多黏菌素E腎毒性機制研究進展

楊天立 蔡蕓

(解放軍總醫(yī)院醫(yī)保部藥學部藥物臨床研究中心，北京 100853)

多黏菌素E(colistin)是由多黏芽孢桿菌產(chǎn)生的一種抗菌藥物，目前主要有兩種劑型，多黏菌素E甲磺酸鈉(colistimethate sodium, CMS)和硫酸多黏菌素E(colistin sulfate)[1]。對Colistin的計量單位主要有3種：多黏菌素E基質(zhì)(colistin base activity, CBA)，多黏菌素E甲磺酸鹽(CMS)和國際單位(IU)，10mg CBA相當于24mg CMS，相當于30萬IU的colistin[2]。20世紀60年代，colistin在臨床上被廣泛應(yīng)用，但由于其嚴重的腎毒性和神經(jīng)毒性，很快被其他低毒性抗菌藥物如喹諾酮類等所取代[3]。近年來，臨床上多重耐藥革蘭陰性菌(銅綠假單胞菌、鮑曼不動桿菌和肺炎克雷伯菌)感染率顯著上升，而后續(xù)又缺乏有效的抗菌藥物出現(xiàn)，老藥colistin又重新回到了人們的視野中，成為對抗多重耐藥革蘭陰性菌的最后防線[3-4]。目前臨床上為了達到更好的抗菌效果而采用增大colistin劑量的治療方法，考慮到colistin誘導的腎毒性也呈劑量依賴型[5]，因而單純提高藥物劑量并非是最好的選擇。有文獻[6-7]報道，提高colistin的劑量可在約60%的患者中出現(xiàn)腎損傷。

Colistin的藥動學研究表明，CMS進入體內(nèi)后，經(jīng)腎臟的排泄率遠大于其轉(zhuǎn)化率，在腎臟水解為有效成分colistin的轉(zhuǎn)化率僅為20%左右，且其轉(zhuǎn)化率的多少取決于患者腎功能的差異[5,8-10]。而colistin經(jīng)過腎小球濾過后，80%以上由腎小管重吸收回體內(nèi)，相比較于機體總清除率而言，腎清除率只占了很小的一部分，主要由非腎途徑排出體外[3,8-12]。應(yīng)用colistin治療時，最常見且最引人關(guān)心的藥物不良反應(yīng)是腎毒性，這一不良反應(yīng)呈劑量依賴型且多數(shù)為可逆性損傷，永久性的腎損傷很少見[3,13]。但在多重耐藥菌感染患者其本身可能存在腎功能不良，另外由于其病情重、用藥多，更加容易并發(fā)腎損傷。因此，colistin的腎毒性會對其臨床應(yīng)用帶來巨大的限制，對于其腎毒性機制以及減毒藥物的研究成為研究熱點。本文綜述了colistin的腎毒性作用機制，以及對于colistin誘導的腎損傷具有潛在的保護作用的藥物，旨在為臨床合理應(yīng)用colistin降低其腎毒性提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持。

1 Colistin腎毒性機制

1.1 直接損傷機制

Colistin的氨基丁酸和脂肪酸成分，可以提高腎小管上皮細胞膜的通透性，導致電解質(zhì)和水透過細胞膜進入細胞內(nèi)，進而使細胞腫脹和細胞溶解。因此，colistin引起的急性腎小管壞死臨床上多表現(xiàn)為血肌酐升高、腎肌酐清除率的降低，以及蛋白尿、管型尿，和少尿[14-15]。也有部分病例報道稱對多黏菌素的高敏感性可導致急性間質(zhì)性腎炎[16-17]。

1.2 促進細胞凋亡機制

1.2.1 氧化應(yīng)激與蛋白酶通路依賴的促凋亡機制

在Ozkan等[18]的一項研究中提到，colistin相關(guān)腎損傷過程中，氧化損傷與iNOS的升高相關(guān)，而iNOS表達的升高與凋亡和壞死損傷的程度平行。蛋白酶-1和-3的表達也有所升高，蛋白酶-3主要被內(nèi)外源性凋亡通路所激活并最終導致DNA瓦解，蛋白酶-1是炎癥性蛋白酶，二者的升高提示在colistin誘導腎毒性機制中，氧化應(yīng)激損傷可能通過蛋白酶依賴性細胞凋亡導致腎損傷。

另有實驗[19]顯示，在使用colistin治療過的小鼠腎臟中，脂質(zhì)過氧化標志物丙二醛(MDA)明顯升高，抗氧化酶過氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)都顯著降低，提示氧化應(yīng)激在colistin誘導的細胞凋亡和腎損傷中可能起重要作用。

1.2.2 線粒體通路依賴的促凋亡機制

線粒體是生成ATP的主要部位，也是活性氧攻擊的目標。當暴露于藥物或毒素時，線粒體通路就會被激活，進而活化蛋白酶導致細胞凋亡[20]。線粒體通路可被Bcl-2蛋白家族調(diào)節(jié)[21]，Bcl-2下調(diào)或Bax的上調(diào)都可誘導線粒體外膜通透性增加[22]，引起線粒體釋放細胞色素C(cytC)和凋亡誘導因子(AIF)。cytC激活蛋白酶-9和-3依賴的細胞凋亡，AIF介導非蛋白酶依賴性細胞凋亡[23-25]。

經(jīng)過colistin治療過的小鼠腎臟中，透射電子顯微鏡下可清晰地看到嚴重腫脹的線粒體。線粒體功能紊亂主要表現(xiàn)為Ca2+誘導的線粒體膜通透性顯著增高，線粒體酶活性降低和ATP生成減少等，這些都表明線粒體功能紊亂是colistin誘導腎毒性的一項重要事件。當小鼠經(jīng)過多黏菌素E治療7d后，Bcl-2顯著降低，cytC、AIF、裂解的蛋白酶-9和蛋白酶-3明顯升高，證實了激活線粒體通路對colistin誘導的腎毒性可能有重要作用，而且蛋白酶依賴和非依賴性通路均參與到colistin誘導的腎小管細胞的凋亡[19]。

1.2.3 死亡受體通路依賴的促凋亡機制

死亡受體通路的激活始于死亡受體Fas與FasL的結(jié)合[26]，而后作用于蛋白酶-8的Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域(FADD)，最終誘導細胞凋亡[27]。在經(jīng)過colistin治療后的小鼠腎臟中可觀察到Fas、FasL、FADD和裂解的蛋白酶-8表達顯著增加[19]，證實了colistin誘導腎小管細胞凋亡中可能有死亡受體通路的參與。

1.2.4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路依賴的促凋亡機制

細胞毒物、營養(yǎng)限制、未折疊或折疊錯誤蛋白的積聚等一系列因素都可導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，從而啟動內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路[28-29]。在持續(xù)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激作用下，促凋亡因子GADD153/CHOP誘導并激活蛋白酶-12，蛋白酶-12作用于下游的蛋白酶效應(yīng)器，如蛋白酶-9或-3，最終引起細胞死亡[20-30]。實驗中可見到被colistin治療7d的小鼠體內(nèi)GADD153/CHOP和蛋白酶-12水平明顯升高，證實了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路可能參與了colistin誘導的腎損傷[19]。

1.3 細胞周期停滯

細胞周期的進展和停滯過程與腎損傷后腎臟的恢復和纖維化密切相關(guān)[31-32]。p21蛋白(CDKN1a)是細胞周期依賴性蛋白激酶(CDK)的抑制劑[33]，它受到p53蛋白的控制，并在保護細胞免受凋亡的過程中起重要作用[34-35]。在使用colistin治療的小鼠模型中，p21顯著上調(diào)，證實了colistin引起的細胞損傷是通過p53-p21-CDK來抑制細胞周期的進展，造成細胞周期停滯[19]。這種細胞周期停滯對于腎臟的作用尚不清楚，可能是一種保護性機制，允許細胞對損傷進行修復，但同時p53也可引起細胞凋亡性死亡[36]。

1.4 自噬的作用

自噬是一個通過溶酶體系統(tǒng)對功能紊亂的細胞內(nèi)容物進行自我降解的過程[37-39]。自噬對維持細胞存活很重要，它可以清除折疊錯誤的蛋白質(zhì)和受損的細胞器，比如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和過氧化物酶體[40]。自噬和凋亡都是程序化細胞死亡，二者之間的聯(lián)系十分復雜，但對于細胞的生存和死亡都十分重要[41]。

在一項體內(nèi)實驗中[19]，經(jīng)過不同劑量colistin治療過的小鼠腎臟樣本中，低劑量組可見到大量自噬溶酶體，高劑量組僅能見到少量自噬溶酶體，自噬的生物標志LC3B和Beclin-1變化程度與自噬溶酶體數(shù)量變化相一致，而且值得注意的是，自噬的這種變化趨勢都與腎臟細胞凋亡的結(jié)果相反。提示一定劑量的colistin能夠誘導自噬，較高劑量的colistin并不能夠促進自噬，在colistin造成腎損傷時，自噬的減少能夠促進細胞凋亡，因此自噬可能起到一定的腎臟保護作用。

一項研究自噬與colistin神經(jīng)毒性的體外細胞實驗證實[42]，在經(jīng)過colistin處理過的PC-12細胞內(nèi)，電鏡下可見大小不等、不同階段的自噬空泡，且LC3B和Beclin-1的水平顯著升高。而用3-甲基腺嘌呤(3-MA)或雷帕霉素預處理過的細胞，再經(jīng)過colistin的治療后，細胞存活減少，細胞質(zhì)內(nèi)空泡形成、LC3B以及beclin-1的表達均減少，細胞加速凋亡。提示了自噬在colistin引起的細胞毒性損傷中起保護性作用，抑制自噬能夠促進colistin引起的細胞凋亡。

2 預防和治療多黏菌素E誘導腎損傷的藥物

由于氧化應(yīng)激是colistin誘導腎毒性的一項重要原因，因此聯(lián)合使用一些抗氧化物，如褪黑素、抗壞血酸(維生素C)、葡萄籽原花青素提取物和N-乙酰半胱氨酸等可對預防colistin引起的腎損傷[18,43-45]。Colistin與這些抗氧化物聯(lián)合應(yīng)用，并不會降低多黏菌素E的抗菌作用，還可以擴大藥物的治療窗[44-45]，這對于colistin這一臨床最后的抗菌藥物應(yīng)用具有十分重要的意義。兩項大鼠體內(nèi)實驗[46-47]證實，colistin聯(lián)合應(yīng)用天然蝦青素或維生素E，或維生素C與維生素E的復合物，都可在一定程度上降低colistin誘導的腎損傷，尤其是與氧化應(yīng)激有關(guān)的損傷部分。

右美托咪定是一種α-腎上腺素受體激動劑，部分文獻報道了右美托咪定具有抗凋亡作用[48-49]。一項大鼠體內(nèi)實驗顯示，colistin聯(lián)合右美托咪定治療大鼠后，大鼠體內(nèi)蛋白酶-3的表達減少，提示右美托咪定可通過抑制蛋白酶-3凋亡途徑來阻止colistin誘導的腎毒性[50]。

姜黃素是從姜黃中提取出來的一種色素[51]，具有抗炎[52-54]、抗氧化[55]、抗凋亡[56-58]等廣泛的藥理作用。實驗證實，通過這些藥理作用，姜黃素聯(lián)合colistin治療的大鼠，血肌酐、尿素氮和尿酸水平顯著降低，因而姜黃素有望用來防治colistin誘導的腎損傷[59]。

3 總結(jié)和展望

Colistin所致腎毒性機制研究主要集中于氧化應(yīng)激所致的細胞凋亡，線粒體通路、死亡受體通路和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路這3條主要的凋亡通路，對細胞周期停滯也有一定的影響。近年來，自噬在各類型腎損傷中的作用機制也是研究熱點，colistin引起的腎損傷是否與自噬也具有相關(guān)性也值得進一步探討。文中綜述的潛在對腎臟具有保護作用的藥物僅在動物實驗中被證實，人體安全有效劑量也并未做進一步探索，具體保護機制尚待研究。對于colistin的腎毒性作用機制的深入探索以及對其誘導的腎損傷具有潛在的保護作用的藥物的研發(fā)，能夠拓展colistin在臨床的應(yīng)用，更好發(fā)揮其在對抗多重耐藥菌中的作用。