糖尿病基礎(chǔ)上對比劑誘導(dǎo)急性腎損傷發(fā)生機(jī)制研究進(jìn)展

李彥飛，任 克

(廈門大學(xué)附屬翔安醫(yī)院放射科，福建 廈門 361102)

碘對比劑導(dǎo)致的急性腎損傷(acute kidney injury, AKI)稱為對比劑腎病(contrast-induced nephropathy, CIN)，更為準(zhǔn)確的說法為對比劑誘導(dǎo)急性腎損傷(contrast-induced acute kidney injury, CI-AKI)。歐洲泌尿生殖放射協(xié)會(European Society of Urogenital Radiology, ESUR)將CI-AKI定義為：血管內(nèi)注射碘對比劑后3天內(nèi)血清肌酐升高≥0.5 mg/dl(44.2mol/L)或較基線值升高≥25%，同時(shí)排除其他病因?qū)е碌腁KI[1]。CI-AKI是目前僅次于腎灌注不足和腎毒性藥物引起的第3位醫(yī)院內(nèi)獲得性AKI常見原因[2]。糖尿病(diabetes mellitus， DM)及其急、慢性并發(fā)癥嚴(yán)重威脅人類健康，且是可誘發(fā)其他疾病發(fā)生的基礎(chǔ)性疾病。糖尿病腎病(diabetes nephropathy, DN)是DM常見慢性并發(fā)癥，DM伴或不伴DN均為CI-AKI的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。CI-AKI在腎損傷患者中的發(fā)生率明顯升高，在DM相關(guān)腎病中尤為顯著[3]。CI-AKI發(fā)病率在非DM患者中約為13%，在DM患者中約為5.7%～29.4%[4]。本文對DM基礎(chǔ)上CI-AKI發(fā)生機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 高糖狀態(tài)下CI-AKI腎臟的病理生理學(xué)變化

目前研究[5-6]認(rèn)為CI-AKI的發(fā)生主要包括兩大機(jī)制，即腎實(shí)質(zhì)氧化損傷(尤其是外髓質(zhì)缺氧)及對比劑對腎毛細(xì)血管和腎小管的毒性作用，活性氧(reactive oxygen species， ROS)在兩種機(jī)制中發(fā)揮橋梁作用，而高糖狀態(tài)可能增加ROS[7]。

圖1 高糖狀態(tài)與CI-AKI病理生理變化的關(guān)系

1.1 缺氧與毒性是CI-AKI的首要原因 對比劑首先改變腎臟血流動力學(xué)，導(dǎo)致缺氧。相關(guān)證據(jù)包括DM動物模型MR血氧水平依賴成像顯示腎外髓質(zhì)區(qū)去氧血紅蛋白含量增加，乏氧標(biāo)志物哌莫硝唑生成，腎髓質(zhì)缺氧誘導(dǎo)因子含量增加[8-9]。缺氧導(dǎo)致以ROS為主的氧化產(chǎn)物大量出現(xiàn)，形成氧化應(yīng)激，進(jìn)而使蛋白質(zhì)和酶活性異常，脫氧核糖核酸雙鏈結(jié)構(gòu)改變和功能受損及脂質(zhì)受損。對比劑毒性主要導(dǎo)致腎血管內(nèi)皮和腎小管上皮凋亡和壞死增加[10]。此外，內(nèi)皮受損致一氧化氮(nitric oxide, NO)減少[11]，微血管擴(kuò)張受限，抗氧化能力減弱。CI-AKI時(shí)細(xì)胞內(nèi)外Na+/Ca2+交換異常，細(xì)胞內(nèi)Ca2+累積，進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞損傷[12]。上述變化的機(jī)制可能包括對比劑穿過細(xì)胞膜損傷線粒體，降低呼吸鏈效率，促使細(xì)胞色素釋放，誘發(fā)線粒體途徑介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡；同時(shí)線粒體損傷也可產(chǎn)生ROS，進(jìn)一步損傷細(xì)胞。

綜上，對比劑通過改變腎臟微循環(huán)而造成腎組織缺氧，繼而導(dǎo)致腎組織損傷和過量ROS產(chǎn)生；同時(shí)，對比劑對腎小管上皮和腎血管內(nèi)皮的線粒體產(chǎn)生毒性作用，介導(dǎo)線粒體凋亡途徑；ROS在上述改變中發(fā)揮核心作用。

1.2 高糖狀態(tài)下CI-AKI血管活性物質(zhì)變化及缺氧 DM或DN對CI-AKI發(fā)生的缺氧和毒性損傷尤其敏感[13]。高糖使人體抗氧化系統(tǒng)缺陷，伴氧化應(yīng)激水平上調(diào)，易促發(fā)炎癥反應(yīng)，損傷血管內(nèi)皮功能；也可認(rèn)為DM和DN的某些病理生理改變是CI-AKI發(fā)生的潛在因素，如耗氧量增加、ROS增加、內(nèi)皮素合成增加、腺苷含量升高、NO和前列腺素(prostaglandin, PG)含量下降等物質(zhì)代謝紊亂等[14]。尤其是ROS的產(chǎn)生，對人體各個(gè)臟器均產(chǎn)生不利影響，加快疾病進(jìn)程。DM和DN中ROS產(chǎn)生的主要原因?yàn)檫€原型輔酶Ⅱ氧化酶活性增加及線粒體超氧化物產(chǎn)生增多[15]。ROS無特定作用對象，可以攻擊脂質(zhì)、蛋白、氨基酸并產(chǎn)生不穩(wěn)定分子，終產(chǎn)物可能引起多種代謝效應(yīng)。給予健康受試者、DN和慢性腎臟病患者對比劑后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮素水平均顯著升高。內(nèi)皮素增多使腎血管收縮，加重缺氧和腎小管上皮損傷。腺苷是三磷酸腺苷代謝產(chǎn)物，促進(jìn)腎臟血管收縮[16]，加劇腎實(shí)質(zhì)缺氧。DN患者腎髓質(zhì)NO減低[17]及ROS使NO含量下降均抑制血管擴(kuò)張，PG合成減少促進(jìn)腎血管收縮，二者加劇腎臟缺氧。DM高糖狀態(tài)進(jìn)一步增加某些離子泵功能負(fù)荷，如腎小管上皮細(xì)胞的鈉離子-葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)荷，進(jìn)而增加氧耗[18]。

綜上，高糖可能是CI-AKI發(fā)生的危險(xiǎn)因素，一方面其促發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)，使ROS增多；另一方面使血管活性物質(zhì)功能紊亂，腎臟血管收縮，供氧不足。高糖還加重某些離子泵負(fù)荷，使耗氧增多。CI-AKI也可加重原有DM和DN的病理生理進(jìn)程，二者互為因果，使腎臟功能持續(xù)受損(圖1)。

2 高糖致免疫學(xué)變化促進(jìn)CI-AKI發(fā)生

碘對比劑可導(dǎo)致惡心、嘔吐、支氣管痙攣、低血壓等免疫反應(yīng)。高糖亦可致體內(nèi)發(fā)生免疫學(xué)改變；但高糖狀態(tài)下免疫學(xué)改變促進(jìn)CI-AKI發(fā)生的機(jī)制尚未明確。

2.1 細(xì)胞因子 DM患者血漿內(nèi)多種細(xì)胞因子上調(diào)，且可反映病情進(jìn)展，如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor， TNF)、白細(xì)胞介素(interleukin， IL)、干擾素(interferon， IFN)等，上述因子可能直接或間接促進(jìn)CI-AKI發(fā)生。

2.1.1 TNF-α和IL-1 HASEGAWA等[19]發(fā)現(xiàn)，DM大鼠腎基底膜細(xì)胞與巨噬細(xì)胞共培養(yǎng)，可產(chǎn)生大量TNF-α和IL-1。TNF-α主要由單核-巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞產(chǎn)生，亦可由腎臟細(xì)胞產(chǎn)生[20]，可直接導(dǎo)致腎臟細(xì)胞損傷、凋亡及壞死。此外，TNF-α可誘導(dǎo)腎臟細(xì)胞生成ROS，間接損傷腎臟[21]。IL-1在腎再灌注損傷炎癥反應(yīng)中扮演重要角色[22]。IL-1β是IL-1亞型，與Nod樣受體家族Pyrin域蛋白3(Nod-like receptor pyrin3, NLRP3)/caspase-1/IL-1β有關(guān)，具有重要作用。

圖2 CI-AKI和高糖條件下相關(guān)細(xì)胞因子對腎臟的作用

2.1.2 TGF-β、IL-18和IFN-γ 單核-巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞可產(chǎn)生IL-18。DN腎小管上皮細(xì)胞IL-18含量增加，進(jìn)而促進(jìn)IFN-γ釋放，激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)途徑。LEE等[23]發(fā)現(xiàn)，艾葉提取物中的黃酮類化合物可通過阻斷MAPK磷酸化途徑而發(fā)揮抗細(xì)胞凋亡作用，間接證明IL-18可能促進(jìn)CI-AKI發(fā)生。TGF-β1是IL-18的上游分子，在腎臟纖維化中起到重要作用。KILARI等[24]發(fā)現(xiàn)對比劑可以活化生長轉(zhuǎn)化因子β/pSmad3信號通路，并增加結(jié)締組織生長因子、基質(zhì)金屬蛋白酶9(metallomatrix protease, MMP-9)和Ⅳ型膠原表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡。YARIBEYGI等[25]觀察IL-18在DN中的作用，認(rèn)為IL-18可通過影響多種細(xì)胞因子和信號通路而促進(jìn)DN發(fā)生，其機(jī)制可能包括促進(jìn)系膜細(xì)胞增生和腎小球纖維化，增加氧化應(yīng)激反應(yīng)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和壞死等。

2.1.3 IL-6 腎小球間質(zhì)纖維化是DN的重要特征，DN患者血清IL-6水平高于單純DM患者[26]。IL-6促進(jìn)腎臟系膜細(xì)胞增生，使腎小球內(nèi)皮細(xì)胞通透性增加、纖維連接蛋白表達(dá)上調(diào)[27]，共同介導(dǎo)腎臟纖維化。CI-AKI作為一類特殊病因的AKI，常伴發(fā)腎臟纖維化。

2.1.4 IL-33 ONK等[28]發(fā)現(xiàn)，IL-33在DM大鼠的腎臟和血清中顯著升高，并在給予對比劑的DM大鼠中進(jìn)一步升高，褪黑素可以逆轉(zhuǎn)這一過程，并緩解腎損傷。OWEIS等[29]分析202例接受冠狀動脈造影患者的血清，發(fā)現(xiàn)血清IL-33可作為CI-AKI的預(yù)測因子。

2.1.5 IL-22 與上述細(xì)胞因子不同，IL-22可能在DM和CI-AKI中起到抑制炎癥反應(yīng)和緩解腎損傷的作用。WANG等[30]發(fā)現(xiàn)DM患者和DM動物模型血清IL-22表達(dá)均下降，IL-22表達(dá)上調(diào)可緩解動物模型腎損傷并減低高糖誘導(dǎo)的纖維蛋白和Ⅳ型膠原過表達(dá)，進(jìn)而減輕DN腎臟纖維化和蛋白尿，而上述作用可能與NLRP3/caspase-1/IL-1β有關(guān)。

綜上，多種細(xì)胞因子參與DM和CI-AKI的發(fā)生發(fā)展，但細(xì)胞因子與DM基礎(chǔ)上CI-AKI的發(fā)生是否相關(guān)仍需進(jìn)一步觀察。

2.2 模式識別和免疫細(xì)胞 既往研究[31]發(fā)現(xiàn)，中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞及肥大細(xì)胞在腎病中發(fā)揮作用；除了淋巴細(xì)胞，其余4種均為固有免疫系統(tǒng)成員。固有免疫細(xì)胞通過表達(dá)模式識別受體，如Toll樣受體(Toll-like receptors, TLR)和Nod樣受體(Non-like receptors, NLR)，與特定配體如損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecule patterns, DAMP)因子和病原相關(guān)分子模式(pathogen associated molecule patterns, PAMP)因子結(jié)合而發(fā)揮免疫作用。既往關(guān)于DM免疫細(xì)胞作用的研究[32]較多集中在胰島和脂肪，發(fā)現(xiàn)其作用結(jié)果是導(dǎo)致胰島細(xì)胞損傷或胰島素抵抗及肥胖等，而在CI-AKI中的研究較少。

高糖狀態(tài)可誘導(dǎo)TLR過表達(dá)，DM患者脂肪、視網(wǎng)膜、冠狀動脈和腎臟血管內(nèi)皮TLR2和TLR4表達(dá)增加[32]。亦有研究[33]顯示，在AKI中，TLR與DAMP或PAMP作用引發(fā)或調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。在DM和DN中，DAMP可能是ATP、DNA的代謝產(chǎn)物，或是有害顆粒如尿酸結(jié)晶，也可由射線照射產(chǎn)生，可隨細(xì)胞溶解、細(xì)胞外泌或酶基質(zhì)釋放暴露于免疫系統(tǒng)。此外，固有免疫細(xì)胞表達(dá)TLR，與DAMP結(jié)合后激活某些信號通路(NF-κB和MAPK)并促進(jìn)炎癥因子釋放，其中一些分子可能促進(jìn)CI-AKI發(fā)生。LAU等[34]發(fā)現(xiàn)CI-AKI的免疫監(jiān)視涉及多個(gè)過程，其中包括NLRP3依賴的炎癥反應(yīng)。有研究[30]顯示，IL-22可通過抑制NLRP3/caspase-1/IL-1β炎癥反應(yīng)通路緩解DN的腎損傷和纖維化進(jìn)程。YARIBEYGI等[35]報(bào)道，消退素可通過抑制NLRP3、NF-κB通路及炎癥細(xì)胞募集、調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激等抗炎途徑緩解DN。

綜上，DM和/或DN中固有免疫細(xì)胞和模式識別受體可能對CI-AKI形成的某些DAMP做出應(yīng)答，加重或抑制炎癥反應(yīng)。這些效應(yīng)與高糖狀態(tài)下某些病理生理改變重疊，為DM促進(jìn)CI-AKI發(fā)生及相關(guān)機(jī)制提供新的研究思路(圖2)。

3 小結(jié)與展望

CI-AKI的發(fā)生機(jī)制尚未完全清楚，目前認(rèn)為相關(guān)機(jī)制主要包括對比劑對腎實(shí)質(zhì)氧化損傷和對比劑的腎毒性作用，尤其ROS產(chǎn)生是CI-AKI的關(guān)鍵步驟，DM的高糖狀態(tài)可促進(jìn)CI-AKI發(fā)生，尤其是血管活性物質(zhì)變化后造成的缺氧促進(jìn)腎臟損傷。另外，某些細(xì)胞因子的變化和作用可能與DM狀態(tài)下腎臟功能改變有關(guān)。未來將進(jìn)一步探討CI-AKI的發(fā)病機(jī)制及DM作為CI-AKI危險(xiǎn)因素的機(jī)制，為臨床提供可預(yù)防和治療CI-AKI的新途徑。