膿毒血癥相關急性腎損傷發生機制的研究新進展

唐凱宏，李博慧，劉春梅，東雪寧，金英玉

(哈爾濱醫科大學附屬第一醫院檢驗科，哈爾濱 150001)

膿毒血癥是指機體在重癥感染時發生失控性系統性炎癥反應，這種過度的炎癥反應導致機體多個器官發生功能障礙甚至器官衰竭，包括腎臟。急性腎損傷(acute kidney injury，AKI)是重癥膿毒血癥患者的常見合并癥，有文獻報道，在重癥監護室，約有50%的膿毒血癥患者發生AKI，病死率高達40%[1]。膿血癥患者合并AKI后增加了患者的住院時間和住院費用，且與不良預后相關，半數幸存者遭受永久性腎臟損傷或慢性腎臟疾病，增加了患者的經濟負擔，降低了患者的生活質量[2]。然而，目前膿毒血癥相關AKI(sepsis associated acute kidney injury，SA-AKI)的病理生理機制仍不明確。由于技術和倫理限制，腎活檢技術應用于AKI患者相對較少，對于AKI的研究也多處于動物及細胞和分子水平，因此對SA-AKI發病機制的了解進展緩慢。但有證據表明，SA-AKI可在缺乏明顯的低灌注跡象的情況下發生，甚至在腎血管擴張和腎血流增加的情況下發生[3]。組織學上，SA-AKI的典型特征表現為腎小管損傷呈斑塊狀、不均質、根尖空泡化樣，但無腎小管壞死和廣泛的細胞凋亡[4]。對于膿毒血癥多層次的研究(人類、動物水平等)發現，AKI發生的病理生理機制主要包括免疫炎癥反應、微循環功能障礙以及相關細胞生物能量代謝改變，這3個過程對于SA-AKI的發生、發展機制可能提供一個新的視角。現就SA-AKI發生機制的研究新進展予以綜述。

1 炎 癥

在膿毒血癥期間，血液循環中的炎癥介質介導宿主細胞損傷，這些炎癥介質是來源于病原體的病原體相關分子模式(pathogen associated molecular patterns，PAMPs)及激活的免疫細胞合成釋放的損傷相關分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)。DAMPs和PAMPs不僅可被免疫系統細胞識別，還可被腎小管上皮細胞(renal tubular epithelial cells，RTECs)通過跨膜或胞質內受體家族識別，這些受體被稱為模式識別受體[5]。根據亞細胞定位，模式識別受體大致可分為以下幾種類型。Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)：TLRs是胞外和體腔的跨膜受體；核苷酸結合寡聚化結構域樣受體；視黃酸誘導基因Ⅰ樣受體：視黃酸誘導基因Ⅰ樣受體是存在于胞質的識別受體。模式識別受體識別PAMPs/DAMPs后激活免疫細胞殺滅微生物是炎癥的開始，細胞合成和分泌促炎細胞因子，如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細胞介素(interleukin，IL)-1α、IL-6和趨化因子，增強表達共刺激因子，激活高效的T細胞，產生花生四烯酸代謝物，并通過組織因子啟動外源性凝血途徑及活化凝血酶的形成，通過內在凝血途徑級聯反應進一步放大血栓形成反應[6]。此外，由于內皮細胞損傷和活化蛋白C的大量消耗等，導致體內固有的抗凝物質減少，出現纖溶和抗纖溶系統失衡，正常血栓形成與纖溶的平衡被細胞因子誘導的纖溶酶原激活物抑制劑1型及纖溶酶-反纖溶酶復合物的增加所打破，導致微血栓的形成，加劇了微循環紊亂[7]。

DAMPs/PAMPs分子量足夠小，可以在腎小球中被過濾，經過濾后進入腎小管管腔的DAMPs/PAMPs可被RTECs表面的TLRs識別，還可通過鄰近的管周毛細血管滲漏影響RTECs，RTECs表面的TLRs識別DAMPs/PAMPs后，引起下游炎癥信號級聯反應、促炎細胞因子和活性氧合成增加以及氧化應激和內皮細胞活化增加[8]。內皮細胞的激活可促進白細胞和血小板的滾動及黏附，從而增加血栓形成和血流連續性改變(間歇性或無血流)的風險[9]。此外，內皮細胞活化與血管通透性和滲漏增加相關，導致腎間質水腫并增加氧氣擴散到RTECs的距離，加劇RTECs氧供不足[10]。除了內皮細胞和血流改變外，RTECs也可能會啟動旁分泌信號，向鄰近細胞發出信號，使其失活，從而在損害細胞功能的情況下使細胞死亡最小化[11]。

血液循環中炎癥細胞因子激活內皮細胞，導致內皮細胞黏附分子表達增加，包括P-選擇素表達增加、細胞內黏附分子-1和血管細胞黏附分子-1表達增加，而這些分子可導致白細胞活化，在炎癥反應中形成惡性循環[12-13]。活化的白細胞可能通過上調毛細血管內整合素、細胞內黏附分子-1和血管細胞黏附分子-1以及選擇素的表達來增加它們對血管內皮的黏附，這一過程可導致微血管血流障礙，刺激促炎細胞因子的釋放(如IL-6和IL-8)；此外，炎癥因子在促凝作用中起重要作用，在嚴重膿毒血癥中，經常發生血小板減少及其他凝血異常，促炎細胞因子(如IL-1、IL-6和TNF-α)具有破壞血管內皮細胞、維持血液流動性的重要功能[14]。相反，一些具有抗凝功能的蛋白質(如抗凝血酶、活化蛋白C和組織因子途徑抑制劑)表達下調，導致凝血酶產生，將纖維蛋白原轉化為纖維蛋白；血管活性介質(如組胺、血小板活化因子和花生四烯酸代謝物)進一步促進纖維蛋白的沉積[15]。IL-1和TNF-α通過抑制活化蛋白C的產生，抑制促凝因子Ⅴa和Ⅷa的活性，進而通過抑制抗凝途徑進一步促進血栓形成；在膿毒血癥患者中，活化蛋白C和其他凝血抑制劑以及抗凝血酶Ⅲ和凝血調節蛋白的血濃度均降低，且其濃度水平與病死率呈負相關[15-16]。

2 微循環紊亂

組織灌注對于任何器官的正常運作都是至關重要的。大多數感染性器官損傷中會有氧供和耗氧量失衡的改變，這可能與全身循環異常無關。幾項實驗和臨床研究均表明，即使在體格檢查及輔助檢查沒有明確顯示體循環血流動力學不穩定的情況下，在膿毒血癥期間仍會發生腎臟微循環改變[3,17-18]。SA-AKI可以在無明顯的低灌注癥狀以及臨床血流動力學不穩定的情況下發生。

微血管功能障礙是指微血管細胞成分(內皮細胞、循環血細胞等)的任何損傷。與微循環紊亂相關的理論包括血流動力學的變化和炎癥。SA-AKI的特點是微循環流動發生了明顯的非均勻分布變化，即毛細血管密度降低、血流連續流動的毛細血管比例減少以及且間歇和停止流動時毛細血管比例增加[19]。多種機制可能導致微循環改變，如內皮損傷、自主神經系統反應、內皮細胞表面糖原的脫落以及凝血途徑的激活等。炎癥介質引起的內皮細胞損傷和內皮細胞表面糖原脫落會增強白細胞和血小板的滾動及黏附，從而降低血流速度，潛在的后果是微血栓形成和毛細血管堵塞的易感性增加以及RTECs暴露于炎癥介質的時間延長[20]。內皮損傷還與血管舒張、血管通透性增加及內皮泄漏有關，由此形成的腎間質水腫可通過增加氧氣從毛細血管到RTECs的擴散距離而加劇其氧供不足，并增加靜脈輸出壓力，從而改變對流，對RTECs的灌注產生顯著影響，而微循環血流動力學在SA-AKI中可能起關鍵作用[21]。在膿毒血癥期間，腎內血流重新分布，促使血液從髓質流出；此外，存在繞過腎小球并將傳入直接連接到傳出小動脈的毛細血管，可能部分解釋了在SA-AKI期間的血液分流，與腎小球濾過率(glomerular filtration rate，GFR)降低有關[19]。血流的再分配和分流的增加可能是SA-AKI中異質缺血性區域存在的機制。

雖然膿毒血癥可引起全身一氧化氮增加，但其最重要的催化劑之一——誘導型一氧化氮合酶在腎臟內的表達呈不均勻分布[22]。因此，誘導型一氧化氮合酶的區域異質性表達可能導致一氧化氮的區域濃度不均，甚至在系統水平升高的情況下，也可能導致部分血管床一氧化氮減少[18]。這一過程直接與膿毒血癥引起的微血管功能障礙的異質性有關，而且可能與分流和缺氧等病理生理現象有關。

3 RTECs能量適應性改變

細胞需要不斷地產生腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)來維持細胞器的最佳功能。氧化磷酸化和糖酵解途徑都產生ATP，但線粒體的氧化磷酸化效率更高，RTECs富含線粒體，而腎臟大部分能量來源于氧化代謝(95%～99%)[23]。線粒體是動態變化的細胞器，能夠適應細胞不斷變化的能量需求，在高代謝器官中對細胞應激的適應變化起著關鍵作用。線粒體除了通過氧化代謝產生ATP外，還在活性氧類的產生和解毒、細胞鈣穩態以及細胞存活和死亡(自噬和凋亡)等細胞過程中發揮重要作用[24]。膿毒血癥時線粒體受損的機制主要包括：組織缺氧導致線粒體水平缺氧，從而驅動腺苷二磷酸氧化磷酸化至ATP；過量的一氧化氮、一氧化碳、硫化氫等直接抑制線粒體呼吸，對線粒體蛋白和脂質膜等結構造成直接損傷；膿毒血癥患者激素水平的改變影響線粒體功能和效能[25]。如果細胞代謝活動在能量不足的情況下繼續進行，則ATP水平下降，細胞死亡途徑被激活；細胞能夠適應能量供應的降低而達到一種穩定狀態，在這種狀態下，通過減少能量需求來防止ATP水平降低，進而保護細胞不觸發細胞死亡，炎癥引起的適應性改變使細胞進入類似于“冬眠”的狀態[26]。

在SA-AKI期間很少有RTECs死亡，這可能是由于在膿毒血癥早期發生的關鍵能量代謝適應，即能量的代謝重編程和重新優先消耗以滿足新陳代謝的重要需求，細胞存活優先于細胞和細胞器功能[27]。多種高能量消耗的功能被下調以節省能量，包括大分子物質合成代謝、近端RTECs功能和細胞復制[28]。除了這種非生命功能受到抑制外，實驗研究還表明，RTECs可能會重新編程大分子物質的代謝，將大分子物質的有氧氧化轉換為有氧糖酵解和氧化磷酸化，以滿足膿毒血癥期間的能量需求[26]。已經有多種理論解釋膿毒血癥期間RTECs的代謝重新編程，大多數研究認為是由線粒體介導的，其特征是能量消耗優化、底物利用的重新編程以及促凋亡的抵消作用[29]。膿毒癥引起的過度炎癥反應與RTECs的優化能量消耗有關，減少RTECs用在非關鍵功能(如蛋白質合成或離子傳輸)的能量，將能量用在維持至關重要的細胞功能(如細胞膜Na+，K+-ATP酶)上，同時通過節省能量避免細胞死亡[23]。在炎癥過程中，腎小管離子轉運蛋白表達下調，導致腎小管離子轉運減少，說明在無細胞死亡的情況下，通過代謝重編程重新優先消耗能量是一種生存的適應機制[25]。目前代謝重新編程的發生機制尚不明確，但有證據表明，一個關鍵的步驟是處理含能量的底物(如葡萄糖和脂肪酸)，在有充足氧氣的情況下，細胞通過氧化磷酸化(或有氧糖酵解)處理含能量的底物，最后進行發酵產生乳酸，這對細胞和宿主的生存能力均有重要的影響[26,28，30]。例如，在膿毒血癥期間，抑制有氧糖酵解和誘導氧化磷酸化可提高存活率，并降低AKI的易感性[22]。暴露于炎癥下的巨噬細胞表現出階段性轉移，早期向需氧糖酵解轉變，后期又向氧化磷酸化轉變[31]。因此，RTECs可能在一定條件下表現為有氧糖酵解與氧化磷酸化之間的切換。功能性線粒體的保存是進行所有代謝變化的必要條件[30]。在膿毒血癥期間，線粒體進入一系列的質量控制過程，線粒體自噬(受損線粒體發出信號并被吞噬入細胞內自噬體的特殊機制)和生物發生(新的功能性線粒體的合成過程)過程可以保護線粒體池，提供必要的能量需求，提高RTECs的存活率[32]。

細胞中最耗能的過程是細胞進行復制(重復細胞的整個基因組、蛋白質組和脂質體)。在細胞周期中，有幾個檢查點用來評估細胞是否有足夠的能量進行復制，如果沒有足夠的能量，細胞將經歷細胞周期阻滯，以避免細胞因能量衰竭而死亡[33-34]。因此，細胞周期阻滯是另一種降低能量消耗的機制，RTECs可能會激活這種機制來重新編程新陳代謝并保護細胞免受感染性損傷。膿毒血癥中存在兩種相關的生物標志物，即組織金屬蛋白酶抑制劑-2 和胰島素樣生長因子結合蛋白-7，是細胞周期阻滯的標志物，也是SA-AKI發展的最佳預測因子[35]。

4 GFR降低與腎小管損傷的關系

炎癥介導的微血管功能障礙、入球小動脈和出球小動脈之間直接連通的分流作用以及毛細血管滲漏可以解釋SA-AKI時GFR降低，但不能說明腎小管損傷和GFR降低這一現象之間的關聯性。GFR與腎小球血流量及腎小球內壓有關，而腎小管損傷和GFR之間可能的聯系機制是腎小管-腎小球反饋(球管反饋)機制。SA-AKI引起的腎小管損傷和功能障礙引起鈉離子和氯離子重吸收障礙，致使致密斑處氯化鈉濃度增加，從而觸發球管反饋，球管反饋作用可使入球小動脈收縮而出球小動脈舒張，引起腎小球內靜水壓降低，從而降低GFR[36]。

5 小 結

炎癥、微血管功能障礙、代謝適應性改變之間存在著復雜的相互作用，是SA-AKI發生機制的最新理論。SA-AKI病理生理機制的研究進展為潛在的新療法提供了思路。盡管近年來SA-AKI的病理生理學研究有了顯著的進展，但對SA-AKI的認識仍存在不足。SA-AKI涉及的病理生理機制復雜多樣，未來的研究仍須將重點放在更好地理解導致S-AKI的機制上，同時簡化從基礎研究、基于大數據的人口研究到臨床試驗的知識轉化。