膿毒癥所致急性腎損傷的發(fā)病機制研究進展

張志雄，姜 南，趙忠?guī)r，王宇飛，劉天戟*

(1.吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院 重癥醫(yī)學科，吉林 長春130033；2.武警吉林省總隊機動支隊衛(wèi)生隊)

膿毒癥(sepsis)是一種因感染導致的全身炎癥性反應，可引起遠離感染部位的各個器官功能障礙，是導致患者發(fā)生急性腎損傷(AKI)的重要原因之一。一項由23個國家、54家醫(yī)院共同參與的研究結果表明，47.5%的ICU患者AKI病因是由于膿毒癥引起，膿毒癥性AKI嚴重時發(fā)展為急性腎功能衰竭，住院病死率明顯高于非膿毒癥性AKI(70.2%：51.8%)[1]。膿毒癥又是臨床當中嚴重的致死因素之一，致死率約為20%-50%；其合并急性腎功能衰竭(ARF)的發(fā)生率為19%-23%，病死率高達70%[2,3]。因此研究膿毒癥AKI病理機制不僅對降低其死亡率有重要意義，而且可以縮短住院時間、避免消耗大量醫(yī)療資源。膿毒癥誘發(fā)的AKI高病死率與當前對其病理生理學理解的局限性、明確診斷所用時間、以及明確診斷后的治療方案相關[4]。因此膿毒癥AKI的發(fā)病機制以及早期對于膿毒癥所致的急性腎損傷的預防及治療的相關研究已成為重癥醫(yī)學中的熱門話題之一，但膿毒癥致腎功能損傷的確切發(fā)病機制目前仍不清楚，通常認為是多因素致病，本文就近年來相關研究進展作一綜述。

1 腎臟血流動力學改變

導致AKI的常見病因有以下幾種：血容量降低、心力衰竭、嚴重創(chuàng)傷、手術、感染等。因此長期以來，普遍認為腎臟血流的灌注不足可能是導致 AKI 發(fā)生的最重要的原因之一[5]。然而，越來越多的研究結果已證明，膿毒癥所致 AKI 時，患者腎臟血流的灌注并沒有減少，有時甚至是增加的[6,7]。過去近半世紀一直認為，內毒素誘導NO合成酶增加，產(chǎn)生的NO導致血管擴張，并且通過主動脈感受器和心臟壓力感受器，反饋性使中樞分泌精氨酸加壓素，以至于交感神經(jīng)系統(tǒng)、腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)興奮，從而收縮腎血管，造成腎臟血流量減少和腎小球濾過率的下降[8]。 Langenberg[9]等對于膿毒癥相關的動物實驗中作出了總結，159例感染相關AKI中，發(fā)現(xiàn)將近1/3嚴重感染或感染性休克的腎臟血管與全身系統(tǒng)性血管是擴張的，腎血流量并沒有減少，這說明膿毒癥性AKI可發(fā)生于灌注正?；蚬嘧⒃黾拥哪I臟，而不僅僅是灌注不足的腎臟。但這些臨床研究由于動物的異質性、不同誘導膿毒癥方式的干擾，導致這些結果應用于解釋人類膿毒癥時腎血流的變化是不完全一致的。同樣的，Murugan R[10]等對 1800 例肺炎患者的研究發(fā)現(xiàn)，16%-25%病情相對較輕的肺炎患者，雖然血流動力學完全穩(wěn)定，也可能發(fā)生 AKI，由此可見缺血低灌注仍是膿毒癥致急性腎損傷的重要機制，但不是唯一機制。

2 細胞因子及自由基對細胞的損傷

2.1 直接的炎癥損傷

由于膿毒血癥時血液中的內毒素明顯增多，內毒素可經(jīng)三條途徑誘導細胞因子產(chǎn)生致AKI。

2.1.1內毒素脂多糖與脂多糖結合蛋白結合，再與復合物受體(CDl4)結合，使中性粒細胞、單核巨噬細胞、血管內皮發(fā)生復雜的免疫反應，釋放出大量的炎性介質。有觀點認為腫瘤壞死因子(TNF)是介導膿毒癥的關鍵細胞因子之一，可誘導其他炎癥介質產(chǎn)生并相互作用，形成“瀑布樣效應”，這種反應如不能及時終止即形成SIRS，造成腎臟損害。

2.1.2在CDl4的參與下，內毒素直接作用于單核細胞、中性粒細胞及組織中的巨噬細胞等，產(chǎn)生大量細胞因子、花生四烯酸代謝產(chǎn)物、白三烯類、血栓形成成分及其他多種炎性介質使其釋放TNF、IL-1、IL-6、IL-8等細胞因子；這兩種途徑中后者占主導作用[11]。

2.1.3直接作用于腎小管上皮細胞和腎臟局部內皮細胞觸發(fā)Toll樣受體(TLRs)表達增加，直接造成腎小管損害(這可能是膿毒癥引起AKI的機制之一)。這些炎性介質通過介導微血管舒縮功能紊亂、內皮細胞損傷引起腎臟低灌注、腎內血流分布異常、腎小球毛細血管微血栓的形成以及腎組織炎性細胞浸潤，從而損傷腎細胞，引起腎小管和腎小球功能障礙以及組織結構損傷導致ARF。膿毒癥中腎損傷較為典型，其通過相關細胞因子介導，參與炎癥反應，最終產(chǎn)生對全身臟器的損傷[12]。

2.2 缺血再灌注損傷

膿毒癥導致的膿毒癥性休克、內皮細胞損傷、內皮素釋放增多、腎臟微循環(huán)血栓形成，導致腎動脈血流受限，組織缺血、缺氧。當病情緩解后腎臟組織恢復灌注，隨著組織灌注恢復會隨即產(chǎn)生大量的氧自由基及羫自由基。這些自由基主要通過與生物膜表面的不飽和脂肪酸發(fā)生反應導致細胞、線粒體損傷、破壞，引發(fā)缺血再灌注損傷[13]。除此之外氧自由基還可通過某些直接、間接因素造成再灌注損傷，可能有以下幾方面[14]：①直接破壞細胞中的遺傳基因；②影響基因轉錄過程，進一步改變細胞表型；③使有酶活性的蛋白質失活；④與NO結合產(chǎn)生過氧化亞硝酸鹽，損傷血管內皮細胞。

3 凝血功能異常

3.1 凝血和血管內皮細胞功能紊亂

膿毒癥時，細胞及炎癥因子的過度釋放激活凝血因子VII，引發(fā)一系列內源性凝血反應，最終導致纖維蛋白酶原被激活形成大量纖維蛋白沉積在腎小球毛細血管管腔內[15]。由于纖維蛋白的沉積導致腎臟血流條件差、腎小球濾過率降低繼而發(fā)生腎前性腎功能衰竭。有相關研究表明：給予膿毒癥大鼠注射凝血因子VII滅活劑可改善腎功能、減輕代謝性酸中毒、腎小管損傷、炎癥因子浸潤及纖維蛋白沉積等[16]。由于膿毒癥導致機體循環(huán)中蛋白C降低、抗凝血酶Ⅲ濃度下降、內皮細胞血栓調節(jié)蛋白分泌減少、纖維溶解蛋白酶活性受損等導致機體抗凝功能減弱，加之機體產(chǎn)生過多的凝血因子、纖維蛋白等沉積于微循環(huán)中，導致腎小球血流量減少、濾過率下降、腎功能減退[17]。

3.2 微粒與血管內皮細胞的損傷

微粒(microparticles，MPS)是通過胞吐的方式從活化的、凋亡的細胞質膜中生成的[18]?？梢援a(chǎn)生微粒的細胞有多種類型：紅細胞、血小板、單核細胞、血管內皮細胞、血管平滑肌細胞等[19]。MPS所含有的蛋白質、脂質均同源于其親本細胞，細胞膜表面的特異性抗原也同樣源于其親本細胞[20]。除特異性抗原外，其外膜還包含促凝因子：凝磷脂因子及組織因子。其外膜上的組織因子在凝血機制中起主導作用：通過引發(fā)彌散性血管內凝血疾病(disseminated intravascular coagulation，DIC)進一步引發(fā)膿毒癥微循環(huán)血栓形成。因此，MPS被認為具有促炎作用及促進微循環(huán)微血栓的形成[21]。

正常情況下MPS在機體血液循環(huán)中是低量存在的。它們的大量增加與炎癥反應、凝血反應、纖溶系統(tǒng)異常相關聯(lián)。MPS可直接促進腎臟血管內皮細胞生成NO及前列環(huán)素、刺激細胞因子釋放、使單核細胞趨化粘附于腎臟血管內皮細胞。所以，MPS被認為是膿毒癥進展為膿毒癥性AKI的過程中最重要的因素之一。Mezentsev[22]等研究發(fā)現(xiàn)，機體處于感染狀態(tài)時循環(huán)血液中能檢測到大量的MPS，并隨著其對腎臟血管內皮作用的時間的增加，內皮細胞出現(xiàn)復制功能降低、凋亡增加，使得受損的內皮細胞修復效率降低導致腎臟血管內皮功能發(fā)生損害，因此導致腎臟灌注障礙，從而進一步引發(fā)膿毒癥性AKI。

4 腎小管上皮細胞能量代謝的適應性機制

腎小管壞死曾經(jīng)被認為是膿毒癥性AKI導致的重要病理生理改變之一。然而一項調查研究顯示：患膿毒癥性AKI患者的尸檢表明，僅有78%的患者腎小管有局部壞死，余大部分腎小管細胞均為正常細胞[23]。Langenberg[24]等對于綿羊膿毒癥的研究也顯示，膿毒癥性AKI的動物模型并無組織學改變及細胞凋亡相關途徑的激活。以上相關研究說明，雖然膿毒癥對腎臟功能有所影響，但腎小管細胞卻未見凋亡?？梢娔I小管細胞在機體膿毒癥時發(fā)生了一系列的“自我防御機制”[25]。

4.1 能量代謝適應機制

關于能量代謝適應機制，是由于膿毒癥時腎灌注不足導致細胞缺氧而引發(fā)的自我防御機制。相關研究表明，動物模型的膿毒癥AKI中腎小管上皮細胞離子轉運明顯減少。除此之外，在Waltz 等[26]研究中顯示，腎小管上皮細胞能量產(chǎn)生方式由氧化磷酸化向無氧酵解轉化。這一研究為臨床中使用代謝調節(jié)劑減輕代謝性酸中毒以及腎小管細胞損傷提供論據(jù)。

4.2 線粒體自嗜機制

由于膿毒癥時氧化應激反應會使得線粒體產(chǎn)生過量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，造成細胞損傷。這時機體自身啟動相關修復機制來修復受損傷的線粒體，對于不能修復的部分則采用消化、自嗜的途徑來處理，使得線粒體庫重建。文獻報道在大鼠模型的膿毒癥AKI試驗中，3 h內自嗜體水平明顯升高，而相比較自嗜體水平較低的大鼠來說，自嗜體水平高的群體腎小管損傷相對較輕[27]。

4.3 細胞復制周期停止

機體在膿毒癥狀態(tài)下，細胞復制周期停止也是自我防御的機制之一。其一可避免能量及原料用于復制受損的DNA；還可避免復制受損DNA后對機體產(chǎn)生一系列不利的影響[28]。

5 SAKI中的基因差異性及其表達

5.1 基因易感性與多態(tài)性

同樣嚴重程度的膿毒癥患者，卻不一定都發(fā)生SAKI。其原因可能為不同患者所表達的基因有差異，以至于患者對同等程度的膿毒癥刺激反應產(chǎn)生的炎癥因子數(shù)目、種類不同；臨床上表現(xiàn)出的臨床癥狀不同；對相關治療效果反應不同。在一項動物實驗中表明：并發(fā)SAKI的動物模型與未發(fā)生SAKI的動物模型中，腎臟基因表達存在差異性[29]。另一項納入2567例膿毒癥患者的研究表明SERPINA4基因中rs2093266 內含子和 SERPINA5基因中rs1955656內含子與膿毒癥合并嚴重AKI有顯著相關性[30]。上述研究結果提示SAKI的發(fā)病可能具有遺傳性。

同時，相關研究表明：膿毒癥時產(chǎn)生炎癥因子的基因突變是產(chǎn)生SAKI的重要危險因素之一[31]。SAKI患者AG/GC、AG/CC單倍體出現(xiàn)頻率較高，且該單倍體的數(shù)目與SAKI預后密切相關：該單倍體數(shù)量越多發(fā)生多器官功能障礙綜合征的幾率越大、患者死亡風險越高。Jonathan C T LU[32]等研究發(fā)現(xiàn)，有多種炎癥因子基因多態(tài)性與SAKI相關：血管緊張素轉換酶(ACE)I/D、TNF-a-308G/A以及IL-6-174G/C；載脂蛋白EPOEe2/e3/e4；血管內皮生長因子(VEGF)-2578C/A等。其中只有載脂蛋白EPOEe2/e3/e4在多個實驗中被印證與SAKI的發(fā)生相關。

5.2 微小RNA

微小RNA(mi-RNA)是由內源性基因編碼的長度為21-23個核苷酸的非編碼性單鏈RNA分子，由具有發(fā)夾結構的70-100個核苷酸大小的前體mi-RNA通過轉運蛋白進入細胞質，且被核酸酶剪切加工而成，不直接參與編碼蛋白質[33]。其功能主要是直接結合到特定靶基因的3’端非編碼區(qū)(untranslated region，UTR)來影響功能基因的表達，從而對機體各類病理生理過程發(fā)揮重要調控作用。mi-RNA通過特定的信號通路參與了膿毒癥及相關嚴重并發(fā)癥致病過程的調控[34]。

Ge[35]等研究發(fā)現(xiàn)，膿毒癥相關的急性腎損傷患者miRNA-4270及miRNA-4321表達水平較非膿毒癥性AKI患者顯著升高。進一步基因組數(shù)據(jù)庫分析結果顯示，mi-4321主要靶向調節(jié)AKTl、mT0R及N0X5的表達，而miRNA-4270主要參與PPARGC1A、AKT3、N0X5、PIK3C3及WNT1的表達調控，對膿毒癥相關的急性腎損傷患者腎臟組織能量代謝、氧化應激、線粒體功能紊亂、腎小管細胞損傷等起重要作用，從而導致膿毒癥性AKI。在膿毒癥相關的急性腎損傷小鼠模型中，miRNA-107可以靶向結合到雙重特異性磷酸激酶-7(DUSP7)的3’非編碼區(qū)，通過抑制該特異性mi-RNA表達降低小鼠血肌酐水平。wang[36]等又通過在腎小囊臟層上皮細胞中導入磷酸脂多糖構建膿毒癥模型發(fā)現(xiàn)，mi-RNA-128表達顯著降低而miRNA-21表達顯著升高，調控兩者表達可減輕磷酸脂多糖誘導的足細胞損傷。因此通過抑制介導腎損傷的特異性mi-RNA活性可減輕機體膿毒癥時對腎臟造成的損傷，這項研究或將為膿毒癥性AKI治療新靶點提供有力論據(jù)。

6 細胞凋亡

膿毒癥中因缺血、中毒導致的AKI中，局部腎小球、腎小管細胞的損傷并不能引起GFR的明顯下降，而缺血中毒刺激引發(fā)的副損傷可使GFR出現(xiàn)明顯下降。這些刺激誘使促凋亡因子與粒細胞相互作用，使促凋亡因子附著于腎小管上皮細胞，促進腎小管凋亡。Mariano[37]等用燒傷引發(fā)膿毒癥患者的血漿刺激腎小球、腎小管細胞后，均可導致腎小球及腎小管細胞的凋亡或功能異常；且相關研究還表明盲腸穿孔結扎術后，腎組織凋亡細胞增多，且3小時后達到峰值[38]。相關動物實驗證明：膿毒血癥大鼠在注射凋亡因子抑制劑后，心功能不全及心肌細胞凋亡明顯緩解[39]。膿毒癥時腎臟組織細胞凋亡不僅與促凋亡因子相關，還與鈣超載有一定的關聯(lián)：當細胞內鈣離子濃度升高時，將會使鈣依賴性核酸限制性內切酶活化，使核基因裂解成180-200 bp的小片段，使得細胞凋亡[40]。

7 其他因素

患者其自身的遺傳基因易感性、腎毒性藥物的過度使用也是引發(fā)膿毒癥性AKI的重要相關因素。并且其他人體重要器官的損傷也會對膿毒癥性AKI產(chǎn)生一定影響，例如肺損害時會造成組織缺氧及神經(jīng)-內分泌系統(tǒng)的一系列變化，使得腎臟血管收縮，腎血流量減少，進一步導致腎功能損傷。在膿毒癥患者治療中采取機械通氣的時候，將會進一步引起肺內及血液中的炎性介質及細胞因子的釋放，加重腎臟損傷[41]。

綜上所述，膿毒癥合并AKI的發(fā)病機制并未完全研究清楚，通常認為是多因素造成的，主要包括腎臟血流動力學改變、缺血再灌注損傷、直接的炎癥損傷、凝血和血管內皮細胞功能紊亂、細胞凋亡等。臨床上通過多種治療方案來阻斷這些途徑但結果并不完美，可能與動物實驗偏差或其有更為重要的機制存在。