脓毒血症相关急性肾损伤发生机制的研究新进展

唐凯宏，李博慧，刘春梅，东雪宁，金英玉

(哈尔滨医科大学附属第一医院检验科，哈尔滨 150001)

脓毒血症是指机体在重症感染时发生失控性系统性炎症反应，这种过度的炎症反应导致机体多个器官发生功能障碍甚至器官衰竭，包括肾脏。急性肾损伤(acute kidney injury，AKI)是重症脓毒血症患者的常见合并症，有文献报道，在重症监护室，约有50%的脓毒血症患者发生AKI，病死率高达40%[1]。脓血症患者合并AKI后增加了患者的住院时间和住院费用，且与不良预后相关，半数幸存者遭受永久性肾脏损伤或慢性肾脏疾病，增加了患者的经济负担，降低了患者的生活质量[2]。然而，目前脓毒血症相关AKI(sepsis associated acute kidney injury，SA-AKI)的病理生理机制仍不明确。由于技术和伦理限制，肾活检技术应用于AKI患者相对较少，对于AKI的研究也多处于动物及细胞和分子水平，因此对SA-AKI发病机制的了解进展缓慢。但有证据表明，SA-AKI可在缺乏明显的低灌注迹象的情况下发生，甚至在肾血管扩张和肾血流增加的情况下发生[3]。组织学上，SA-AKI的典型特征表现为肾小管损伤呈斑块状、不均质、根尖空泡化样，但无肾小管坏死和广泛的细胞凋亡[4]。对于脓毒血症多层次的研究(人类、动物水平等)发现，AKI发生的病理生理机制主要包括免疫炎症反应、微循环功能障碍以及相关细胞生物能量代谢改变，这3个过程对于SA-AKI的发生、发展机制可能提供一个新的视角。现就SA-AKI发生机制的研究新进展予以综述。

1 炎 症

在脓毒血症期间，血液循环中的炎症介质介导宿主细胞损伤，这些炎症介质是来源于病原体的病原体相关分子模式(pathogen associated molecular patterns，PAMPs)及激活的免疫细胞合成释放的损伤相关分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)。DAMPs和PAMPs不仅可被免疫系统细胞识别，还可被肾小管上皮细胞(renal tubular epithelial cells，RTECs)通过跨膜或胞质内受体家族识别，这些受体被称为模式识别受体[5]。根据亚细胞定位，模式识别受体大致可分为以下几种类型。Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)：TLRs是胞外和体腔的跨膜受体；核苷酸结合寡聚化结构域样受体；视黄酸诱导基因Ⅰ样受体：视黄酸诱导基因Ⅰ样受体是存在于胞质的识别受体。模式识别受体识别PAMPs/DAMPs后激活免疫细胞杀灭微生物是炎症的开始，细胞合成和分泌促炎细胞因子，如肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白细胞介素(interleukin，IL)-1α、IL-6和趋化因子，增强表达共刺激因子，激活高效的T细胞，产生花生四烯酸代谢物，并通过组织因子启动外源性凝血途径及活化凝血酶的形成，通过内在凝血途径级联反应进一步放大血栓形成反应[6]。此外，由于内皮细胞损伤和活化蛋白C的大量消耗等，导致体内固有的抗凝物质减少，出现纤溶和抗纤溶系统失衡，正常血栓形成与纤溶的平衡被细胞因子诱导的纤溶酶原激活物抑制剂1型及纤溶酶-反纤溶酶复合物的增加所打破，导致微血栓的形成，加剧了微循环紊乱[7]。

DAMPs/PAMPs分子量足够小，可以在肾小球中被过滤，经过滤后进入肾小管管腔的DAMPs/PAMPs可被RTECs表面的TLRs识别，还可通过邻近的管周毛细血管渗漏影响RTECs，RTECs表面的TLRs识别DAMPs/PAMPs后，引起下游炎症信号级联反应、促炎细胞因子和活性氧合成增加以及氧化应激和内皮细胞活化增加[8]。内皮细胞的激活可促进白细胞和血小板的滚动及黏附，从而增加血栓形成和血流连续性改变(间歇性或无血流)的风险[9]。此外，内皮细胞活化与血管通透性和渗漏增加相关，导致肾间质水肿并增加氧气扩散到RTECs的距离，加剧RTECs氧供不足[10]。除了内皮细胞和血流改变外，RTECs也可能会启动旁分泌信号，向邻近细胞发出信号，使其失活，从而在损害细胞功能的情况下使细胞死亡最小化[11]。

血液循环中炎症细胞因子激活内皮细胞，导致内皮细胞黏附分子表达增加，包括P-选择素表达增加、细胞内黏附分子-1和血管细胞黏附分子-1表达增加，而这些分子可导致白细胞活化，在炎症反应中形成恶性循环[12-13]。活化的白细胞可能通过上调毛细血管内整合素、细胞内黏附分子-1和血管细胞黏附分子-1以及选择素的表达来增加它们对血管内皮的黏附，这一过程可导致微血管血流障碍，刺激促炎细胞因子的释放(如IL-6和IL-8)；此外，炎症因子在促凝作用中起重要作用，在严重脓毒血症中，经常发生血小板减少及其他凝血异常，促炎细胞因子(如IL-1、IL-6和TNF-α)具有破坏血管内皮细胞、维持血液流动性的重要功能[14]。相反，一些具有抗凝功能的蛋白质(如抗凝血酶、活化蛋白C和组织因子途径抑制剂)表达下调，导致凝血酶产生，将纤维蛋白原转化为纤维蛋白；血管活性介质(如组胺、血小板活化因子和花生四烯酸代谢物)进一步促进纤维蛋白的沉积[15]。IL-1和TNF-α通过抑制活化蛋白C的产生，抑制促凝因子Ⅴa和Ⅷa的活性，进而通过抑制抗凝途径进一步促进血栓形成；在脓毒血症患者中，活化蛋白C和其他凝血抑制剂以及抗凝血酶Ⅲ和凝血调节蛋白的血浓度均降低，且其浓度水平与病死率呈负相关[15-16]。

2 微循环紊乱

组织灌注对于任何器官的正常运作都是至关重要的。大多数感染性器官损伤中会有氧供和耗氧量失衡的改变，这可能与全身循环异常无关。几项实验和临床研究均表明，即使在体格检查及辅助检查没有明确显示体循环血流动力学不稳定的情况下，在脓毒血症期间仍会发生肾脏微循环改变[3,17-18]。SA-AKI可以在无明显的低灌注症状以及临床血流动力学不稳定的情况下发生。

微血管功能障碍是指微血管细胞成分(内皮细胞、循环血细胞等)的任何损伤。与微循环紊乱相关的理论包括血流动力学的变化和炎症。SA-AKI的特点是微循环流动发生了明显的非均匀分布变化，即毛细血管密度降低、血流连续流动的毛细血管比例减少以及且间歇和停止流动时毛细血管比例增加[19]。多种机制可能导致微循环改变，如内皮损伤、自主神经系统反应、内皮细胞表面糖原的脱落以及凝血途径的激活等。炎症介质引起的内皮细胞损伤和内皮细胞表面糖原脱落会增强白细胞和血小板的滚动及黏附，从而降低血流速度，潜在的后果是微血栓形成和毛细血管堵塞的易感性增加以及RTECs暴露于炎症介质的时间延长[20]。内皮损伤还与血管舒张、血管通透性增加及内皮泄漏有关，由此形成的肾间质水肿可通过增加氧气从毛细血管到RTECs的扩散距离而加剧其氧供不足，并增加静脉输出压力，从而改变对流，对RTECs的灌注产生显著影响，而微循环血流动力学在SA-AKI中可能起关键作用[21]。在脓毒血症期间，肾内血流重新分布，促使血液从髓质流出；此外，存在绕过肾小球并将传入直接连接到传出小动脉的毛细血管，可能部分解释了在SA-AKI期间的血液分流，与肾小球滤过率(glomerular filtration rate，GFR)降低有关[19]。血流的再分配和分流的增加可能是SA-AKI中异质缺血性区域存在的机制。

虽然脓毒血症可引起全身一氧化氮增加，但其最重要的催化剂之一——诱导型一氧化氮合酶在肾脏内的表达呈不均匀分布[22]。因此，诱导型一氧化氮合酶的区域异质性表达可能导致一氧化氮的区域浓度不均，甚至在系统水平升高的情况下，也可能导致部分血管床一氧化氮减少[18]。这一过程直接与脓毒血症引起的微血管功能障碍的异质性有关，而且可能与分流和缺氧等病理生理现象有关。

3 RTECs能量适应性改变

细胞需要不断地产生腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)来维持细胞器的最佳功能。氧化磷酸化和糖酵解途径都产生ATP，但线粒体的氧化磷酸化效率更高，RTECs富含线粒体，而肾脏大部分能量来源于氧化代谢(95%～99%)[23]。线粒体是动态变化的细胞器，能够适应细胞不断变化的能量需求，在高代谢器官中对细胞应激的适应变化起着关键作用。线粒体除了通过氧化代谢产生ATP外，还在活性氧类的产生和解毒、细胞钙稳态以及细胞存活和死亡(自噬和凋亡)等细胞过程中发挥重要作用[24]。脓毒血症时线粒体受损的机制主要包括：组织缺氧导致线粒体水平缺氧，从而驱动腺苷二磷酸氧化磷酸化至ATP；过量的一氧化氮、一氧化碳、硫化氢等直接抑制线粒体呼吸，对线粒体蛋白和脂质膜等结构造成直接损伤；脓毒血症患者激素水平的改变影响线粒体功能和效能[25]。如果细胞代谢活动在能量不足的情况下继续进行，则ATP水平下降，细胞死亡途径被激活；细胞能够适应能量供应的降低而达到一种稳定状态，在这种状态下，通过减少能量需求来防止ATP水平降低，进而保护细胞不触发细胞死亡，炎症引起的适应性改变使细胞进入类似于“冬眠”的状态[26]。

在SA-AKI期间很少有RTECs死亡，这可能是由于在脓毒血症早期发生的关键能量代谢适应，即能量的代谢重编程和重新优先消耗以满足新陈代谢的重要需求，细胞存活优先于细胞和细胞器功能[27]。多种高能量消耗的功能被下调以节省能量，包括大分子物质合成代谢、近端RTECs功能和细胞复制[28]。除了这种非生命功能受到抑制外，实验研究还表明，RTECs可能会重新编程大分子物质的代谢，将大分子物质的有氧氧化转换为有氧糖酵解和氧化磷酸化，以满足脓毒血症期间的能量需求[26]。已经有多种理论解释脓毒血症期间RTECs的代谢重新编程，大多数研究认为是由线粒体介导的，其特征是能量消耗优化、底物利用的重新编程以及促凋亡的抵消作用[29]。脓毒症引起的过度炎症反应与RTECs的优化能量消耗有关，减少RTECs用在非关键功能(如蛋白质合成或离子传输)的能量，将能量用在维持至关重要的细胞功能(如细胞膜Na+，K+-ATP酶)上，同时通过节省能量避免细胞死亡[23]。在炎症过程中，肾小管离子转运蛋白表达下调，导致肾小管离子转运减少，说明在无细胞死亡的情况下，通过代谢重编程重新优先消耗能量是一种生存的适应机制[25]。目前代谢重新编程的发生机制尚不明确，但有证据表明，一个关键的步骤是处理含能量的底物(如葡萄糖和脂肪酸)，在有充足氧气的情况下，细胞通过氧化磷酸化(或有氧糖酵解)处理含能量的底物，最后进行发酵产生乳酸，这对细胞和宿主的生存能力均有重要的影响[26,28，30]。例如，在脓毒血症期间，抑制有氧糖酵解和诱导氧化磷酸化可提高存活率，并降低AKI的易感性[22]。暴露于炎症下的巨噬细胞表现出阶段性转移，早期向需氧糖酵解转变，后期又向氧化磷酸化转变[31]。因此，RTECs可能在一定条件下表现为有氧糖酵解与氧化磷酸化之间的切换。功能性线粒体的保存是进行所有代谢变化的必要条件[30]。在脓毒血症期间，线粒体进入一系列的质量控制过程，线粒体自噬(受损线粒体发出信号并被吞噬入细胞内自噬体的特殊机制)和生物发生(新的功能性线粒体的合成过程)过程可以保护线粒体池，提供必要的能量需求，提高RTECs的存活率[32]。

细胞中最耗能的过程是细胞进行复制(重复细胞的整个基因组、蛋白质组和脂质体)。在细胞周期中，有几个检查点用来评估细胞是否有足够的能量进行复制，如果没有足够的能量，细胞将经历细胞周期阻滞，以避免细胞因能量衰竭而死亡[33-34]。因此，细胞周期阻滞是另一种降低能量消耗的机制，RTECs可能会激活这种机制来重新编程新陈代谢并保护细胞免受感染性损伤。脓毒血症中存在两种相关的生物标志物，即组织金属蛋白酶抑制剂-2 和胰岛素样生长因子结合蛋白-7，是细胞周期阻滞的标志物，也是SA-AKI发展的最佳预测因子[35]。

4 GFR降低与肾小管损伤的关系

炎症介导的微血管功能障碍、入球小动脉和出球小动脉之间直接连通的分流作用以及毛细血管渗漏可以解释SA-AKI时GFR降低，但不能说明肾小管损伤和GFR降低这一现象之间的关联性。GFR与肾小球血流量及肾小球内压有关，而肾小管损伤和GFR之间可能的联系机制是肾小管-肾小球反馈(球管反馈)机制。SA-AKI引起的肾小管损伤和功能障碍引起钠离子和氯离子重吸收障碍，致使致密斑处氯化钠浓度增加，从而触发球管反馈，球管反馈作用可使入球小动脉收缩而出球小动脉舒张，引起肾小球内静水压降低，从而降低GFR[36]。

5 小 结

炎症、微血管功能障碍、代谢适应性改变之间存在着复杂的相互作用，是SA-AKI发生机制的最新理论。SA-AKI病理生理机制的研究进展为潜在的新疗法提供了思路。尽管近年来SA-AKI的病理生理学研究有了显著的进展，但对SA-AKI的认识仍存在不足。SA-AKI涉及的病理生理机制复杂多样，未来的研究仍须将重点放在更好地理解导致S-AKI的机制上，同时简化从基础研究、基于大数据的人口研究到临床试验的知识转化。