脓毒症急性肾损伤：分子机制及分层靶向治疗的重要性

脓毒症急性肾损伤：是充血性肾损伤吗？

典型的缺血性和中毒性急性肾小管坏死通常缺乏形态学改变[5,6]或在脓毒症AKI中显微镜下不同[7,8]. 虽然在许多西方国家，肾活检在脓毒症AKI治疗中的应用极为罕见，但大多数人类研究都发现脓毒症AKI没有一致的组织病理学变化，并且很少观察到急性肾小管坏死[5,6]. 在对描述脓毒症AKI组织病理学变化的六项研究的系统综述中，Langenberg及其同事[6]研究发现，在感染性损伤后采集的人体样本中，只有22%的样本出现肾小管上皮细胞坏死。高须及其同事的最新研究[8]对67例死于败血症的患者的尸检肾脏进行了检查，虽然他们发现78%的败血症肾脏存在局灶性肾小管损伤，但大多数肾小管细胞都正常。

在检查整体血管血流动力学的作用时，可能会对非消化性AKI和脓毒性AKI作出更大的区分。传统上，脓毒症AKI被认为是需求和灌注不匹配的继发因素，在代谢需求增加的过程中，肾血流量减少[9,10]. FINNAKI和SEPSISPAM研究进一步证实了这一观点，最近发表的两项试验表明，目标平均动脉压高于65 mmHg的脓毒症患者进展为AKI的可能性较小[11]如果他们患有慢性高血压，则不需要进行肾脏替代治疗[12].

然而，直接测量脓毒症期间肾脏总血流量的数据表明，脓毒症生理状态下的血流量增加。尽管有大量相互矛盾的动物研究，其中一些研究显示肾血流量总体增加，而另一些研究显示肾脏血流量总体减少[10,13]-朗格伯格及其同事[13]发现只有三项人类研究通过有创血流动力学测量直接测量了脓毒症AKI的肾血流量。所有三项研究都表明，脓毒症AKI发生在肾动脉血管扩张过程中，并保持了整个肾血流量[14-16]. 在另一项由10名脓毒症患者组成的小队列研究中，肾血流量要么保持不变，要么增加[17]. Bellomo及其同事[18]因此，提出了一个新的概念来理解脓毒症AKI血液动力学，即所谓的充血性AKI。

尽管上述人类研究表明脓毒症AKI患者的总肾血流量增加，但区域微循环和血流动力学之间的复杂相互作用可能在脓毒症期间的总肾功能中发挥更重要的作用。作为Langenberg和同事[13]和莫里托利斯[19]指出，肾小球滤过率（GFR）和细胞灌注可能会降低，即使由于进出小动脉之间的血管阻力不成比例、区域微血管流速或肾静脉充血，整个肾血流量增加。关于脓毒症AKI中微循环功能的人类数据有限。然而，Di Giantomasso及其同事使用植入的激光多普勒血流探头[20]表明，在绵羊高动力脓毒症模型中使用大肠杆菌作为感染源的输注，在败血症期间没有从髓质到皮质的局部血流再分配。脂糖（LPS）对内皮型一氧化氮合酶的局部抑制可能在AKI内毒素模型中观察到的GFR降低中发挥作用，至少在大鼠中是如此[21]. 在高动态内毒素血症猪模型中，Cohen及其同事[22]同样，LPS给药后，肾脏总血流量显著增加；然而，几乎所有增加的血流量都被分流到髓质，皮质血流量没有增加。在以腹膜炎为感染源的脓毒症猪模型中，Chvojka及其同事[23]观察到，尽管感染AKI的猪的总体肾血流量增加，但由于肾静脉压增加，肾灌注压显著降低。与此同时，激光多普勒血流测量显示肾皮质微血管灌注显著减少，肾静脉酸中毒和乳酸浓度增加[23]. 这些与局部肾血流量有关的脓毒症生理学观察也在人类中发现。在一项回顾性观察研究中，中心静脉压升高与脓毒症患者进展为AKI相关（比值比=1.22，95%可信区间（CI）1.08-1.39），表明静脉充血可能导致人类脓毒症AKI[24].

对脓毒症AKI患者肾脏微循环的深入讨论超出了本综述的范围。如上所述，关于这一重要主题的人类数据不足，鉴于所使用的不同模型和所使用的测量模式，大多数动物数据相互矛盾，难以解释。虽然从上面可以清楚地看出，缺血和微血管功能障碍可能导致脓毒症AKI，但脓毒症AKI的发生可能独立于整个肾灌注不足或缺血[25]. 事实上，AKI发生在多达三分之一的非危重肺炎患者身上，其中只有不到10%的患者接受了任何血管升压治疗[三]. 此外，过去十年发表的许多研究表明，血浆和尿液生物标记物在感染性和非感染性AKI中通常是不同的（综述于[26]). 这表明一个基本的机制区别，可能主要涉及免疫反应失调和可能的凋亡，而不是与分布性休克相关的缺血性因素[25].

脓毒症引起的炎症及其对肾脏的影响

多年来，脓毒症引起的器官损伤和其他有害后遗症被认为是由一种高度炎症性的“细胞因子风暴”引起的，它是由感染性病原体或主要生理损伤引起的[27]. 因此，20世纪90年代大量的脓毒症研究集中于识别与定型脓毒症综合征相关的特定细胞因子。然而，虽然在脓毒症患者中发现TNF-α和IL-1β等细胞因子浓度很高，但大型临床试验测试特定细胞因子抑制并没有显示出任何临床益处[28,29].

由于这些失败的试验，有关脓毒症发病机制和病理生理学的新观点出现了[30]. 霍奇基斯和雷米克利用一些脓毒症患者免疫功能受损的病理数据，都假设宿主对刺激的失调和不明确的炎症反应与促炎和抗炎状态有关[31-33]. 许多脓毒症患者患有慢性病，他们脓毒症的发展不一定与过度炎症反应有关[31]. 脓毒症研究的一个当前目标是确定脓毒症患者的免疫学谱，并确定哪些患者将受益于特定的治疗。

事实上，专注于抑制TNF-α或IL-1β的早期试验并没有根据患者的炎症状态或对某些类型表型反应的遗传偏好对其患者进行风险分层[28,29]. 似乎脓毒症和脓毒症AKI治疗的下一步可能是基于对各种治疗有较高反应可能性的患者进行分层的靶向治疗。Panacek及其同事首先尝试了这一策略，进行了一项随机对照试验，以研究阿非利莫单抗（一种抗肿瘤坏死因子F（ab'）2单克隆抗体片段）在血清IL-6水平升高或不升高的脓毒症患者中的应用[34]. 在这项研究中，对于那些血清IL-6水平>1000 pg/mL的患者，他们证明使用该药物治疗的患者在治疗后28天死亡率的绝对风险降低了4%。尽管本试验中未报告肾衰竭发生率，但从给药后48小时开始，整体序贯器官衰竭评估（SOFA）评分在统计学上有显著改善。

作为靶向治疗的替代方案，一些研究人员提出了实施治疗策略，通过使用体外血液净化来广泛调节脓毒症的整体炎症反应。多个在体外和老鼠体内研究表明，通过血液吸附广泛减少炎性细胞因子可以保护肾脏和肝脏免受损伤[35]，提高细菌清除率[36]和平均动脉压[37]减少凋亡和肾小管细胞损伤[38]，提高整体生存率[35,37]. 然而，其对人类的疗效尚不清楚。早期使用多粘菌素B血液灌流治疗腹腔脓毒症（EUPHAS）试验表明，与对照组相比，接受两次多粘菌毒素B血液灌流术治疗的严重脓毒症或腹腔革兰氏阴性感染所致脓毒症休克患者的血流动力学、器官功能和28天死亡率有所改善[39]. 与对照组相比，治疗组的肾脏SOFA评分有所改善（-0.3，95%CI-0.7至0.1对0.6，95%CI 0.1至1.1），总体心血管功能也有所改善。然而，这项小型试验在方法上存在一些缺陷，包括未能测量治疗组和对照组的内毒素水平，以及使用28天死亡率作为次要终点。虽然这些发现表明，在建议广泛实施之前，需要进行更大规模的临床试验，但这些初步结果似乎很有希望。

虽然体内上述动物研究表明，使用细胞因子还原树脂可以广泛调节细胞因子水平，但人类持续血液透析对细胞因子水平的调节尚未得到明确证明。尽管许多炎症细胞因子的半衰期很短，但小规模的初步研究表明，高容量血液滤过可能能够调节人类的整体细胞因子谱[40,41]. 然而，更大规模的随机对照试验未能显示持续血液滤过调节细胞因子水平[42]，使用高容量血液滤过治疗败血症也没有任何临床益处[42-44]. 虽然VA/NIH急性肾功能衰竭试验网络的大型研究表明，接受更严格肾脏替代治疗的脓毒症患者的死亡率没有差异，随后的分析表明，循环中促炎细胞因子和抗炎细胞因子及凋亡标记物浓度较高的患者肾功能不恢复率较高，死亡率也较高[45]. 这一结果再次表明，针对免疫谱中的某些亚群可能不仅有利于靶向细胞因子治疗，也有利于通过血液过滤和吸收广泛调节炎性细胞因子。

最后，使用药物增强脓毒症相关免疫抑制患者的免疫功能已显示出临床前景。如上所述，脓毒症是一种复杂的炎症状态，具有促炎和抗炎的特点。因此，通过免疫增强来识别和治疗免疫抑制程度较高的脓毒症脓毒症患者可能会改善预后。Meisel及其同事[46]对单核细胞HLA-DR表达降低的脓毒症患者给予粒细胞巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSFs），发现该亚组患者的单核细胞免疫功能可以恢复。虽然所测量的临床结果（呼吸机日数和住院时间）没有变化，但他们的数据表明，生物标记物引导的GM-CSF治疗脓毒症是安全的，并且在更大的随机对照试验中有望实现。

Toll样受体-4与脓毒症对肾上皮细胞的影响

脓毒症的初步分子研究表明，当先天免疫系统识别高度保守的病原体相关分子模式（PAMPs），如脂多糖（LPS）时，上述全身炎症状态就会启动[47]. 然而，在20世纪90年代末，Polly Matzinger[48]提出了“危险模型”，认为免疫系统更关注“危险信号”，而不是外来信号。随后的研究发现，有许多“损伤相关分子模式”（DAMP）可以引发类似于PAMP的免疫反应[49]. PAMP（DAMP的一个亚组）和更广泛的DAMP激活免疫系统并导致脓毒症和脓毒症AKI的程度尚不完全清楚，但最近的研究对这一过程提供了大量的见解。

TLR提供了宿主和病原体之间的联系[50,51]以及主机和DAMP[52]. 20世纪90年代，TLR-4被发现是结合LPS的主要受体，导致TNF-α和IL-1的释放，并通过NF-κB转录因子激活许多下游细胞内信号通路[50,53]（图1). 此外，在无菌炎症模型中，TLR-4已被证明对DAMP有反应，例如高迁移率组B1[54-56]. 事实上，TLR对PAMP和其他DAMP的反应能力在全身炎症和肾脏损伤之间提供了潜在联系，而肾脏损伤与缺血和低血压无关。在肾脏中，TLR-4在小鼠原代肾小管上皮细胞中组成性表达[57]以及从体内实验[58]，在大鼠肾小管细胞中[59,60]以及手术患者肾小管上皮细胞[61]. TLR-4在肾小球中的表达存在争议[59,60]，但其在肾小管上皮细胞中的表达已被证明可调节脓毒症AKI和炎症（图1)在多种损伤模型中[60,62,63]. TLR-4激活后产生AKI的最终下游机制是复杂的，尚未完全理解。值得注意的是，最近的研究表明，支持脓毒症AKI的一个重要机制是，这种炎症途径诱导肾小管转运功能障碍，从而增强NaCl向致密斑的转运，增加小管-肾小球反馈，从而降低GFR[64].

在单独的窗口中打开

图1

脂糖（LPS）、TNF-α、高迁移率基团（HMG）B1和多菌败血症激活NF-κB转录因子途径的示意图。LPS与Toll样受体-4（TLR-4）的结合取决于其与循环LPS结合蛋白（LBP）的相互作用以及该复合物与膜结合CD14的后续相互作用[90]. 因此，LPS-LBP-CD14-TLR-4复合物锚定在肾脏内的各种细胞上（尤其是近端小管顶部刷状缘内）[60]，在这里它启动细胞内信号级联。LPS上调CD14基因表达[91]人肾近端小管上皮细胞和TNF-α[92]小鼠肾间质和肾小管上皮细胞。通过LPS激活TLR-4刺激MyD88通路[47,93,94]并最终通过IKK复合物中的IκB激酶-β（IKKβ；单色）诱导IκB的磷酸化[65]. 磷酸化IκB随后从NF-κB中释放出来，使NFκB迁移到细胞核以调节各种细胞因子的转录，如图所示。HMGB1激活TLR-4通过一种替代机制激活NF-κB，其中IKKα和IKKβ（棕色）都涉及[54,55]. 在败血症的盲肠结扎和穿刺模型中，MyD88被未知的上游细胞表面受体独立于TLR-4激活[72,75]. 白细胞介素受体相关激酶；丝裂原活化蛋白激酶p38；TRAF，TNF受体相关因子。

NF-κB是一种高表达的转录因子，通常在细胞应激反应中被激活，并诱导TNF-α、IL-1、IL-6和IL-8的合成和释放[65]. NF-κB介导的过程在分离的原代大鼠近端肾小管上皮细胞中发生[66]但这些细胞因子的局部和全身产生对肾脏炎症细胞因子水平的总体贡献尚不清楚。对TLR-4基因敲除小鼠移植表达TLR-4的肾脏进行的实验表明，系统生产可能更重要[62]. 使用诸如甲基-2-乙酰氨基丙烯酸甲酯（丙酮酸乙酯类似物）等试剂直接抑制NF-κB[67]，丙酮酸乙酯[68]和烟碱乙酰胆碱[69]能降低小鼠的细胞因子水平（TNF-α、IL-6、IFN-γ和IL-10），并与感染性AKI小鼠的临床特征改善有关[67-69].

然而，最近一项检查MD2-TLR-4拮抗剂作用的随机对照试验未能显示对严重脓毒症患者的死亡率有任何益处[70]. 在这项研究中，没有一个入选的患者根据他们所患的感染类型（多菌性、革兰氏阳性或革兰氏阴性）进行分层。此外，内毒素水平没有被测量，这使得一些患者可能受益于他们在免疫学谱上的地位。尽管如此，该试验可能突出了过去20年来在败血症研究中表现出来的LPS内毒素血症与人类败血症相关联的一些陷阱。

事实上，多项研究表明，在多微生物和盲肠结扎和穿孔模型中，脓毒症诱导的损伤机制可能与脂多糖诱导的模型中的损伤机制截然不同[71]，可能完全独立于TLR[72-75]相反，可以通过直接MyD88调节进行调节（图1) [72,75]. 有趣的是，在人类中存在一种特异性TLR-4突变（D299G），这种突变会损害LPS信号，但尚未证明它会影响脓毒症患者的TNF-α、IL-6和IL-10水平[73]. 在接受大型内脏手术的患者中，这种特殊的等位基因与败血症结局或发展的任何变化都没有关联[73]或脑膜炎球菌病患者[76]. 这种特异性突变在肾脏中的作用尚未直接检测，其研究可能对人类感染性AKI的机制提供重要的见解。值得注意的是，由于两个物种对压力的基因组反应存在显著差异，使用各种小鼠模型研究人类炎症和脓毒症最近受到质疑[77].

我们实验室开展的工作和本次审查的准备工作得到了国家卫生研究院的资助：P30 DK079307授予NMPS和KRH，R01 DK084184授予NMPS，匹兹堡大学医学系初级学者奖授予NMPS、R01 DK075048授予KRH、R01 HL080926授予JAK，R01丹麦070910授予JAK。