急性肾损伤的生物标志物.ppt

急性肾损伤的生物标志物急性肾损伤的生物标志物AbstractAcute kidney injury(AKI)is common after major surgery and reportedly occurs in approximately 36%of ICU patients.It is associated with increased mortality,greater cost,and prolonged Intensive Care Unit(ICU)and hospital stay,despite attempts to develop therapies to prevent or attenuate AKI,which have had limited success.急性肾损伤（AKI）常见于大手术和约36%的ICU患者，它增加死亡率、治疗费用和延长ICU住院时间，目前虽然正努力发展预防或减轻AKI的治疗措施，但收效甚微。AbstractOne major reason for this lack of success may be the result of delayed implementation due to the inability to detect AKI early.Traditional biomarkers of AKI(creatinine and urea)do not detect injury early enough.Thus,It is a priority to find reliable,early biomarkers that predict subsequent AKI.其中主要原因是缺乏早期诊断AKI的措施。传统的AKI生物标志物（肌酐和尿素氮）不能早期诊断损伤。所以，急需寻找可靠、可早期预示AKI的生物标志物。AbstractInnovative technologies such as functional genomics and proteomics have facilitated detection of several promising early biomarkers of AKI,such as neutyophil gelatinase-associated lipocalin(NGAL),cystatin C(CyC),liver-type fatty acid binding protein(L-FABP),interleukin-18(IL-18),and kidney injury molecule-1(KIM-1).新技术如功能基因组学和蛋白组学已帮着发现了几种有前景的，可早期提示AKI的生物标志物，如人中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL）、半胱氨酸蛋白酶抑制剂C（CyC）、肝脏型脂肪酸结合蛋白（L-FABP）、白介素18（IL-18）和肾损伤分子1（KIM-1）。AbstractThese biomarkers have many potential applications function,as safety markers to monitor toxicity and as measures of treatment effect.For example,NGAL and cystatin C have been used in a safety monitoring trial of hydroxyethylstarch therapy and to detect AKI early,during or immediately after cardiac surgery.Clinical use beyond research settings is rapidly expanding.这些生物标志物在麻醉科和ICU中有很多潜在的应用。它们可用于评估新技术和治疗在肾功能上的影响，监测肾中毒程度和治疗效果。比如，NGAL和CyC已经用于一心脏手术期间羟乙基淀粉治疗安全监测试验以及早期预测AKI。Key wordsKidney failure Creatinine Urea Biological markers Lipocalins Cystatin C Fatty acid binding protein Interleukin-18肾衰竭 肌酐 尿素氮 生物学标志物 脂质运载蛋白 半胱氨酸蛋白酶抑制剂C 脂肪酸结合蛋白 白介素18 AKI is common with major surgery and critical illnessAKI is the consensus term now used to describe the continuum of the condition previously called acute renal failure.AKI as classified by the RIFLE criteria(acronym for Risk,Injury,Failure,Loss and Endstage)has been reported to occur in approximately 36%of critically ill patients and is common after major surgery such as open heart surgery.急性肾损伤（AKI）是一个共识性名称，目前用于描述以前叫急性肾衰竭的连续性过程。AKI被报道发生于约36%重症患者和常见于如开放性心脏手术等大手术后患者，它按FIFLE标准分级（首字母缩写于风险、损伤、衰竭、肾功能丧失和终末期肾病）。AKI is common with major surgery and critical illnessAKI is independently associated with an increased risk of death and with prolonged length of stay.Severe cases require costly treatment,can result in prolonged kidney dysfunction,and escalate the human and financial costs of care.Therefore,it seems desirable to detect AKI as early as possible in order to develop or implement potentially protective therapy.急性肾损伤与死亡风险的增加和住院时间的延长有关。需昂贵治疗的严重病例将导致长时间肾功能紊乱，增加监护人力和成本。所以，尽早诊断AKI有助于发展或实现保护性治疗。Why therapies have been unsuccessfulThe capacity of N-acetyl cysteine to prevent AKI after radiocontrast has been tested with unconvincing result,and the benefits of perioperative IV sodium bicarbonate infusion in cardiac surgical patients are yet to be confirmed.the most widely accepted treatment to prevent or treat AKI(although untested in controlled trials)remains prompt fluid resuscitation of circulatory volume and appropriate cardiac output and perfusion pressure.预防造影剂引发的AKI的乙酰半胱胺酸的作用被证明不确定，在心脏手术患者中围手术期的静注碳酸氢钠的益处也未被确定。目前广泛预防或治疗AKI的措施（虽然未被对照试验证明）依然是及时补充液体恢复血循环的复苏以及适度应用强心剂/血管加压素以维持充足的心输出量和灌注压。Why therapies have been unsuccessfulBeyond these measures,cases unresponsive to fluid resuscitation in the presence of hyperkalemia,metabolic acidosis or fluid overload commonly receive renal replacement therapy/dialysis to support the kidneys.除了这些措施外，高钾血症，代谢性酸中毒或液体负荷过重的病例对液体复苏无反应，此时多需接受肾脏替代治疗/透析。Why therapies have been unsuccessfulWhy therapies have been unsuccessful至于为什么没有可再生的持续性的有效的对AKI的治疗有这么几个原因。第一，急性肾损伤可由多因素诱发并可发生在疾病过程中。即使某些治疗可能对部分亚组有益，由于疾病的多样性致使特定的治疗方案不可能适用于所有类型的AKI。第二，目前对AKI的发病机制的认识仍是有限的。这将导致预防或治疗上的困难重重。Why therapies have been unsuccessfulWhy therapies have been unsuccessful第三，介入治疗实施不及时。由于我们依赖传统生物标志物（肌酐，尿素氮，尿量）来诊断AKI才出现治疗上耽搁。这些生物标志物既不能及时提示损伤，而且多在损伤后好几小时才出现异常（肌酐，尿素氮）也缺乏特异性（尿量）。Why therapies have been unsuccessful由此，如果我们能尽早诊断AKI，那么我们能及早治疗也能更好得预防或减轻损伤。The limitations of traditional biomarkersThe limitations of traditional biomarkers传统临床急性肾损伤生物标志物是肌酐、尿素氮和尿量。对早期诊断急性肾损伤都有严重的局限性。肌酐是骨骼肌中产生的肌酸在肝脏中转化形成。它的产生并释放入血浆有相对稳定的速率，并能从肾小球滤过。少部分肌酐分泌入尿。肌酐不能在肾小管重吸收或在肾脏代谢。如果肌酐滤过功能不佳，那么血肌酐将升高，伴GFR下降。The limitations of traditional biomarkersThe limitations of traditional biomarkers然而，血清肌酐作为急性肾损伤的标志物有这么几个局限性。第一，肌酐产生因年龄、性别、饮食、肌肉情况、药物及激烈运动差异明显。第二，肌酐分泌约占肌酐清除的10-40%，这将导致GFR的假性降低。第三，血清肌酐试验精确性可以因假象而降低。第四，肌酐出现异常时，GFR减少大都已超过50%并且需超过24小时才能测得血肌酐浓度足够升高。The limitations of traditional biomarkers尿素氮是水溶性的、低分子量的蛋白质代谢产物。它的血浓度与GFR相反，部分因素可影响它的产生和清除，这就限制了它评估GFR的可靠性。The limitations of traditional biomarkers尿素氮的产生是多变的，它的值可因循环血量、蛋白质摄入、胃肠道出血等的改变而改变。肾脏尿素氮清除率也是变化的；40-50%滤过的尿素氮在肾小管重吸收。所以，尿素氮是不太适合评估GFR的，因为浓度升高需时间累积，不能及时反映GFR变化。The limitations of traditional biomarkers手术室和ICU病人中留置导尿的一般会常规统计尿量。尿量估计可粗测肾功能或比溶质清除率能更敏感评估肾脏血流动力学变化。但是，很多AKI病人并没有出现少尿，很多手术及ICU病人出现少尿也并不一定是急性肾损伤。The limitations of traditional biomarkers最后，很多药物在手术室及ICU病人的应用（如利尿剂和血管加压素）也可作为额外的干扰因素。为了应对这些问题，目前已经发现了数个可更早期诊断急性肾损伤的生物标志物。这些标志物中包括人中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL），半胱氨酸蛋白酶抑制剂C（CyC），肝脏型脂肪酸结合蛋白（L-FABP），并已适用于部分人群。NGALThe expression of NAGL in early,actute tubular injury was identified using functional genomics.NAGL is a measure of tubular stress(Table1);its concentration increases dramatically in response to tubular injury and precedes rises in SCr by 24 hours.NAGL normally exerts protective bacteriostatic and antioxidant effects involving iron transport and is thought to act as an iron scavenger and growth factor(table1).the proposed role of NGAL and its twin molecule,hepcidin(a“master regulator”of iron)are summarized in Figure1.NGAL功能基因组学证明NGAL 在早期急性肾小管损伤时就已经表达。NGAL可以反映肾小管功能紊乱（如表1）；它浓度的升高可靠地提示肾小管损伤，而血肌酐升高需大于24小时。NGAL通过涉及铁转运而实施保护性抑菌和杀菌作用，并被认为是铁的清除剂、生长因子（如表1）。NGAL和它兄弟分子，肝杀菌肽（铁的高级调节剂）的可能功能总结在图1。NGALNGALNGALNGAL has been intensely investigated in recent years,predominantly in adult cardiac surgery.ELISA techniques have been used to measure NGAL;however,accurate and sensitive point of care tests that reduce costs and the potential for measurement error are now available(TableII-IV).NGAL近些年已被重点研究，特别在成人心脏手术患者中。ELISA技术已经用于测定NGAL。以下是一些人的研究情况。NGALNGALNGALNGAL cardiac surgery-children在一项里程碑式研究中，用血肌酐诊断AKI多在术后1-3天，而用血和尿NGAL则多在术后2小时以内。随后的多项研究进一步证明了这发现。并且血NGAL可提示AKI的持续性时间，住院时间以及死亡率。NGAL cardiac surgery-adultsThe findings in children were broadly confirmed in adults,albeit with somewhat diminished accuracy,with an AUC of 0.77-0.96(TableII).Moreover,plasma NGAL was an independent predictor of AKI duration and severity,of length of ICU stay,and of the need for renal replacement therapy,and of hospital death(TableV).The predictive value of NGAL post cardiac surgery was stronger with a strict definition of AKI(50%versus 25%increase in SCr)and increased with progressive severity of AKI(Table II).在儿童中的发现也在成年人中的到证实，虽然不是十分精确，但AUC也有0.77-0.96.而且血NGAL可以独立预测AKI持续时间和严重性，ICU住院时间，肾脏替代治疗的必要性和住院死亡率。心脏术后NGAL对AKI的预测作用更明显（与肌酐相比为50%比25%），同时可预测AKI的不良预后。NGAL cardiac surgery-adultsNGAL contrast induced nephropathyIn children with congenital heart disease,Hirsch et al found that both serum and urine NGAL were excellent predictors for AKI at 2 hours after contrast.In adults with normal SCr,NGAL levels were significantly higher in urine at 2 hours and in serum 4 hours post contrast in patients who developed CIN,whereas SCr was significantly higher at 48 hours.Consistent with this,Ling et al found urine NGAL performed well in the early diagnosis of CIN.在儿童先天性心脏病患者中，Hirsch等人发现血清和尿NGAL都可在造影后2小时显著显示AKI。在造影剂相关肾损伤患者中血肌酐正常时，尿NCAL在造影术后2小时，血清NGAL在造影后4小时已显著升高，而血肌酐明显升高多在48小时以后。同前所述，Ling等人也发现尿NGAL可较早期诊断CIN（造影剂相关肾损伤）。NGAL critically illWheeler found a significant difference in serum NGAL between children who were healthy,critically ill with SIRS,and critically ill with septic shock(medians 80,108 and 303ng/ml,respectively).Furthermore,NGAL was significantly elevated in those with AKI compared to those without.In addition,Zappitelli et al found that there was a progressive increase in urine NGAL concentration with worsening pRIFLEmax and that urine NGAL was a good diagnostic marker for persistent AKI(Table VI).In critically ill adults,the median uriine NGAL at enrolment was significantly higher in those who developed AKI within 48 hours.Weeler发现血清NGAL在健康儿童，重症全身炎症反应综合症患者和重症感染性休克患者之间存在显著区别（平均值各为80,108和303ng/ml）。而且NGAL在AKI患者明显升高，正常人中升高不明显。再者，Zappitelli等人发现在重症患者中尿NGAL升高更明显，所以尿NGAL是持续性AKI不错的诊断标志物。在重症成人发生了AKI患者中，尿NGAL平均值在开始时比48小时显著升高。NGAL kidney transplant在一多中心研究显示肾移植当天尿NGAL可提示延迟的移植物功能和透析（AUC0.9）。再者，Kusaka等人发现移植器官功能恢复中的NGAL减少比血肌酐减少或尿量恢复要来得早。NGAL and chronic kidney disease(CKD)NGAL and chronic kidney disease(CKD)血和尿NGAL的出现可反映慢性肾病的存在，严重和进展。在慢性肾病患者中NGAL比血肌酐更能反映GFR（当GFR小于30%时比CyC好）。尿NGAL 对儿童腹泻相关溶血性尿毒症，多发伤和急诊患者AKI中也有很强的提示作用。近期用标准化数据分析的NGAL的系统回顾和荟萃分析证明NGAL可作为早期AKI预示。尿和血浆/血清NGAL各自表现良好，NGAL浓度对肾脏替代治疗和死亡率有预示预后的作用。NGAL and chronic kidney disease(CKD)NGAL and chronic kidney disease(CKD)血和尿NGAL目前是最强力的肾脏标志物。NGAL的有意义数值分布较广，成人比儿童数值更高（可能是年龄和伴发疾病的作用），心脏手术比造影剂诱发肾损伤的数值高（CIN损伤幅度小）。所以，各个临床试验都要求获得正常值范围和阈值，一般浓度大于150ng/ml可诊断患者处于AIK高风险，如果大于350ng/ml，那么该患者处于肾脏替代治疗高风险中。如果拿诊断AKI的NGAL和诊断急性心肌梗塞的标志物心肌肌钙蛋白I(AUC在0.7-.08之间)比较，它有足够的临床适应能力来早期诊断AKI。Cystatin CCyC是低分子量半胱氨酸蛋白酶抑制剂，它的血清浓度取决于肾小球滤过率，与NGAL不同，它对刺激物反应并提示肾小管功能紊乱。Cystatin C 名称 分子量 来源 正常浓度 生理作用 升高意义Cystatin C血和尿CyC浓度变化反映GFR变化。而且它的浓度很少受年龄、性别、种族、肌肉、感染、肝病或炎症疾病影响，而且肾小管不能分泌，CyC可能比血肌酐能更好测量肾小管功能。Cystatin C comparison with SCr一个24项研究的系统回顾中，Laterza等人发现在诊断“GFR受损”CyC优于血肌酐（AUC 0.95比0.91，P=0.003）。除了两项不理想的结果外，一些关于ICU患者研究中，CyC比血肌酐作为诊断AKI的标志物有明显的优越性。Cystatin C comparison with SCr应用11项资料组得出的结果，Royakkers等人发现GFR的诊断精确性CyC明显优于血肌酐:AUC比为0.93比0.84，而且CyC已较常用。Cystatin C cardiac surgeryCystatin C cardiac surgery成年人中，虽然有Heise等人研究无明确结果，其他研究发现CyC预示AKI上优于血肌酐，但不比NGAL优越。很明显，排除了那些术前就存在肾脏损伤后，Haase-Fielitz等人发现CyC预示AKI的AUC从0.83下降到了0.78，而NGAL却保持不变。在这些研究中CyC的预示作用一定程度上反映了慢性肾损伤，而不是急性肾损伤。所以，CyC作为NGAL的补充标志物更合适。CyC在Haase-Fielitz等人的研究中表现出相当的预示价值；在此研究中，血清CyC和血浆NGAL都有独立的AKI预示作用，以及很不错的预示是否需肾脏替代治疗和住院死亡率情况。再者，Haase等人还发现CyC在成人心脏手术后有AKI严重度和持续时间的预示作用。Cystatin C post transplant肾移植后，CyC预示术后移植物的功能，但此预示作用相对较延后（一般3天）。相反，肝脏移植后，Hei等人发现术后CyC预示AKI比血肌酐（24小时以内）更早，更精确，而且术后血清CyC也可预示术后AKI。Ling等人研究也证实了这些发现。Cystatin C post contrastRickli等人发现造影后，血CyC升高早于血肌酐。而且，Kimmel等人发现血CyC反映造影相关改变要优于血肌酐。另一研究发现尿CyC在造影后8小时，24小时已明显升高，而肌酐暂无明显变化。Cystatin C post contrastCystatin C post contrastCyC是比血肌酐更早，更精确标志AKI，但它不及NGAL；肝脏移植术后升高的CyC预示术后AKI；CyC在造影引发的肾损伤上比血肌酐更敏感，而且CyC是慢性肾损伤的更好标志物。当两者先后升高时，CyC作为NGAL的补充，因为单个NGAL在存在伴随疾病时有可能缺乏诊断精确性。L-FABPL-FABPL-FABP在多个器官表达，包括肝脏和肾脏。细胞从血浆吸收脂肪酸并转运到细胞间脂肪酸代谢。游离脂肪酸很容易被氧化，可出现氧化应激进而导致细胞损伤。在脂肪酸代谢中，L-FABP可能抑制细胞间脂肪酸积累，起着抑制游离脂肪酸氧化作用。L-FABP可能是氧化应激中重要的细胞抗氧化剂。L-FABPL-FABPL-FABP的分子量小，所以可从肾小球滤过并绝大多数通过肾小管细胞重新吸收，这就是近髓肾小管细胞损伤时L-FABP部分升高的原因。但是有研究显示因游离脂肪酸的积累，肾脏L-FABP表达升高，尿L-FABP的分泌也增多。肾脏L-FABP通过促进细胞间代谢和向尿中分泌而保持细胞浆中低水平的游离脂肪酸。这与在造影剂导致肾病的老鼠和儿童心脏术后患者中尿中早期和指数性升高的L-FABP与血中早期和指数性升高相比稍延迟，升高更平缓相一致。L-FABPL-FABPELISA技术已用于检测L-FABP浓度。在一项实验研究中，尿L-FABP具有早期和精确预测在老鼠肾毒性损伤和缺血再灌注损伤中可出现组织和功能上的下降。在此研究中引起损伤的剂量可很好的通过L-FABP水平表现；组织损伤的严重性随着缺血时间延长和药物剂量增加而加重，并且与L-FABP水平相关。尿L-FABP多在1小时后开始升高，在老鼠中甚至缺血只有5分钟就升高了。L-FABPL-FABP临床研究中，66患者中有13人在非急诊血管造影前就出现尿L-FABP显著升高；随后，13人都出现了造影剂引发的肾病。而造影前血肌酐在AKI及非AKI分组中无明显区别。尿L-FABP预示AKI时比血肌酐更敏感。进一步研究中，尿L-FABP高水平可区分感染性休克的重症感染患者伴AKI还是健康对比组。在感染患者中，幸存者尿L-FABP通过治疗后下降。死亡患者存在更高的尿L-FABP，对比幸存者，其在治疗过程中可出现一过性的尿L-FABP降低。所以，L-FABP在治疗评估上很有用。尿L-FABP可预示儿科心肺旁路手术患者出现AKI，它在术后4小时AUC为0.81。L-FABPL-FABP尿L-FABP作为早期精确的AKI生物标志物是很有潜力的，虽然它的升高比NGAL要来得晚（儿科旁路术L-FABP比NGAL为4小时比2小时）。L-FABP在不同患者中的预示AKI功能需进一步临床研究确定。Interleukin-18Interleukin-18IL-18是促炎的细胞因子，并在动物模型中是缺血相关AKI的有力中介物。它在近髓肾小管中诱发并分裂，并在AKI时在尿中检测到。在横断面研究中，IL-18水平在确诊AKI中明显升高，而在尿路感染、肾前性氮质血症或慢性肾病患者中则升高不明显。确诊（急性肾小管坏死）AKI的AUC为0.95，与此一致，在肾移植患者，儿科心脏术后患者和急性呼吸宭迫综合症患者中作为早期AKI的预示物的AUC较好（0.7-0.9），在移植术后患者最有预示作用。Kidney injury molecule-1(KIM-1)Kidney injury molecule-1(KIM-1)KIM-1是一种跨膜糖蛋白，它不能在正常肾脏中产生，但在缺血性或肾毒性损伤后在近髓肾小管中可出现上调。KIM-1的胞外片段可脱落并在尿中可检测到。在一横断面研究中，KIM-1在确诊AKI患者（大都因缺血所致）肾活检中发现，它区分缺血性AKI为肾前性氮质血症和慢性肾病。在另一住院病人横断面研究中，区分对照组发生AKI的KIM-1的AUC为0.9。Kidney injury molecule-1(KIM-1)Kidney injury molecule-1(KIM-1)Kidney injury molecule-1(KIM-1)在另一病例对照研究发现在心肺旁路术后12小时的患者发生AKI时KIM-1的AUC为0.83。近期在一90例成人心脏手术前瞻性研究中，尿KIM-1、乙酰氨基葡萄糖（它在肾小管细胞破裂时大量分泌入尿液）和NGAL都能检测到。术后即时KIM-1预示AKI的AUC为（0.68），虽然比较低，但比NAG和NGAL要高。三者联用可提高早期诊断术后AKI的敏感度，而且AUC变为0.75和0.78。而且，有研究检验了KIM-1和住院病人终点事件（透析或死亡）关系，发生了AKI的住院病人中如果KIM-1升高，那么预后则不佳。KIM-1的能力只能证明AKI存在，它在AKI标志物谱中需进一步研究。ConclusionsConclusions鉴于AKI的多样性，目前尚无法应用单一生物标志物来诊断及区分AKI，所以像心肌酶谱可诊断及评估急性心肌梗塞严重性的AKI标志物谱是必要的。当前流行的肾脏标志物为NGAL和CyC，因为它们1）具有巨大的潜力和实用性，2)实验室可提供快速结果，3）评估肾损伤的各方面（NGAL对应肾小管紊乱；CyC对应肾小球滤过率）。心脏术后，血和/或尿NGAL和L-FABP在2-4小时时具有预示AKI高度精确性，随后数值逐渐衰减。相反，CyC,IL-18和KIM-1在12-24小时具有明显预示AKI作用。这些信息可用于组建合适生物标志物谱，以用于全新研究，甚至用于介入治疗。ConclusionsConclusions新的肾脏生物标志物可用于评估新技术和治疗对肾功能的作用，并用于监测目前治疗相关的药物肾毒性和AKI。因为NGAL，L-FABP，CyC比血肌酐更敏感，并较早诊断AKI，可用此评估研究中治疗或肾脏保护性技术的效果。ConclusionsConclusionsConclusions肝移植或大手术患者中容易出现AKI，能早期诊断AKI的新颖生物标志物很有作用。新的保护性治疗或那些以前难以评估或不能及时实施的预防或改善AKI（N-乙酰半胱胺酸、碳酸氢盐、非诺多泮）的措施能更适当的、有目的的应用，或接受了肾脏毒性药物（如磷酸酶抑制剂或氨基糖苷类药物）而出现肾损伤能较早被检测到并调整治疗。挥发性麻醉药对肾脏保护作用的效益和机制可通过新的生物标志物进行研究。上述信息对麻醉医师很有帮助；如果大手术时或术后即刻进行早期标志物检测（NGAL）那么在有AKI高风险术间或ICU等患者中可尽早实施保护性治疗措施。实际上，术前到术后NGAL浓度的变化也可有助于有效临床治疗方案的制定。而且，NGAL能反映患者预后情况，那它可能有助于外科或ICU床位安排。