脓毒性急性肾损伤和急性肺损伤的分子机制及治疗新进展

徐涛，秦聪综述 张杰审校

脓毒症是ICU患者高病死率的原因之一，它引发机体发生一系列严重的炎性反应，导致循环血流动力学改变和组织损伤，常常可同时引发肾和肺的功能衰竭，所以，当患者同时发生急性肾损伤(AKI)和急性肺损伤(ALI)时，理解二者之间的相互作用及其机制是在脓毒症的发生过程中给予干预，对症支持治疗及阻断其向更严重发展的关键。

脓毒症可导致AKI，肾脏会出现急性肾小管损伤，以肾小管细胞死亡和脱落的坏死细胞进入管腔内为特征[1]。除了与短期病死率有关外，AKI 还与以后发生慢性肾脏病(CKD)、终末期肾衰(ESRD)和长期死亡风险增加有关[2]。脓毒症也是引起ALI的主要原因，并且和更严重的急性呼吸窘迫综合征(ARDS)发生进程相关[3]。其病理进程主要由中性粒细胞依赖的和血小板依赖的肺内皮细胞和上皮细胞屏障损伤引发，这将会导致富含纤维蛋白的组织液、红细胞和中性粒细胞进入肺泡，导致肺泡表面活性物质失活，最终导致组织病变和肺功能降低。AKI、ALI与脓毒症是3个不同的病种，但是在ICU重度感染患者的疾病发展过程中，它们常常同时存在并密不可分，脓毒症是引发AKI和ALI的首要原因，并且诊断中包含有AKI或者ALI的同时，常常也要考虑患者是否有脓毒症。这3种疾病是否由相似的机制联系导致疾病的发生和发展，脓毒症发生时肺和肾是否能够相互影响，潜在的治疗方案有哪些，文章对此进行综述。

1 脓毒性AKI和ALI

1.1 脓毒症 脓毒症的定义为宿主对感染反应失调引起的威胁生命的器官功能障碍(OD)[4]，强调了OD是脓毒症预后不良的关键危险因素，在感染控制之前应及时治疗OD。AKI和ALI均是严重脓毒症患者最常见的OD，使患者的病死率大幅增加[4-5]。因此，应深入分析脓毒性AKI与ALI是否由相似的潜在机制联系导致疾病的发生和发展，并且脓毒症的治疗应该更多地集中在脓毒性AKI和ALI方面。

1.2 脓毒性AKI 鉴于与AKI有关的主要临床病症，包括脓毒症、大手术、心力衰竭和低容量血症都与休克有关[6]，因此传统观点认为，在宏观血流动力学改变的基础上将所有的AKI归因于缺血。然而，越来越多的动物模型和人类研究都表明脓毒性AKI的发生并不是因为肾血浆流量的降低，相反，可以在肾血浆流量增加时发生[7]。组织学上看，脓毒性AKI表现为肾小管细胞损伤伴顶端空泡化，但没有管状坏死和广泛的细胞凋亡[8]。在功能上，脓毒症诱导的AKI表现为肾小球滤过率(GFR)、肌酐清除率急剧降低和尿毒症发展。然而，组织学上并不能完全解释这种功能表型。虽然细胞死亡(坏死或凋亡)不是脓毒症引起的AKI的显著特征，但无论疾病分期、严重程度或器官检查如何，在脓毒症患者和动物中均存在3种主要改变：弥漫性微循环血流异常[9]、炎性反应[10]和细胞对损伤的适应性反应[11]。

1.3 脓毒性ALI 脓毒症除了能诱导AKI外，还能引起ALI和ARDS。脓毒性ALI的病理生理学机制是多种细胞和通路参与的炎性反应的过度激活，其典型表现有严重的肺炎，肺泡充满富含蛋白的水肿液，肺泡毛细血管通透性增高所致的弥漫的双肺浸润，严重的低氧血症和肺顺应性性降低。ALI的发生发展主要危险因素是脓毒症合并低血压、凝血功能障碍和多器官功能障碍[12]。而ARDS可能在多种临床情况下出现，特别是在脓毒症患者中，是脓毒症的常见并发症，已被认为是脓毒症死亡的主要原因。

患者患有ARDS时常常伴随着AKI的发生，当二者同时发生时，总体病死率显著增高[13]。并发AKI和病死率增加之间的关系并不完全清楚，但并发AKI时，患者所需机械通气和住院时间明显加长。

1.4 细胞和分子机制及其内在联系 在脓毒症中，炎性介质来源于病原体和激活的免疫细胞，它能刺激免疫系统对抗感染，也介导宿主细胞损伤。损伤或病原体相关的分子模式(DAMPs/PAMPs)不仅可以通过免疫识别系统的细胞识别，而且可以通过模式识别受体(PRRS)来识别上皮细胞和实质细胞。PRRS包括Toll样受体(TLR)、NOD样受体和RIG-I类受体。Toll样受体家族蛋白(TLRs)在调控天然免疫应答中发挥重要作用[14]。它们是单一的非催化型跨膜受体，识别来自入侵病原体的结构保守分子。TLR-4在AKI和ALI中均发挥关键的炎性反应作用[15-16]。脓毒症患者TLR-4和TLR-2的表达与健康人相比有显著上调[17]。肺和肾均为高血流量器官，肺接收全心输出量，而肾也接收22%的心输出量。此外，在发生脓毒症时，两个器官广泛的毛细管网络直接暴露在循环炎性介质、中性粒细胞和单核细胞下，这使两个器官处于损伤危险之中。

1.4.1 脓毒性AKI的细胞和分子机制： 脓毒症引起整个机体微循环流量的变化，肾脏也不例外。这种变化的特征是流动的不均匀性显著增加,具有缓慢流动或停止流动的毛细血管的比例增加[18]。这增加了活化的细胞因子溢出白细胞的时间，这可能为这些区域中炎性介质的扩增提供了时间。Holthoff等[19]在小鼠盲肠结扎穿孔术后6 h，发现毛细血管中的红细胞(RBC)速度显著降低。正如RBCs一样，激活的白细胞通过这些微血管流动缓慢的区域也降低了它们的速度并增加了通过时间，这表明脓毒症诱导的微血管功能障碍产生管周流速缓慢的区域，这可能是炎性反应信号放大的中心。此外，有证据表明，在这些周围毛细血管中，炎性分子如细胞黏附分子ICAM-1和血管细胞黏附分子VCAM-1的上调，也有助于延长白细胞转运的时间[20]。

来自远处损伤或感染部位的DAMPs和PAMPs可通过肾小球滤过或通过肾小管周毛细血管内吞作用进入肾小管[21]。 此外，脓毒症可诱导肾脏广泛表达TLR-4，而DAMPs/PAMPs可被肾小管上皮细胞通过TLR-4主动识别，并激活TLR信号通路下游的NF-κB，NF-κB是炎性基因TNF-α、IL-1β、IL-6等的关键转录调控因子。大量研究表明NF-κB的激活可促进这些炎性基因的转录，触发炎性级联反应，在多种炎性疾病中发挥重要作用[22-23]。Pahl等[24]首次报道核NF-κB (p65)的激活是通过内质网(ER)的信号途径介导的。ER是负责蛋白质合成、折叠和成熟的重要细胞器，对感染、烧伤、创伤等各种内源性和外源性有害刺激极其敏感，可进一步导致ER管腔紊乱，称为ER应激。已有研究证明，3种ER驻留跨膜蛋白的激活，即PKR样ER应激激酶(PERK)、活化转录因子6(ATF6)和肌醇需求酶1(IRE1)介导ER应激信号通路[25]，参与多种疾病的发生，包括脓毒症。NF-κB(p65)的激活受上述3个分支途径的调控。因此，改善ER应激可能有利于抑制早期炎性反应，进一步改善脓毒症AKI的预后。DAMPs和PAMPs与肾小管上皮细胞之间相互作用还能产生氧化应激反应，同样可使NF-kB、AP-1等氧化还原反应敏感的转录因子激活，导致大量的促炎因子和趋化因子的产生，从而加重了炎性反应。此外，一氧化氮(NO)在微血管功能障碍发生和AKI病理生理中的具有潜在作用。脓毒症时，全身性的NO大量产生，并诱导一氧化氮合酶(iNOS)的表达[26]。然而，一氧化氮、微血管功能障碍和AKI之间的关系可能并不那么直接，因为脓毒症还可能导致具有内皮源性一氧化氮合酶(eNOS)活性的iNOS依赖性下降，这也将导致微血管内稳态失衡[27]。有研究表明，选择性抑制iNOS不仅可以恢复脓毒症引起的肾脏微循环障碍，而且还可以减少肾损伤的组织学变化及使肾功能好转，这提示微循环功能障碍可能是脓毒症致AKI的机制途径。

尽管在脓毒症期间发生多种凋亡触发活动，但肾脏中并没有发生明显的坏死和凋亡。这表明在急性期，无论在器官水平上的后果如何，细胞反应在预防死亡方面是成功的，这意味着一个潜在的自适应机制[28-29]。因此，肾小管上皮细胞对损伤的反应可能通过限制促凋亡触发的过程、通过优化新陈代谢和能量消耗、维持能量平衡和细胞器功能来表现，还能通过控制自噬和有丝分裂的过程，限制细胞周期和DNA复制而发挥作用。

1.4.2 脓毒性ALI的细胞和分子机制： ARDS被定义为严重形式的ALI，特征是肺部炎性反应和增加的毛细血管泄漏。ARDS的病理生理模型是由炎性细胞和介质以及氧化应激介导的一种急性肺炎性反应。

同样的，DAMPs和PAMPs经血液进入到肺循环，被肺泡毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞中的TLRs识别，从而激活TLR信号通路下游的NF-κB，上调炎性基因的表达。Xu等[30]报道了脓毒性ALI小鼠中，TLR-4被认为是抵抗细菌感染的主要受体。在脓毒性ALI中，氧化应激是由激活的肺巨噬细胞和浸润的中性粒细胞的产物引发的，并迅速影响肺上皮和内皮细胞的功能，这会导致组织损伤和器官功能损伤。氧化应激过程会产生大量氧化中间产物，包括活性氧(ROS)和活性氮分子(RNS)，而氧化应激是由ROS的产生和生物清除系统之间的平衡失调引起，从而释放出大量的活性氧。过氧化物、羟基自由基、过氧化氢被划分到ROS，NO和过氧亚硝基则属于RNS。这些分子起到神经递质、第二信使作用，只有当它们积累到一定浓度时才会引发正常细胞的不良反应，最终导致组织和系统的稳态机制紊乱。肺中的氧化应激同样可使NF-kB、AP-1等氧化还原反应敏感的转录因子激活，导致大量的促炎因子和趋化因子的产生，从而加重了炎性反应和氧化应激的。此外，转录因子核因子E2相关因子(nuclear factor-erythroid 2-p45-related factor 2 ，Nrf2) 和血红素加氧酶-1(heme oxygenase 1)， (HO-1)在限制肺中的氧化应激和炎性反应中起到重要作用[31]。

NF-kB信号通路的激活发挥了调节炎性介质产生的关键作用。脓毒症中肺组织和血浆中的TNF-α、IL-1β、IL-6水平显著增高，并且在ALI的发病机制中起到重要作用。可通过干预可能参与到氧化损伤、中性粒细胞浸润过程和抗氧化水平的NF-κB、 iNOS和ICAM-1信号通路来减轻炎性反应。

氧自由基的生产导致的氧化应激也在脓毒症中起到重要作用，ROS攻击细胞膜的脂质层导致其内不饱和脂肪酸的过氧化反应，随后释放出MDA这种高细胞毒性物质，最终使细胞失去完整性,ROS会使SOD和过氧化氢酶这些抗氧化酶失活，LPS模型会增加MDA含量并且减少SOD和过氧化氢酶的激活[32-33]。还原型谷胱甘肽(GSH)是一种非酶性内源性抗氧化剂，通过其-SH的被动激活使体内氧自由基介导的损伤趋于平衡。

有研究表明，炎性反应的分子信号转导途径是通过NF-κB 和 MAPK 在转录水平上进行调控的。NF-κB的激活可调节促炎因子，比如TNF-α、 IL-6、 iNOS 和环氧合酶(COX-2)的表达，所以下调NF-κB的表达成为治疗脓毒性ALI的潜在靶点，已有研究表明，可通过药物来下调肺泡巨噬细胞中NF-κB的表达，通过PI3K/Akt途径，还可通过MAPK途径来抑制NF-κB的激活[33-34]。

iNOS释放出大量的NO是脓毒症肺损伤的一个标志， iNOS的表达增加，产生更多的NO和COX-2，而COX-2会使前列腺素增多并形成血栓，这也会大大加速ALI的进程[35]。这也成为一个可能的治疗干预脓毒症的靶点。可尝试通过药物处理下调iNOS和COX-2来降低炎性反应，对组织起到保护作用，还可通过下调iNOS基因，下调iNOS mRNA表达水平，进而减少亚硝酸盐水平。

ICAM-1是一种细胞间黏附分子，参与中性粒细胞的聚集并且导致炎性反应中的器官损伤，随着脓毒症加重，中性粒细胞会渗漏到组织中，这将导致薄壁细胞功能紊乱甚至损害到不同的组织[19]。不同炎性介质水平的增高也能上调不同的黏附分子水平[36]，因此，在脓毒症小鼠中ICAM-1基因表达明显增多，有研究表明，用药物预处理脓毒症模型小鼠，其肺水肿中和中性粒细胞浸润相关的黏附分子ICAM-1明显减少。

此外，血管内皮生长因子(VEGF)是影响肺毛细血管通透性的因素之一。VEGF最先被视为影响血管通透性的因子，与内皮细胞的扩散、迁移及存活密切相关[37]。但是，在ALI和ARDS中，VEGF在位于肺泡中的中性粒细胞，单核细胞、巨噬细胞和II型肺泡细胞的细胞质中表达，但在肺血管内皮细胞中几无表达[38]。因此，在脓毒症引发的内皮细胞功能紊乱中VEGF的作用还有待确定。

1.5 脓毒症时肺肾之间的互相作用 尽管在一些严重疾病时调节肺肾交互作用的确切机制还不明确，最新的基础和临床研究均表明ARDS能引发肾脏损伤，同时AKI也可以改变白细胞的转运和肺毛细血管通透性。因此，肺损伤可能加速肾损伤，反之亦然。严重疾病期间，功能受损的肺和功能受损的肾之间的相互作用会引起炎性反应的正循环，导致肾脏损伤加重并增加肺血管通透性。多形核白细胞和中性粒细胞激活炎性因子(IL-1β、IL-6、TNF-α)，可激活血管内皮细胞并使其凋亡，改变血管通透性。

ARDS和AKI病理生理的连接主要在动物器官损伤模型中研究，肾脏损伤影响肺功能主要可能通过两种机制：增加炎性因子的产生和降低离子和水传输通道活性[39]。而肾功能受损影响肺功能可能是增加了循环炎性因子(IL-1β、IL-6、TNF-α)，并降低了它们的清除量。这些炎性因子能够导致肺中性粒细胞聚集，增高肺毛细血管通透性[39-40]。在肾功能不全时出现肺损伤时，IL-6是一个重要介质，因为用抗IL-6抗体治疗的小鼠在肾损伤后不会出现肺损伤[40]。在肾损伤的小鼠模型中，除了增加中性粒细胞浸润和增加肺毛细血管通透性，还有关键离子通道的下调(ENaC、Na-K-ATP酶)和水通道蛋白-5的运输通道[39,41]。因此，基于这些动物模型的基础上，肾损伤导致肺的炎性改变，对临床上肾损伤患者预防肺损伤有指导意义，此外，肾损伤可能会削弱肺泡中将物质和水移出的代偿机制。

而肺功能受损影响肾功能可能通过3个潜在机制：呼气末正压通气PEEP、低氧血症和全身炎性反应[13]。PEEP可改变心脏预负荷，并与导致GFR、肾血流量和自由水清除率降低的全身血液动力学改变有关。低氧血症和高碳酸血症能改变肾血管阻力并增加利尿作用。炎性因子的产生也可以导致肾小管损伤及微循环血流异常。

2 治 疗

ICU把危重患者集中起来，在人力、物力和技术上给予最佳保障，以期得到良好的救治效果，尽管这样，ICU患者导致的医院病死率却依然高居不下。Du等[42]对ICU收治的1 277例危重患者的统计结果显示，1/3的患者是术后ICU入院。 765例患者(59.0%)发生感染，其次是严重脓毒症或感染性休克(484,37.3%)，急性肾损伤(398,30.7%)和急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征(351,27.1%)。几乎3/4的患者使用机械通气，而173例患者(13.3%)使用任何类型的肾脏替代疗法。医院病死率为20.3%。急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征和急性肾损伤是医院病死率的独立危险因素。而脓毒症的临床治疗仍局限于症状性和支持性治疗，其目的是维持重要器官的内稳态并防止进一步感染，目前脓毒症的治疗主要为对症支持治疗，包括抗感染治疗、抗休克治疗、糖皮质激素应用、免疫球蛋白的应用等综合治疗措施[43]。其中抗休克治疗包括早期复苏、液体复苏及血管活性药物的应用。笔者针对脓毒症性AKI和ALI，总结了以下几种治疗方法。

2.1 机械通气 ALI和ARDS患者均可能要用到机械通气，并且治疗都应该个案化，但总的治疗原则为保护性的通气，即潮气量6 ml/kg(理想体重)平台压(Pplat)<30 cmH2O。低潮气量通气使病死率从40%降低到31%，并能缩短有较的通气时间、重症监护日数，降低其他器官衰竭的风险。并且有研究表明，机械通气对肾脏也有一定影响[44]。首先，肺保护性通气策略降低其他器官衰竭的风险，包括了AKI，从而降低严重的AKI需要连续性肾脏替代治疗的风险，但是，肺保护性通气可能会导致高碳酸血症及呼吸性酸中毒的发生发展。低潮气量通气的耐受性良好，并且中度的高碳酸血症及呼吸性酸中毒还有一定的抗炎和细胞保护作用[45]。但是，当发生脓毒症时，高碳酸血症和酸中毒较重，动脉的pH值可能会下降低，使患者易发生血流动力学不稳定和心律失常。通过碳酸氢盐给药纠正这种混合酸血症的尝试可能会加重动脉和细胞内pH值，因为碳酸氢盐被转化为CO2，在细胞内扩散，并积聚在肺中。在非少尿患者中碳酸氢盐的替代物是三羟甲基氨基甲烷，它是一种促进肾脏排泄H+的化学惰性碱。在少尿患者中，连续性肾脏替代治疗与碳酸氢盐联合治疗，可能增加动脉pH值和具有防治血流动力学不稳定性和心律失常的作用。最后，目前正在研究一种体外的二氧化碳清除装置，它可能是高碳酸血症性呼吸性酸中毒患者连续性肾脏替代治疗的替代物。

2.2 输液治疗 在严重的脓毒症时，患者出现ALI，继而往往会出现ARDS。特别是急性期，需要积极的液体复苏。但是，血流动力学稳定性恢复后，继续给予液体可能是有害的[46]。对于危重的ARDS患者，虽然输液治疗通常是以肾脏低灌注为目标，但有研究表明，持续给无休克患者静脉注射液体并不能改善肾功能，相反可能延缓肺损伤的修复，还有研究表明，利尿剂的使用并不会使无休克的ARDS患者倾向于AKI发展，相反，还能加快肺损伤的修复和缩短气管拔管时间。其他研究还表明，在ICU住院期间，输入液体量多于尿量的患者机械通气持续时间更长，ICU停留时间更长[46]。

2.3 镇静剂使用 已有研究建议，危重患者不使用深度镇静剂，间隔中断镇静剂的使用可能减少机械通气的持续时间，并可使临床医师更有效地评估危重患者的精神状态。还有研究表明[47]，右旋美托咪啶，一种选择性的a2激动剂，并未引起呼吸窘迫，对ICU患者来说是安全有效的，它可能会缩短气管拔管时间和机械通气时间。重要的是，右美托咪定在肝脏代谢为非活性代谢物，然后由肾脏排泄。因此，在肾功能受损的患者中使用它是安全的。受损的肾功能或者连续性肾脏替代治疗并不会影响镇静剂的药代动力学，所以，镇静剂依然能治疗ARDS危重患者，但是应该减少用量。

3 总结与展望

脓毒性AKI和ALI的发生发展均与DAMPs/PAMPs通过TLR-4主动识别，并激活TLR信号通路下游的NF-κB有关，而NF-κB是炎性基因TNF-α、IL-1β、IL-6等的关键转录调控因子，继而触发炎性级联反应，导致脓毒症的发生。此外，炎性刺激或ER应激导致氧化应激，产生大量氧化中间产物，包括活性氧(ROS)和活性氮分子(RNS)，引发正常细胞的不良反应，最终导致组织和系统的稳态机制紊乱。脓毒症时，功能受损的肺和功能受损的肾之间的相互作用会引起炎性反应的正循环，导致肾脏损伤加重并增加肺血管通透性。此外，肾功能受损影响肺功能可能是增加了循环炎性因子导致肺中性粒细胞聚集，增高肺毛细血管通透性，还可能会削弱肺泡中将物质和水移出的代偿机制，而肺功能受损影响肾功能可能也是增加的循环炎性因子导致肾小管上皮损伤，致弥漫性微循环血流障碍。治疗上除了常规的对症支持治疗，可以尝试调控TLRs的表达，这可能会成为一种新的治疗方法，除了影响TLRs表达之外，利用抗氧化剂抑制氧化应激作用，探究抗氧化剂具有潜在的治疗作用也可能成为一种新的治疗方法，还可尝试药物处理下调iNOS的表达来减轻炎性反应，改善ER应激也可能有利于抑制早期炎性反应，进一步改善脓毒症的预后。但脓毒症还影响其他几种途径的发展和进程，包括内毒素引起的损伤、补体级联反应、凝血通路激活、花生四烯酸和一氧化氮的释放、血管损伤等，这种复杂性可能是从动物试验到临床试验，导致失败的重要原因。如何降低脓毒性AKI和ALI的发病率和病死率，还有待进一步研究。