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重肾脏病危Vol.32No.3Jun.2023JNephrol DialyTransplant276糖尿病酮症酸中毒相关急性肾损伤研究进展吴晓枫刘东伟刘章锁综述王锋2审校摘要糖尿病的发病人数在我国越来越多,糖尿病酮症酸中毒(DKA)是糖尿病最严重的急性并发症之一,其发生率和住院率也越来越高。DKA的发生大多是因为糖尿病患者胰岛素缺乏或剂量不足,并且升糖激素（如肾上腺素、皮质醇和生长激素）释放导致血糖进一步升高。由于DKA患者的酸碱失衡和电解质紊乱、体液大量丢失，其发生急性肾损伤（AKI)的风险较高。AKI在短时间内可进展为急性肾衰竭,危及患者生命。本文旨在探讨DKA相关肾损伤的发病机制,以及在糖尿病患者发生DKA时如何及时预防或扭转AKI。关键词糖尿病酮症酸中毒急性肾损伤Research progress of acute kidney injury related to diabetic ketoacidosisWU Xiaofeng,LIU Dongwei,LIU Zhangsuo,WANG Feng/2Traditional Chinese Medicine Integrated Department of Nephrology,the First Affiliated Hospital of Zhengzhou University;Research Institute of Nephrology,Zhengzhou University;Henan Province Research Center For Kidney Disease;Key Laboratoryof Precision Diagnosis and Treatment for Chronic Kidney Disease in Henan Province,Zhengzhou 450052,China2 Department of Nephrology,the Sixth Peoples Hospital Afiliated to Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200233,ChinaABSTRACT The incidence of diabetes is increasing in China.Diabetic ketoacidosis(DKA)is one of the mostserious acute complications of diabetes,its incidence and hospitalization rate are also increasing.The occurrence ofDKA is mostly caused by insulin deficiency or insufficient dose in diabetes patients,and the release of glucocorticoidssuch as adrenaline,cortisol and growth hormone leads to further increase of blood glucose.The high risk of acutekidney injury(AKI)due to the disturbance of acid-base balance,electrolyte balance and mass loss of body fluid inpatients with DKA.AKI can cause acute of renal failure in a short time,endangering the lives of patients.The purposeof this study was to investigate the mechanism of DKA induced renal injury,so as to prevent or reverse AKI in diabeticpatients with DKA.Key wordsdiabetesketoacidosisacute kidney injury随着我国糖尿病发病人数越来越多,我们对糖尿病及其并发症的相关研究也越发重视。近年来有关糖尿病急性并发症如高渗高血糖综合征和糖尿病酮症酸中毒（DKA）的研究进展越来越多,但是与其相关的急性肾损伤(AKI)研究却很少。本文拟探讨DKA相关AKI 的发生机制,以期为此类患者的临床D0I:10.3969/j.issn.1006-298X.2023.03.016【基金项目】国家自然科学基金青年项目（8 190 0 6 2 5）作者单位郑州大学第一附属医院中西医结合肾病科郑州大学肾脏病研究所郑州河南省肾脏病研究中心河南省慢性肾脏病精准诊疗重点实验室（郑州，450 0 52）；上海交通大学附属第六人民医院肾内科本文版权归肾脏病与透析肾移植杂志编辑部所有治疗做出指导流行病学任何类型的糖尿病患者均有发生DKA的风险，但1型糖尿病（T1DM）患者更容易发生DKA-2研究发现DKA在青少年和儿童糖尿病中更为常见3，但近年来因DKA住院的成年患者数量越来越多。在一项对18 5例儿童T1DM患者的相关研究中,DKA的发病率为51.4%，AKI的发病率为43.8%；另外在伴DKA的患者中AKI的发病率为65.2%,而无DKA的T1DM患者中AKI的发病率仅21.1%4。由此可见，T1DM患者很大可能会发生DKA，增加发生AKI的风险。更令人担忧的是，6 5%第32 卷第3期2023年6 月肾脏病与透析肾移植杂志277的儿童AKI患者符合严重AKI的标准（2 或3期），这表明大量DKA儿童可能会发生严重的实质性肾小管损伤,而不是较轻微的肾前性或容量反应性肾损伤5临床表现DKA患者临床症状多是由于高血糖、高血酮、高渗和代谢性酸中毒引起的，可出现多饮、多尿、体重下降的典型糖尿病症状，伴恶心呕吐、食欲减退。因为高血酮的原因，重症患者会通过呼吸从肺部排出酮体，造成口腔臭味，类似于烂苹果气味。中重度患者可出现皮肤干燥、弹性下降、眼窝凹陷的症状，另有少数患者因为低血钾和脱水的原因导致肠管扩张出现急性腹痛。若不及时治疗，严重者会有循环衰竭，出现AKI,表现为肾小球滤过率急剧下降，同时出现尿量减少、肾小管坏死、肾小管间质炎症和血管通透性改变，严重危害患者生命安全。DKA相关AKI的机制由DKA导致AKI的具体机制尚未明确。DKA的主要特点是高糖、高酮和高阴离子型代谢性酸中毒,造成AKI的主要原因是代谢性酸中毒（MA）和高糖高酮引起的血容量丢失而导致的缺血缺氧性肾损伤。DKA生成的-羟丁酸和乙酰乙酸是解离常数值为4.7 和3.6 的酮体，酸性较强，其在人体内积累导致代谢性酸中毒,表现为pH下降、血清HCO;浓度降低、阴离子间隙增大。当pH7.35时，机体大多数酶催化作用变得低下，当pH6.8时将发生不可逆的损害。pH过低可能导致不可逆的神经功能障碍、意识不清、昏迷甚至死亡6 。当血清HCO;浓度 10 mmol/L时AKI的发生率增加5倍5。肾脏是负责保持和排泄电解质以及维持健康个体酸碱平衡的重要器官，近端肾小管是分泌H*和重吸收HCO；以及产生NH，的重要部分，AKI也最常由近端肾小管损伤引起7 。由于血糖过高引起的渗透性利尿和DKA相关疾病例如代酸引起的胃肠道症状导致体液丢失过多，又促进肾前性AKI的发生。酸中毒破坏近端肾小管NADH和NAD稳态肾脏维持pH的稳定是通过三个主要过程来实现的：（1)H*的排泄；（2)NH，的生成和氨、磷酸盐及柠檬酸盐作为可滴定酸增加肾脏排泄H+的能力：（3)原尿中HCO；的重吸收8)。在小鼠MA动物模型的研究中发现，肾脏上调了谷氨酰胺转运和代谢的相关酶,谷氨酰胺摄取增加,分解为氨和碳酸氢盐8 ,氨以离子的形式排泄到管腔中，以此最大程度的排泄H*。谷氨酰胺的分解需要氧化态的NAD+作为辅因子,并且在先前的研究中发现MA期间大鼠肾脏全组织中NAD*与NADH的比率增加，而在对照和酸处理动物的肾脏总NAD测定的比对中发现NAD总量未发生明显变化9,说明MA期间肾脏NAD+与NADH的比率增加可能是因为NADH向NAD*的转变造成的。而在AKI发生后,NAD池的总量发生变化，由于NAD*的生物合成减少和消耗增多,肾脏NAD*水平急剧下降10 。NAD*是参与许多细胞氧化还原反应的关键辅助因子，作为电子传递链的电子载体，其参与到糖酵解、Crebs循环和氧化等许多重要产能反应，对于高效生成ATP至关重要。在研究中发现酸中毒期间呼吸链复合物I活性增加9，由于其底物是NADH，产物是NAD*,同时将两个电子传递到辅酶Q,说明NAD+与NADH的比率增加可能是因为呼吸链复合物I活性增加所导致的。给酸中毒的小鼠注射碳酸氢盐和补充NAD前体烟酰胺（NAM）可发现小鼠肾小管重吸收功能改善和肾小管损伤标志物肾损伤分子1(KIM-1)和小蛋白CC16显著降低9)近端肾小管脂质代谢功能障碍近端小管中脂肪酸氧化（FAO）的损失是AKI和最终纤维化的关键因素12 ,近端肾小管重吸收需要大量的ATP供应，但由于其糖酵解能力较差,FAO则是其主要的能量来源，所以当FAO遇到障碍时，近端肾小管所需能量来源不足，极易出现肾损伤。因为MA期间近端肾小管谷氨酰胺分解需要NAD*作为辅因子参与,并且脂肪酸的氧化也需要NAD的参与,这两种代谢反应对NAD*形成一种竞争关系，但NH3的生成有助于排酸，优先于溶质的重吸收，而NAD池的总量无明显变化,所以因NAD的不足FAO遇到障碍导致近端肾小管生成ATP的量大大下降。近端肾小管有氧呼吸的急性停止会造成线粒体的急性损伤，通常会导致线粒体的广泛分裂13-14，这会引起氧化应激，严重时会导致线粒体肿胀15。此外，近端肾小管中脂质代谢障碍引起近端肾小管中脂质积累，在近端肾小管的S2段会出现许多空泡，进一步实验发现这些空泡的性质为复杂的脂质（图Vol.32No.3Jun.2023JNephrolDialyTransplant2781),其中磷脂和鞘脂增加明显16 。Bugarski等17 在酸性条件下使用丙酮酸和乳酸培育近端肾小管细胞，其可以分别促进NAD池向NAD*和NADH的转变,发现丙酮酸培育的近端肾小管中空泡变多；而乳酸培育的近端肾小管中则发现几乎消除了空泡的存在,因为谷氨酰胺的分解被抑制。近端肾小管内积累过多的脂质会产生各种脂毒性，影响肾脏健康16 。脂毒性可通过多种机制导致细胞功能障碍和死亡，包括活性氧的产生、多种细胞器损伤、细胞内信号通路的破坏、促炎和促纤维化因子的释放以及脂质诱导的细胞凋亡18 正常近端受损近端肾小管肾小管管腔侧谷氨酰胺谷氨酰胺近端肾小管脂滴脂滴谷氨酰胺谷氨酰胺过氧化过氧化物酶体物酶体NH1NAD+一NAD+脂脂肪酸NADH脂肪酸SNADH脂肪酸脂肪酸脂肪酸谷氨酰胺基底侧图1酸中毒导致近端肾小管上皮细胞脂质积累NAD:氧化型辅酶1;NADH：还原型辅酶1;ATP：三磷酸腺苷；NH3：氨；近端肾小管细胞通过基底外侧有机转运蛋白从血液中摄取脂肪酸。过氧化物酶体也产生脂肪酸，通常在线粒体中通过复合物II 代谢以产生ATP。多余的脂肪酸可转化为磷脂和鞘脂,并储存在专门的脂滴中；酸中毒时,谷氨酰胺的摄取和代谢急剧增加,产生NH3。复合物I的活性也增加,以提供氨生成所需的氧化NAD,这导致脂肪酸氧化减少、脂滴增多和溶质吸收缺陷。因此，优先生成NH3导致功能性急性肾损伤（红色箭头代表过程增多）线粒体能量代谢功能障碍肾脏是一个高度代谢的器官，近端肾小管内富含线粒体，其内线粒体密度仅次于能量需求最高的心肌细胞，如果出现线粒体代谢障碍生成的ATP不足以满足细胞正常的能量需求,则会造成细胞死亡。不同原因导致的AKI共同点都有能量代谢的失调，能量代谢和线粒体功能障碍是AKI 的关键驱动因素19。近端肾小管主要代谢燃料是脂肪酸，通过线粒体的氧化来产生用于重吸收的大量ATP，但是糖酵解能力相对于足细胞、内皮细胞和系膜细胞弱的多2 0 ,所以这意味着一旦近端肾小管内FAO出现障碍，细胞内并无其他（如糖酵解）等有效的产能方式，导致细胞极易受到损伤。由于ATP的耗竭和膜电位的降低，线粒体会发生肿胀并且显示线粒体内消失2 1，发生线粒体功能障碍，导致线粒体通透性转换孔（mPTP）开放,释放促调亡介质促进AKI的进展。在糖尿病的发生发展过程中，线粒体已经发生结构变化和功能障碍，在糖尿病早期就观察到了线粒体的碎片化。在分子生物学水平，线粒体分裂使线粒体膜电位下降,减少ATP生成,促进细胞凋亡的发生2 2 。高血糖是导致DKA发生的主要原因，高血糖会增加从线粒体电子传递链（ETC）中活性氧（ROS）的释放，破坏线粒体DNA，阻碍线粒体内相关蛋白质的转录2 3，高血糖还可以增加晚期糖基化终产物（A G Es）的水平,以及蛋白激酶C(PKC)和已糖胺途径的活性,均可导致线粒体功能障碍2 4。ACEs水平和PKC以及已糖胺途径活性的增加会导致纤维化，血栓形成，氧化损伤以及脉管系统和血流异常2 4,高血糖还通过近端肾小管中的多元醇途径刺激葡萄糖转化为果糖,减少葡萄糖的氧化从而降低ATP的水平。由于高血糖和酸中毒对肾小管细胞的刺激,线粒体稳态失衡可能加速肾小管病变的发生，造成肾小管细胞形态、功能异常，并最终引发肾功能衰竭2 5 O脱水导致肾脏低灌注因为高血糖和高浓度的血酮体产生的渗透性利尿，导致机体丢失大量体液，此外由于酸中毒的影响，会产生胃肠道反应，如呕吐、腹泻等，进一步丢失液体，严重时可导致低容量血症甚至休克。严重的酸中毒可明显减弱心肌收缩力，扩张周围血管使患者的血压下降，从而导致循环血量减少。机体有效循环血容量不足造成肾脏低灌注和缺血缺氧状态。低血容量时全身的器官组织供氧不足,糖酵解大量增加,乳酸产生增多进一步加重酸中毒。为了保证心脑重要器官的血液灌注，肾脏血管代偿性收缩和长时间低灌注会导致AKI 的发生5。由于近端肾小管的能量产生几乎完全依赖于氧化磷酸化,所以其对氧含量的变化更为敏感，损伤更严重。儿童脱水的代偿机制并未建立完善，代偿能力较成年人弱，因此儿童更容易出现AKI 26横纹肌溶解有报道称，DKA或者高渗性非酮2023年6 月第32 卷第3 期肾脏病与透析肾移植杂志279.症糖尿病昏迷患者约有50%可出现横纹肌溶解症，而10%以上横纹肌溶解症患者会发生AKI27。DKA患者高血糖、电解质紊乱、酸中毒等多种原因可导致横纹肌细胞受损，细胞膜的完整性改变，细胞内物质如蛋白、离子、酶等物质释放人血，由于肌红蛋白在肾小管内沉着或形成尿酸结晶，可引起肾小管堵塞，且肌红蛋白本身或其分解产物均可直接损伤肾脏，导致AKI发生2 8 诊断与治疗DKA患者容易发生AKI,且致死率很高，因此早期诊断DKA相关AKI可有效减轻发病严重程度。临床上根据血肌酐水平和尿量诊断AKI时效相对滞后,不能及时反映肾功能的损伤。N-乙酰-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)作为肾小管损伤标志物，当急性肾小管损伤时，尿NAG水平持续升高2 9。有学者研究发现,尿NAG预测心脏手术后发生AKI具有较高的特异度30 。血尿素氮（BUN）是人体蛋白质代谢的主要终末产物，临床上常用于评价肾小球滤过功能的主要指标之一,对于AKI有较高的预测能力。在DKA患者中,尿NAG可作为早期预测AKI的指标,其与BUN联合后可进一步提升预测能力。根据研究表明,尿NAG是反映肾小管损伤的灵敏度指标，而BUN是判断肾小球滤过功能的指标之一，两者联合可以更全面地反映肾脏病理生理和功能的改变31。此外，当有糖尿病史的患者出现感染、血压变化、心力衰竭等临床征象时，发生AKI的危险更大。这对DKA患者早期诊断AKI具有重要的临床意义,有助于对AKI早期防治,延缓病程进展。DKA患者出现AKI是临床急重症,如不及时进行有效治疗，可危及患者生命。通常补液是DKA治疗的关键,配合胰岛素的使用降低高血糖，纠正电解质紊乱和维持酸碱平衡。如果患者出现严重的AKI,出现少尿无尿,严重的MA和电解质紊乱，血流动力学不稳定，治疗难度大，应使用连续性血液净化治疗32 。连续性血液净化技术推广应用后迅速取代传统血液净化方式，其具备血流动力学稳定、迅速改善内环境、利于补液及营养支持、缓慢连续超滤等多种优点，已成为危重患者的重要辅助治疗手段。小结：由DKA引起的AKI发病机制复杂，应根据不同发病原因，制定快速有效的治疗策略。在先前的实验研究中已经发现酸中毒小鼠可以通过注射碳酸氢盐和NAM来扭转或预防AKI的发生，在临床上继发于DKA或其他疾病的代谢性酸中毒引起的AKI是否有同样治疗效果尚未清楚，需要通过相关疾病模型和大样本临床研究来进一步验证。参考文献1ZHONG V W,JUHAERI J,MAYER-DAVIS E J.Trends in HospitalAdmission for Diabetic Ketoacidosis in Adults With Type 1 and Type2 Diabetes in England,19982013:A Retrospective Cohort Study.Diabetes Care,2018,41(9):1870-1877.2VELLANKI P,UMPIERREZ G E.Increasing Hospitalizations forDKA:A Need for Prevention Programs.Diabetes Care,2018,41(9):1839-1841.3WILLIAMS V,JAYASHREE M,NALLASAMY K,et al.0.9%saline versus Plasma-Lyte as initial fluid in children with diabeticketoacidosis(SPinK trial):a double-blind randomized controlledtrial.Crit Care,2020,24(1):1.4MARZUILLO P,IAFUSCO D,ZANFARDINO A,et al.AcuteKidney Injury and Renal Tubular Damage in Children With Type 1Diabetes Mellitus Onset.J Clin Endocrinol Metab,2021,106(7):e2720-e2737.5HURSH B E,RONSLEY R,ISLAM N,et al.Acute Kidney Injury inChildren With Type 1 Diabetes Hospitalized for Diabetic Ketoacidosis.JAMA Pediatr,2017,171(5):e170020.6DHATARIYA K.Blood Ketones:Measurement,Interpretation,Limitations,and Utility in the Management of Diabetic Ketoacidosis.Rev Diabet Stud,2016,13(4):217-225.7HALL A M,DE SEICNEUX S.Metabolic mechanisms of acuteproximal tubular injury.Pflugers Arch,2022,474(8):813-827.8NOWIK M,LECCA MR,VELIC A,et al.Genome-wide geneexpression profiling reveals renal genes regulated during metabolicacidosis.Physiol Genomics,2008,32(3):322-334.9BUGARSKI M,GHAZI S,POLESEL M,et al.Changes in NAD andLipid Metabolism Drive Acidosis-Induced Acute Kidney Injury.J AmSoc Nephrol,2021,32(2):342-356.10 POYAN MEHR A,TRAN M T,RALTO K M,et al.De novo NAD+biosynthetic impairment in acute kidney injury in humans.Nat Med,2018,24(9):1351-1359.11 RALTO K M,RHEE E P,PARIKH S M.NAD+homeostasis in renalhealth and disease.Nat Rev Nephrol,2020,16(2):99-111.12 PIRET S E,ATTALLAH A A,GU X,et al.Loss of proximal tubulartranscription factor Kruppel-like factor 15 exacerbates kidney injurythrough loss of fatty acid oxidation.Kidney Int,2021,100(6):1250-1267.13 TAGUCHI K,ELIAS B C,KRYSTOFIAK E,et al.Quantitativesuper-resolutionmicroscopyrevealspromotingmitochondrialinterconnectivity protects against AKI.Kidney360,2021,2(12):（本文编辑陈婷）Vol.32No.3Jun.2023J Nephrol Dialy Transplant280.1892-1907.14 HALL A M,RHODES G J,SANDOVAL R M,et al.In vivomultiphoton imaging of mitochondrial structure and function duringacute kidney injury.Kidney Int,2013,83(1):72-83.15 TaBARA L C,POVEDA J,MARTIN-CLEARY C,et al.Mitochondria-targeted therapies for acute kidney injury.Expert RevMol Med,2014,16:e13.16 RAMPANELLIE,OCHODNICKY P,VISSERS J P,et al.Excessivedietary lipid intake provokes an acquired form of lysosomal lipidstorage disease in the kidney.J Pathol,2018,246(4):470-484.17 BUGARSKI M,MARTINS JR,HAENNI D,et al.Multiphotonimaging reveals axial differences in metabolic autofluorescence signalsalong the kidney proximal tubule.Am J Physiol Renal Physiol,2018,315(6):F1613-F1625.18 BOBULESCU I A.Renal lipid metabolism and lipotoxicity.Curr OpinNephrol Hypertens,2010,19(4):393-402.199 RATLIFF B B,ABDULMAHDI W,PAWAR R,et al.OxidantMechanisms in Renal Injury and Disease.Antioxid Redox Signal,2016,25(3):119-146.2O ALBRICH W C,RASSOULI F,WALDECK F,et al.Influence ofOlder Age and Other Risk Factors on Pneumonia Hospitalization inSwitzerland in the Pneumococcal VaccineEra.FrontMed(Lausanne),2019,6:286.21 LAN R,GENG H,SINGHA P K,et al.Mitochondrial Pathology andGlycolytic Shift during Proximal Tubule Atrophy after Ischemic AKI.JAm Soc Nephrol,2016,27(11):3356-3367.22 WU M,LI S,YU X,et al.Mitochondrial activity contributes toimpaired renal metabolic homeostasis and renal pathology in STZ-induced diabetic mice.Am J Physiol Renal Physiol,2019,317(3):F593-F605.23 COUCHLAN M T,SHARMA K.Challenging the dogma ofmitochondrial reactive oxygen species overproduction in diabetickidney disease.Kidney Int,2016,90(2):272-279.24 HALLAN S,SHARMA K.The Role of Mitochondria in DiabeticKidney Disease.Curr Diab Rep,2016,16(7):61.25 YAO L,LIANG X,QIAO Y,et al.Mitochondrial dysfunction indiabetic tubulopathy.Metabolism,2022,131:155195.26 JEFFERIES C A,NAKHLA M,DERRAIK J G,et al.PreventingDiabetic Ketoacidosis.Pediatr Clin North Am,2015,62(4):857-871.27 HUERTA-ALARDiNAL,VARONJ,MARIK PE.Bench-to-bedside review:Rhabdomyolysis-an overview for clinicians.CritCare,2005,9(2):158-169.28李军辉，汪年松.糖尿病合并急性肾损伤的研究进展.上海医学，2013,36(3):263-266.299 OBERMuLLER N,GEIGER H,WEIPERT C,et al.Currentdevelopments in early diagnosis of acute kidney injury.Int UrolNephrol,2014,46(1):1-7.30 KATAGIRI D,DOI K,HONDA K,et al.Combination of two urinarybiomarkers predicts acute kidney injury after adult cardiac surgery.Ann Thorac Surg,2012,93(2):577-583.31李福梅，唐超燕，伍冬梅，等.尿N-乙酰-D-氨基葡萄糖苷酶联合血清尿素氮对糖尿病酮症酸中毒和高血糖高渗状态患者急性肾损伤的诊断价值.临床合理用药杂志，2 0 2 0，13（2 7）：2 1-2 4.32成慧昕.急性肾损伤肾脏替代治疗时机的选择.肾脏病与透析肾移植杂志，2 0 2 1,30（3）：2 7 9-2 8 3.收稿日期2022-09-16