急性肾损伤转化为慢性肾脏病的机制
急性肾损伤转化为慢性肾脏病的机制
摘要
急性肾损伤(AKI)是临床常见的病理生理现象，其具有高发病率、高ICU住院率及高死亡率等特点；此外，AKI也是慢性肾脏病(CKD)及终末期肾病的独立危险因素。目前多项研究已揭示了AKI向CKD的转化方面所涉及的多种机制，但是有效的预防及治疗手段仍无突破性进展。本文就AKI向CKD转化的机制作一综述，以期为进一步的干预提供潜在的靶点。
书籍广告
急性肾损伤(AKI)是一种临床常见的综合征，表现为肾功能的快速下降，其常见诱因包括缺血、脓毒血症和肾毒性药物等。轻度AKI经治疗后可以纠正，而重度AKI可出现肺水肿、急性心力衰竭、恶性高血压等并发症，需要行肾脏替代治疗。AKI已成为全球性的健康挑战，其与死亡率增加、住院时间延长、住院费用增加正相关[1,2]；此外，AKI还是慢性肾脏病(CKD)的独立危险因素。最近的一项荟萃分析表明，重症监护室AKI在发达国家的发病率为39.3%，死亡率为30.8%；在发展中国家的发病率为35.1%，死亡率为54.8%[2]。发生AKI后，部分患者会逐步发展为不可逆的CKD直至终末期肾病。一篇纳入82项研究，包括200多万例患者的荟萃分析显示，AKI患者发生CKD的风险较非AKI人群明显增加(HR：2.67，95%CI：1.99~3.58)，且与AKI分期呈正相关[3]。另一项报道显示，AKI患者8年后出现蛋白尿的风险是非AKI人群的1.2~1.4倍[4]。CKD的定义为肾脏结构或功能异常或GFR小于60 ml·min－1·1.73 m－2超过3个月。CKD有多种病因，包括各种类型的慢性肾小球肾炎、糖尿病肾病、狼疮性肾炎等。有报道称2017年CKD全球患病率为9.1%，女性(9.5%)略高于男性(7.3%)，其中近五分之一发生在中国[5]。老年人是CKD的高危人群，一篇针对全球CKD患病率的荟萃分析显示[6]，CKD在老年人群中患病率明显较高，其中60~70岁年龄段患病率为11.3%，70岁以上年龄段患病率为27.9%，均显著高于平均患病率。CKD是心血管疾病以及高血压的危险因素，加重了人们的健康及经济负担，因此对于预防AKI向CKD的转化具有重要意义。然而其具体机制仍不明了。
目前发现的AKI向CKD转变的潜在致病机制包括成纤维细胞持续激活、肾小管上皮细胞周期阻滞(G2/M)、线粒体损伤、慢性炎症和表观遗传改变等。本综述将就以上机制分别讨论。
一、成纤维细胞向肌成纤维细胞的转变
尽管AKI的病因和病理生理学不尽相同，但在CKD中可以发现有几个共同特征，包括间质纤维化、管周毛细血管丢失和肾性贫血。间质纤维化是CKD的一个标志。肾脏成纤维细胞是存在于间质中的纺锤形间充质细胞，具有感知缺氧和产生促红细胞生成素(EPO)的能力，因此，在维持体内稳态方面起着关键作用[7,8]。然而，成纤维细胞的表型在损伤后发生了改变：一项研究发现P0-Cre系标记的成纤维细胞在损伤后转分化为α-SMA阳性的肌成纤维细胞，并通过产生大量的细胞外基质来介导纤维化，同时成纤维细胞失去了面对缺氧环境产生EPO的能力[9]。另外，有研究发现，Gli1-Cre系标记的细胞是肌成纤维细胞的前体细胞，通过靶向该细胞的治疗有望为肾纤维化干预提供方向：在小鼠单侧输尿管梗阻模型中，Gli1Cre系标记细胞的消融导致肾纤维化减少50%以上[10]。
二、纤维化相关信号通路的激活
在AKI和肾纤维化的动物模型中，一些发育信号通路，如Wnt、Sonic Hedgehog(Shh)和Notch被激活。这三种通路都在系统发育中起作用而在发育完成后处于高度抑制状态，发生肾损伤后，它们被重新激活。最近，本课题组发现吲哚胺-2，3-双加氧酶(IDO)可能具有促进肾脏纤维化作用，并可能成为早期预测CKD和评估肾功能的生物标志物(灵敏度83.8%，特异度75%)[11]，随后进行的小鼠实验中，我们观察到在发生AKI 14 d后，与敲除IDO基因小鼠相比，未敲除IDO基因小鼠的肾脏纤维化程度更重。我们发现AKI后IDO水平升高可促使Wnt/β-catenin表达增加，促进肾脏纤维化。使用前列腺素E2治疗后，IDO水平降低，Wnt/β-catenin表达减少，纤维化程度减轻[12]。我们的研究也为干预AKI向CKD的转化提供了新的思路。
发生AKI早期，Shh即被诱导激活并靶向间质成纤维细胞，并可诱导Wnt等信号通路的表达促进肾小管上皮细胞的修复和再生，而这种持续激活状态则可促进CKD的发生。小鼠实验表明，使用环丙胺阻断Shh信号通路后，上皮-间充质转化消失，转化生长因子-β的表达和细胞外基质的产生均减少，从而减轻了肾脏纤维化[13]。在单侧输尿管梗阻后，介导Hedgehog信号转导的转录因子Gli1缺陷可以防止肾小管间质纤维化的发生[14]。
发生AKI后，Notch信号通路被重新激活促进肾小管上皮细胞的增殖与分化，尽管Notch信号通路导致肾纤维化的机制尚不完全清楚，但已有动物实验间接提示了其在肾纤维化过程中的关键作用：如Notch通路抑制剂显著减少了糖尿病肾病模型中的肾纤维化[15]；抑制Notch通路受体对单侧输尿管梗阻诱导的肾纤维化具有保护作用[16]。这些研究表明，发育信号通路的激活参与了损伤后的修复过程，最终可能导致适应不良的修复。
三、肾小管上皮细胞在G2/M期阻滞
AKI后的细胞修复过程中，DNA损伤反应信号的激活起着重要作用，当未完全修复时，便会出现细胞在G2/M期阻滞，这种细胞周期阻滞长期存在可能会促进纤维化。有研究者发现，严重的AKI导致肾小管细胞周期停滞在G2/M期，肾小管细胞处于这种状态时，将分泌转化生长因子-β和结缔组织生长因子等促纤维化和促炎因子[17,18]。目前已有实验结果表明针对损伤后处于G2/M期阻滞的肾小管上皮细胞可能是一种新的干预靶点，例如，关键的细胞周期调节蛋白p53和组蛋白去乙酰化酶抑制剂可调控肾小管细胞的G2/M期阻滞[18]，研究者在小鼠实验中通过组蛋白脱乙酰酶抑制剂PCI34051减少了肾小管上皮细胞在G2/M期阻滞，抑制了促纤维化信号和转录因子的表达，减缓了间质纤维化[19]。另一项实验发现核因子受体κB抑制剂减少了细胞周期调节蛋白p53-p21轴的表达，减轻了细胞G2/M期阻滞，抑制了间质纤维化[20]。此外，肾小管上皮细胞中的巨噬细胞迁移因子也被证明通过消除肾小管上皮细胞的细胞周期停滞来抑制炎症和纤维化[21]。
四、线粒体功能障碍
近端肾小管上皮细胞发挥功能需要消耗大量的能量，线粒体损伤会造成近端肾小管上皮细胞的功能障碍，是肾小管上皮细胞损伤的重要机制。线粒体损伤发生在AKI的早期：在缺氧条件下，线粒体的氧化磷酸化过程遭破坏，导致ATP缺乏，活性氧产生过多，进一步导致细胞死亡和炎症。线粒体功能障碍也参与了AKI后CKD的进展。研究发现AKI后持续的线粒体稳态破坏会促进肾脏细胞衰老、细胞周期阻滞，改变肾脏微环境，最终导致纤维化[22]。Szeto等[23]在大鼠缺血再灌注肾损伤模型中观察到，大鼠发生AKI 9个月后，近端小管存在线粒体功能障碍，晚期应用线粒体保护分子SS-31促进了CKD的恢复。在一项动物模型中，研究者发现AKI导致的线粒体破坏促进了动力蛋白相关蛋白1激活，从而促进细胞凋亡以及炎症反应，并导致了纤维化，而在动力蛋白相关蛋白1缺陷小鼠中，出现了纤维化面积减少的现象，表明线粒体功能障碍通过激活动力蛋白相关蛋白1促进肾脏损伤及纤维化[24]。
五、免疫细胞紊乱和炎症状态
在AKI急性期，单核细胞和中性粒细胞等被激活，并释放促炎细胞因子如白细胞介素-6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)，导致炎症反应。促炎因子和损伤相关分子模式可激活肾小管上皮细胞中的Toll样受体，介导过度的炎症反应[25]。在AKI模型和CKD模型中均发现白细胞介素-1(IL-1)升高可激活Toll样受体和IL-1受体，促进间质纤维化[25,26]。淋巴细胞在这一过程也发挥了重要作用，发生损伤后，激活的单核巨噬细胞吸收抗原并提呈给T细胞。随后，激活的T细胞以效应T细胞表型克隆增殖并迁移到肾脏，到达肾脏后释放促炎因子，如干扰素-γ，并促进炎症[27]。在AKI早期，巨噬细胞表现出促炎症的M1表型，并加剧肾脏损伤。而在AKI的恢复期，M1巨噬细胞转变为抗炎的M2表型，从而调节炎症反应，促进组织修复[28]。研究表明，在肾纤维化的发病过程中，巨噬细胞M1和M2亚群可能共存[29]。核因子受体κB调节多种炎症因子的表达如TNF-α、IL-1、IL-6、诱导型一氧化氮合酶等诱导炎症。在一项单侧输尿管梗阻诱导肾损伤模型中，研究者认为硫化氢可通过抑制M1和M2浸润以及使核因子受体κB失活来减少肾损伤和纤维化[30]。
六、衰老促进AKI进展为CKD
肾脏衰老也是促进AKI进展的因素之一，临床上可见，AKI进展为CKD甚至ESRD更可能发生在老年人。一项实验研究表明，已经存在的功能性肾单位的减少与AKI后的CKD进展有关[31]。细胞衰老是一种不可逆的细胞周期停滞的现象。一方面，细胞衰老在器官发生、组织修复、老龄化等过程中发挥了生理作用；另一方面，细胞衰老也参与了多种器官疾病如肾脏、心血管等相关的病理过程。细胞衰老影响修复过程中的正常纤维化途径[32]，可能促进AKI后的适应不良性修复。虽然近端小管细胞在损伤后具有增殖并自我修复功能。然而，随着年龄的增长，肾小管细胞的增殖能力降低，动物实验证明，肾间质中周细胞和成纤维细胞的数量随年龄增加而减少，而发生肾损伤后，衰老肾脏间质纤维化较年轻肾脏更明显[33]。细胞衰老可通过激活衰老相关表型诱导一系列病理生理改变。在顺铂诱导的AKI小鼠中，乙酰化的P53表达增加促进了衰老相关分泌表型激活，诱导肾小管上皮细胞衰老，最终导致纤维化的发生。乙酰半胱氨酸可通过上调沉默信息调节因子相关酶-1的表达降低乙酰化的P53水平从而降低肾脏衰老相关蛋白水平，改善AKI后的纤维化[34]。此外，衰老细胞通过释放许多生物活性分子如IL-6和基质金属蛋白酶促进年龄依赖性炎症，并限制损伤后肾小管再生的潜力[35]。在一项IRI模型中观察到，与年轻小鼠相比，衰老的小鼠表现出持续的M1占主导地位的炎症，在恢复阶段促炎因子增加。另一方面，衰老小鼠的细胞周期停滞标志物在肾小管表达增加，并且体外实验表明，M1巨噬细胞与停滞的近端小管细胞在G1期共培养会削弱M2极化，表明G1停滞延长可能与衰老小鼠的持续性M1炎症有关，进而导致纤维化进展[36]。此外，有研究者在动物模型中发现在先天免疫系统Toll样和白介素1受体介导下，肾脏损伤后短期内肾小管上皮细胞已出现衰老，髓样分化蛋白Myd88可以抑制这种介导作用从而减缓衰老。敲除Myd88后肾脏纤维化得到了明显改善[25]。慢性的炎症浸润有时会形成聚集在T细胞和B细胞中的聚集物。这些异位淋巴结构被称为三级淋巴组织(TLTs)[37,38,39]。在最近的一项研究中，研究者发现相对于年轻小鼠来说，老年小鼠产生了多发性肾TLTs，在利用FTY720抑制淋巴细胞募集后，发现肾脏中TLTs明显减少，肾脏纤维化得到显著改善[40]。在人类肾脏中也观察到，合并CKD患者的肾脏中比不合并CKD的肾脏有更多TLTs的形成[41]。TLTs也有望成为肾脏病治疗的新靶点。
七、表观遗传改变
表观遗传学改变也可能与肾损伤后纤维化的发展有关。与肾损伤后纤维化有关的表观遗传机制包括组蛋白乙酰化、DNA甲基化等，有研究发现组蛋白去乙酰化酶抑制剂可加速肾脏恢复，减少损伤后纤维化[18]。这种保护作用可能与肾小管上皮细胞增殖增加，G2/M期阻滞减少有关。DNA甲基化对促进AKI后肾脏纤维化的作用尚不十分明确。在一项IRI诱导的AKI模型中，研究者发现平滑肌肌动蛋白α2抑制子Ybx2的高甲基化导致失活周细胞的表观遗传修饰，促进了纤维化，并加剧了腺嘌呤诱导的第二次AKI所致的纤维化。而5-氮杂胞苷去甲基化则使周细胞的微血管稳定功能恢复，逆转了周细胞的促纤维化特性，阻止了AKI-CKD转变[42]。此外也有研究表明缺氧诱导的表观遗传学改变也促进了促炎基因和纤维化基因的表达[43]。
八、总结
随着研究的不断进展和深入，人们对于AKI向CKD转化的认识越来越深入，但到现在为止，仍然没有确切可行的方法来干预或预防AKI向CKD的进展。随着AKI的发病率不断增加，人们的健康、经济压力也随之越来越大，仍需要对这一领域进行进一步的研究，更好地了解AKI到CKD进展的相关机制和病理生理过程，并找到相应的干预及治疗措施。