自體動(dòng)靜脈內(nèi)瘺功能障礙的機(jī)制

董建華 綜述 葛永純 審校

血液透析(HD)是終末期腎病(ESRD)患者主要的腎臟替代治療方式，功能良好而持久的血管通路是患者順利接受HD的必備條件，因此，血管通路是HD患者賴以生存的生命通道。NKF/KDOQI指南推薦自體血管動(dòng)靜脈內(nèi)瘺(AVF)作為HD患者首選血管通路，其次為移植物血管，最后選擇為中心靜脈導(dǎo)管。血管通路功能直接影響HD患者的生存質(zhì)量，通路功能障礙一直是困擾腎臟科醫(yī)師的重要臨床問(wèn)題。

AVF功能障礙由一系列進(jìn)行性的血管損傷因素所致，主要包括[1]：(1)尿毒癥毒素?fù)p傷血管；(2)AVF建立后血流動(dòng)力學(xué)變化；(3)內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激等因素引起血管狹窄和血栓形成；(4)經(jīng)皮腔內(nèi)血管成形術(shù)(PTA)時(shí)球囊擴(kuò)張機(jī)械性損傷導(dǎo)致血管再狹窄(圖1)。

血管狹窄和血栓形成是導(dǎo)致所有類型血管通路功能障礙的最常見(jiàn)原因，然而，由于目前對(duì)內(nèi)瘺功能障礙的病理生理機(jī)制尚缺乏足夠認(rèn)識(shí)以及有效干預(yù)措施，因而，本文對(duì)自體動(dòng)靜脈內(nèi)瘺血管狹窄的組織病理學(xué)特征、血流動(dòng)力學(xué)因素和分子生物學(xué)機(jī)制在血管通路功能障礙中的作用進(jìn)行綜述，以進(jìn)一步提高對(duì)自體動(dòng)靜脈內(nèi)瘺功能障礙的認(rèn)識(shí)。

ESRD患者血管的病理改變

圖1 血管通路功能障礙進(jìn)程

ESRD患者大多存在高血壓病、糖尿病、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、ANCA相關(guān)血管炎等基礎(chǔ)疾病，加之尿毒癥毒素所致炎癥和氧化應(yīng)激損傷，在建立血管通路時(shí)，這些患者的血管組織往往已存在病理性改變，即內(nèi)膜增生、中膜纖維化和微鈣化。一項(xiàng)AVF隊(duì)列研究在手術(shù)中留取554例靜脈組織標(biāo)本，病理結(jié)果顯示88%的尿毒癥患者存在靜脈內(nèi)膜增生，多為不規(guī)則增厚，其中57%患者內(nèi)膜增生程度超過(guò)管腔面積的20%；免疫組化染色提示增生內(nèi)膜主要由細(xì)胞成分和細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，其中細(xì)胞成分以肌成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞為主，伴少量單核巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)，細(xì)胞外基質(zhì)主要由蛋白聚糖和少量膠原蛋白構(gòu)成；此外，82%靜脈中膜中存在大量膠原蛋白成分[2](圖1A)。盡管如此，大多研究顯示術(shù)前靜脈內(nèi)膜增生與AVF成熟障礙無(wú)關(guān)[4-5]；當(dāng)動(dòng)脈直徑≥2 mm時(shí)，動(dòng)脈內(nèi)膜增生與AVF術(shù)后6周內(nèi)內(nèi)瘺血流量、直徑和內(nèi)瘺成熟障礙亦無(wú)相關(guān)性[6]。

血管中膜纖維化主要表現(xiàn)為Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白沉積，血管硬度增加，其與血管擴(kuò)張和AVF成熟相關(guān)性尚存在爭(zhēng)議。Martinez等[5]發(fā)現(xiàn)術(shù)前靜脈中膜纖維化與AVF成熟無(wú)關(guān)；Allon等[7]亦未觀察到術(shù)前動(dòng)脈中膜纖維化限制AVF成熟。然而，Shiu等[8]研究發(fā)現(xiàn)AVF術(shù)前動(dòng)脈中膜纖維化增加內(nèi)瘺直徑和血流量，促進(jìn)內(nèi)瘺成熟，可能與中膜纖維化增加內(nèi)瘺壓力有關(guān)。

血管鈣化主要累及內(nèi)膜和中膜，動(dòng)脈粥樣硬化以內(nèi)膜鈣化為主，而糖尿病和慢性腎臟病(CKD)患者中膜鈣化更為突出。AVF術(shù)前橈動(dòng)脈和肱動(dòng)脈中膜微鈣化普遍存在[9]，而靜脈全層均可出現(xiàn)不同程度的血管微鈣化，主要位于中膜和內(nèi)膜[10]。Allon等[11]發(fā)現(xiàn)AVF術(shù)前動(dòng)脈微鈣化不能預(yù)測(cè)AVF成熟障礙，但Choi等[12]觀察卻發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈微鈣化與AVF術(shù)后1年內(nèi)內(nèi)瘺失功有關(guān)。因而，術(shù)前血管內(nèi)膜增生、中膜纖維化和微鈣化對(duì)AVF的影響尚存在分歧，仍需進(jìn)一步明確。

血管通路狹窄的組織病理學(xué)特征

AVF成熟過(guò)程中，內(nèi)瘺靜脈會(huì)發(fā)生血管壁增厚和管腔擴(kuò)張兩個(gè)重要變化。內(nèi)瘺狹窄和血栓形成是AVF功能障礙的最主要原因，而動(dòng)靜脈吻合口及吻合口旁靜脈則是最常見(jiàn)的狹窄部位。

靜脈內(nèi)膜異常增生和血管外向擴(kuò)張重塑障礙是引起內(nèi)瘺管腔狹窄的主要病理改變。靜脈狹窄區(qū)域的組織病理學(xué)表現(xiàn)為偏心性新生內(nèi)膜增生，細(xì)胞成分以肌成纖維細(xì)胞為主，收縮性平滑肌細(xì)胞較少[13](圖1B)。血管向外擴(kuò)張重塑在AVF成熟中至關(guān)重要，靜脈中膜纖維化與血管僵硬有關(guān)，影響血管重塑。Martinez等[5]通過(guò)一期AVF手術(shù)(獲取術(shù)前靜脈)和二期轉(zhuǎn)位手術(shù)(獲取內(nèi)瘺靜脈)，觀察靜脈中膜纖維化和內(nèi)膜增生與AVF成熟的關(guān)系。術(shù)后靜脈中膜纖維化程度與AVF成熟不良相關(guān)，內(nèi)膜增生則與之無(wú)關(guān)；而中膜纖維化嚴(yán)重的靜脈(術(shù)后中膜纖維化程度≥48%)，內(nèi)膜增生可導(dǎo)致AVF狹窄。靜脈向外擴(kuò)張重塑可能與靜脈中膜膠原纖維排列有關(guān)。Martinez等[5]將纖維排列整齊程度定義為各向異性指數(shù)(0-完全隨機(jī)，1-排列整齊)，各向異性指數(shù)小提示纖維排列紊亂，年齡大者各向異性指數(shù)小，AVF術(shù)前各向異性指數(shù)0.21±0.08與術(shù)后0.21±0.09相近。將膠原纖維走向與血管軸夾角定義為纖維定向角(0°平行，90°垂直)，纖維定向角大者易導(dǎo)致靜脈向內(nèi)重塑(靜脈舒張不足)，女性和有AVF手術(shù)史者的纖維定向角大；術(shù)后纖維定向角和AVF成熟不良相關(guān)(圖2)。

圖2 自體動(dòng)靜脈內(nèi)瘺靜脈中膜膠原纖維排列(二次諧波發(fā)生成像)[9]

PTA是血管通路狹窄的主要治療方法。PTA通過(guò)球囊擴(kuò)張，使靜脈內(nèi)膜-中膜破裂，解除血管通路狹窄，引起血管重塑。PTA損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞，引起內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞增殖，以及新生內(nèi)膜增生，再狹窄處較初次狹窄內(nèi)膜增生更明顯[3](圖1C)。

血管通路的血流動(dòng)力學(xué)變化

正常靜息狀態(tài)下肱動(dòng)脈平均血流量約50 ml/min，橈動(dòng)脈通常小于25 ml/min，頭靜脈血流量幾乎不可測(cè)得。人體正常血管內(nèi)血流多為層流，血管通路建立破壞了供血?jiǎng)用}壓力梯度的連續(xù)性，在局部創(chuàng)造了一個(gè)高順應(yīng)性、低阻力的血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境，血流表現(xiàn)為湍流。成熟內(nèi)瘺血流量大于500 ml/min，血管因管腔內(nèi)高血流量、高壓力變化產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性適應(yīng)性改變稱為血管重塑。血管壁剪切力和環(huán)向力是影響血管重塑的重要機(jī)械性因素。

血管壁剪切力是血液流動(dòng)對(duì)血管壁的摩擦力(單位dyne/cm2)。人體動(dòng)脈生理狀態(tài)下剪切力在10～70 dyne/cm2。生理范圍內(nèi)的剪切力(15～50 dyne/cm2)，使血管內(nèi)皮細(xì)胞相對(duì)靜止，內(nèi)皮細(xì)胞順血流方向生長(zhǎng)和排列，分泌抗炎和抗凝血物質(zhì)，內(nèi)膜增生受抑制，管腔內(nèi)徑增加，血管良性重塑。非生理性剪切力，即低/振蕩剪切力和高剪切力，均會(huì)影響血管重塑。剪切力<10 dyne/cm2或振蕩剪切力的湍流，可導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞活化、增殖，細(xì)胞形態(tài)紊亂，分泌炎癥和凝血物質(zhì)，引起內(nèi)膜異常增生，血管外向重塑障礙，血管內(nèi)徑狹窄，血栓形成，導(dǎo)致AVF功能障礙[14](圖3)。而剪切力>70 dyne/cm2時(shí)，則會(huì)刺激內(nèi)皮細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)血栓形成[15]。

圖3 不同血流動(dòng)力學(xué)及剪切力對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的影響

Corpataux等[16]發(fā)現(xiàn)6例患者AVF術(shù)前頭靜脈剪切力為5～10 dyne/cm2，術(shù)后最高可升至24.5 dyne/cm2，血管重塑過(guò)程中，內(nèi)瘺靜脈直徑逐漸增大，剪切力在術(shù)后12周逐漸下降至10.5 dyne/cm2。Rajabi-Jagahrgh等[17]研究進(jìn)一步證明，無(wú)論AVF剪切力初始值多少，均會(huì)隨時(shí)間而下降；剪切力下降與靜脈外向重塑和AVF成熟相關(guān)，剪切力增加與靜脈內(nèi)向重塑和AVF成熟障礙相關(guān)。

AVF動(dòng)脈剪切力變化與靜脈不盡相同。28例患者AVF術(shù)前橈動(dòng)脈平均剪切力6 dyne/cm2，術(shù)后動(dòng)脈直徑和流量逐漸增加，剪切力亦升高，術(shù)后100d剪切力達(dá)39 dyne/cm2[18]。

AVF成熟后的吻合口剪切力約36 dyne/cm2，距吻合口25 mm以上剪切力基本恢復(fù)正常，內(nèi)瘺靜脈約10 dyne/cm2、供血?jiǎng)用}約25 dyne/cm2[19]。剪切力高于30 dyne/cm2啟動(dòng)血管損傷，>75 dyne/cm2激活白細(xì)胞黏附，>100 dyne/cm2血小板聚集和血栓形成，>350 dyne/cm2直接造成內(nèi)皮細(xì)胞物理?yè)p傷、血小板黏附[15]。Ene-Iordache等[15]應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬AVF血流動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)低剪切力區(qū)域與內(nèi)膜異常增生位置基本吻合。AVF吻合口根部靜脈內(nèi)側(cè)壁、吻合口旁靜脈內(nèi)側(cè)壁是血流紊亂、低剪切力區(qū)域，也是內(nèi)膜異常增生的部位。環(huán)向力是血管環(huán)狀面承受的張力，由血管壁產(chǎn)生，與血管內(nèi)徑、管壁厚度及血流量相關(guān)。理論上隨著血管重塑，靜脈內(nèi)徑增大、管壁增厚，環(huán)向力會(huì)逐步向術(shù)前基線水平回落。環(huán)向力增高會(huì)引起平滑肌細(xì)胞激活、增殖，細(xì)胞外基質(zhì)成分增多，主要影響靜脈壁中膜厚度。動(dòng)脈環(huán)向力變化與靜脈不盡相同。16例ESRD患者 AVF術(shù)后12周前橈動(dòng)脈環(huán)向力呈增高趨勢(shì)，管腔增大、管壁變薄，52周后環(huán)向力小幅下降，管壁增厚；而肱動(dòng)脈環(huán)向力在術(shù)后52周內(nèi)持續(xù)增高且管壁持續(xù)變薄[21]。

血管通路功能障礙的分子生物學(xué)機(jī)制

內(nèi)膜增生是血管修復(fù)的主要病理生理過(guò)程，血管外膜在內(nèi)膜增生過(guò)程中發(fā)揮重要作用。血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷后血管外膜成纖維細(xì)胞活化、增殖，并通過(guò)中膜遷移至內(nèi)膜，在基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)、生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子調(diào)控下轉(zhuǎn)分化為肌成纖維細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞；肌成纖維細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞在中膜和內(nèi)膜增殖，并合成細(xì)胞外基質(zhì)，形成中膜增厚和內(nèi)膜增生[1]。

內(nèi)皮細(xì)胞損傷是靜脈內(nèi)膜增生的始發(fā)因素。尿毒癥內(nèi)環(huán)境，手術(shù)創(chuàng)傷引起血管痙攣和缺血，靜脈-動(dòng)脈吻合后血流動(dòng)力學(xué)改變，縫線生物不相容，透析穿刺造成血管損傷，球囊擴(kuò)張術(shù)均可引起血管內(nèi)皮損傷。血管向外擴(kuò)張重塑與內(nèi)皮細(xì)胞依賴性血管反應(yīng)相關(guān)，內(nèi)皮細(xì)胞功能和一氧化氮(NO)在AVF成熟過(guò)程中發(fā)揮重要作用。內(nèi)皮細(xì)胞持續(xù)損傷，誘導(dǎo)趨化因子、黏附因子和細(xì)胞因子生成增加，繼而引發(fā)炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致白細(xì)胞黏附、血小板激活、血管平滑肌細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)沉積[23]。NO是一種高效的血管擴(kuò)張劑，高剪切力上調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合酶(NOS)表達(dá)，NO合成和釋放增加，引起血管擴(kuò)張。內(nèi)皮細(xì)胞暴露于15 dyne/cm2的剪切力15 min，NO釋放量較剪切力為0時(shí)增加2倍[24]。NO與過(guò)氧化物生成過(guò)氧化亞硝酸鹽，上調(diào)MMP表達(dá)，MMP可分解纖維蛋白和膠原蛋白，促進(jìn)血管舒張，引起外膜肌成纖維細(xì)胞遷移至中膜和內(nèi)膜，并增殖、分化和生成細(xì)胞外基質(zhì)，在血管向內(nèi)收縮和向外重塑中起重要作用。尿毒癥毒素會(huì)引起內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙及NO活性降低。NO分泌不足會(huì)引起血管擴(kuò)張障礙，過(guò)氧化物缺乏底物無(wú)法合成過(guò)氧化亞硝酸鹽，影響血管重塑，過(guò)剩的過(guò)氧化物損傷血管內(nèi)皮。非對(duì)稱性二甲基精氨酸(ADAM)是一種內(nèi)源性NOS抑制劑，減少NO生成，引起血管內(nèi)皮功能障礙。ADAM為小分子物質(zhì)，蛋白結(jié)合率較高，血液透析清除率低，尿毒癥患者體內(nèi)ADAM蓄積。研究發(fā)現(xiàn)AVF術(shù)前ADAM水平與內(nèi)瘺早期血栓形成和狹窄無(wú)關(guān)[25]，但其高水平與PTA術(shù)后AVF癥狀性再狹窄有關(guān)[26]。

在腎大部切除+AVF大鼠模型中，內(nèi)皮型和誘導(dǎo)型NOS表達(dá)上調(diào)，應(yīng)用非特異性NOS抑制劑N-硝基-L-精氨酸甲酯基精氨酸后，單核細(xì)胞趨化因子1(MCP-1)表達(dá)增強(qiáng)，瘺靜脈內(nèi)膜增生明顯，內(nèi)瘺血流量減少[27]。

氧化應(yīng)激反應(yīng)在AVF成熟早期明顯增加，缺氧誘導(dǎo)因子-1，及其靶基因血紅素加氧酶1(HO-1)表達(dá)增加[28]。HO-1是血紅素分解代謝過(guò)程中的限速酶，在血管壁中具有強(qiáng)大的抗增殖和抗炎作用。HO-1基因敲除小鼠AVF模型，MCP-1、MMP-2和MMP-9表達(dá)顯著增加，靜脈內(nèi)膜增生明顯，導(dǎo)致AVF功能障礙；而野生型小鼠HO-1在瘺靜脈表達(dá)增加，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)、血小板衍生生長(zhǎng)因子(PDGF)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和胰島素樣生長(zhǎng)因子在兩者表達(dá)相似[29]。通過(guò)腺病毒予小鼠AVF模型轉(zhuǎn)染HO-1基因后，HO-1表達(dá)顯著增加、活性上調(diào)，瘺靜脈血流量增加、靜脈壁厚度減少[30]。HO-1在非生理性剪切力狀態(tài)下可提供血管保護(hù)作用[31]。HO-1缺乏誘導(dǎo)促炎和促氧化因子表達(dá)增加，可能是血管內(nèi)膜異常增生、AVF功能障礙的重要因素之一。

MCP-1通過(guò)誘導(dǎo)單核巨噬細(xì)胞向炎癥處聚集、內(nèi)皮細(xì)胞活化、平滑肌細(xì)胞增殖和遷移，在動(dòng)脈粥樣硬化和其他血管疾病中發(fā)揮重要作用。小鼠模型AVF術(shù)后1周靜脈段MCP-1 mRNA和MCP-1表達(dá)增加，伴隨轉(zhuǎn)錄因子NF-κB和AP-1表達(dá)增加，MCP-1主要表達(dá)于內(nèi)瘺靜脈內(nèi)皮細(xì)胞、增殖平滑肌細(xì)胞和浸潤(rùn)白細(xì)胞；而MCP-1基因敲除小鼠模型AVF術(shù)后6周內(nèi)瘺通暢率明顯升高、靜脈壁厚度減少、靜脈直徑增大[32]。血管成形術(shù)后2天MCP-1增加超過(guò)基線水平25%是AVF再狹窄的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子[33]。內(nèi)皮細(xì)胞損傷導(dǎo)致TGF-β1局部高表達(dá)。TGF-β1促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)其表達(dá)α-平滑肌肌動(dòng)蛋白，轉(zhuǎn)分化為肌成纖維細(xì)胞，蛋白聚糖、膠原蛋白、透明質(zhì)酸等細(xì)胞外基質(zhì)合成增加；并介導(dǎo)單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞趨化至損傷部位，誘導(dǎo)單核細(xì)胞向巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化，刺激巨噬細(xì)胞釋放TGF-β1、PDGF、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子等具有促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖和膠原蛋白合成作用的炎癥因子。TGF-β1與AVF內(nèi)膜增生和狹窄程度相關(guān)[34]。糜蛋白酶是貯存在肥大細(xì)胞的分泌顆粒，是已知最強(qiáng)的血管緊張素Ⅰ轉(zhuǎn)換酶，增加TGF-β1表達(dá)和活化。血管緊張素Ⅱ和TGF-β1是刺激血管內(nèi)膜增生的重要因素。CKD5期和ESRD患者靜脈內(nèi)膜和中膜糜蛋白酶表達(dá)增加。CKD5期患者血糜蛋白酶水平呈雙峰分布，血濃度高者靜脈內(nèi)膜表達(dá)亦高，而ESRD患者血糜蛋白酶水平偏低，糜蛋白酶不能被透析器清除，可能與透析后使用ACEI/ARB制劑有關(guān)[35]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)抑制糜蛋白酶可以減輕AVF、球囊擴(kuò)張術(shù)后靜脈內(nèi)膜增生[34]。

目前與血管通路相關(guān)的基因研究主要集中在凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng)、炎癥反應(yīng)以及內(nèi)皮功能障礙。HO-1、MMP、TGF-β1、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶、血管緊張素Ⅱ受體1、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白1、凝血因子V和纖溶酶原激活物抑制劑I等基因多態(tài)性可能是AVF功能障礙的潛在遺傳危險(xiǎn)因素[36]。MicroRNAs(miR)參與血管炎性反應(yīng)、血管內(nèi)膜增生、血管平滑肌細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化的調(diào)控。miR-21、miR-130a和miR-221在AVF狹窄靜脈段中表達(dá)上調(diào)，主要分布在靜脈增生內(nèi)膜，而miR-133和miR-145表達(dá)下調(diào)；血miR-21水平升高是AVF狹窄的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[37]。

綜上所述，自體動(dòng)靜脈內(nèi)瘺功能障礙主要原因是靜脈內(nèi)膜異常增生和血管外向擴(kuò)張重塑障礙引起的內(nèi)瘺靜脈狹窄。低剪切力和高剪切力均會(huì)影響血管重塑。MCP-1、TGF-β、MMP、過(guò)氧化亞硝酸鹽等炎癥和氧化應(yīng)激介質(zhì)，以及基因多態(tài)性在成纖維細(xì)胞、肌成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞活化、增殖和遷移中起重要作用。HO-1、NO可調(diào)控氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)、改善內(nèi)皮功能(圖4)。血流動(dòng)力學(xué)、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、內(nèi)皮細(xì)胞和基因等因素調(diào)控動(dòng)靜脈內(nèi)瘺重塑，通過(guò)干預(yù)上述靶點(diǎn)有望促進(jìn)內(nèi)瘺成熟，延長(zhǎng)內(nèi)瘺壽命。

圖4 動(dòng)靜脈內(nèi)瘺成熟和功能障礙的病理生理機(jī)制