造影劑誘導的急性腎損傷發病機制及診斷相關標志物研究進展

李敏馨，唐利龍，張小榮，張蓮珠，熊煜騁

1 海南醫學院第一附屬醫院老年科，?？?570100；2 甘肅省中醫院腦病科

造影劑誘導的急性腎損傷（CI-AKI）是指在接受造影劑（尤其是碘造影劑）后出現的急性腎功能受損的一種病理狀態，通常在短時間內發生，且與造影劑的使用密切相關。目前臨床上仍普遍沿用改善全球腎臟病預后組織（KDIGO）指南診斷CI-AKI：通常在排除其他病因的情況下，接受碘化造影劑后48~72 h內，血肌酐絕對值升高≥3 mg/L（26.5 μmol/L），或在過去的7 天內血肌酐較基線值升高≥50%，或尿量下降＜0.5 mL/（kg?h），成人持續>6 h，兒童和年輕人持續>8 h，或兒童和年輕人在過去7 天內eGFR 下降≥25%［1］。CI-AKI 是目前僅次于藥物和手術相關的院內獲得性腎損傷的第三大原因［2］。CI-AKI不僅會導致住院時間延長、醫院支出增加，還會增加死亡和殘疾的風險。CI-AKI 的發病機制復雜，與血流動力學改變、氧化應激、細胞凋亡和炎癥反應等多種機制有關。其中，主要原因是造影劑對腎小管和血管內皮細胞的毒性作用，導致腎臟發生炎癥反應和缺血再灌注損傷。近年來，在發病機制方面的研究已取得一些突破，涉及基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學和微生物組學等新興標志物領域。這些有效的檢測指標被用于CI-AKI 的評估和診斷?，F就造影劑誘導CI-AKI 的發病機制及診斷相關標志物研究進展綜述如下。

1 CI-AKI發病的可能機制

1.1 造影劑的直接細胞毒性 CI-AKI 目前發病機制尚未確定。造影劑的直接細胞毒性被認為是導致急性腎損傷的關鍵因素之一。造影劑由于其成分中含有高濃度的碘元素和其他化學物質，具有高水溶性和低毒性，在注射后可直接接觸到腎臟組織，與腎小管上皮細胞發生直接毒性作用，碘與細胞膜蛋白中的氨基酸發生相互作用，導致腎小管刷狀緣和細胞膜的完整性破壞，引發異常激活的生物學過程，包括細胞內鈣、氧自由基和細胞凋亡，導致急性腎損傷的發生。

1.2 腎臟血流動力學改變致腎髓質缺血缺氧 碘造影劑在使用后可引起腎臟血流動力學變化，表現為腎血管阻力的增加和腎小球濾過率降低。首先，腎血流出現由高灌注狀態到低灌注狀態的雙相效應。其次，激活腎小球反饋機制，高滲透性造影劑通過釋放心房鈉尿肽產生利尿、利鈉作用（滲透性利尿），較高的鈉濃度刺激致密斑感受器釋放腺苷和抗利尿激素，收縮傳入小動脈，從而減少腎血流和腎小球濾過率，減少流經致密斑的鈉負荷，腎小管對尿液的濃縮程度降低，使得髓質的濃度梯度減小，髓質內部細胞的滲透壓降低，從而導致髓質耗氧量降低。最后，髓質離心腔壁較遠，髓質灌注壓力取決于腎小球濾過壓和血流動力學科氏力的差值。當血流減少時，腎小球濾過壓降低，導致腎髓質供血不足，引發髓質缺血缺氧。此外，腎實質氧合分布不均勻，在腎皮質氧張力處于20~60 mmHg，而在外髓質和內髓質分別處于15~30 mmHg 和＜15 mmHg 范圍，造影劑可將外髓質氧張力降至10 mmHg，由于Henle's袢髓質厚升支（主要調節尿中的鈉/鉀離子）和外髓的腎近曲小管S3段對氧供需平衡敏感，缺乏足夠的氧供可能導致腎髓質細胞損傷和壞死［3］。

1.3 活性氧（ROS）的細胞毒性誘導腎小管損傷 造影劑由于其特殊的化學結構和物理性質可通過多種途徑生成較多的ROS，其中之一是通過影響線粒體功能，進而影響ROS 的產生和清除。當細胞受到造影劑的刺激，線粒體的膜完整性可能會受損，這會導致線粒體內部的電子傳遞鏈被破壞，導致氧化還原反應受阻，進而產生大量的ROS，ROS具有較強的氧化性，最終導致脂質過氧化、蛋白質變性和DNA 突變等細胞內重要分子氧化損傷。相反線粒體自噬可以通過PINK1/parkin 通路、Nix/BNIP3 通路和FUNDC1 通路介導的過程有效清除受損的線粒體，避免過量的ROS 產生［4］。然而，發生CI-AKI 時這種平衡可能被打破，導致ROS 積累和細胞毒性，進而直接損傷血管內皮。此外，造影劑導致腎髓質缺氧，引起腎實質低氧應激。有研究表明，碘化造影劑給藥后導致Nrf-2（抗氧化酶的轉錄因子）功能的喪失，增強了ROS 的產生［5］。此外，高滲造影劑給藥后患者的尿黃嘌呤增加，黃嘌呤氧化還原酶可通過煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶活性產生ROS，可以降低NO的生物利用度，從而損傷腎小管內皮細胞。

1.4 炎癥反應 在接受造影劑的過程中，造影劑中的碘離子進入血液循環后，會觸發機體免疫系統的炎癥反應。主要包括細胞因子的釋放、炎性細胞的浸潤以及血管內皮細胞的損傷。首先，炎癥反應中的細胞因子起到了重要的調節作用，在CI-AKI 發生時，腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細胞介素-1β（IL-1β）、含有pyrin結構域的蛋白3（NLRP3）炎癥小體和IL-6 等炎癥介質的增加會導致腎臟組織的炎癥反應加劇，進而影響腎功能。其次，腎臟有一個內在的免疫監視系統，如CD11b、CD11c 等，該系統由血管周圍常駐腎吞噬細胞（巨噬細胞和樹突狀細胞）組成，造影劑注入后停留和募集在腎吞噬細胞，通過過量的ROS 和滲透應激等途徑，激活NLRP3 炎性體和IL-1依賴性白細胞募集，再通過腎二肽酶-1 對造影劑的小管重吸收，引起腎小管和小管周圍毛細血管炎癥［6］。這些炎性細胞通過釋放一系列的炎癥介質，進一步促進腎臟組織的炎癥反應。最后，造影劑會損害血管內皮，導致血管內皮屏障破壞，從而增加水分和溶質的滲漏，影響腎小球濾過功能，降低血管的抗炎和抗血栓特性，導致全身和器官特異性不良反應。

1.5 血管內皮細胞及腎小管上皮細胞凋亡 在血管內皮細胞和腎小管上皮細胞中，凋亡是由一系列復雜的信號通路調控的。造影劑可以通過調節抗凋亡和促凋亡蛋白來預防細胞凋亡。當造影劑進入體內時，凋亡的腎小管上皮細胞會引起管型壞死和化學性腎小管病變，進而導致急性腎損傷的發生。造影劑通過特定途徑包括線粒體通路、死亡受體通路和內源性凋亡相關通路等介導細胞凋亡過程。造影劑誘導的細胞凋亡與c-Jun N 末端激酶（JNK）通路相關。JNK 是一個絲氨酸/蘇氨酸激酶，被廣泛認為在細胞應激和凋亡過程中發揮關鍵作用，造影劑可通過活化JNK通路引起凋亡。哺乳動物中的絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）包括JNK、p38 MAPK 和細胞外信號調節激酶（ERK）。HE 等［7］研究表明，高劑量阿托伐他汀通過抑制JNK/p38 MAPK 通路的信號傳導，上調抗凋亡蛋白Bcl-2 和下調促凋亡蛋白Bax 表達，從而減少CI-AKI 細胞凋亡。此外，半胱天冬酶（Caspase）與細胞凋亡密切相關。TSAI 等［8］研究發現，高劑量碘普羅胺引起ROS 生成，抑制AKT 激酶活性及信號通路，誘導死亡受體通路介導的Caspase-9 和Caspase-3/-7 等蛋白表達上調，并導致人胚胎腎細胞（HEK293）凋亡。

1.6 表觀遺傳調控 目前尚無確切的基因被確定為CI-AKI 的直接致病原因。然而，表觀遺傳調控在CI-AKI 的發病過程中可能起到重要調控作用。DNA 甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA 等表觀遺傳調控機制的異常改變可能導致腎細胞損傷和衰竭。如表觀遺傳調控因子Klotho 在CI-AKI 中的降低可能起到關鍵作用。Klotho 是一種高度表達于腎臟中的抗衰老蛋白，包括α、β 和γ 3 種類型，其在腎臟炎癥和氧化應激中起到重要的調節作用。Klotho 基因的啟動子含有典型的CpG 島，如果發生DNA 超甲基化，就會抑制CpG 島從而導致腎臟衰老［9］。研究發現，α 型Klotho 蛋白通過抑制NLRP3 炎性小體的激活來減輕CI-AKI 發?。?0］。組蛋白修飾在CI-AKI 的發病中通過乙?；?、磷酸化、泛素化等修飾方式發揮重要作用。組蛋白修飾可以影響染色質的結構和基因的可訪問性。低氧損傷是CI-AKI的病理機制之一。當造影劑給藥后引起血管收縮和缺血缺氧性損傷時，會激活HK-2 細胞中的缺氧誘導因子-1α（HIF-1α）。血紅素加氧酶-1、轉錄因子FOXP1 和FOXP3a 的磷酸化增加，進一步增加CI-AKI 模型小鼠的氧化應激損傷［11］。HUANG 等［12］研究發現，在缺氧條件下，碘造影劑處理的大鼠模型中，HIF-1α、人附睪蛋白4（HE4）和NF-κB 的表達顯著增加，在沉默HE4 的HK-2細胞中，p65的磷酸化水平降低。此外，非編碼RNA（ncRNA）可能在CI-AKI 中發揮作用。不同類型的ncRNA，如長鏈非編碼RNA（lncRNA）、小核RNA（snRNA）和微小RNA（miRNA），可以通過與mRNA 結合形成調控復合物，參與基因的轉錄和翻譯調控。在CI-AKI中，多種ncRNA 可能發生異常表達，進而影響多個靶基因的表達和功能。通過第二代基因測序分析CI-AKI 大鼠腎臟中的miRNA 表達模式，研究者們發現了41 種差異表達的miRNA，其中19種上調，22種下調［13］。

1.7 造影劑的黏滯性 造影劑的黏滯性也是CI-AKI 的重要因素之一。造影劑在體內引起黏性增高，使得腎小球內腔灌注受阻，導致腎缺血和缺氧。此外，黏性增高還可能導致管腔梗阻，進一步影響尿流動力學。黏性增高還可促使造影劑在腎小管內沉積，直接對腎小管細胞產生毒性作用，損傷腎小管結構和功能。因此，減少造影劑的黏性可以有效降低CI-AKI 的發生率。造影劑的黏性增高是由造影劑分子中的化學結構和黏度決定的。通常情況下，造影劑的黏性與溶液中的溶質濃度呈正相關，即溶質濃度越高，黏性越大。此外，溫度和pH 等因素也可影響黏性，可以通過調整造影劑的配方和濃度，以及使用低溫和適宜的pH 來降低其黏性。目前改善黏滯性的措施如圍手術期水化，在臨床上廣泛應用，取得較好療效。LIU 等［14］在改良水合作用預防CI-AKI 發生的研究中，表明增加血容量，抑制腎素-血管緊張素-醛固酮系統（RAAS）的激活和腎小管球間反饋，通過利鈉、利尿作用可以降低造影劑黏度并減少其滯留時間，從而減少腎臟損傷。

2 CI-AKI診斷的相關標志物

2.1 血漿中的腎小球濾過率（GFR）相關標志物①肌酐清除率（CrCl）：在CI-AKI患者中，CrCl常被用作一個獨立的指標來預測腎臟損傷。②血尿酸（UA）：在CI-AKI 患者中，UA 水平通常會增加，可能與腎小球濾過率的下降有關。③胱抑素C（Cys C）：Cys C是一種天然存在于體內的蛋白質，由有核細胞產生，其主要作用是調節細胞內的蛋白水解。Cys C不受肌肉質量和飲食等因素的影響，與個體因素的差異較小。血漿中Cys C 的代謝和排泄主要由腎臟完成，與腎小球濾過率密切相關。特別適用于早期腎損傷和腎功能下降的監測，對腎損傷預測具有更高的靈敏性和特異性。CHEN 等［15］研究證實，血漿Cys C 對CI-AKI 的診斷準確性優于血清肌酐（Scr），且早期檢測CI-AKI 的最佳Cys C 測量時間為造影劑暴露后24 h。

2.2 血漿中的腎小管損傷標志物 ①線粒體DNA（mtDNA）：線粒體是細胞內的重要細胞器，mtDNA是線粒體損傷后釋放的一種分子模式，參與免疫炎癥、細胞凋亡及線粒體疾病的發生，mtDNA 突變可影響腎小管上皮細胞的能量代謝，導致腎小管損傷。CHENG 等［16］采用熒光定量PCR 檢測CI-AKI 大鼠的血漿mtDNA，血漿mtDNA 的相對豐度越低，提示線粒體破壞越嚴重，說明血漿mtDNA 可作為CI-AKI 患者線粒體破壞和腎損害的生物學標志物。②腎損傷分子-1 （KIM-1）：作為一種膜蛋白，KIM-1主要存在于腎小管上皮細胞的近曲小管部分。KIM-1 在CI-AKI 發病機制中的確切機制尚未闡明，但有研究表明，其有助于巨噬細胞和T 淋巴細胞增殖，增加氧化細胞因子的產生，導致內皮功能障礙和炎癥發生，這與非STEMI 老年患者CI-AKI發生呈正相關，可以作為CI-AKI 的早期預后標志物［17］。③中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白（NGAL）：NGAL是一種存在于中性粒細胞及許多上皮細胞中相對分子質量為25 kD 的脂鈣蛋白，在受損腎單位中特異性表達，通過消耗鐵載體發揮抑菌作用，可以作為腎小管損傷標志物。其比SCr 診斷能力好，可以區分亞臨床形式的腎損害。近期在接受PCI術的45例高?；颊哐芯恐邪l現，CI-AKI 組術前4 h、術后24 h 測定血漿NGAL 其靈敏性和特異性均較高，尤其是亞臨床CI-AKI 患者NGAL 在4 h 顯著升高。說明NGAL 可能是臨床和亞臨床腎損傷早期診斷的可靠生物標志物［8］。

2.3 尿液標志物

2.3.1 尿液中的趨化因子 趨化因子是一類能引導細胞移動和定向遷移的蛋白質。①單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）：低劑量非離子型碘化造影劑可通過磷酸化ERK 誘導肥大細胞增殖，顯著上調MCP-1表達。②血小板激活因子（PAF）：由于造影劑的高滲透壓及離子強度的降低，誘導血小板活化，PAF可作為血管活性炎癥介質。這些趨化因子的增加可能引起炎癥細胞的聚集和腎組織的損傷。

2.3.2 尿液中的代謝產物 在CI-AKI 發展過程中，一些代謝產物在尿液中的濃度發生變化?？梢酝ㄟ^分析尿液樣本中的代謝產物來評估腎功能和損傷程度。①尿酸：造影劑給藥后增加尿酸排泄，可能形成尿酸鹽晶體，增加造影劑的直接毒性作用，損傷腎小管，且高尿酸能激活RAAS 系統，導致腎血管收縮，減少腎血流量和增加血管阻力。②尿素：造影劑可能干擾腎臟中的透明質酸合成，透明質酸在腎小管中有保護作用，減少對尿素的重吸收，從而使尿素在尿液中排泄增加。③尿鈉：造影劑可能對腎小管的重吸收機制產生影響，導致尿鈉排泄增加。④肌酐：造影劑的毒性作用導致腎小球濾過率下降，使肌酐排泄減少。需要注意的是，尿液中這些代謝產物的濃度變化可能因個體差異而有所不同，臨床醫生通常會綜合考慮患者的癥狀、體征和其他實驗室檢查結果做出準確的診斷和治療決策。

3 新興生物標志物

3.1 基因組學和轉錄組學 基因組學和轉錄組學標志物在研究CI-AKI 發病機制和診斷方面發揮重要作用。首先，基因組功能變異與CI-AKI 的相關性可以通過研究單核苷酸多態性（SNP）來揭示。SNP是基因組上常見的DNA 序列差異，可能導致基因表達變化，進而影響相關功能的調控。在諸多CI-AKI研究中，已發現與造影劑相關的腎損傷風險相關基因和SNP，如與氧化應激、炎癥反應、腎小管損傷等相關的基因。轉錄組學分析可以揭示CI-AKI 發生時基因表達的動態變化。轉錄組學研究能全面分析在發病過程中的基因表達模式，并識別與CI-AKI相關的調控通路。通過對腎臟組織或其他相關組織的轉錄組學分析，可以發現在CI-AKI中與炎癥反應、氧化應激、免疫調節和腎小管損傷等相關的基因表達上調或下調。如血漿中miRNA-188、miRNA-30a 和miRNA-30e 的水平顯著區分了CI-AKI 患者和非CI-AKI 患者，提示miRNA 是CI-AKI 的潛在早期生物標志物。BAO 等［19］采用高通量RNA 測序技術探索了lncRNAs 和CI-AKI 之間的潛在聯系，在動脈注射碘化造影劑后12h，共鑒定出910 個差異表達基因，其中415個下調，495個上調。這些lncRNA 主要參與氧化應激和炎癥反應。

3.2 蛋白質組學和代謝組學 在蛋白質組學方面，某些蛋白質在CI-AKI 患者中的表達明顯增加或減少，這可能與腎臟損傷和修復過程有關。DENG等［20］建立了一種新的CI-AKI大鼠模型，通過TMT 蛋白質組學和PRM 技術驗證，通路分析發現16 個顯著差異表達的蛋白質，以及包括SERPINA1、ApoA1、F2、PLG 和HRG 的5 種新蛋白，這些蛋白都與急性反應和纖溶有關。ZHU 等［21］采用LC-MS/MS方法對CI-AKI 患者的尿蛋白進行分析，發現尿中S100P 水平顯著升高，提示S100P 蛋白可能與CI-AKI 的發生相關。這些蛋白質在CI-AKI 的發生過程中可能扮演重要角色，參與內源性防御機制的調節、細胞凋亡、氧化應激和炎癥反應等過程。陳晨［22］通過LC-MS 技術對CI-AKI 患者和對照者尿液樣本進行分析，共篩選出16 種差異表達代謝物，并篩選出與CI-AKI共匹配的11條代謝通路，這些代謝物可以作為CI-AKI 潛在生物標志物，其中精氨酸的生物合成通路和丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸的代謝通路與CI-AKI 最相關。DALILI 等［23］納入66 例接受擇期PCI 術患者，基于核磁共振波譜的代謝組學NMR 技術，確定發生CI-AKI 患者與對照者之間有?；敲撗跄懰?、3-甲基組氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、精氨酸琥珀酸和表-考前列醇組成的6 種尿代謝物組合，可以提高區分血管造影術后腎損傷風險患者的預測價值，還包括苯丙氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸4條代謝途徑具有顯著意義。這些代謝物的異常水平與腎功能損傷密切相關，并且可能與氧化應激、炎癥反應和細胞損傷等病理過程相關。

3.3 微生物組學 微生物組學指通過分析患者體內微生物的組成和功能來評估CI-AKI 的一種方法。微生物組學標志物是指在患者體內存在的特定微生物群落或菌種，與CI-AKI 的發生發展可能存在一定關聯。微生物組學在評估CI-AKI 的發生和預測其嚴重程度方面具有潛力。通過分析患者體內微生物組的變化，可發現與CI-AKI 相關的特定微生物群落。研究顯示，在CI-AKI 患者中，腸道菌群的多樣性和豐度可能會發生改變。通過研究微生物組學標志物，我們可以深入了解腸道菌群與CI-AKI 之間的關系。

目前，SCr 和BUN 等腎功能指標在臨床上被廣泛使用，其弊端是評估腎功能損害的延遲性，容易受年齡、性別、肌肉質量、飲食等因素干擾。因此，研究人員和醫生們正在努力尋找更準確、敏感的標志物來評估CI-AKI 的發生和預后。比如一些備受關注的新標志物抗凝血酶Ⅲ、鈣結合蛋白、視黃醇結合蛋白4，以及相關標志物的聯合檢測指標如淋巴細胞與單核細胞比值（LMR）等也被認為與CI-AKI 的發生和預后有關。研究人員發現，通過將淋巴細胞計數除以單核細胞計數來計算LMR，LMR＜2.52 可預測CI-AKI 發展，靈敏度為66.3%，特異度為55.8%，是臨床容易獲取的標志物［24］。廣泛應用這些標志物還面臨諸多挑戰，如建立標準化的檢測方法和參考范圍，進行大規模的臨床研究以驗證其準確性和可靠性，并解決成本和經濟效益問題，確保這些標志物能有效使用。

綜上所述，各種新型生物標志物及檢測方法，如代謝組學、基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和微生物組學，為識別高危個體、早期診斷CI-AKI 及預測治療提供了參考，這些方法有望比傳統的腎功能檢測指標更省時、更準確、更實用。