急性肾损伤的生物标志物.doc

麻醉、重症监护和大手术的急性肾损伤的生物标志物：
从临床研究到临床实践
摘要
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。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。创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48（IL-18）和肾损伤分子1（KIM-1）。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。临床应用将很快推广。
关键词：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
急性肾损伤常见于重大手术和危重症
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）。虽然急性肾损伤网络（AKIN）标准是基于RIFLE分级系统正被更多应用及可提高诊断AKI的敏感性，但无法改善预后的能力。RIFLE标准在几个人群累积研究超过250000课题中已广泛应用并有效分级肾功能。并且，近期研究发现RIFLE比AKIN在诊断入ICU后前48小时发生AKI更有效。所以，我们更喜欢用RIFLE急性肾损伤分级系统。
急性肾损伤与死亡风险增加和延长住院时间有关。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。
为什么治疗效果不佳
发展预防或减轻AKI治疗的努力显示无法持续保护作用。利尿剂的应用并没有证明有效。Fenoldopam(非诺多泮)，血管扩张剂，在特定人群中有作用，而其他人群则无。利钠尿肽在大手术中可能有作用，在其他情况则无。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。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。
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存在于疾病过程中。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。它将导致预防或治疗上的困难重重。第三，介入治疗实施迟疑。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）。比较下急性心肌梗塞的治疗，大家能想象如果缺乏心肌肌钙蛋白，心电图变化或者存在胸痛短时间，而不是较长时间就做出早期特异诊断将很难明确溶栓或支架术治疗的意义。以此类推，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，其他急性综合症治疗也类似。
传统生物标志物的局限性
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。肌酐是骨骼肌中肌酸到磷酸肌酸，并在肝脏中转化形成。它的产生并释放入血浆有相对稳定的速率，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。不幸的是，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。
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。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变化而耽搁诊断。
手术室和ICU病人中留置导尿的会常规统计尿量。尿量估计可粗测肾功能或许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病人出现少尿并没有出现急性肾损伤。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，新的技术如功能基因学和蛋白组学已经促进发现了数个能诊断更早期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），已在部分人群中评估。
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。
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；但是，精确的和敏感的并能费用合理和仪器误差小的实验室检测目前能够提供了。表（II-IV）
心脏手术—儿童
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些发现。并且血NGAL可提示AKI的持续性时间，住院时间以及死亡率。
心脏手术—成年人
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的预测作用在定义AKI上明显较强（与肌酐相比为50%比25%）同时可增加AKI的预后严重性。
造影剂引发的肾病
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。在成年宫颈上皮病变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（宫颈内上皮瘤变）。
重症
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。
肾移植
在一多中心研究显示移植当天尿NGAL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NGAL减少比血肌酐减少或尿量恢复要早。
NGAL与慢性肾脏病变
血和尿NGAL的出现反映慢性肾病的存在，严重性和进展情况。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在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。
近期用标准数据分析的NGAL研究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，这种NGAL表现是由标准化实验比较研究性试验改进。NGAL浓度对肾脏替代治疗和死亡率有预示预后价值。
血和尿NGAL目前是最有效的肾脏标志物。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CIN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。NGAL的临床应用将很快推广。
半胱氨酸蛋白酶抑制剂C
CyC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。所以，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。
与血肌酐比较
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（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。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。CyC作为AKI生物标志物已在一些研究中完成。
心脏手术
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。
移植后
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。
造影剂应用后
Rickli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。
CyC是比血肌酐更早，更精确标志AKI，但它不及NGAL；肝脏移植术后前升高的CyC预示术后AKI；CyC在造影引发的变化上比血肌酐更敏感，而且CyC是慢性肾损伤的更好标志物，它预示结果的价值占据了部分诊断价值。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。虽然自动的标准的免疫比浊试验可有偿提供并在数分钟内出结果，CyC仍是比较脆弱并有潜力的AKI生物标志物。它和NGAL出现在诊断AKI的标志物谱中是合理的。
肝脏脂肪酸结合蛋白 （L-FABP）
L-FABP在多个器官表达，包括肝脏和肾脏。他在肾脏的功能被认为与在肝脏一样；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-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，这就是近中央肾小管细胞损伤时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L-FABP与血早期和指数性升高相比稍延迟，升高更平缓相一致。ELISA技术已用于检测L-FABP浓度，但尿试纸包已发展并需评估。
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顺铂剂量增加而加重，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。
临床研究中，66患者中有13人在非急诊血管造影钱就出现尿L-FABP显著升高；随后，13人都出现了造影剂引发的肾病。而且，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，同时能作为造影剂引发肾病的临床预测物。进一步研究中，尿L-FABP高水平可区分感染性休克患者为重症感染患者，伴AKI患者还是健康对比组。在感染性休克患者中，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。.
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。
白介素-18（IL-18）
IL-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。它在近中央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。但在重症儿童患者中，IL-18就表现差很多。Haase等人推断IL-18是非特异性炎症标志物，但它不能预示心脏术后AKI。总而言之，IL-18表现为低敏感性，高特异性。很少有尿IL-18有预示能力的研究结果：心脏术后4小时，IL-18在数天内于AKI无明显关系，在非感染性重症儿童患者中在非感染性重症儿童患者预示AKI的严重性和死亡率。而且，IL-18也预示重症成人患者的死亡率。IL-18是特异的缺血性AKI，但它也是非特异性炎症标志物，并由不同结果。IL-18在尿的标志物谱需进一步评估。
肾损伤分子-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中央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。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、NAG（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，有这种可能，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标志物谱需进一步研究。
结论
鉴于AKI的生物多样性，目前尚无法应用单一生物标志物来诊断及区分AKI，所以像心肌酶谱来诊断及评估急性心肌梗塞的严重性的标志物谱是必要的。当前流行的关键肾脏标志物为NGAL和CyC，因为它们1）具有巨大的潜力和实用性，2)有偿试验提供快速结果，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。
新颖的肾脏生物标志物可用于评估新技术和治疗的对肾功能的作用，并用于监测目前治疗相关的中毒和AKI。因为这个，NGAL，L-FABP，CyC比血肌酐更敏感，并较早诊断AKI，应用此能力去说明效益并用于判断在评估研究中治疗或肾脏保护性技术的实施情况。
围术期最理想的血流动力学管理和处置，比如给术前高风险患者水化作用，能更有效的考察，在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）的措施能更适当的被评估或有目的的应用，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）肾损伤能较早被检测到并可调整治疗。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或评估保护性治疗措施。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，如果NGAL能反映出院可能，那它可能有助于外科或ICU床位安排。