蛋白質結合的尿毒癥毒素與血液透析患者認知功能的研究進展

李貴友，劉倫志

(湖北民族大學附屬民大醫院 腎病內科，湖北 恩施 445000)

在過去的幾十年中，維持性血液透析(maintenance hemodialysis,MHD)患者的認知功能障礙成為關注的重要問題，其中多達60%～90%患者有一定程度的認知功能障礙[1]。認知功能障礙指各種因素造成的言語、注意、思維、記憶及知覺等高級腦皮層功能的損害。既往有研究表明，在MHD患者中認知障礙的發生率比普通人群中的類似年齡人群約高3倍，認知功能障礙與生活質量差，住院風險和死亡率有關[2-3]。認知功能障礙的病因包括高齡，腦血管疾病，貧血，藥物不良反應和尿毒癥毒素等，其中特別是蛋白結合的尿毒癥毒素(protein-bound uremictoxins,PBUTs)受到了高度關注，血液和大腦中PBUTs的積累可影響認知功能[4]。由于與血液中的白蛋白緊密結合，因此很難通過透析消除，PBUTs的積累可引起腦血管病變和神經變性，前者指其對腦內皮細胞產生直接影響，導致氧化應激，慢性炎癥，動脈粥樣硬化和血-腦屏障異常，后者指其直接神經毒性，對小膠質細胞，星形膠質細胞和神經元的后續作用而促進腦損傷，從而導致認知障礙和癡呆[5-6]。本文就MHD患者中PBUTs對認知功能的作用、機制及其治療現狀的研究進展做一綜述。

1 PBUTs的來源及代謝

1.1PBUTs的來源 尿毒癥綜合征歸因于大量化合物的積累，這些化合物在正常情況下會被腎臟排泄，當這些化合物與生物學功能發生負面作用時，被稱為尿毒癥毒素。歐洲尿毒癥毒素工作組(EUTox)發布的根據生化特性將尿毒癥毒素作如下分類[7]：①小型水溶性化合物：如肌酐、次黃嘌呤及草酸鹽等；②較大的“中間分子”：如甲狀旁腺激素、腫瘤壞死因子α及胱抑素C等；③與蛋白質結合的化合物：如吲哚-3-乙酸(IAA)，對甲酚硫酸鹽(PCS)，吲哚酚硫酸鹽(IS)，苯乙?；劝滨０?PAG)等。其中以與蛋白質結合的化合物，即蛋白結合的尿毒癥毒素(protein-bound uremictoxins，PBUTs)目前總計10大類32種，由于結合方式的差異其與白蛋白親和力也不同，而決定了PBUTs的濃度和特異性。白蛋白可在多個位點結合各種配體，PBUTs主要結合在Sudlow位點Ⅰ或Ⅱ上。據報道，大多數PBUTs通過氫鍵、離子鍵、疏水作用力、范德華力以及位阻因子與白蛋白緊密結合，而3-羥基-4-甲基-5-丙基-2-呋喃丙酸與白蛋白共價結合到Sudlow位點Ⅰ，這種結合導致其構象變化，繼而影響白蛋白的結合特性。

大多數PBUTs是腸源性毒素，由食物中的氨基酸經腸道內細菌作用生成。在MHD患者中由于尿素蓄積以及結腸上皮分泌尿酸和草酸鹽，導致腸道的生化環境發生變化，從而改變了微生物組。此外，抗生素，鐵補充劑質和高纖維食物的限制可能會導致微生物組改變，MHD患者常見的臨床并發癥便秘，使結腸中未消化蛋白質的可用性增加，這有利于厭氧細菌代謝，從而導致更多的尿毒癥毒素產生。MHD患者中的PBUTs由于它們與血漿白蛋白的緊密結合，大大增加了他們的分子量，既不能通過尿液排出，也很難通過透析方式有效的消除，在體液中積累[8]。

1.2PBUTs的代謝 研究已證明，消除蛋白質結合的化合物(包括藥物和內源性毒素)的最終途徑通常由腎臟近端小管細胞分泌，腎近端小管分泌由兩個重要的跨膜途徑組成，首先其促進蛋白質結合的化合物從血液到腎小管細胞，再從腎小管細胞到管腔(尿液)的轉運[9]。對于非腎細胞和近端腎小管細胞，特定的有機陰離子轉運蛋白(organic anion transporter,OAT)推動了這一過程，即rOAT1/Slc22a6和rOAT3/Slc22a8負責腎臟近端小管基底外側膜上尿毒癥毒素的攝取，從腎小管周圍毛細血管分泌到近端小管細胞中的，OAT 首先可能在結合的溶質和蛋白質的解偶聯中起作用[10]。MHD患者腎小管分泌功能障礙會促使PBUTs在體內的蓄積，腦內PBUTs水平較高，通過導致氧化應激，慢性炎癥，動脈粥樣硬化和血-腦屏障異常，對小膠質細胞，星形膠質細胞和神經元的后續作用進，而損害機體各器官系統，如加速腎功能惡化和腎纖維化進展、提高心血管并發癥發生率、導致腎性骨病、加速對神經系統和認知功能損害等[11]。

2 PBUTs與認知功能的相關研究

MHD患者中有多達60%～90%有一定程度的認知障礙，其發生率比類似年齡的普通人群約高3倍，有研究顯示PBUTs與注意力、定向能力、語言、記憶、執行能力、抽象思維、視覺空間、計算力和理解判斷等認知功能有關[4,6,12]。PBUTs引起認知功能障礙機制分為腦血管病變和神經變性組成，前者指通過氧化應激，慢性炎癥，導致血管內皮細胞功能障礙，引起動脈粥樣硬化、高血壓、血管鈣化和血-腦屏障異常等；后者指其直接神經毒性，對小膠質細胞，星形膠質細胞和神經元的后續作用而促進腦損傷，從而導致認知障礙和癡呆。

2.1PBUTs引起腦血管病變導致認知障礙 近年來，我們已經認識到小血管疾病(smallvesseldiseases，SVD)對認知障礙有重要影響，SVD是一種全身性疾病，與彌漫性內皮功能障礙有關，會影響腦供血系統終端的小動脈、毛細血管、微動脈和小靜脈。腦SVD引起局灶性腔隙性腦梗塞和更多的彌散性缺血，稱為腦白質疏松癥，盡管通常無癥狀，但其幾乎占所有認知功能障礙癡呆病例的一半[13]。在MHD患者中，PBUTs通過增加活性氧(reactiveosygenspecies,ROS)的產生和增加炎癥基因[白細胞介素(IL)-6、IL-8、細胞內黏附分子1及細胞趨化蛋白1]的表達來介導氧化應激，這些炎性產物促進血管鈣化，還通過激活芳香族化合物受體(AhR)/p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)/核因子κB(nuclear factor kB,NF-κB)途徑誘導環氧化酶(Cyclooxygenase,COX)-2上調，從而誘導內皮氧化應激和炎癥，加速動脈粥樣硬化的進展，而引發腦小血管疾病[14-15]。PBUTs不僅是血管內皮功能障礙的誘導劑，也可引起引起外周微血管功能障礙，動物實驗評估了PBUTs對小鼠模型中腦微循環功能的影響，并在小鼠體內證明暴露于體外的IS增加氧化應激，通過降低NO水平，誘導的腦內皮細胞功能障礙[16-17]。這些數據表明PBUTs不僅可以在大血管中誘導內皮功能障礙，而且還可以通過增加ROS產生而在腦微血管中誘導內皮功能障礙，而且NF-κB的必需調節因子特異性缺陷可損害內皮細胞，引起毛細血管破壞和低灌注，減少神經-血管偶聯和血腦屏障完整性，血管特異性改變伴隨行為改變，這種現象可能直接解釋腦SVD與認知功能的關系[18]。

MHD患者常伴有高血壓，包含交感神經元的延髓頭端腹外側區(rostral ventrolateral medulla，RVLM)是調節血壓的關鍵區域[19]。根據最近的一項研究，IS和甲基胍通過特定轉運體rOAT3直接刺激大鼠RVLM神經元，產生氧化應激，通過添加抗氧化劑抑制了PBUTs誘導的RVLM神經元的活性，這表明PBUTs誘導的氧化應激在RVLM神經元的激活中起著關鍵作用，PBUTs誘導氧化應激后激活RVLM神經元而引起高血壓[20]。高血壓也是腦小血管疾病發展的主要危險因素，是認知障礙的主要原因之一，靶向治療PBUTs誘導的RVLM神經元的活化，可能是減少高血壓和繼發性認知衰退和癡呆的有效方法[21-22]。RVLM神經元過度活化引起的高血壓等導致周圍血管功能障礙，這改變了正常的血液動力學，可能導致腦血管疾病的發生。

2.2PBUTs引起神經變性導致認知障礙 PBUTs可以直接影響神經膠質功能并引起神經元損傷，也可以誘導神經膠質細胞的氧化應激和炎癥介質產生。星形膠質細胞是中樞神經系統中最豐富的神經膠質細胞，為神經元提供結構，營養和代謝支持，調節突觸活動，并參與有助于神經元發育的多種腦功能，對各種形式的癡呆癥起作用，復雜神經元-神經膠質細胞相互作用障礙是包括神經退行性疾病在內的多種神經系統疾病的重要病理生理機制[23]。神經膠質細胞中由PBUTs引起的氧化應激和炎癥的潛在特定途徑有：①煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶和谷胱甘肽水平變化；②AhR和NF-κB激活；③Nrf2介導的抗氧化反應減少；④激活促炎性介質產生；⑤改變神經膠質增生/細胞周期[24]。此外，IS和將IS與神經毒性聯系起來的神經元損傷之間存在直接聯系，IS和IAA是有效的AhR配體，在大腦中AhR廣泛表達在大腦皮層，海馬和小腦中它與氧化應激或興奮性毒性引起的感覺運動和認知功能障礙有關，PBUTs激活星形膠質細胞中的AhR，促進氧化應激，該結果與人類血管內皮細胞中AhR介導的氧化應激途徑相符。PBUTs還降低了血紅素加氧酶1和NADH脫氫酶1的表達，而導致中樞神經系統細胞中抗氧化防御能力下降和氧化應激誘導損傷。

在PBUTs導致神經變性的病理事件中，小膠質細胞比星形膠質細胞活化更早，它通過釋放炎性介質和活性氧來促進星形細胞活化，另一方面，活化的星形膠質細胞促進遠處的小膠質細胞的活化?；罨男∧z質細胞和星形膠質細胞還釋放多種細胞因子，趨化因子和毒性因子，例如TNF-α、IL-6和NO，所有這些都可能導致神經元毒性并導致侵襲性神經元凋亡，是神經系統疾病神經元喪失中最關鍵的事件[25]。在PBUTs的作用下，星形膠質細胞和小膠質細胞產生混合細胞因子以及誘導型一氧化氮合酶(iNOS)和COX-2等促炎酶，與氧化應激條件一起可以影響并參與神經變性，也可誘導的內皮功能障礙可能導致血腦屏障破壞和白細胞粘附，增加白細胞浸潤到大腦中受損的程度。此外，PBUTs增加了皮質和海馬神經元的神經元細胞死亡，支持了其在神經元丟失中的作用[26,27]。認知功能障礙還與神經元凋亡反應有關，觸發復雜的細胞事件，從而逐漸導致凋亡性和壞死性神經元細胞死亡。幾乎所有的神經系統疾病都涉及氧化應激 ，ROS的積累會導致神經元損傷并引發細胞凋亡，因此，PBUTs還可通過氧化應激增加引起的直接神經毒性作用而促進認知功能障礙[28-29]。

3 降低PBUTs相關措施

3.1限制PBUTs生成 通過增加碳水化合物和纖維化合物以及減少蛋白質攝入量(尤其是色氨酸，苯丙氨酸和富含酪氨酸的食物)，可使PBUTs中的PCS、IS和IAA水平顯著降低。然而，MHD患者很難進行這種飲食，在MHD患者中蛋白質限制會導致營養不良，最近的研究顯示MHD患者蛋白的攝入量應不少于1.1 g/(kg·d)[30]。有研究證明益生元，益生菌和合生素等可調節MHD患者大腸中的微生物群可能會抑制某些PBUTs產生，使血清PCS和IS水平降低，Eidi等[31]在42例MHD患者中使用鼠李糖乳桿菌1個月，Rossi等[32]在37例慢性腎臟病患者中使用6周的合生素治療后，血清PBUTs濃度也明顯降低。已有研究證明，AST-120是一種口服碳吸附劑，可PBUTs在多個器官中的蓄積，Adesso等[33]在18例患者中使用AST-120，減少PBUTs在神經膠質細胞中介導的炎癥反應，炎癥反應可通過激活膠質細胞而引起認知功能損害的變化，如突觸喪失、樹突狀改變、神經元凋亡、神經發生受損、記憶功能障礙和下丘腦功能改變等，AST-120修飾或降低PBUTs具有潛在的治療效果，但仍需進一步大規模的試驗。

3.2白蛋白置換劑提高PBUTs清除率 白蛋白是主要的毒素結合蛋白，具有6個亞結構域 (ⅠA，ⅠB，ⅡA，ⅡB，ⅢA和ⅢB)和九個脂肪酸結合位點。尿毒癥毒素通過非共價鍵與白蛋白結合，這種結合是可逆的，允許其他物質競爭性的與其結合。白蛋白可在多個位點結合各種配體，蛋白結合的尿毒癥毒素主要結合在Sudlow位點Ⅰ或Ⅱ上。Madero等[34]的研究將置換劑型血液透析首次在人體內實行，布洛芬與PBUTs中PCS和IS具有相同的主要白蛋白結合位點，在血液透析期間注入以置換這些毒素，而增加其清除率，基于這次的研究進一步驗證了前期在人體外蛋白結合的尿毒癥毒素的置換劑的功效[35-36]。這是置換劑增的首次人體研究，但布洛芬不是理想的置換劑，因為它不適合長期使用。將來用于臨床高級安全置換劑，應滿足幾個標準：這些物質必須是安全的，長期使用不會在體內積聚，共享相同白蛋白結合位點的有益物質不會發生置換。未來的研究鼓勵尋求安全有效的置換劑，以增強MHD患者中PBUTs的清除。

3.3改善透析療法 在常規血液透析中PBUTs沒有被充分去除，血液透析濾過的清除率在標準高通量血液透析的基礎上只稍有增加。透析液流量的增加提高了強蛋白結合毒素即IS和PCS的還原率和清除率，而對于弱結合毒素，如IAA和對甲酚葡萄糖醛酸，增加血液流量也是有利的。血液透析模型模擬表明，去除蛋白質結合型尿毒癥毒素的其他方法也存在如：①用混合基質膜，十六烷基固定的纖維素珠或者沸石分子篩吸附毒素；②使用白蛋白或活性炭來維持透析液中整個透析液纖維的擴散梯度；③用蛋白結合競爭劑置換白質結合的尿毒癥毒素，以增加游離毒素；④利用高頻電磁場減弱毒素對白蛋白的親和力[37-38]。展望未來，需要將數學建模和臨床實踐研究結合起來，以指導透析技術的發展，從而提高結合型尿毒癥毒的透析清除率。

綜上所述，蛋白結合的尿毒癥毒素與認知功能障礙有關，是影響維持性血液透析患者認知功能的危險因素，需引起臨床工作者和研宄者的重視。故提高對蛋白質結合尿毒癥毒素的認識，發現新的清除方法和透析模式，降低認知障礙發病率，將為防治血液透析患者認知障礙提供新靶點。