相關標志物對COVID-19并發急性腎損傷及預后的預測價值

馬建芳, 袁開芬, 黃曉玲, 李艷華, 馬 狄

(昆明醫科大學第二附屬醫院全科醫學科, 云南 昆明 650101)

新型冠狀病毒肺炎(coronavirus disease 2019,COVID-19)是由嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus,SARS-CoV-2)感染引起,主要表現為急性呼吸衰竭伴間質性和肺泡性肺炎,也可影響多個器官,腎臟是常見受累的肺外器官,急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)是一組以腎小球濾過率(GFR)突然降低為特征,以血清肌酐(SCr)濃度升高或少尿為表現的異質性疾病。COVID-19住院患者發生AKI的概率高達40%以上,其中20%以上需要腎替代治療,與無AKI的COVID-19患者相比,COVID-19 相關AKI患者的病死率高,AKI是COVID-19患者死亡率的獨立預測因子[1]。目前血清SCr和尿量是臨床評估腎功能的重要指標,但是GFR逐漸降低后,血SCr可能需要48h或更長時間才會升高,缺乏敏感性,尿量減少也可能由于多種因素引起,缺乏特異性,因此,依賴于血SCr和尿量診斷AKI存在滯后性,易使患者錯過最佳治療時機,探索新的相關標志物對早期指導臨床干預治療,降低COVID-19相關AKI的發生率及病死率具有重要意義。最近研究發現,若干新型標志物在COVID-19住院患者亞臨床AKI(尿生物標志物異常,尿量和肌酐無明顯變化)早期識別方面有著良好價值。本文就COVID-19患者急性腎損傷相關標志物做一總結。

1 腎臟損傷標志物

腎臟損傷標志物反映了腎小管或者腎小球損傷,傳統反應AKI的的標志物如肌酐和尿量在發生改變時,腎臟往往已有了微觀形態學和組織學的改變,近年來,KIM-1、NGAL、suPAR、TIMP-2等新型損傷標志物被發現在反應早期腎臟損傷方面具有良好的敏感性和特異性,早期檢測這些指標對臨床預防AKI進一步發展具有重要意義。

1.1腎損傷分子-1(kidney injury molecule-1 ,KIM-1):KIM-1是一種38.7 kDa的跨膜蛋白,主要在腎臟中表達,是近端小管損傷的生物標志物,研究發現,KIM-1是SARS-CoV-2侵襲腎臟的結合靶點,通過細胞外免疫球蛋白變量(extracellular immunoglobulin Variable,IgV)樣結構域介導SARS-CoV-2與腎細胞的結合,并促進病毒內化來損傷腎臟。腎臟結合病毒后,受損腎近端小管中KIM-1數量大幅度增加,24h內可在尿液中檢測到,可作為早期預測COVID-19并發AKI的標志物。Vogel M[2]等一項前瞻性研究表明,有AKI的COVID-19患者尿液中KIM-1水平顯著高于無AKI患者,根據ROC分析,KIM-1檢測COVID-19患者急性腎損傷的AUC為0.81。另外,Yasar E[3]等研究發現,輕、中度COVID-19患者有發生亞臨床AKI的可能,即在SCr和尿量沒有變化的情況下蛋白尿顯著增加,同時伴有KIM-1水平升高。KIM-1既可作為SARS-CoV-2病毒進入腎臟的途徑,也可以作為COVID-19相關AKI的生物標志物,這可能為開發出針對COVID-19特異而有效的干預措施提供有前景的靶點。

1.2中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin,NGAL):NGAL是一種分子量為25 kda的脂質運載蛋白,表達于一些組織器官的中性粒細胞和上皮細胞上,高表達于受損的腎小管上皮細胞,在AKI后2h明顯升高,是AKI的早期標志物。研究顯示尿液NGAL升高是預測COVID-19患者AKI的獨立危險因素,同時也是住院患者死亡相關的強預測因子[4]。一項前瞻性研究發現,當NGAL>45ng/mL時,預測COVID-19危重患者亞臨床AKI的AUC值為0.771[5]。Xu[6]等的研究進一步證明了尿NGAL水平與COVID-19相關AKI的診斷和分期相關,并預測了AKI的持續時間和結局,如死亡、透析、休克和更長的住院時間,在他們的研究中,AKI組尿NGAL水平顯著高于非AKI組(267±301 vs.96±139ng/mL,P<0.0001),且隨著AKI嚴重程度增加,尿NGAL水平的ROC曲線下面積逐漸增加,當尿NGAL水平>150ng/mL時,診斷AKI2～3期的特異度和靈敏度分別為80%和75%。因此,NGAL可作為COVID-19患者并發AKI早期預測、分期及預后的有效指標。

1.3可溶性尿激酶纖溶酶原激活物受體(soluble urokinase plasminogen activator receptor,suPAR):suPAR是尿激酶型纖溶酶原激活物受體(uPAR)的可溶性形式,在炎癥和免疫刺激下,可由uPAR裂解產生,是炎癥、免疫、凝血和纖溶反應交叉的關鍵調節因子,近年來, suPAR作為COVID-19感染的全身中介物,與腎功能障礙相關。一項涉及多國COVID-19患者的多中心觀察性研究指出,隨著suPAR水平的增加,AKI的發病率逐步上升,當suPAR<4.60ng/mL時,AKI發生率為6%,且不需要透析,而suPAR>6.86ng/mL時,AKI發生率為45.8%,其中16.1%的患者需要透析,suPAR預測AKI的AUC為0.741[7]。另有研究證明,測量COVID-19患者的suPAR水平可提高風險分層的準確性,高suPAR水平的患者病情更危重,且住院期間發生呼吸窘迫綜合征(ARDS)、入住ICU和死亡的風險較高[8]。Hayek S[9]等研究表明,高suPAR可能通過調節細胞生物能和增加氧化應激,導致腎近端小管對損傷敏感,使患者易并發AKI,在實驗模型中使用抗suPAR單抗可以消除suPAR對腎臟的不良影響,這表明suPAR調節治療是緩解AKI的一個有希望的治療靶點。未來需要進一步的研究來識別早期COVID-19相關AKI的發生及死亡患者最敏感的分界點,以及發現更多針對高suPAR水平的靶向治療。

1.4金屬蛋白酶組織抑制劑-2(TIMP-2)和胰島素樣生長因子結合蛋白7(IGFBP7):TIMP-2和IGFBP7是兩種由腎小管細胞表達和分泌的細胞周期阻滯蛋白,TIMP-2通過耦合α3β1整聯蛋白刺激p27的表達,IGFBP7直接增加p53和p21的表達,導致短暫的G1細胞周期阻滯,阻止受損細胞的分裂。在小鼠模型和體外研究中,SARS-CoV-2核衣殼(N)蛋白通過smad3依賴的G1細胞周期阻滯機制誘導AKI的發生,這一發現在COVID-19相關AKI患者中得到了支持,即AKI患者的近端小管細胞和尿液樣本中檢測到SARS-CoV-2和SARS-CoV-2N蛋白。TIMP-2和IGFBP-7作為細胞周期阻滯蛋白,反映AKI的損傷前細胞狀態,可作為腎小管細胞早期損傷的生物標志物,尿液中TIMP-2和IGFBP7乘積升高與COVID-19危重患者發生亞臨床AKI有關,且[TIMP-2]×[IGFBP7]值越高,患者發生AKI的時間越短。一項多中心觀察性研究通過測定不同時間點血液和尿液樣本中[TIMP-2]×[IGFBP7]的值,發現納入時尿[TIMP-2]×[IGFBP7]升高對伴有ARDS的COVID-19患者發生中、重度AKI的預測價值最高,截斷值為0.90(ng/mL)2/1000時,AUC、靈敏度、特異度分別為0.89、85%、82%,同時對持續性AKI和RRT也有良好的預測性能[10]。因此,TIMP-2和IGFBP7可以在AKI仍處于早期或亞臨床階段時檢測到AKI,從而進行早期預防性治療。

2 細胞因子相關標志物

細胞因子風暴被認為是COVID-19患者腎損傷的最重要機制之一,血清或者尿液中的抗炎和促炎細胞因子、趨化因子和生長因子等介質水平可以反應腎臟的炎癥、損傷和修復的過程,細胞因子的檢測不僅有利于早期識別AKI,還能作為疾病惡化的預測性標志物。

2.1表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF),EGF是一種含有53個氨基酸的單鏈多肽,在腎臟中由遠端小管上皮細胞產生,調節腎臟細胞生長代謝、腎小球血流動力學及腎損傷后修復。既往研究已證實EGF是預測糖尿病腎病及慢性腎臟病(CKD)發生、發展的有效標志物。Norvik[11]等隨訪了1249名無CKD和糖尿病的普通人,中位隨訪時間為5.6年,發現尿液中EGF低排泄的人群腎小球濾過率(GFR)快速下降和CKD發生的風險更高。最近一項針對COVID-19患者的前瞻性研究進一步證明了尿EGF是亞臨床AKI的良好預測因子,當截斷值為4600pg/mL時,預測AKI的AUC為0.788(95%CI:0.597～0.979,P<0.05),靈敏度為80.00%,特異度為81.82%,同時,EGF與腎應激生物標志物[TIMP-2]×[IGFBP7]負相關(r=-0.73,P<0.001),證明高水平的尿EGF對腎臟具有保護作用[12],這與Menez等[13]對COVID-19住院患者的研究一致,表明尿EGF水平升高與AKI 3期、開始新的透析或死亡的較低風險顯著相關。EGF作為一種非侵入性生物標志物,是預測COVID-19患者亞臨床AKI及預后的可靠指標。

2.2腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)TNF-α是一種功能性的26kDa同源三聚體跨膜蛋白,屬于單核-巨噬細胞相關的促炎細胞因子,TNF-α及其受體(TNFR1和TNFR2)作為免疫系統細胞之間的關鍵通信系統,在腎臟疾病中起著至關重要的作用。在中重度COVID-19住院患者中,與無AKI的患者相比,AKI患者血清中TNF-α水平顯著升高且持續。TNF-α是腎損傷的獨立預測因子,且TNF-α水平隨著疾病嚴重程度增加而升高,血清TNF-α水平能夠將COVID-19患者從輕度、中度和重度至危重度中區分開來。通過前瞻性研究測定血液中可溶性TNFR1和TNFR2水平進一步肯定了TNF-α預測COVID-19相關AKI發生及預后的價值,可溶性TNFR(sTNFR)水平升高與COVID-19患者疾病嚴重程度、AKI的發生發展(AKI階段增加、接受RRT治療以及RRT持續時間)以及入院后30d死亡率顯著相關,當sTNFR 1>2.29 ng/mL,sTNFR 2>11.7 ng/mL時,預測30d死亡率的AUC分別為0.75和0.67。血漿sTNFR參與COVID-19導致AKI的機制尚不明確,在COVID-19患者中,TNF-α水平與AKI相關,sTNFR 1和2可能通過與TNF-α結合后發揮作用,未來還需大量研究進一步明確。

3 生化相關標志物

生化檢驗具有經濟、快速的優點,可用于評估機體器官功能及疾病的診斷與治療,近年來研究發現,CysC、PCT、血清磷、尿白蛋白/肌酐在預測COVID-19相關AKI的發生發展方面具有重要意義。

3.1胱抑素C(Cystatin C,CysC)CysC是一種13kDa的內源性半胱氨酸蛋白酶抑制劑,通過腎小球過濾,不由腎小管細胞分泌,不受飲食、肌肉量、性別或年齡的影響,可作為AKI早期診斷敏感而特異的指標。研究發現,血清CysC對COVID-19患者AKI的早期預測價值優于血清肌酐,截斷值為1mg/L時,預測AKI的AUC為0.96,且具有較高的靈敏度及特異度,分別為90.0%和88.5%[14]。CysC基線水平增加與COVID-19患者疾病嚴重程度和住院死亡的風險獨立相關,然而,血清CysC與COVID-19結局之間的因果關系尚不明確,血清CysC可能是一個潛在的炎癥靶點,以防止COVID-19進展為危重疾病和死亡,而不僅僅代表腎功能,當前結果需要通過更多的基礎和臨床研究進一步驗證。

3.2降鈣素原(procalcitonin,PCT)PCT是降鈣素的116個氨基酸的前體,被廣泛用于細菌感染的特異性炎癥標志物。近年來,有研究發現,升高的PCT水平與SARS-CoV-2感染相關,是預測COVID-19相關AKI和30d住院死亡的良好指標,AUC分別為0.811和0.769[15]。一項基于10項隊列研究的薈萃分析表明,PCT水平與COVID-19嚴重程度呈正相關,高PCT水平可以作為COVID-19患者入住ICU和死亡的早期預測標志物[16]。病毒感染后釋放的細胞因子如干擾素-γ(INF-γ),會導致PCT的下調,分析SARS-CoV-2感染后PCT升高的原因可能是過度的免疫激活和細胞因子風暴引起全身炎癥反應綜合征(SIRS)所致,過度釋放細胞因子進一步導致ARDS或肺外多器官衰竭和死亡,PCT升高另一個合理的解釋是伴有細菌共同感染。因此,PCT作為COVID-19相關AKI的預測因素,反映了疾病的重癥化發展。

3.3血清磷(Phosphorus)血磷是人體內重要的電解質,參與構成ATP和磷酸肌酸等供能、儲能物質,在能量的產生、逆轉過程中起著重要作用。血清磷<0.8mmoL/L即為低磷血癥,Chen[17]等研究顯示,約10%的COVID-19患者入院時出現低磷血癥,且是AKI的獨立危險因素,血清磷水平每降低0.1mmoL/L,患者患AKI的風險就會增加1.34倍(95%CI:1.14～1.58,P<0.001)。Wang[18]等對435例COVID-19患者研究發現,與非低磷血癥組相比,低磷血癥組重癥和危重癥患者的比例較高,住院期間呼吸衰竭的發生率(54.5% vs 32.6%,P=0.013)和死亡率(57.6% vs 15.2%,P<0.001)均顯著較高,且死亡率隨著血清磷水平的降低而逐漸增加,低磷血癥組至隨訪結束的累計生存期明顯短于非低磷血癥對照組(χ2=49.177,P<0.001)。COVID-19患者血磷降低可能與營養攝入不足、腎損傷致磷酸鹽丟失、能量消耗和分解代謝過度有關。目前關于補充磷酸鹽是否可以預防COVID-19相關AKI及改善患者預后的研究較罕見,尚需大量研究來評估。

3.4尿白蛋白/肌酐(Urine albumin/creatinine ratio,UACR)白蛋白是中分子量蛋白,基本上不能從腎小球濾過,在腎小球基底膜濾過屏障損傷或缺陷時,尿微量白蛋白可增高,是腎小球早期損傷的指標,肌酐常用于估算腎小球濾過率(GFR),是診斷AKI的金標準之一,UACR在30～300mg/g之間屬于微量白蛋白尿,是早期腎病的篩查指標。一項前瞻性研究指出,較高的UACR是非通氣COVID-19患者AKI的獨立預測因素(OR=1.48,95%CI:1.043～2.12,P<0.05)[19]。Yildirim[14]等進一步肯定了UACR對AKI的早期預測價值,當UACR>30mg/g時,是預測入院時不符合AKI診斷標準的COVID-19相關AKI的有力指標,AUC為0.95,且具有高度的靈敏性(90.0%)和特異性(87.9%)。因此,UACR可作為COVID-19相關AKI的預測標志物,但仍需進一步探索其在COVID-19及AKI患者病情嚴重程度和死亡方面的預測作用。

4 影像相關標志物

隨著影像學技術的發展和儀器性能的提高,超聲因其便捷、實時、可重復等特點在重癥患者中的應用越來越廣泛,腎臟CT也可對COVID-19相關腎損害進行定性和定量評價,可為臨床尤其是入院時提供有益的參考。

4.1腎阻力指數(renal resistive index,RRI)RRI是通過使用多普勒超聲分析腎葉間動脈血流速度波形獲得的,RRI=[收縮期峰值流速(peak systolic velocity,PSV)-舒張期末流速(end diastolic velocity,EDV)]/PSV。腎血管收縮被認為是AKI的早期表現之一,既往研究表明,高RRI是危重患者ICU入院時第一周內出現AKI 2期和3期的獨立預測因素。Renberg[20]等首次報告了在COVID-19相關AKI患者中測量RRI的有用性,研究指出,與無AKI患者相比,AKI患者的RRI更高(中位RRI:0.72 vs 0.80,P=0.004),并且在AKI 3期患者中差異顯著,且與從AKI發作中恢復的患者相比,有持續AKI發作的COVID-19患者的RRI更高,這表明RRI值隨著腎功能的恢復而降低。Cruz[21]等進一步研究發現,當RRI≥0.7時,COVID-19危重患者有更高的AKI發生率、腎臟替代治療需求和病死率,并且有更高的機械通氣需求趨勢。COVID-19相關AKI患者RRI值升高可能與血栓栓塞和腎微血管病變導致腎臟微灌注減少有關。超聲測量RRI具有快速、可重復和無創等優勢,可用作早期發現AKI進展及其可逆性的參考指標,未來仍需大量研究來確認在入院時高RRI的COVID-19患者是否會受益于旨在預防AKI的干預措施,以及RRI是否有助于監測干預措施的效果。

4.2腎實質衰減(RPA)和腎周脂肪擱淺(PFS)腎實質衰減(renal parenchymal attenuation ,RPA)在非增強CT上表現為腎實質的CT值降低,腎周脂肪擱淺(presence of perirenal fat stranding,PFS)的特征是腎周脂肪密度增加、軟組織豎立、腎周筋膜增厚以及腎周間隙可能存在液體。有研究表明,在非增強CT上,COVID-19患者腎實質的CT值降低,表明COVID-19患者的腎實質可能存在炎癥和水腫。Huang[22]等分析了82例COVID-19患者和80例健康受試者發現,與對照組相比,COVID-19患者的RPA下降,平均RPA值與SCr值呈弱負性相關(r=-0.256),伴有PFS的患者RPA下降更大,SCr水平更高。Russo[23]等研究進一步指出,CT RPA<24HU是COVID-19相關AKI發生的獨立預測因素(χ2=2.77,P=0.014),而PFS的存在與更高的死亡率相關(95%CI:1.12～13.48,P=0.031)。這些結果表明,非增強CT在評估COVID-19相關的腎損害(以PFS和腎實質密度降低為特征)方面具有定性和定量的價值。

5 其他相關標志物

5.1病毒載量(viral load,VL)通過逆轉錄聚合酶鏈式反應(RT-PCR)從采集樣本中提取SARS-CoV-2的RAN,并進行定量分析可以得到病毒載量。研究發現,SARS-CoV-2具有向腎性,且這種向腎性與疾病嚴重程度和AKI的發展有關。Paranjpe[24]等對1049例COVID-19患者的鼻咽拭子樣本進行病毒量化后發現,VL與AKI風險增加相關(aHR=1.04,95%CI:1.01～1.08,P=0.02)。另一項從尿沉渣中提取SARS-CoV-2病毒的研究指出,尿液沉積物中病毒載量較高與AKI發病率和死亡率增加相關[25]。因此,VL可作為預測AKI發展及預后的一個指標。

5.2細胞外囊泡(extracellular vesicles,EVs) EVs是應激條件下由細胞釋放的納米級磷脂雙分子層結構,被認為是很有前途的腎功能障礙預后生物標志物,在COVID-19患者中,EVs參與了病毒感染、傳播、細胞因子風暴以及先天和適應性免疫反應的免疫調節。Medeiros等研究發現,尿EVs升高的COVID-19患者發生腎功能障礙的風險較高,且與疾病嚴重程度相關,當尿液中總EVs>1750count/mL時是預測血液透析的有力指標,AUC、靈敏度、特異度分別為0.93、100%、95.7%。未來還需多中心、大樣本的研究來評估尿EVs預測COVID-19患者相關AKI的效能,以及對死亡率的預測價值。

5.3中性粒細胞外陷阱(neutrophil extracellular traps,NETs)NETs 是由中性粒細胞激活時釋放的一種直徑15～17 nm的染色質纖維網狀結構,主要成分包含dsDNA、組蛋白、髓過氧化物酶(MPO)和中性粒細胞彈性蛋白酶(NE)。NETs釋放(即NETosis)與COVID-19相關AKI有關,Kim[26]等通過測定循環核小體(組蛋白DNA)和MPO-DNA的血漿水平來定量體內NET水平,發現與無AKI患者相比,發生AKI的COVID-19患者血清中NETs水平顯著升高,且NET相關AKI是較高死亡率的有力預測因素。游離DNA (cfDNA)是由NETosis產生的組織損傷標志物,通過前瞻性研究測定循環中cfDNA的水平進一步肯定了NETs對COVID-19相關AKI的預測價值,截斷值為161.3ng/mL時,預測嚴重AKI的AUC為0.82,cfDNA水平也是需要RRT的預測指標(AUC為0.76)。血漿血管性血友病因子(vWF)是炎癥和內皮激活、損傷的標志,上述兩項研究通過評估血清vWF和NETs的關系,進一步證實了血管內NETs可能通過誘導微血管炎癥和血栓形成而導致COVID-19相關AKI的發生。由此可見,NETs作為預測因子,還參與了AKI發病機制,其臨床價值值得被關注。

6 小結與展望

綜上所述,盡管腎臟損傷標志物、細胞因子、生化、影像等因素是COVID-19患者發生AKI以及疾病嚴重程度和不良預后的早期預測指標,特別是新型腎臟損傷標志物的運用,能夠在亞臨床AKI階段或者AKI發生數小時之內即被檢測到,敏感性及特異性高于傳統的腎臟損傷標志物,且KIM-1、suPAR、TIMP-2和IGFBP7是COVID-19相關AKI的潛在致病途徑,阻斷靶點治療有望成為AKI的特異性治療策略。生化指標如CysC、PCT、血清磷等具有快速、簡便、經濟的優點,臨床運用中實用性較高。但是目前大多數研究都是單中心回顧性研究,只有少數受試者,且同時聯合多種標志物預測效果的研究較少,部分標志物在某些醫院中尚未開展檢測,缺乏臨床實踐性,未來仍需要大量前瞻性研究來評估針對各個生物標志物的潛在治療靶點,以及連續監測這些指標來評估干預措施的效果。