膿毒癥所致急性腎損傷的發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

張志雄，姜 南，趙忠?guī)r，王宇飛，劉天戟*

(1.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 重癥醫(yī)學(xué)科，吉林 長春130033；2.武警吉林省總隊(duì)機(jī)動(dòng)支隊(duì)衛(wèi)生隊(duì))

膿毒癥(sepsis)是一種因感染導(dǎo)致的全身炎癥性反應(yīng)，可引起遠(yuǎn)離感染部位的各個(gè)器官功能障礙，是導(dǎo)致患者發(fā)生急性腎損傷(AKI)的重要原因之一。一項(xiàng)由23個(gè)國家、54家醫(yī)院共同參與的研究結(jié)果表明，47.5%的ICU患者AKI病因是由于膿毒癥引起，膿毒癥性AKI嚴(yán)重時(shí)發(fā)展為急性腎功能衰竭，住院病死率明顯高于非膿毒癥性AKI(70.2%：51.8%)[1]。膿毒癥又是臨床當(dāng)中嚴(yán)重的致死因素之一，致死率約為20%-50%；其合并急性腎功能衰竭(ARF)的發(fā)生率為19%-23%，病死率高達(dá)70%[2,3]。因此研究膿毒癥AKI病理機(jī)制不僅對(duì)降低其死亡率有重要意義，而且可以縮短住院時(shí)間、避免消耗大量醫(yī)療資源。膿毒癥誘發(fā)的AKI高病死率與當(dāng)前對(duì)其病理生理學(xué)理解的局限性、明確診斷所用時(shí)間、以及明確診斷后的治療方案相關(guān)[4]。因此膿毒癥AKI的發(fā)病機(jī)制以及早期對(duì)于膿毒癥所致的急性腎損傷的預(yù)防及治療的相關(guān)研究已成為重癥醫(yī)學(xué)中的熱門話題之一，但膿毒癥致腎功能損傷的確切發(fā)病機(jī)制目前仍不清楚，通常認(rèn)為是多因素致病，本文就近年來相關(guān)研究進(jìn)展作一綜述。

1 腎臟血流動(dòng)力學(xué)改變

導(dǎo)致AKI的常見病因有以下幾種：血容量降低、心力衰竭、嚴(yán)重創(chuàng)傷、手術(shù)、感染等。因此長期以來，普遍認(rèn)為腎臟血流的灌注不足可能是導(dǎo)致 AKI 發(fā)生的最重要的原因之一[5]。然而，越來越多的研究結(jié)果已證明，膿毒癥所致 AKI 時(shí)，患者腎臟血流的灌注并沒有減少，有時(shí)甚至是增加的[6,7]。過去近半世紀(jì)一直認(rèn)為，內(nèi)毒素誘導(dǎo)NO合成酶增加，產(chǎn)生的NO導(dǎo)致血管擴(kuò)張，并且通過主動(dòng)脈感受器和心臟壓力感受器，反饋性使中樞分泌精氨酸加壓素，以至于交感神經(jīng)系統(tǒng)、腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)興奮，從而收縮腎血管，造成腎臟血流量減少和腎小球?yàn)V過率的下降[8]。 Langenberg[9]等對(duì)于膿毒癥相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中作出了總結(jié)，159例感染相關(guān)AKI中，發(fā)現(xiàn)將近1/3嚴(yán)重感染或感染性休克的腎臟血管與全身系統(tǒng)性血管是擴(kuò)張的，腎血流量并沒有減少，這說明膿毒癥性AKI可發(fā)生于灌注正常或灌注增加的腎臟，而不僅僅是灌注不足的腎臟。但這些臨床研究由于動(dòng)物的異質(zhì)性、不同誘導(dǎo)膿毒癥方式的干擾，導(dǎo)致這些結(jié)果應(yīng)用于解釋人類膿毒癥時(shí)腎血流的變化是不完全一致的。同樣的，Murugan R[10]等對(duì) 1800 例肺炎患者的研究發(fā)現(xiàn)，16%-25%病情相對(duì)較輕的肺炎患者，雖然血流動(dòng)力學(xué)完全穩(wěn)定，也可能發(fā)生 AKI，由此可見缺血低灌注仍是膿毒癥致急性腎損傷的重要機(jī)制，但不是唯一機(jī)制。

2 細(xì)胞因子及自由基對(duì)細(xì)胞的損傷

2.1 直接的炎癥損傷

由于膿毒血癥時(shí)血液中的內(nèi)毒素明顯增多，內(nèi)毒素可經(jīng)三條途徑誘導(dǎo)細(xì)胞因子產(chǎn)生致AKI。

2.1.1內(nèi)毒素脂多糖與脂多糖結(jié)合蛋白結(jié)合，再與復(fù)合物受體(CDl4)結(jié)合，使中性粒細(xì)胞、單核巨噬細(xì)胞、血管內(nèi)皮發(fā)生復(fù)雜的免疫反應(yīng)，釋放出大量的炎性介質(zhì)。有觀點(diǎn)認(rèn)為腫瘤壞死因子(TNF)是介導(dǎo)膿毒癥的關(guān)鍵細(xì)胞因子之一，可誘導(dǎo)其他炎癥介質(zhì)產(chǎn)生并相互作用，形成“瀑布樣效應(yīng)”，這種反應(yīng)如不能及時(shí)終止即形成SIRS，造成腎臟損害。

2.1.2在CDl4的參與下，內(nèi)毒素直接作用于單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞及組織中的巨噬細(xì)胞等，產(chǎn)生大量細(xì)胞因子、花生四烯酸代謝產(chǎn)物、白三烯類、血栓形成成分及其他多種炎性介質(zhì)使其釋放TNF、IL-1、IL-6、IL-8等細(xì)胞因子；這兩種途徑中后者占主導(dǎo)作用[11]。

2.1.3直接作用于腎小管上皮細(xì)胞和腎臟局部內(nèi)皮細(xì)胞觸發(fā)Toll樣受體(TLRs)表達(dá)增加，直接造成腎小管損害(這可能是膿毒癥引起AKI的機(jī)制之一)。這些炎性介質(zhì)通過介導(dǎo)微血管舒縮功能紊亂、內(nèi)皮細(xì)胞損傷引起腎臟低灌注、腎內(nèi)血流分布異常、腎小球毛細(xì)血管微血栓的形成以及腎組織炎性細(xì)胞浸潤，從而損傷腎細(xì)胞，引起腎小管和腎小球功能障礙以及組織結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致ARF。膿毒癥中腎損傷較為典型，其通過相關(guān)細(xì)胞因子介導(dǎo)，參與炎癥反應(yīng)，最終產(chǎn)生對(duì)全身臟器的損傷[12]。

2.2 缺血再灌注損傷

膿毒癥導(dǎo)致的膿毒癥性休克、內(nèi)皮細(xì)胞損傷、內(nèi)皮素釋放增多、腎臟微循環(huán)血栓形成，導(dǎo)致腎動(dòng)脈血流受限，組織缺血、缺氧。當(dāng)病情緩解后腎臟組織恢復(fù)灌注，隨著組織灌注恢復(fù)會(huì)隨即產(chǎn)生大量的氧自由基及羫自由基。這些自由基主要通過與生物膜表面的不飽和脂肪酸發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞、線粒體損傷、破壞，引發(fā)缺血再灌注損傷[13]。除此之外氧自由基還可通過某些直接、間接因素造成再灌注損傷，可能有以下幾方面[14]：①直接破壞細(xì)胞中的遺傳基因；②影響基因轉(zhuǎn)錄過程，進(jìn)一步改變細(xì)胞表型；③使有酶活性的蛋白質(zhì)失活；④與NO結(jié)合產(chǎn)生過氧化亞硝酸鹽，損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞。

3 凝血功能異常

3.1 凝血和血管內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂

膿毒癥時(shí)，細(xì)胞及炎癥因子的過度釋放激活凝血因子VII，引發(fā)一系列內(nèi)源性凝血反應(yīng)，最終導(dǎo)致纖維蛋白酶原被激活形成大量纖維蛋白沉積在腎小球毛細(xì)血管管腔內(nèi)[15]。由于纖維蛋白的沉積導(dǎo)致腎臟血流條件差、腎小球?yàn)V過率降低繼而發(fā)生腎前性腎功能衰竭。有相關(guān)研究表明：給予膿毒癥大鼠注射凝血因子VII滅活劑可改善腎功能、減輕代謝性酸中毒、腎小管損傷、炎癥因子浸潤及纖維蛋白沉積等[16]。由于膿毒癥導(dǎo)致機(jī)體循環(huán)中蛋白C降低、抗凝血酶Ⅲ濃度下降、內(nèi)皮細(xì)胞血栓調(diào)節(jié)蛋白分泌減少、纖維溶解蛋白酶活性受損等導(dǎo)致機(jī)體抗凝功能減弱，加之機(jī)體產(chǎn)生過多的凝血因子、纖維蛋白等沉積于微循環(huán)中，導(dǎo)致腎小球血流量減少、濾過率下降、腎功能減退[17]。

3.2 微粒與血管內(nèi)皮細(xì)胞的損傷

微粒(microparticles，MPS)是通過胞吐的方式從活化的、凋亡的細(xì)胞質(zhì)膜中生成的[18]。可以產(chǎn)生微粒的細(xì)胞有多種類型：紅細(xì)胞、血小板、單核細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞等[19]。MPS所含有的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)均同源于其親本細(xì)胞，細(xì)胞膜表面的特異性抗原也同樣源于其親本細(xì)胞[20]。除特異性抗原外，其外膜還包含促凝因子：凝磷脂因子及組織因子。其外膜上的組織因子在凝血機(jī)制中起主導(dǎo)作用：通過引發(fā)彌散性血管內(nèi)凝血疾病(disseminated intravascular coagulation，DIC)進(jìn)一步引發(fā)膿毒癥微循環(huán)血栓形成。因此，MPS被認(rèn)為具有促炎作用及促進(jìn)微循環(huán)微血栓的形成[21]。

正常情況下MPS在機(jī)體血液循環(huán)中是低量存在的。它們的大量增加與炎癥反應(yīng)、凝血反應(yīng)、纖溶系統(tǒng)異常相關(guān)聯(lián)。MPS可直接促進(jìn)腎臟血管內(nèi)皮細(xì)胞生成NO及前列環(huán)素、刺激細(xì)胞因子釋放、使單核細(xì)胞趨化粘附于腎臟血管內(nèi)皮細(xì)胞。所以，MPS被認(rèn)為是膿毒癥進(jìn)展為膿毒癥性AKI的過程中最重要的因素之一。Mezentsev[22]等研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)體處于感染狀態(tài)時(shí)循環(huán)血液中能檢測到大量的MPS，并隨著其對(duì)腎臟血管內(nèi)皮作用的時(shí)間的增加，內(nèi)皮細(xì)胞出現(xiàn)復(fù)制功能降低、凋亡增加，使得受損的內(nèi)皮細(xì)胞修復(fù)效率降低導(dǎo)致腎臟血管內(nèi)皮功能發(fā)生損害，因此導(dǎo)致腎臟灌注障礙，從而進(jìn)一步引發(fā)膿毒癥性AKI。

4 腎小管上皮細(xì)胞能量代謝的適應(yīng)性機(jī)制

腎小管壞死曾經(jīng)被認(rèn)為是膿毒癥性AKI導(dǎo)致的重要病理生理改變之一。然而一項(xiàng)調(diào)查研究顯示：患膿毒癥性AKI患者的尸檢表明，僅有78%的患者腎小管有局部壞死，余大部分腎小管細(xì)胞均為正常細(xì)胞[23]。Langenberg[24]等對(duì)于綿羊膿毒癥的研究也顯示，膿毒癥性AKI的動(dòng)物模型并無組織學(xué)改變及細(xì)胞凋亡相關(guān)途徑的激活。以上相關(guān)研究說明，雖然膿毒癥對(duì)腎臟功能有所影響，但腎小管細(xì)胞卻未見凋亡。可見腎小管細(xì)胞在機(jī)體膿毒癥時(shí)發(fā)生了一系列的“自我防御機(jī)制”[25]。

4.1 能量代謝適應(yīng)機(jī)制

關(guān)于能量代謝適應(yīng)機(jī)制，是由于膿毒癥時(shí)腎灌注不足導(dǎo)致細(xì)胞缺氧而引發(fā)的自我防御機(jī)制。相關(guān)研究表明，動(dòng)物模型的膿毒癥AKI中腎小管上皮細(xì)胞離子轉(zhuǎn)運(yùn)明顯減少。除此之外，在Waltz 等[26]研究中顯示，腎小管上皮細(xì)胞能量產(chǎn)生方式由氧化磷酸化向無氧酵解轉(zhuǎn)化。這一研究為臨床中使用代謝調(diào)節(jié)劑減輕代謝性酸中毒以及腎小管細(xì)胞損傷提供論據(jù)。

4.2 線粒體自嗜機(jī)制

由于膿毒癥時(shí)氧化應(yīng)激反應(yīng)會(huì)使得線粒體產(chǎn)生過量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，造成細(xì)胞損傷。這時(shí)機(jī)體自身啟動(dòng)相關(guān)修復(fù)機(jī)制來修復(fù)受損傷的線粒體，對(duì)于不能修復(fù)的部分則采用消化、自嗜的途徑來處理，使得線粒體庫重建。文獻(xiàn)報(bào)道在大鼠模型的膿毒癥AKI試驗(yàn)中，3 h內(nèi)自嗜體水平明顯升高，而相比較自嗜體水平較低的大鼠來說，自嗜體水平高的群體腎小管損傷相對(duì)較輕[27]。

4.3 細(xì)胞復(fù)制周期停止

機(jī)體在膿毒癥狀態(tài)下，細(xì)胞復(fù)制周期停止也是自我防御的機(jī)制之一。其一可避免能量及原料用于復(fù)制受損的DNA；還可避免復(fù)制受損DNA后對(duì)機(jī)體產(chǎn)生一系列不利的影響[28]。

5 SAKI中的基因差異性及其表達(dá)

5.1 基因易感性與多態(tài)性

同樣嚴(yán)重程度的膿毒癥患者，卻不一定都發(fā)生SAKI。其原因可能為不同患者所表達(dá)的基因有差異，以至于患者對(duì)同等程度的膿毒癥刺激反應(yīng)產(chǎn)生的炎癥因子數(shù)目、種類不同；臨床上表現(xiàn)出的臨床癥狀不同；對(duì)相關(guān)治療效果反應(yīng)不同。在一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中表明：并發(fā)SAKI的動(dòng)物模型與未發(fā)生SAKI的動(dòng)物模型中，腎臟基因表達(dá)存在差異性[29]。另一項(xiàng)納入2567例膿毒癥患者的研究表明SERPINA4基因中rs2093266 內(nèi)含子和 SERPINA5基因中rs1955656內(nèi)含子與膿毒癥合并嚴(yán)重AKI有顯著相關(guān)性[30]。上述研究結(jié)果提示SAKI的發(fā)病可能具有遺傳性。

同時(shí)，相關(guān)研究表明：膿毒癥時(shí)產(chǎn)生炎癥因子的基因突變是產(chǎn)生SAKI的重要危險(xiǎn)因素之一[31]。SAKI患者AG/GC、AG/CC單倍體出現(xiàn)頻率較高，且該單倍體的數(shù)目與SAKI預(yù)后密切相關(guān)：該單倍體數(shù)量越多發(fā)生多器官功能障礙綜合征的幾率越大、患者死亡風(fēng)險(xiǎn)越高。Jonathan C T LU[32]等研究發(fā)現(xiàn)，有多種炎癥因子基因多態(tài)性與SAKI相關(guān)：血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)I/D、TNF-a-308G/A以及IL-6-174G/C；載脂蛋白EPOEe2/e3/e4；血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)-2578C/A等。其中只有載脂蛋白EPOEe2/e3/e4在多個(gè)實(shí)驗(yàn)中被印證與SAKI的發(fā)生相關(guān)。

5.2 微小RNA

微小RNA(mi-RNA)是由內(nèi)源性基因編碼的長度為21-23個(gè)核苷酸的非編碼性單鏈RNA分子，由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的70-100個(gè)核苷酸大小的前體mi-RNA通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，且被核酸酶剪切加工而成，不直接參與編碼蛋白質(zhì)[33]。其功能主要是直接結(jié)合到特定靶基因的3’端非編碼區(qū)(untranslated region，UTR)來影響功能基因的表達(dá)，從而對(duì)機(jī)體各類病理生理過程發(fā)揮重要調(diào)控作用。mi-RNA通過特定的信號(hào)通路參與了膿毒癥及相關(guān)嚴(yán)重并發(fā)癥致病過程的調(diào)控[34]。

Ge[35]等研究發(fā)現(xiàn)，膿毒癥相關(guān)的急性腎損傷患者miRNA-4270及miRNA-4321表達(dá)水平較非膿毒癥性AKI患者顯著升高。進(jìn)一步基因組數(shù)據(jù)庫分析結(jié)果顯示，mi-4321主要靶向調(diào)節(jié)AKTl、mT0R及N0X5的表達(dá)，而miRNA-4270主要參與PPARGC1A、AKT3、N0X5、PIK3C3及WNT1的表達(dá)調(diào)控，對(duì)膿毒癥相關(guān)的急性腎損傷患者腎臟組織能量代謝、氧化應(yīng)激、線粒體功能紊亂、腎小管細(xì)胞損傷等起重要作用，從而導(dǎo)致膿毒癥性AKI。在膿毒癥相關(guān)的急性腎損傷小鼠模型中，miRNA-107可以靶向結(jié)合到雙重特異性磷酸激酶-7(DUSP7)的3’非編碼區(qū)，通過抑制該特異性mi-RNA表達(dá)降低小鼠血肌酐水平。wang[36]等又通過在腎小囊臟層上皮細(xì)胞中導(dǎo)入磷酸脂多糖構(gòu)建膿毒癥模型發(fā)現(xiàn)，mi-RNA-128表達(dá)顯著降低而miRNA-21表達(dá)顯著升高，調(diào)控兩者表達(dá)可減輕磷酸脂多糖誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷。因此通過抑制介導(dǎo)腎損傷的特異性mi-RNA活性可減輕機(jī)體膿毒癥時(shí)對(duì)腎臟造成的損傷，這項(xiàng)研究或?qū)槟摱景Y性AKI治療新靶點(diǎn)提供有力論據(jù)。

6 細(xì)胞凋亡

膿毒癥中因缺血、中毒導(dǎo)致的AKI中，局部腎小球、腎小管細(xì)胞的損傷并不能引起GFR的明顯下降，而缺血中毒刺激引發(fā)的副損傷可使GFR出現(xiàn)明顯下降。這些刺激誘使促凋亡因子與粒細(xì)胞相互作用，使促凋亡因子附著于腎小管上皮細(xì)胞，促進(jìn)腎小管凋亡。Mariano[37]等用燒傷引發(fā)膿毒癥患者的血漿刺激腎小球、腎小管細(xì)胞后，均可導(dǎo)致腎小球及腎小管細(xì)胞的凋亡或功能異常；且相關(guān)研究還表明盲腸穿孔結(jié)扎術(shù)后，腎組織凋亡細(xì)胞增多，且3小時(shí)后達(dá)到峰值[38]。相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明：膿毒血癥大鼠在注射凋亡因子抑制劑后，心功能不全及心肌細(xì)胞凋亡明顯緩解[39]。膿毒癥時(shí)腎臟組織細(xì)胞凋亡不僅與促凋亡因子相關(guān)，還與鈣超載有一定的關(guān)聯(lián)：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高時(shí)，將會(huì)使鈣依賴性核酸限制性內(nèi)切酶活化，使核基因裂解成180-200 bp的小片段，使得細(xì)胞凋亡[40]。

7 其他因素

患者其自身的遺傳基因易感性、腎毒性藥物的過度使用也是引發(fā)膿毒癥性AKI的重要相關(guān)因素。并且其他人體重要器官的損傷也會(huì)對(duì)膿毒癥性AKI產(chǎn)生一定影響，例如肺損害時(shí)會(huì)造成組織缺氧及神經(jīng)-內(nèi)分泌系統(tǒng)的一系列變化，使得腎臟血管收縮，腎血流量減少，進(jìn)一步導(dǎo)致腎功能損傷。在膿毒癥患者治療中采取機(jī)械通氣的時(shí)候，將會(huì)進(jìn)一步引起肺內(nèi)及血液中的炎性介質(zhì)及細(xì)胞因子的釋放，加重腎臟損傷[41]。

綜上所述，膿毒癥合并AKI的發(fā)病機(jī)制并未完全研究清楚，通常認(rèn)為是多因素造成的，主要包括腎臟血流動(dòng)力學(xué)改變、缺血再灌注損傷、直接的炎癥損傷、凝血和血管內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂、細(xì)胞凋亡等。臨床上通過多種治療方案來阻斷這些途徑但結(jié)果并不完美，可能與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)偏差或其有更為重要的機(jī)制存在。