然降低为特征,以血清肌酐(SCr)浓度升高或少尿为表现的异质性疾病。COVID-19住院患者发生AKI的概率高达40%以上,其中20%以上需要肾替代治疗,与无AKI的COVID-19患者相比,COVID-19 相关AKI患者的病死率高,AKI是COVID-19患者死亡率的独立预测因子[1]。目前血清SCr和尿量是临床评估肾功能的重要指标,但是GFR逐渐降低后,血SCr可能需要48h或更长时间才会升高,缺乏敏感性,尿量减少也可能由于多种因素引起,缺乏特异性,因此,依赖于血SCr和尿量诊断AKI存在滞后性,易使患者错过最佳治疗时机,探索新的相关标志物对早期指导临床干预治疗,降低COVID-19相关AKI的发生率及病死率具有重要意义。最近研究发现,若干新型标志物在COVID-19住院患者亚临床AKI(尿生物标志物异常,尿量和肌酐无明显变化)早期识别方面有着良好价值。本文就COVID-19患者急性肾损伤相关标志物做一总结。

1 肾脏损伤标志物

肾脏损伤标志物反映了肾小管或者肾小球损伤,传统反应AKI的的标志物如肌酐和尿量在发生改变时,肾脏往往已有了微观形态学和组织学的改变,近年来,KIM-1、NGAL、suPAR、TIMP-2等新型损伤标志物被发现在反应早期肾脏损伤方面具有良好的敏感性和特异性,早期检测这些指标对临床预防AKI进一步发展具有重要意义。

1.1肾损伤分子-1(kidney injury molecule-1 ,KIM-1):KIM-1是一种38.7 kDa的跨膜蛋白,主要在肾脏中表达,是近端小管损伤的生物标志物,研究发现,KIM-1是SARS-CoV-2侵袭肾脏的结合靶点,通过细胞外免疫球蛋白变量(extracellular immunoglobulin Variable,IgV)样结构域介导SARS-CoV-2与肾细胞的结合,并促进病毒内化来损伤肾脏。肾脏结合病毒后,受损肾近端小管中KIM-1数量大幅度增加,24h内可在尿液中检测到,可作为早期预测COVID-19并发AKI的标志物。Vogel M[2]等一项前瞻性研究表明,有AKI的COVID-19患者尿液中KIM-1水平显著高于无AKI患者,根据ROC分析,KIM-1检测COVID-19患者急性肾损伤的AUC为0.81。另外,Yasar E[3]等研究发现,轻、中度COVID-19患者有发生亚临床AKI的可能,即在SCr和尿量没有变化的情况下蛋白尿显著增加,同时伴有KIM-1水平升高。KIM-1既可作为SARS-CoV-2病毒进入肾脏的途径,也可以作为COVID-19相关AKI的生物标志物,这可能为开发出针对COVID-19特异而有效的干预措施提供有前景的靶点。

1.2中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin,NGAL):NGAL是一种分子量为25 kda的脂质运载蛋白,表达于一些组织器官的中性粒细胞和上皮细胞上,高表达于受损的肾小管上皮细胞,在AKI后2h明显升高,是AKI的早期标志物。研究显示尿液NGAL升高是预测COVID-19患者AKI的独立危险因素,同时也是住院患者死亡相关的强预测因子[4]。一项前瞻性研究发现,当NGAL>45ng/mL时,预测COVID-19危重患者亚临床AKI的AUC值为0.771[5]。Xu[6]等的研究进一步证明了尿NGAL水平与COVID-19相关AKI的诊断和分期相关,并预测了AKI的持续时间和结局,如死亡、透析、休克和更长的住院时间,在他们的研究中,AKI组尿NGAL水平显著高于非AKI组(267±301 vs.96±139ng/mL,P<0.0001),且随着AKI严重程度增加,尿NGAL水平的ROC曲线下面积逐渐增加,当尿NGAL水平>150ng/mL时,诊断AKI2～3期的特异度和灵敏度分别为80%和75%。因此,NGAL可作为COVID-19患者并发AKI早期预测、分期及预后的有效指标。

1.3可溶性尿激酶纤溶酶原激活物受体(soluble urokinase plasminogen activator receptor,suPAR):suPAR是尿激酶型纤溶酶原激活物受体(uPAR)的可溶性形式,在炎症和免疫刺激下,可由uPAR裂解产生,是炎症、免疫、凝血和纤溶反应交叉的关键调节因子,近年来, suPAR作为COVID-19感染的全身中介物,与肾功能障碍相关。一项涉及多国COVID-19患者的多中心观察性研究指出,随着suPAR水平的增加,AKI的发病率逐步上升,当suPAR<4.60ng/mL时,AKI发生率为6%,且不需要透析,而suPAR>6.86ng/mL时,AKI发生率为45.8%,其中16.1%的患者需要透析,suPAR预测AKI的AUC为0.741[7]。另有研究证明,测量COVID-19患者的suPAR水平可提高风险分层的准确性,高suPAR水平的患者病情更危重,且住院期间发生呼吸窘迫综合征(ARDS)、入住ICU和死亡的风险较高[8]。Hayek S[9]等研究表明,高suPAR可能通过调节细胞生物能和增加氧化应激,导致肾近端小管对损伤敏感,使患者易并发AKI,在实验模型中使用抗suPAR单抗可以消除suPAR对肾脏的不良影响,这表明suPAR调节治疗是缓解AKI的一个有希望的治疗靶点。未来需要进一步的研究来识别早期COVID-19相关AKI的发生及死亡患者最敏感的分界点,以及发现更多针对高suPAR水平的靶向治疗。

1.4金属蛋白酶组织抑制剂-2(TIMP-2)和胰岛素样生长因子结合蛋白7(IGFBP7):TIMP-2和IGFBP7是两种由肾小管细胞表达和分泌的细胞周期阻滞蛋白,TIMP-2通过耦合α3β1整联蛋白刺激p27的表达,IGFBP7直接增加p53和p21的表达,导致短暂的G1细胞周期阻滞,阻止受损细胞的分裂。在小鼠模型和体外研究中,SARS-CoV-2核衣壳(N)蛋白通过smad3依赖的G1细胞周期阻滞机制诱导AKI的发生,这一发现在COVID-19相关AKI患者中得到了支持,即AKI患者的近端小管细胞和尿液样本中检测到SARS-CoV-2和SARS-CoV-2N蛋白。TIMP-2和IGFBP-7作为细胞周期阻滞蛋白,反映AKI的损伤前细胞状态,可作为肾小管细胞早期损伤的生物标志物,尿液中TIMP-2和IGFBP7乘积升高与COVID-19危重患者发生亚临床AKI有关,且[TIMP-2]×[IGFBP7]值越高,患者发生AKI的时间越短。一项多中心观察性研究通过测定不同时间点血液和尿液样本中[TIMP-2]×[IGFBP7]的值,发现纳入时尿[TIMP-2]×[IGFBP7]升高对伴有ARDS的COVID-19患者发生中、重度AKI的预测价值最高,截断值为0.90(ng/mL)2/1000时,AUC、灵敏度、特异度分别为0.89、85%、82%,同时对持续性AKI和RRT也有良好的预测性能[10]。因此,TIMP-2和IGFBP7可以在AKI仍处于早期或亚临床阶段时检测到AKI,从而进行早期预防性治疗。

2 细胞因子相关标志物

细胞因子风暴被认为是COVID-19患者肾损伤的最重要机制之一,血清或者尿液中的抗炎和促炎细胞因子、趋化因子和生长因子等介质水平可以反应肾脏的炎症、损伤和修复的过程,细胞因子的检测不仅有利于早期识别AKI,还能作为疾病恶化的预测性标志物。

2.1表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF),EGF是一种含有53个氨基酸的单链多肽,在肾脏中由远端小管上皮细胞产生,调节肾脏细胞生长代谢、肾小球血流动力学及肾损伤后修复。既往研究已证实EGF是预测糖尿病肾病及慢性肾脏病(CKD)发生、发展的有效标志物。Norvik[11]等随访了1249名无CKD和糖尿病的普通人,中位随访时间为5.6年,发现尿液中EGF低排泄的人群肾小球滤过率(GFR)快速下降和CKD发生的风险更高。最近一项针对COVID-19患者的前瞻性研究进一步证明了尿EGF是亚临床AKI的良好预测因子,当截断值为4600pg/mL时,预测AKI的AUC为0.788(95%CI:0.597～0.979,P<0.05),灵敏度为80.00%,特异度为81.82%,同时,EGF与肾应激生物标志物[TIMP-2]×[IGFBP7]负相关(r=-0.73,P<0.001),证明高水平的尿EGF对肾脏具有保护作用[12],这与Menez等[13]对COVID-19住院患者的研究一致,表明尿EGF水平升高与AKI 3期、开始新的透析或死亡的较低风险显著相关。EGF作为一种非侵入性生物标志物,是预测COVID-19患者亚临床AKI及预后的可靠指标。

2.2肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)TNF-α是一种功能性的26kDa同源三聚体跨膜蛋白,属于单核-巨噬细胞相关的促炎细胞因子,TNF-α及其受体(TNFR1和TNFR2)作为免疫系统细胞之间的关键通信系统,在肾脏疾病中起着至关重要的作用。在中重度COVID-19住院患者中,与无AKI的患者相比,AKI患者血清中TNF-α水平显著升高且持续。TNF-α是肾损伤的独立预测因子,且TNF-α水平随着疾病严重程度增加而升高,血清TNF-α水平能够将COVID-19患者从轻度、中度和重度至危重度中区分开来。通过前瞻性研究测定血液中可溶性TNFR1和TNFR2水平进一步肯定了TNF-α预测COVID-19相关AKI发生及预后的价值,可溶性TNFR(sTNFR)水平升高与COVID-19患者疾病严重程度、AKI的发生发展(AKI阶段增加、接受RRT治疗以及RRT持续时间)以及入院后30d死亡率显著相关,当sTNFR 1>2.29 ng/mL,sTNFR 2>11.7 ng/mL时,预测30d死亡率的AUC分别为0.75和0.67。血浆sTNFR参与COVID-19导致AKI的机制尚不明确,在COVID-19患者中,TNF-α水平与AKI相关,sTNFR 1和2可能通过与TNF-α结合后发挥作用,未来还需大量研究进一步明确。

3 生化相关标志物

生化检验具有经济、快速的优点,可用于评估机体器官功能及疾病的诊断与治疗,近年来研究发现,CysC、PCT、血清磷、尿白蛋白/肌酐在预测COVID-19相关AKI的发生发展方面具有重要意义。

3.1胱抑素C(Cystatin C,CysC)CysC是一种13kDa的内源性半胱氨酸蛋白酶抑制剂,通过肾小球过滤,不由肾小管细胞分泌,不受饮食、肌肉量、性别或年龄的影响,可作为AKI早期诊断敏感而特异的指标。研究发现,血清CysC对COVID-19患者AKI的早期预测价值优于血清肌酐,截断值为1mg/L时,预测AKI的AUC为0.96,且具有较高的灵敏度及特异度,分别为90.0%和88.5%[14]。CysC基线水平增加与COVID-19患者疾病严重程度和住院死亡的风险独立相关,然而,血清CysC与COVID-19结局之间的因果关系尚不明确,血清CysC可能是一个潜在的炎症靶点,以防止COVID-19进展为危重疾病和死亡,而不仅仅代表肾功能,当前结果需要通过更多的基础和临床研究进一步验证。

3.2降钙素原(procalcitonin,PCT)PCT是降钙素的116个氨基酸的前体,被广泛用于细菌感染的特异性炎症标志物。近年来,有研究发现,升高的PCT水平与SARS-CoV-2感染相关,是预测COVID-19相关AKI和30d住院死亡的良好指标,AUC分别为0.811和0.769[15]。一项基于10项队列研究的荟萃分析表明,PCT水平与COVID-19严重程度呈正相关,高PCT水平可以作为COVID-19患者入住ICU和死亡的早期预测标志物[16]。病毒感染后释放的细胞因子如干扰素-γ(INF-γ),会导致PCT的下调,分析SARS-CoV-2感染后PCT升高的原因可能是过度的免疫激活和细胞因子风暴引起全身炎症反应综合征(SIRS)所致,过度释放细胞因子进一步导致ARDS或肺外多器官衰竭和死亡,PCT升高另一个合理的解释是伴有细菌共同感染。因此,PCT作为COVID-19相关AKI的预测因素,反映了疾病的重症化发展。

3.3血清磷(Phosphorus)血磷是人体内重要的电解质,参与构成ATP和磷酸肌酸等供能、储能物质,在能量的产生、逆转过程中起着重要作用。血清磷<0.8mmoL/L即为低磷血症,Chen[17]等研究显示,约10%的COVID-19患者入院时出现低磷血症,且是AKI的独立危险因素,血清磷水平每降低0.1mmoL/L,患者患AKI的风险就会增加1.34倍(95%CI:1.14～1.58,P<0.001)。Wang[18]等对435例COVID-19患者研究发现,与非低磷血症组相比,低磷血症组重症和危重症患者的比例较高,住院期间呼吸衰竭的发生率(54.5% vs 32.6%,P=0.013)和死亡率(57.6% vs 15.2%,P<0.001)均显著较高,且死亡率随着血清磷水平的降低而逐渐增加,低磷血症组至随访结束的累计生存期明显短于非低磷血症对照组(χ2=49.177,P<0.001)。COVID-19患者血磷降低可能与营养摄入不足、肾损伤致磷酸盐丢失、能量消耗和分解代谢过度有关。目前关于补充磷酸盐是否可以预防COVID-19相关AKI及改善患者预后的研究较罕见,尚需大量研究来评估。

3.4尿白蛋白/肌酐(Urine albumin/creatinine ratio,UACR)白蛋白是中分子量蛋白,基本上不能从肾小球滤过,在肾小球基底膜滤过屏障损伤或缺陷时,尿微量白蛋白可增高,是肾小球早期损伤的指标,肌酐常用于估算肾小球滤过率(GFR),是诊断AKI的金标准之一,UACR在30～300mg/g之间属于微量白蛋白尿,是早期肾病的筛查指标。一项前瞻性研究指出,较高的UACR是非通气COVID-19患者AKI的独立预测因素(OR=1.48,95%CI:1.043～2.12,P<0.05)[19]。Yildirim[14]等进一步肯定了UACR对AKI的早期预测价值,当UACR>30mg/g时,是预测入院时不符合AKI诊断标准的COVID-19相关AKI的有力指标,AUC为0.95,且具有高度的灵敏性(90.0%)和特异性(87.9%)。因此,UACR可作为COVID-19相关AKI的预测标志物,但仍需进一步探索其在COVID-19及AKI患者病情严重程度和死亡方面的预测作用。

4 影像相关标志物

随着影像学技术的发展和仪器性能的提高,超声因其便捷、实时、可重复等特点在重症患者中的应用越来越广泛,肾脏CT也可对COVID-19相关肾损害进行定性和定量评价,可为临床尤其是入院时提供有益的参考。

4.1肾阻力指数(renal resistive index,RRI)RRI是通过使用多普勒超声分析肾叶间动脉血流速度波形获得的,RRI=[收缩期峰值流速(peak systolic velocity,PSV)-舒张期末流速(end diastolic velocity,EDV)]/PSV。肾血管收缩被认为是AKI的早期表现之一,既往研究表明,高RRI是危重患者ICU入院时第一周内出现AKI 2期和3期的独立预测因素。Renberg[20]等首次报告了在COVID-19相关AKI患者中测量RRI的有用性,研究指出,与无AKI患者相比,AKI患者的RRI更高(中位RRI:0.72 vs 0.80,P=0.004),并且在AKI 3期患者中差异显著,且与从AKI发作中恢复的患者相比,有持续AKI发作的COVID-19患者的RRI更高,这表明RRI值随着肾功能的恢复而降低。Cruz[21]等进一步研究发现,当RRI≥0.7时,COVID-19危重患者有更高的AKI发生率、肾脏替代治疗需求和病死率,并且有更高的机械通气需求趋势。COVID-19相关AKI患者RRI值升高可能与血栓栓塞和肾微血管病变导致肾脏微灌注减少有关。超声测量RRI具有快速、可重复和无创等优势,可用作早期发现AKI进展及其可逆性的参考指标,未来仍需大量研究来确认在入院时高RRI的COVID-19患者是否会受益于旨在预防AKI的干预措施,以及RRI是否有助于监测干预措施的效果。

4.2肾实质衰减(RPA)和肾周脂肪搁浅(PFS)肾实质衰减(renal parenchymal attenuation ,RPA)在非增强CT上表现为肾实质的CT值降低,肾周脂肪搁浅(presence of perirenal fat stranding,PFS)的特征是肾周脂肪密度增加、软组织竖立、肾周筋膜增厚以及肾周间隙可能存在液体。有研究表明,在非增强CT上,COVID-19患者肾实质的CT值降低,表明COVID-19患者的肾实质可能存在炎症和水肿。Huang[22]等分析了82例COVID-19患者和80例健康受试者发现,与对照组相比,COVID-19患者的RPA下降,平均RPA值与SCr值呈弱负性相关(r=-0.256),伴有PFS的患者RPA下降更大,SCr水平更高。Russo[23]等研究进一步指出,CT RPA<24HU是COVID-19相关AKI发生的独立预测因素(χ2=2.77,P=0.014),而PFS的存在与更高的死亡率相关(95%CI:1.12～13.48,P=0.031)。这些结果表明,非增强CT在评估COVID-19相关的肾损害(以PFS和肾实质密度降低为特征)方面具有定性和定量的价值。

5 其他相关标志物

5.1病毒载量(viral load,VL)通过逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)从采集样本中提取SARS-CoV-2的RAN,并进行定量分析可以得到病毒载量。研究发现,SARS-CoV-2具有向肾性,且这种向肾性与疾病严重程度和AKI的发展有关。Paranjpe[24]等对1049例COVID-19患者的鼻咽拭子样本进行病毒量化后发现,VL与AKI风险增加相关(aHR=1.04,95%CI:1.01～1.08,P=0.02)。另一项从尿沉渣中提取SARS-CoV-2病毒的研究指出,尿液沉积物中病毒载量较高与AKI发病率和死亡率增加相关[25]。因此,VL可作为预测AKI发展及预后的一个指标。

5.2细胞外囊泡(extracellular vesicles,EVs) EVs是应激条件下由细胞释放的纳米级磷脂双分子层结构,被认为是很有前途的肾功能障碍预后生物标志物,在COVID-19患者中,EVs参与了病毒感染、传播、细胞因子风暴以及先天和适应性免疫反应的免疫调节。Medeiros等研究发现,尿EVs升高的COVID-19患者发生肾功能障碍的风险较高,且与疾病严重程度相关,当尿液中总EVs>1750count/mL时是预测血液透析的有力指标,AUC、灵敏度、特异度分别为0.93、100%、95.7%。未来还需多中心、大样本的研究来评估尿EVs预测COVID-19患者相关AKI的效能,以及对死亡率的预测价值。

5.3中性粒细胞外陷阱(neutrophil extracellular traps,NETs)NETs 是由中性粒细胞激活时释放的一种直径15～17 nm的染色质纤维网状结构,主要成分包含dsDNA、组蛋白、髓过氧化物酶(MPO)和中性粒细胞弹性蛋白酶(NE)。NETs释放(即NETosis)与COVID-19相关AKI有关,Kim[26]等通过测定循环核小体(组蛋白DNA)和MPO-DNA的血浆水平来定量体内NET水平,发现与无AKI患者相比,发生AKI的COVID-19患者血清中NETs水平显著升高,且NET相关AKI是较高死亡率的有力预测因素。游离DNA (cfDNA)是由NETosis产生的组织损伤标志物,通过前瞻性研究测定循环中cfDNA的水平进一步肯定了NETs对COVID-19相关AKI的预测价值,截断值为161.3ng/mL时,预测严重AKI的AUC为0.82,cfDNA水平也是需要RRT的预测指标(AUC为0.76)。血浆血管性血友病因子(vWF)是炎症和内皮激活、损伤的标志,上述两项研究通过评估血清vWF和NETs的关系,进一步证实了血管内NETs可能通过诱导微血管炎症和血栓形成而导致COVID-19相关AKI的发生。由此可见,NETs作为预测因子,还参与了AKI发病机制,其临床价值值得被关注。

6 小结与展望

综上所述,尽管肾脏损伤标志物、细胞因子、生化、影像等因素是COVID-19患者发生AKI以及疾病严重程度和不良预后的早期预测指标,特别是新型肾脏损伤标志物的运用,能够在亚临床AKI阶段或者AKI发生数小时之内即被检测到,敏感性及特异性高于传统的肾脏损伤标志物,且KIM-1、suPAR、TIMP-2和IGFBP7是COVID-19相关AKI的潜在致病途径,阻断靶点治疗有望成为AKI的特异性治疗策略。生化指标如CysC、PCT、血清磷等具有快速、简便、经济的优点,临床运用中实用性较高。但是目前大多数研究都是单中心回顾性研究,只有少数受试者,且同时联合多种标志物预测效果的研究较少,部分标志物在某些医院中尚未开展检测,缺乏临床实践性,未来仍需要大量前瞻性研究来评估针对各个生物标志物的潜在治疗靶点,以及连续监测这些指标来评估干预措施的效果。