膿毒癥相關急性腎損傷的病理生理機制

栗小茹 綜述 李世軍 審校

膿毒癥指機體對感染反應失調引起的危及生命的器官功能障礙綜合征,急性腎損傷(AKI)是其最常見的并發癥。膿毒癥相關急性腎損傷(SA-AKI)占危重癥AKI病例的45%～70%[1],病死率高,預后差,嚴重危害患者生命。其包含由膿毒癥直接導致的AKI和膿毒癥相關因素(如腎毒性藥物、容量狀態、腹腔間隔室綜合征等)間接導致的AKI。近期,《第28屆急性疾病質量倡議(ADQI)工作組共識報告》提議將膿毒癥診斷后7 d內發生的AKI定義為SA-AKI,7 d后發生的AKI可能與初始膿毒癥損傷無直接關系[2]。

SA-AKI的發病機制復雜,尚未完全闡明,有多種因素參與(圖1),表現為多種病理生理機制同時存在,背景易感因素(如合并癥、基因和表觀遺傳等)及耐受力(即宿主減弱組織損傷的能力)之間的復雜相互作用。臨床表型也存在差異,來自早期感染性休克流程化治療(ProCESS)隊列的數據表明,處于改善全球腎臟病預后(KDIGO)標準定義的AKI同一分期的患者,損傷生物標志物陽性的AKI相比損傷生物標志物陰性的AKI,30 d存活率更低[3]。目前尚未有確切、有效的預防和治療手段。本文擬就SA-AKI的病理生理機制研究進展作一綜述。

圖1 SA-AKI的發病機制[4]

微循環障礙

既往認為缺血再灌注損傷導致急性腎小管壞死是SA-AKI發生的主要機制,逐漸有證據表明,在沒有腎臟低灌注,血流動力學穩定,甚至全腎血流量正?；蛟黾拥那闆r下,也可以發生SA-AKI,說明微循環功能障礙可能在腎損傷的發展中起重要作用。多數研究發現,膿毒癥期間管周毛細血管微循環發生明顯的異質性改變,表現為有持續血流血管的比例減少,間斷血流和無血流血管的比例增加。Sun等[5]通過實時測量膿毒癥小鼠的微血流動力學和氧代謝變化發現,膿毒癥導致腎小管周圍毛細血管氧飽和度急劇下降,且伴隨腎臟ATP水平的顯著降低,而管周毛細血管血流和血清肌酐僅輕微改變。表明膿毒癥期間腎臟微循環功能障礙、局部血流淤滯伴隨氧代謝的變化促進了AKI的發生。此外,腎臟微血管內皮細胞損傷、管周細胞損傷缺失參與微循環功能障礙的形成。

內皮細胞損傷血管內皮細胞最早感知毒素刺激,其作為炎癥反應和組織損傷的啟動部位,首先與循環中損傷相關分子模式(DAMP)、病原體相關分子模式(PAMP)結合,激活細胞內信號轉導使腎臟血管內皮細胞表型發生改變,轉變為促炎和分泌表型,可啟動細胞內信號和炎癥介質轉錄,釋放組織因子和促炎細胞因子等進入循環,放大腎臟炎癥損傷;轉變為促黏附表型,可釋放細胞間黏附分子和選擇素分子,與循環的白細胞結合,促進白細胞向腎間質浸潤;轉變為促凝表型,可導致血小板的募集和凝血的激活,從而導致腎臟微血管血栓形成和損傷。Star等[6]通過對早期膿毒癥患者血漿成分進行靶向蛋白質組學分析,發現53種蛋白質與AKI發生相關,進一步行富集通路分析發現,富集的前3條通路與血管內皮調節相關,其分別是血管內皮生長因子受體(VEGFR)1和VEGFR2介導的信號通路、血管生成素受體Tie2介導的信號通路、血小板源性生長因子(PDGF)受體信號通路,說明腎臟血管內皮細胞功能障礙可能先于AKI的發生,提示膿毒癥早期血管內皮細胞保護策略可能有助于防止SA-AKI的進展。

周細胞損傷缺失周細胞間斷包繞在腎小管管周毛細血管管腔外側,作為支持細胞,具有穩定血管、控制張力、維持管周毛細血管微環境的作用。研究證實周細胞是慢性腎臟病(CKD)腎臟纖維化中肌成纖維細胞的主要來源。周細胞通過特定的黏附點、黏附斑、縫隙連接和緊密連接與毛細血管內皮細胞相互作用,進而增強內皮細胞屏障功能。Zhang等[7]在膿毒癥小鼠中發現,膿毒癥時,周細胞脫落、內皮細胞鞘氨醇-1-磷酸受體(S1PR)表達增加,鈣黏蛋白等水平下降,繼而血管內皮屏障破壞及血管低反應性發生。Castellano等[8]在脂多糖(LPS)誘導的豬AKI模型中發現,注入LPS 9 h后,即可觀察到周細胞向肌成纖維細胞轉分化,進而促進腎功能的丟失。因此,深入探索周細胞與膿毒癥微循環障礙的關系將有助于進一步認識SA-AKI的機制。

線粒體功能障礙

腎小管上皮細胞(RTEC)富含線粒體,以維持腎小管對物質重吸收和分秘過程的巨大耗能。SA-AKI早期即有線粒體能量代謝紊亂及功能障礙的發生。代謝重編程指細胞代謝從氧化磷酸化(OXPHOS)轉變為糖酵解供能。膿毒癥早期短時間內,細胞能量代謝切換為有氧糖酵解可在一定程度上緩解能量危機,優化能量供應以維持重要生命活動,確保細胞短期存活,是一種自我耐受機制。一方面,有氧糖酵解使OXPHOS和線粒體活性氧(ROS)產生減少,保護細胞和線粒體免受進一步氧化損傷。另一方面,與氧化磷酸化相比,糖酵解可更快速率產生ATP和代謝合成原料,有助于免疫細胞快速活化、增殖而發揮功能。但是大量研究表明,過度糖酵解也會損害器官細胞功能,Tan等[9]在膿毒癥小鼠和LPS處理的HK-2細胞中觀察到,糖酵解代謝產物乳酸可下調SIRT3和磷酸化AMP活化蛋白激酶(p-AMPK)的表達,抑制自噬并促進細胞凋亡,而有氧糖酵解抑制劑2-脫氧-D-葡萄糖(2-DG)處理后看到相反的結果,改善了膿毒癥引起的腎損傷。另外過度糖酵解也會導致免疫抑制,高水平乳酸可通過多種機制抑制M1型巨噬細胞促炎活性,并促進M2型巨噬細胞發揮過度抗炎作用[10]。因此,糖酵解及時轉換為OXPHOS對于恢復細胞功能非常必要,而SA-AKI期間代謝重編程的靈活轉化以及代謝重編程和各種細胞功能之間的相互作用仍然需要深入探索。

膿毒癥可損害線粒體質量控制機制,如生物發生,融合與裂解,線粒體自噬等,導致線粒體功能障礙。PGC-1α是線粒體生物發生重要的調節因子,膿毒癥時腎小管上皮細胞PGC-1α的表達降低,生物合成減少,抑制線粒體功能的恢復,進而影響腎小管功能。通過誘導pGC-1α可促進AKI改善,如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)可激活Sirt 1的活性,靶向pGC-1α,當補充NAD+前體煙酰胺單核苷酸或NAM,有助于順鉑或缺血誘導的AKI的腎臟保護[11]。線粒體融合與裂解依賴多個信號分子調節,如線粒體融合蛋白(Mfn)、視神經萎縮蛋白(OPA1)和Dynamin相關蛋白1(Drp1)等。膿毒癥時,線粒體分裂過度或融合受阻可使線粒體碎片化,導致線粒體腫脹破裂、ROS激活及線粒體膜通透性改變,促進腎小管損傷。SA-AKI早期,線粒體自噬可清除RTEC中受損的線粒體,減少氧化應激和凋亡,發揮腎臟保護作用。但在后期,完整的自噬體無法形成從而導致受損的線粒體在細胞中積聚,加重腎臟損害。目前已知一些針對線粒體的治療靶點(如腺苷酸活化蛋白激酶、Drp1、Mfn-2、ROS、自噬相關基因Ambral等)已取得一定進展[12],進一步探索線粒體相關靶點,有望實現SA-AKI的早期干預。

免疫功能紊亂

機體感染病原體后,DAMP或PAMP可與免疫細胞、血管內皮細胞、腎小管上皮細胞表面或胞質內的模式識別受體[如Toll樣受體(TLR)、NOD樣受體(NLR)和視黃酸誘導基因蛋白-I(RIG-I)樣受體]結合,啟動下游信號通路,導致大量炎癥介質(如血管活性物質、細胞因子、趨化因子、氧自由基、急性時相反應物質等)釋放,進一步激活細胞固有免疫和適應性免疫系統、補體系統、凝血系統,誘發細胞因子風暴,使組織損傷放大,致使AKI發生。大量研究表明,免疫細胞與腎組織損傷、預后及轉歸緊密相關。自然殺傷(NK)細胞具有細胞毒功能,可釋放細胞毒介質(如穿孔素FasL和顆粒酶)或產生促炎因子(干擾素γ)介導腎血管內皮和小管上皮細胞損傷,Uchida等[13]在接受持續腎臟替代治療的SA-AKI患者中發現,CD56+NK細胞和CD56+T細胞(NKT)上的穿孔素表達增加及NKT細胞上的FasL表達上調,說明穿孔素和FasL通路可能與SA-AKI的發病相關。尿激酶型纖溶酶原激活劑受體(uPAR)是一種糖基化磷脂酰肌醇錨定蛋白,在細菌感染后表達上調,其主要表達于單核細胞和中性粒細胞等固有免疫細胞,與炎癥反應、免疫細胞激活和遷移有關。uPAR通過裂解膜結合形式產生可溶性uPAR(suPAR)。Nusshag等[14]分析了膿毒癥患者血清suPAR水平與AKI嚴重程度的關系,發現suPAR水平>12.7 ng/mL的患者發生腎臟替代治療或死亡的風險最高,調整后的比值比為7.48(95%CI 3.00～18.63)。同樣,他們通過建立多菌膿毒癥小鼠模型,發現suPAR高表達的小鼠腎臟損傷更重、存活率更低,腎臟免疫熒光染色顯示皮質和髓質中有顯著的CD4+和CD8+細胞聚集。而uPAR基因敲除小鼠表現出強大的保護作用,包括腎功能和存活改善。以上說明,免疫反應過程中潛在的病理生理學驅動因素可能對尋找SA-AKI的診斷、預后生物標志物及治療靶點有重要意義。

隨著時間推移,SA-AKI患者可迅速出現嚴重的免疫抑制,表現為免疫效應細胞增殖和功能下降,單核細胞功能障礙,T輔助細胞(Th)免疫表型向Th2表型轉變,調節性T細胞(Treg)擴增,抗炎介質釋放增加,細胞凋亡增加,同時,人類白細胞抗原-DR(HLA-DR)的表達減少及免疫檢查點分子——如T細胞表面的程序性死亡受體1(PD-1)、T淋巴細胞免疫球蛋白黏蛋白3(TIM-3)等——表達增加會進一步加重免疫抑制。這些導致宿主無法根除原發感染,繼發感染概率增加,與患者的預后不良和死亡增加相關。Xu等[15]在盲腸結扎穿孔誘導的膿毒癥小鼠AKI模型中發現,SA-AKI存在腎小管上皮細胞程序性死亡配體1(PD-L1)過度表達和CD3+T淋巴細胞減少,此外膿毒癥時高乳酸水平可上調PD-1/PD-L1通路,誘導SA-AKI中淋巴細胞凋亡而導致免疫抑制。

NOD樣受體蛋白3炎性小體(NLRP3) NLRP3是位于細胞質中一種模式識別受體(PRR),在SA-AKI早期固有免疫和炎癥級聯釋放中充當重要的中間介質。PAMP、DAMP或細胞因子[如白細胞介素(IL)-1β和腫瘤壞死因子α(TNF-α)]作為啟動信號,可以促進細胞核中NLRP3、促IL-1β和促IL-18基因表達。另一方面,線粒體ROS產生、細胞內低鉀濃度或組織蛋白酶B釋放等多種信號可觸發NLRP3激活,使下游caspase-1生成和活化,促進IL-1β和IL-18的成熟與釋放,進而導致腎臟炎癥反應和腎小管損傷。目前研究顯示,在AKI的發生發展過程中,NLPR3可以是多條通路的下游靶點(如P2X7R/TLR/MAPK/mROS-TXNIP/NF-κB/DAPK-NLRP3),激活后發生正性調控進而發揮促炎和促纖維化效應[16]。多種化學成分或藥物可作用于相關通路,抑制NLPR3的激活從而減輕膿毒癥AKI,如苦參堿通過調節PTPN2/JNK/SREBP2通路抑制膿毒癥NLRP3激活,可有效緩解LPS誘導的小鼠膿毒癥癥狀[17]。右美托咪啶可通過α2-AR/AMPK/mTOR途徑增強自噬后抑制NLRP3炎性小體的激活,進而緩解LPS誘導小鼠的腎臟損傷[18]。這些說明抑制NLPR3的激活很有可能成為SA-AKI的有效干預靶點。

microRNA(miRNA) miRNA屬于非編碼RNA家族,作為一種基因調控分子主要參與調節轉錄后翻譯及基因表達的表觀修飾。已知SA-AKI中存在多種miRNA上調或者具有保護作用的miRNA下調,通過靶向相關基因或信號通路(如NF-κB、PTEN和JNK等),促進細胞炎癥、凋亡、焦亡、自噬和氧化應激,加重腎臟損傷[19]。Ji等[20]證明在SA-AKI患兒血清中miR-320-3p水平顯著升高,結合中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白(NGAL)、腎損傷分子1(KIM-1)和急性生理和慢性健康評估(APACHE) Ⅱ評分可有效預測患兒預后。因而miRNA在SA-AKI的靶向治療、早期預測及評估預后方面有極大的應用價值。

細胞外囊泡(EV)EV是由細胞釋放的脂質雙分子層包裹的微粒,里面包含DNA、RNA、miRNA、蛋白、脂質等多種分子和其他細胞質成分,其攜帶的分子在細胞間轉移以傳遞信號、調節靶細胞基因組,并介導多種旁分泌和內分泌作用調節局部或遠處宿主細胞。EV通過發揮來源細胞(如內皮細胞、血小板、小管上皮細胞、巨噬細胞和其他免疫細胞等)的表型作用,或本身作為毒性循環介質,在血管內皮損傷、微血管血栓、炎癥凋亡、巨噬細胞極化、氧化應激、線粒體損傷等方面介導腎臟損傷,促進SA-AKI的發生。Xiang等[21]近期在體內外實驗中研究發現,在SA-AKI中,腎小球巨噬細胞浸潤及外泌體分泌增加,介導腎小球內皮細胞損傷,促進AKI進展。酸性鞘磷脂酶(ASM)是一種表達于溶酶體表面的水解酶,可將神經鞘蛋白水解成神經酰胺,進而在細胞膜表面形成一個彎曲的濃縮平臺,以促進外泌體運輸。研究發現ASM可調節巨噬細胞外泌體的分泌,而抑制巨噬細胞ASM可減少內毒素刺激后外泌體的釋放,表現出對腎臟的保護作用,表明靶向EV及ASM可能是SA-AKI潛在的治療靶點。此外,Liu等[22]在SA-AKI小鼠模型和HK-2細胞中發現,由miR-342-5p修飾脂肪來源的間充質干細胞分泌的外泌體通過轉移miR-342-5p,可以抑制TLR9進而加速自噬,減輕AKI,說明干細胞來源的EV以及工程修飾的EV有望成為治療SA-AKI的有力手段。

自噬在應激誘導(如ROS、內質網應激、缺氧,DNA損傷與免疫信號傳導等)下,細胞可通過自噬降解受損的細胞器和大分子,以維持細胞內穩態。自噬激活存在于各種形式AKI中,是腎小管上皮細胞抵抗損傷和死亡的防御機制。SA-AKI中自噬發生動態變化,Sun等[23]在CLP和LPS誘導的AKI小鼠模型及HK-2細胞中觀察到,毒素刺激后RTEC的自噬水平一過性升高,隨后急劇下降,且自噬抑制伴隨著腎小管損傷組織學評分(基于腎小管刷狀緣消失、腎小管出血、腎小管管型、炎性細胞浸潤、皮質明顯壞死五個方面評估)的增加,而自噬激動劑可減少膿毒癥后腎小管的損害,說明自噬激活對SA-AKI發揮保護作用。研究還發現,白藜蘆醇/槲皮素通過激活去乙?；窼irt1或p53乙?；嚢彼嵛稽c突變,誘導p53去乙?；?可以促進RTEC自噬,減輕SA-AKI。同樣有證據表明,右美托咪定可以通過PI3K/AKT/mTOR途徑激活自噬,以防止膿毒癥誘導的腎損傷[24]。因此,通過藥物誘導自噬可能是SA-AKI潛在的治療方式。

小結:SA-AKI發病機制復雜,是多種病理生理機制、背景易感因素和組織耐受能力之間相互作用的結果。SA-AKI在臨床表型、疾病進展、治療反應等多方面存在異質性,基于尿量和血清肌酐定義的臨床表型難以追溯到特定的病理生理機制。如何將臨床前模型中識別的機制應用于臨床,利用生物標志物將臨床表型與特定病理生理機制相聯系,優化治療提高治療有效性有待進一步探索。