細(xì)胞鐵死亡在心臟手術(shù)后急性腎損傷中的研究進(jìn)展

郎正鵬 向道康，△ 胡馗 向龍 曲昊楠 高魯方

(1.遵義醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義 563000；2.貴州省人民醫(yī)院心外科，貴州 貴陽(yáng) 550002)

CSA-AKI是一種心臟手術(shù)術(shù)后并發(fā)癥，導(dǎo)致心臟手術(shù)后的病死率增高。CSA-AKI是ICU中AKI的第二大常見(jiàn)原因，并且與發(fā)病率和死亡率增加獨(dú)立相關(guān)[2]。根據(jù)不同的研究人群及診斷標(biāo)準(zhǔn)不同，CSA-AKI發(fā)生率在3%～42%[1-2]，嚴(yán)重的CSA-AKI導(dǎo)致圍手術(shù)期死亡率增加3～8倍，與ICU和病房住院時(shí)間延長(zhǎng)，以及護(hù)理成本增加獨(dú)立相關(guān)[3]。無(wú)論其他風(fēng)險(xiǎn)因素如何，心臟手術(shù)后10年內(nèi)AKI相關(guān)死亡風(fēng)險(xiǎn)仍然很高，即使對(duì)于完全腎功能恢復(fù)的患者也是如此。正如識(shí)別和糾正術(shù)前危險(xiǎn)因素一樣，明確CSA-AKI的發(fā)病機(jī)制，從而在手術(shù)期間和手術(shù)后使用預(yù)防措施來(lái)改善腎功能對(duì)于提高這些患者的術(shù)后發(fā)病率和死亡率至關(guān)重要。最近的大量研究表明，細(xì)胞鐵死亡這種特殊的腎小管細(xì)胞壞死形式是CSA-AKI可能的機(jī)制。

1 CSA-AKI的研究現(xiàn)狀

體外循環(huán)(cardiopulmonary bypass，CPB)的復(fù)雜影響通常會(huì)誘發(fā)一定程度的AKI。包括來(lái)自非搏動(dòng)性低血流，低壓導(dǎo)致灌注不足，血液稀釋，快速的升降溫度，炎癥反應(yīng)，細(xì)胞破壞，過(guò)氧化狀態(tài)持續(xù)存在以及氧化應(yīng)激等都可能是術(shù)中導(dǎo)致CSA-AKI的病因。在術(shù)后早期期間，低心輸出量的狀態(tài)，缺血缺氧后再灌注損傷也可能是CSA-AKI的病因。心臟手術(shù)后AKI的發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚。單個(gè)病因因素不太可能導(dǎo)致CSA-AKI。這是術(shù)前，術(shù)中和術(shù)后通路的多重互動(dòng)的結(jié)果。目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有針對(duì)CSA-AKI專門制定的診斷標(biāo)準(zhǔn)，多是采用RIFLE，AKIN，KDIGO診斷標(biāo)準(zhǔn)等作為參考，三種診斷標(biāo)準(zhǔn)均采用SCr及尿量作為診斷指標(biāo)，然而，SCr受種族、性別、年齡、飲食、肌肉質(zhì)量、血管內(nèi)容量負(fù)荷和藥物的影響，與腎功能本身并無(wú)關(guān)，即使腎功能降低50%，SCr濃度變化也可能不會(huì)超過(guò)正常值范圍[4]。在預(yù)測(cè)AKI方面，尿量作為診斷標(biāo)準(zhǔn)中不可或缺的參考標(biāo)準(zhǔn)之一，其并沒(méi)有辦法把腎前性、腎性少尿或缺血性、腎毒性腎損傷區(qū)分開(kāi)來(lái)[5]。TRIBE-AKI研究表明，除臨床危險(xiǎn)因素外，使用生物標(biāo)志物人類嗜中性粒細(xì)胞明膠酶相關(guān)脂質(zhì)運(yùn)載蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin，NGAL)時(shí)，CSA-AKI風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)值提高了18%[6]。基于RIFLE，AKIN和KDIGO標(biāo)準(zhǔn)而制定的干預(yù)CSA-AKI措施不能實(shí)現(xiàn)早期干預(yù)AKI，不斷研究CSA-AKI的發(fā)病機(jī)制對(duì)于改善監(jiān)測(cè)，早期制定治療措施從而改善患者術(shù)后的愈后情況[7]。大量的研究表明NGAL、鐵調(diào)素、α-1微球蛋白、血幼素、脂肪酸結(jié)合蛋白等CSA-AKI早期生物學(xué)標(biāo)志物均涉及同一個(gè)關(guān)鍵的機(jī)制，即心臟術(shù)后腎臟由于鐵穩(wěn)態(tài)失衡及脂質(zhì)過(guò)氧化所致的細(xì)胞鐵死亡機(jī)制。有學(xué)者[8]研究表明鐵穩(wěn)態(tài)的破壞是導(dǎo)致CSA-AKI的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制，并且監(jiān)測(cè)游離鐵及鐵穩(wěn)態(tài)相關(guān)的調(diào)節(jié)指標(biāo)可以在早期直觀的反應(yīng)的損傷情況，從而為早期干預(yù)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

2 細(xì)胞鐵死亡的機(jī)制

鐵是人體最豐富的必需微量元素之一，它廣泛參與氧運(yùn)輸、電子轉(zhuǎn)運(yùn)、DNA 合成，細(xì)胞增殖、分化，基因表達(dá)調(diào)控等生命過(guò)程，鐵過(guò)載會(huì)因鐵沉積在重要臟器而對(duì)生存產(chǎn)生顯著影響。身體存在嚴(yán)格的鐵代謝調(diào)節(jié)機(jī)制，以確保體內(nèi)鐵處于鐵穩(wěn)態(tài)[9]。隨著對(duì)鐵代謝研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)大部分鐵過(guò)載都會(huì)對(duì)機(jī)體造成嚴(yán)重?fù)p害。 在鐵過(guò)載狀態(tài)下，過(guò)量的游離鐵在細(xì)胞內(nèi)可催化具有高反應(yīng)破壞性的活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，激活氧化應(yīng)激反應(yīng)，損傷細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)及DNA，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡、組織損傷[10]，最終引起腎臟疾病、肝臟疾病、心血管疾病、阿爾茨海默癥、帕金森病、2 型糖尿病等多種疾病的發(fā)生[11]。Ferroptosis在2012年由Dixon首次提出，其中鐵的參與是這種特殊的細(xì)胞死亡形式的一個(gè)顯著特征，隨著鐵和ROS的獲得，它被定性為非凋亡性過(guò)氧化誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡[12]。鐵死亡不能被細(xì)胞凋亡、細(xì)胞焦亡、細(xì)胞自噬的抑制劑所抑制，卻可以被鐵螯合劑、抗氧化劑等所抑制，因此鐵死亡是鐵依賴性的、以脂質(zhì)活性氧增多為特點(diǎn)的特殊細(xì)胞死亡形式[13]。Ferroptosis總結(jié)起來(lái)是一個(gè)中心，兩種細(xì)胞事件，四個(gè)方面而發(fā)生的：一個(gè)中心即是細(xì)胞脂質(zhì)得過(guò)氧化物累積；兩個(gè)細(xì)胞事件即細(xì)胞抗氧化庫(kù)的破壞和細(xì)胞內(nèi)鐵的增加，導(dǎo)致有毒的脂質(zhì)過(guò)氧化物的累積；四個(gè)方面分別包括鐵的依賴性、活性氧物質(zhì)的產(chǎn)生、細(xì)胞中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(GPx4)的消耗、脂質(zhì)過(guò)氧化物的積累。在形態(tài)學(xué)方面，F(xiàn)erroptosis不具有細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征，沒(méi)有傳統(tǒng)細(xì)胞凋亡時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象如細(xì)胞皺縮、染色質(zhì)凝集、凋亡小體的形成、細(xì)胞骨架的解體等現(xiàn)象的發(fā)生，通過(guò)電子顯微鏡可以觀察到線粒體明顯皺縮伴膜密度增加，這是細(xì)胞凋亡所沒(méi)有的[14]。在生化方面，目前的研究認(rèn)為鐵死亡主要依賴于鐵過(guò)載和GPx4的大量消耗，從而產(chǎn)生細(xì)胞質(zhì)和脂質(zhì)的ROS聚積。腎小管上皮細(xì)胞富含線粒體及細(xì)胞內(nèi)鐵，是活性氧和鐵離子功能極其活躍的部位[15]，對(duì)缺血氧極其敏感，故在CPB之后，腎小管上皮細(xì)胞極有可能以鐵死亡方式參與腎損傷。但是也有人提出，F(xiàn)erroptosis主要發(fā)生在缺血再灌注的哪個(gè)階段目前不能完全精確定位下來(lái)，其研究的心肌缺血缺氧再灌注中發(fā)現(xiàn)不同階段發(fā)生的Ferroptosis發(fā)生率有很大差別，進(jìn)一步的精確定位對(duì)于精準(zhǔn)定位至關(guān)重要[16]。R.Skouta等[17]研究表明，F(xiàn)errostatins(一種Ferroptosis抑制劑)在急性腎損傷模型新鮮孤立腎小管中起到保護(hù)作用，阻止發(fā)生致命性損害，表明在急性腎衰竭中可能存在鐵死亡介導(dǎo)的細(xì)胞死亡。有學(xué)者[18]在研究中指出：利用第3代ferrostatins抑制鐵死亡能削弱缺血再灌注損傷引起的急性腎衰。

3 鐵死亡與CSA-AKI

CSA-AKI的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜且多因素，包括幾種損傷途徑：缺血和再灌注、外源性和內(nèi)源性毒素釋放、炎癥、氧化應(yīng)激和血液動(dòng)力學(xué)因素。這些損傷機(jī)制可能在不同時(shí)間以不同的強(qiáng)度發(fā)揮作用，并可能協(xié)同作用，其中涉及到一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)即是游離鐵的釋放[19]。與非CPB操作相比，CPB期間的缺血再灌注損傷可能在的游離鐵的催化下進(jìn)一步加劇氧化炎癥應(yīng)激。游離不穩(wěn)定鐵能夠誘導(dǎo)腎小管上皮功能的多種變化，如誘導(dǎo)自由基損傷、脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)氧化以及DNA變化等。游離鐵離子催化羥自由基及過(guò)氧化物的產(chǎn)生，并且在酸性pH下更具活性。

3.1鐵穩(wěn)態(tài)失衡在CSA-AKI中的作用 非搏動(dòng)性血流、微栓塞的血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)、血液稀釋及CPB相關(guān)的快速溫度變化，在從完全的CPB血流動(dòng)力學(xué)支持到患者自身心血管系統(tǒng)的完全循環(huán)過(guò)渡期間，可能發(fā)生血流動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定，而這種低心輸出量狀態(tài)將導(dǎo)致全身低灌注及腎缺血[20]。在缺血期間，pH降低或超氧化物誘導(dǎo)的Fe3 +還原導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)合的細(xì)胞內(nèi)鐵的解離，從而增加游離鐵的水平。游離鐵的增加可能導(dǎo)致氧化應(yīng)激和細(xì)胞損傷，導(dǎo)致腎小管壞死。CPB期間的再灌注損傷可能會(huì)給腎臟帶來(lái)額外的鐵，并攜帶上游壞死腎細(xì)胞釋放的鐵進(jìn)一步下降至下一個(gè)腎單位，進(jìn)一步加劇氧化應(yīng)激從而導(dǎo)致組織損傷[21]。 CPB將血細(xì)胞暴露于機(jī)械性的CPB管道系統(tǒng)，外科手術(shù)中吸引裝置，置換的瓣膜假體等非生理表面和剪切力，導(dǎo)致機(jī)械破壞紅細(xì)胞，釋放游離血紅蛋白進(jìn)入循環(huán)[22]。在CPB使用期間觀察到游離血紅蛋白水平增加超過(guò)上生理范圍幾倍，直至手術(shù)后數(shù)小時(shí)[23]。已知的色素性腎病是由血紅蛋白尿和肌紅蛋白尿?qū)е拢贑PB期間血紅蛋白增加與早期術(shù)后腎小管損傷相關(guān)，并且是之后腎功能喪失的發(fā)展顯著獨(dú)立危險(xiǎn)因素[24]。CPB的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)發(fā)生的溶血越多，從而產(chǎn)生更多的游離血紅蛋白。游離血紅蛋白與觸珠蛋白結(jié)合形成一種復(fù)合物，最終經(jīng)過(guò)腎臟代謝而被排出。血紅蛋白由4個(gè)蛋白質(zhì)鏈和4個(gè)血紅素基團(tuán)組成，血紅素結(jié)構(gòu)的中心有氧化還原活性鐵，能夠參與有機(jī)和無(wú)機(jī)氧自由基反應(yīng)，如刺激脂質(zhì)過(guò)氧化和催化形成破壞性羥自由基，隨后導(dǎo)致組織損傷。在存在氧化劑如過(guò)氧化氫和超氧化物的情況下，游離鐵從血紅素分子釋放到循環(huán)中。游離鐵具有催化Haber-Weiss和Fenton反應(yīng)的作用，從而催化超氧自由基和過(guò)氧化氫產(chǎn)生羥自由基。腎小管尿液的典型酸性環(huán)境增強(qiáng)了反應(yīng)性羥基自由基的形成，因?yàn)镠aber-Weiss反應(yīng)是pH依賴性的，當(dāng)pH降低時(shí)右移。在動(dòng)物研究中，游離血紅蛋白的輸注及其向高鐵血紅蛋白的轉(zhuǎn)化過(guò)程中誘導(dǎo)腎臟發(fā)生急性損傷，并且酸性條件將加重這一反應(yīng)[25-26]。堿性條件下輸注血紅蛋白幾乎不會(huì)導(dǎo)致腎損傷，尿堿化可減輕動(dòng)物模型中的腎功能衰竭。生理上，轉(zhuǎn)鐵蛋白是游離鐵再循環(huán)和吸收入血的主要蛋白，轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合游離鐵并最大限度地減少其潛在的毒性。然而在CPB過(guò)后，游離鐵的釋放可能超過(guò)轉(zhuǎn)鐵蛋白的鐵結(jié)合能力。較低水平的術(shù)中鐵結(jié)合蛋白可能反映了CPB期間釋放的催化鐵的能力受損，從而導(dǎo)致腎損傷。研究數(shù)據(jù)顯示鐵穩(wěn)態(tài)在人類缺血再灌注損傷中非常重要，并表明它是心臟手術(shù)期間潛在可改變的風(fēng)險(xiǎn)。此外，游離血紅蛋白能夠清除內(nèi)皮衍生的一氧化氮，導(dǎo)致血管收縮、腎血流量減少、血小板活化、內(nèi)皮素-1表達(dá)增加從而加重AKI。一些游離血紅蛋白也會(huì)通過(guò)腎小球，并出現(xiàn)在尿液中釋放游離鐵(參與活性氧的產(chǎn)生)，并可能導(dǎo)致腎小管阻塞、血紅蛋白鑄型和腎小管細(xì)胞壞死。腎小管的阻塞將導(dǎo)致更長(zhǎng)時(shí)間的內(nèi)吞攝取游離血紅蛋白進(jìn)入近端腎小管細(xì)胞，這與近端腎小管細(xì)胞壞死有關(guān)[25]。此時(shí)，所有鐵結(jié)合抗氧化能力都喪失，游離鐵顯示出更強(qiáng)的促氧化特征[28]。還有證據(jù)表明，活性氧物質(zhì)的產(chǎn)生可能有助于急性腎小管壞死的發(fā)生和持續(xù)損傷狀態(tài)[29]。游離鐵導(dǎo)致的氧化應(yīng)激在AKI的發(fā)展中起關(guān)鍵作用，被認(rèn)為是腎小管損傷的重要原因，游離鐵可能來(lái)自CPB中的溶血或從上游腎小管中受損的線粒體釋放[30]。

3.2針對(duì)鐵毒性的腎臟保護(hù)方法 在急性腎衰竭的大鼠模型中，通過(guò)使用碳酸氫鈉輸注實(shí)現(xiàn)堿化尿液，從而在腎小管中維持較高pH是具有非常大的保護(hù)性意義的。來(lái)自雙盲隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)的證據(jù)表明，用碳酸氫鈉堿化尿可以減輕CSA-AKI，可能直接影響與鐵相關(guān)的毒性[31]。在中性或堿性pH下，游離的鐵離子以不溶的氫氧化鐵形式沉淀，其作為尿液中的惰性復(fù)合物排出。堿性尿液可減少有害羥基自由基的產(chǎn)生和脂質(zhì)過(guò)氧化，碳酸氫鹽直接清除氫氧根離子，并且與氯化物相比作為不易吸附的陰離子，以更快的速度排出，從而減少有害自由基和腎小管之間的接觸時(shí)間。在慶大霉素誘導(dǎo)的AKI大鼠模型中，鐵螯合劑去鐵胺(DFO)可以減輕自由基損傷[32]。DFO是一種鐵離子螯合劑，其防御機(jī)制[33]：(1)去除游離鐵、降低組織中鐵離子濃度，使正常氧下低氧誘導(dǎo)因子-1的降解受到阻礙，并且轉(zhuǎn)錄增加，最終DFO可以通過(guò)增加組織細(xì)胞內(nèi)低氧誘導(dǎo)因子-1的含量來(lái)發(fā)揮對(duì)缺血再灌組織的保護(hù)作用。DFO與鐵結(jié)合形成鐵胺(DFO與鐵的復(fù)合物)，其非常穩(wěn)定且分布在細(xì)胞外空間，不能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，去鐵胺的這種作用是減少腎臟缺血再灌注損傷最重要的原因之一。(2)清除自由基或抑制其形成。DFO自身也是一種自由基清除劑。能與OH·和O2-直接反應(yīng)，它在H2O2存在下被過(guò)氧化物酶氧化形成氮氧化合物，清除過(guò)氧化陰離子。(3)上調(diào)內(nèi)源性抗氧化的保護(hù)作用：DFO可降低腎臟繼發(fā)性損傷后局部組織丙二醛的含量，表明DFO具有較強(qiáng)的抗脂質(zhì)過(guò)氧化能力，上調(diào)內(nèi)源性抗氧化防線。

4 總 結(jié)

綜上所述，心臟手術(shù)過(guò)程中使用到的CPB技術(shù)，本身導(dǎo)致了氧化應(yīng)激的增強(qiáng)，使機(jī)體處于一個(gè)過(guò)氧化狀態(tài)，大量的消耗了抗氧化系統(tǒng)物質(zhì)。而其本身的非生理性管道及非博動(dòng)性血流等將導(dǎo)致紅細(xì)胞的破裂釋放出的大量的血紅蛋白及自由鐵，并使機(jī)體出現(xiàn)缺血再灌注的發(fā)生從而加重氧化應(yīng)激反應(yīng)。機(jī)體出現(xiàn)缺血缺氧損害后，機(jī)體長(zhǎng)期處于一個(gè)酸性的微環(huán)境中，有利于羥自由基的大量生成，并且再次灌注還將帶來(lái)大量的游離鐵，而此時(shí)的鐵穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步失衡導(dǎo)致了大量的脂質(zhì)過(guò)氧化發(fā)生，從而導(dǎo)致了腎小管細(xì)胞特殊鐵依賴性死亡。在缺血缺氧誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞損傷過(guò)程中，鐵死亡可能是腎小管上皮細(xì)胞較早出現(xiàn)的損傷方式，抑制細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生可以減輕缺氧對(duì)腎小管上皮細(xì)胞的損害[34]。因此，鐵死亡可能是CSA-AKI的一種機(jī)制。