急性器官损伤生物标志物研究进展

2014-06-11 赵慧颖 安友仲 刘丹 张柳 曹晓菁 李晖 北京大学人民医院外科ICU

器官功能不全的早期诊断和预后评估对危重患者的诊疗非常重要。近年来,用于早期评价器官损伤的生物标志物检测逐渐受到重视。个、急性肾损伤生物标志物研究急性肾损伤(AKI)是指多种原因引起肾小球滤过率急剧、持续下降,导致代谢产物在血液蓄积的一种临床综合征。AKI是对急性肾功能衰竭(ARF)概念的扩展,不仅包括需肾脏替代治疗的重度ARF,还包括多原因引起的早期、轻微、可逆的ARF,强调肾功能从轻微病变向

器官功能不全的早期诊断和预后评估对危重患者的诊疗非常重要。近年来,用于早期评价器官损伤的生物标志物检测逐渐受到重视。

一、急性肾损伤生物标志物研究
急性肾损伤(AKI)是指多种原因引起肾小球滤过率急剧、持续下降,导致代谢产物在血液蓄积的一种临床综合征。AKI是对急性肾功能衰竭(ARF)概念的扩展,不仅包括需肾脏替代治疗的重度ARF,还包括多原因引起的早期、轻微、可逆的ARF,强调肾功能从轻微病变向终末期肾衰竭演变的全过程。

作为反映肾损伤最主要的生物标志物,血清肌酐(SCr)和尿素氮(BUN)有下述局限:① 其血液蓄积只与肾小球滤过率降低相关,不能反映肾小管损伤、坏死;② 其水平升高常发生于肾损伤后数天至数周,无法监测早期病变;③ 其水平变化易受年龄、性别、种族、饮食、机体内环境等因素影响。

近年来,能早期、精确反映肾功能变化及诊断AKI的生物标志物陆续出现。

中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(NGAL)

对病情相对简单的AKI患者,NGAL似乎是特异性及敏感性最高的标志物,但其水平受很多共存变量(如已存在的肾脏病变及全身或泌尿系感染)影响。

NGAL是表达于肾、肺、胃和结肠等组织的脂质运载蛋白超家族的一员,常态下表达水平很低,但AKI发生后,其表达明显增加。米什拉(Mishra)等在缺血再灌注诱导小鼠肾损伤模型中,发现NGAL是肾小管细胞最早表达的产物之一,在缺血再灌注后2小时即可在尿中检测到,3小时表达量增加3~4倍,远早于其他标志物。米什拉等还观察了71例心肺转流术儿童,以SCr水平升高50%作为诊断AKI的标准。术后21%的患者发生AKI,其血和尿NGAL水平在术后2小时明显升高,而SCr在术后1~3天才显著升高。术后2小时尿NGAL水平是AKI最强的独立预测因子。以50 μg/L作为诊断界值,NGAL诊断AKI的敏感性和特异性分别达100%和98%。拉塞尔(Russel)等观察造影术后发生AKI的患者,发现血和尿NGAL水平在术后2小时就明显增高,而SCr在6~24小时才升高。

NGAL还可作为肾移植后AKI生物标志物。肾血管吻合后1小时肾活检表明,NGAL水平与移植后肾功能显著相关。

肾损伤分子-1 (KIM-1)

KIM-1不仅对早期AKI敏感,还能监测重症患者肾功能恶化,使监测AKI病程不同阶段的演变成为可能。 但KIM-1能否替代SCr成为独立的生物标志物尚待研究。

KIM-1由肾脏近曲小管上皮细胞表达,在正常肾组织中表达水平极低,但在肾损伤因素作用下,KIM-1受金属蛋白调节,在其胞外近膜部位的裂隙处发生断裂,使胞外片段被释放到尿液中,成为检测指标。维沙尔(Vishal)等将不同剂量顺铂经腹腔注射入斯普拉-道来(Sprague-Dawley)大鼠体内,收集1天后尿样,发现各剂量组KIM-1水平均升高3~5倍。伊基姆拉(Ichimura)等一项研究显示,其他肾毒性物质也可在早期引起大鼠KIM-1分子表达上调,并于尿液中检测到。这提示,尿KIM-1可作广谱肾毒性物质导致AKI的标志物。在肾缺血-再灌注大鼠模型中,尿KIM-1同样有重要价值。大鼠双侧肾脏缺血10分钟,1天后尿KIM-1水平升高10倍。聚合酶链反应(PCR)和免疫组化均显示其表达水平随缺血损伤加剧而增高。研究同时显示,SCr水平未出现明显变化。汉(Han)等对AKI患者的研究显示,尿KIM-1可作为预测和诊断AKI、尤其是急性肾小管坏死(ATN)的标志物,其特异性和敏感性不仅明显优于SCr,甚至比近年来为人们广泛关注的NAG更具优势。近期,一项历时3年、纳入201例ARF患者的前瞻性队列研究显示,KIM-1水平升高可作为已有明确ARF的AKI患者预后不良的预测因子。

白介素-18(IL-18)

IL-18 不仅是早期AKI的良好标志物,并且对AKI严重程度及预后评估有重要作用。

IL-18是一种促炎症细胞因子,AKI时常在近曲肾小管表达并粘附。细胞内半胱氨酸酶-1激活IL-18,在近曲小管表达后被分泌入尿液。动物实验表明,尿IL-18浓度在缺血性AKI早期明显升高。帕里克(Parikh)等观察100例心肺转流术儿童,以SCr升高50%作为诊断AKI的标准,术后20例患儿发生AKI,其尿IL-18在术后4~6小时开始升高,第12小时达基础值的12倍,而SCr在术后1~3天才明显升高。金伯利(Kimberly)等对137例肾病患儿的研究显示,尿IL-18水平在SCr变化前48小时就开始升高,在诊断AKI当天达峰值。以100 pg/ml作为界值,尿IL-18可比SCr早24小时预测AKI发生,其特异性和阴性预测价值分别为81%和83%。

此外,按照RIFLE标准对AKI患儿进行分层,发现AKI越严重,尿IL-18水平越高,死亡者尿IL-18水平明显高于生存者。

半胱氨酸蛋白酶抑制剂C (cystatin C)

血清Cystatin C在心脏术后12小时是AKI独立预测因子。其优势是可自动检测,数分钟出结果。常规临床储存条件、冻融、干扰底物和AKI病因不影响测定。

Cystatin C合成及释放入血的速度相对一致且恒定。Cystatin C能被肾小球自由滤过,在近端肾小管被完全吸收,但不由肾小管上皮细胞分泌,肾脏是其唯一清除器官。

血液中Cystatin C水平完全不受年龄、性别、种族或肌肉量影响,对慢性肾脏病肾小球功能判断优于SCr。尿Cystatin C比SCr提前1天预测AKI肾脏替代治疗,ROC曲线下面积为0.75。在加强治疗状态,血清Cystatin C升高50%对AKI的预测比SCr早1~2天,ROC曲线下面积分别为0.97和0.82。最近一项前瞻性研究比较血清Cystatin C和NGAL对心脏手术后AKI预测价值。心肺旁路术后1~3天,129例患者中有41例发展为AKI(诊断标准为SCr升高50%)。这批AKI患者中,血清NGAL在术后2小时开始升高,血清Cystatin C水平在术后12小时开始升高。血清NGAL和Cystatin C在术后12小时都是AKI独立预测因子,NGAL变化更早。

N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)

NAG可特异性代表近曲小管损伤,是敏感有效的AKI标志物。肾毒物、移植肾功能延迟、慢性肾小球疾病、糖尿病肾病、心肺搭桥术等均可致NAG升高。

NAG主要在近曲小管上皮表达,是一种近端肾小管特异性溶酶体酶。其分子量较大,不会经肾小球滤过,故不会被肾小管分泌或重吸收。韦斯特赫伊曾(Westhuizen)等报告,NAG(联合其他尿酶)在诊断重症成年患者AKI时高度敏感,较SCr升高提前12h~4d。丘(Chew)等报告,患者入肾脏监护病房初,尿NAG高度表达提示预后不良及需行肾脏替代治疗。

对已根据AKI临床标准确诊的患者,尿NAG水平越高,透析和死亡联合终点发生率越高。但尿NAG活性会被内源性尿酸、工业溶剂及重金属抑制。且除有临床意义的AKI外还有些情况如类风湿关节炎、糖耐量异常和甲状腺功能亢进等,会造成尿NAG水平升高,因此,其监测的特异性和灵敏度受到影响。
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二、急性心肌损伤生物标志物研究
重症患者常伴心脏功能受损,早期评价心脏功能对改善患者治疗及预后非常重要。

近年来,心脏急性损伤标志物因以下优势而被广泛应用:①可快速得出结果;② 能评估预后,指导治疗;③与超声心动及有创血流动力学操作相比,风险小,操作简便。

目前常用的心脏标志物主要有心肌损伤标志物、心肌张力增加标志物、炎症介质和其他新标志物等。

心肌张力增加标志物

利钠肽家族

利钠肽家族包括心房利钠肽(ANP)、B型利钠肽(BNP)和C型利钠肽(CNP)。ANP、BNP主要来源于心脏,具有较强的利钠、利尿、舒张血管、抑制肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)和抗血管平滑肌细胞及内皮细胞增殖作用。BNP和N末端前BNP(NT-proBNP)主要在心室产生。心室壁张力及血管内容量增加诱发心室细胞分泌pro-BNP,随后其迅速降解为BNP和NT-proBNP。BNP具有激素活性,半衰期约20 min;NT-proBNP无活性,半衰期约2 h,主要经肾脏清除。血浆BNP水平对急慢性心力衰竭的诊断及预后判断都有重要意义。施特格(Steg)等对有急性呼吸困难症状的患者进行超声心动图和血浆BNP水平检测,发现心力衰竭患者血浆BNP水平显著高于无心力衰竭的患者(683 pg/ml对129 pg/ml)。在诊断心力衰竭方面,BNP曲线下面积(0.89)显著大于射血分数的曲线下面积(0.78),BNP ≥100 pg/ml敏感性为89% ,特异性为73%。

此外,BNP还可预测急性肺栓塞患者是否会发生右心衰竭。克鲁格(Kruger)等观察50例肺栓塞患者,发现未出现右心衰竭的患者BNP水平[(55±69)pg/ml]明显低于出现右心衰竭者[(340±362)pg/ml,P<0.001],BNP>90 pg/ml对右心衰竭诊断风险比为28.4。

近年一些研究还表明,严重感染或感染性休克患者BNP水平显著升高,死亡组BNP水平明显高于生存组。里弗(River)等观察252例急诊严重感染和感染性休克患者,发现入院时及入院后24 h内分别有42%及69%的患者BNP水平升高。入院24 h BNP>210 pg/ml是死亡独立预测因子(OR=1.061, P<0.001)。

NT-proBNP在急慢性心力衰竭诊断中也起重要作用。马森(Masson)等比较BNP和NT-proBNP发现,NT-proBNP似乎在评估死亡及再入院率方面更具优势,这可能与其半衰期更长、标本稳定性更强有关。

炎症介质

C反应蛋白(CRP)

研究揭示,CRP是冠心病独立危险因素,与动脉粥样硬化性疾病发生过程密切相关。超敏CRP与心力衰竭同样存在相关性。因(Yin)等研究发现,超敏CRP水平升高是慢性心力衰竭患者临床终点事件发生的独立预测因子(危险系数为2.584,P<0.05),并能为患者提供危险分层。

白介素-1 (IL-1)

IL-1主要来源于激活的单核/巨噬细胞,包含IL-1α和IL-1β两种亚型,其中IL-1β多出现在血循环中,对心血管系统的作用较IL-1α更重要。研究显示,心肌过度表达IL-1β能使心肌基质金属蛋白酶-2 (MMP-2)活性增强,加速心肌重构,抑制心肌收缩。另外,IL-1β对慢性心力衰竭患者的预后判断也有一定作用。

肿瘤坏死因子-α(TNF-α)

TNF-α主要由激活的单核/巨噬细胞产生,心肌表达TNF-α提示心脏趋向扩张与衰竭。1990年,莱文(Levine)等首次观察到,症状严重的心力衰竭患者血液中TNF-α水平明显升高,且与心力衰竭分级密切相关。研究发现,TNF-α能抑制心肌收缩、介导心室重构,并与心肌细胞坏死相关。TNF-α水平升高是HF患者死亡独立预测因子。

其他标志物

基质金属蛋白酶(MMP)

MMP家族成员包括4类:胶原酶、明胶酶、间质溶解素及膜型MMP。至今,人类已识别和定性的MMP家族成员有26种。

MMP能促使动脉粥样硬化形成、粥样斑块破裂及心肌梗死(MI)发生,还能促进MI后心室重构,从而影响心脏顺应性及舒缩功能。MMP-2水平与充血性心脏病事件及其严重程度呈正相关。血清MMP-2水平越高,粥样硬化斑块越不稳定。苏约马(Soejima)等研究发现,在MI发生后7天和2周时,血MMP-1浓度与左室射血分数(LVEF)呈负相关。目前在缺血或非缺血心肌病患者中已检测到MMP-3、MMP-2和MMP-9升高。

脂联素(APN)

APN是脂肪细胞分泌的一种具有胰岛素增敏作用的细胞因子。文献报告,高加索人群中充血性心力衰竭患者血清APN水平升高,且其可作为判断患者预后的独立危险因素。国内研究发现,血清APN浓度与血浆NT-proBNP水平呈正相关,与超敏CRP水平呈负相关,且血清APN浓度高的慢性心力衰竭患者死亡率和再入院率均较高。上述研究提示,血清APN水平可作为判断慢性HF患者预后的指标。

心肌损伤标志物

心肌肌钙蛋白(cTn)

cTn包括cTnC、cTnT、cTnI 3种亚基。TnC在骨骼肌和心肌相同,不能用于诊断心肌损伤。cTn半衰期约2 h,释放缓慢,持续升高时间窗较宽,心肌损伤后3~12 h开始升高,12~24 h达峰值。cTnT可在体内维持8~21天,cTnI 7~14天,最后由肾脏排出。卡明斯(Cummins)等用抗cTnI单抗检测血清cTnI水平,指出其对诊断急性心肌梗死(AMI)具有高度敏感性和特异性。cTnI阳性对AMI早期诊断阳性率(敏感性)达79.3%,其阴性排除AMI准确率(特异性)达92.6%。由于cTn的高度特异性、敏感性和较长的诊断窗口期,其已成为诊断心肌损伤(特别是MI)的金标准,并可较好地评估心肌梗死面积。此外,对心功能不全患者,血浆cTnI水平越高,预后越差。

肌酸激酶同工酶MB(CK-MB)

CK-MB在发生AMI后3~6 h开始升高,8~24 h达高峰,在治疗后2~3 d内多恢复至接近正常水平。CK-MB测定值变化是世界卫生组织(WHO)制定的诊断AMI的3项标准之一。近十年来,对CK-MB、cTn、肌红蛋白(Mb)的检测成为临床诊断急性心肌损伤的依据。但心肌和骨骼肌损伤修复期均有CK-MB存在,且其诊断窗口期短,不能反映小范围心肌损伤,诊断敏感性和特异性都不强。

心型脂肪酸结合蛋白(H-FABP)

H-FABP是心肌细胞内的可溶性蛋白,在正常人血液中含量很少或无。当心肌细胞受损时, 可快速被释放入血。H-FABP水平在发生AMI后1 h开始升高,4~6 h达高峰,约20 h恢复至基线水平,其变化规律与Mb相似,但具有更高的心肌组织特异性。H-FABP比传统心肌标志物早期敏感性更强,发病3 h、胸痛症状产生30~120 min内,其敏感性>80%。纳卡塔(Nakata)等观察133例因急性胸痛被疑为急性冠状动脉综合征的患者,于就诊30 min内及此后每隔6 h检测血H-FABP、TnT、Mb和CK-MB水平,并根据前6 h数据描绘ROC曲线。结果显示,H-FABP曲线下面积为0.936,显著大于TnT(0.734)、Mb(0.862)和CK-MB(0.793)。塞伊纳(Seino)的研究表明,对疑似AMI患者,H-FABP在发病3小时阴性预测价值达100%,对临床早期排除AMI有重要参考价值。H-FABP还可用于判断不稳定心绞痛患者短期内是否会发生心脏意外事件。研究表明,血FABP水平升高患者,2周内心脏意外事件发生率高于FABP正常者。心力衰竭患者血H-FABP水平也会升高,且其升高程度能判断患者预后。H-FABP主要经肾脏排出,肾功能不全患者对其清除率下降,会影响临床判断。

心肌肌球蛋白轻链1(CMLC1)

心肌肌球蛋白由2条轻链(CMLC1和CMLC2)和2条重链组成。CMLC1大部分以结构蛋白形式固定于肌凝蛋白上,在心肌损伤后被释放入血。汉森(Hansen)等通过多因素回归分析发现,对于心力衰竭患者,与年龄、左室射血分数、治疗方式等相比,CMLC1是更可靠的死亡预测因素。
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三、急性肺损伤与肝衰竭

血管内皮细胞衍生的标志物

肺血管内皮层在ALI发展中有重要作用,它改变肺泡腔细胞表面生物学特征,增强炎症细胞聚集和激活。内皮屏障功能丧失使细胞与细胞间通透性增加,导致大量水肿液渗入肺泡腔、肺换气功能下降。

研究较多的内皮细胞相关生物标志物是内皮素-1 (ET-1)和血管性血友病因子(vWF)。其血浆水平在ALI时均升高。美国ARDS协作网收集559例ALI患者临床资料,发现血浆vWF水平升高的患者病死率也相应增高,说明vWF可用于评估患者预后。
但是,这两种标志物对ALI特异性均不强。

表面活性蛋白(SP)

ALI急性炎症阶段,Ⅱ型肺泡上皮细胞被破坏,导致肺泡表面活性物质明显减少,肺泡表面张力增大,富含蛋白的水肿液渗入肺泡腔。研究发现,这些蛋白至少包含4种特异性成分,即 SP-A、B、C和D。它们均是表面活性物质载脂蛋白,在肺泡防御性反应中发挥重要作用。埃斯内尔(Eisner)等观察接受机械通气的ALI患者,发现高潮气量通气(12 ml/kg)治疗的患者血浆中SP-D水平比低潮气量通气(6 ml/kg)患者高,病死率也高。郑(Cheng)等观察38例接受有创机械通气治疗的ALI或ARDS患者,在气管插管24小时内,留取未稀释肺水肿液和血浆标本,检测SP-A和SP-D。结果显示,血浆SP-A升高和肺水肿液SP-D降低者,病情更严重,预后更差。

血清Ⅲ型前胶原肽(PⅢP)

PⅢP是纤维母细胞在合成Ⅲ型胶原蛋白过程中释放到细胞外的一种可溶性肽。其被激活后可破坏Ⅲ型胶原,而Ⅲ型胶原是肺组织修复过程产生的主要间质纤维胶原之一。研究表明,PⅢP浓度与肺组织损伤严重程度呈正相关。若ALI患者体内PⅢP浓度持续性增高,其发生ARDS和死亡的风险也相应增加。目前,PⅢP已成为判断ALI程度及其修复过程的血清标志物。

肺损伤

急性肺损伤(ALI)和急性呼吸窘迫综合征(ARDS)是各种致病因素(心源性因素除外)所致急性、进行性呼吸衰竭。二者病理生理改变性质相同但程度不同,是疾病过程中两个不同阶段。最新调查表明,ALI患者死亡率高达35%~40%,其中28天死亡率达25%~30%。因此,判断病情严重程度及患者预后非常重要。研究证实,临床可根据患者支气管肺泡灌洗液(BALF)或血清/血浆生物学标志物判断其病情危险程度。现简述其中较为重要的几类。

凝血相关生物标志物

在ALI急性期,凝血反应和纤溶蛋白抗凝作用的平衡被打破,成纤维细胞被激活,引起纤维沉积,导致肺组织纤维化。临床表现为呼吸困难。纤溶酶原激活物抑制剂-1(PAL-1)是肺泡/肺血管内纤维蛋白溶解作用的最主要抑制物之一。普拉巴卡兰(Prabhakaran)等发现,若ALI患者肺泡水肿液和血浆中PAL-1水平升高,其死亡率也相应增高。最近,潘(Phuan)等对50例ALI患者进行研究,发现死亡者中血浆PAL-1和蛋白C水平均升高,且蛋白C是死亡独立预测因子。

基质金属蛋白酶(MMP)

目前,MMP家族已被鉴别出26个成员,编号为MMP1~26。在急性炎症阶段,肺中性粒细胞释放大量MMP,破坏肺组织。研究提示,ALI时BALF中MMP水平升高,并可能与患者预后相关。艾克勒(Eichler)等对17只小型猪进行心肺旁路手术,分别在术前、术后5 min、180 min检测BALF中MMP-2和MMP-9水平,并记录肺泡-动脉氧分压差。结果显示,MMP-2和MMP-9水平在术后明显升高,且与肺泡-动脉氧分压差显著相关。弗利格尔(Fligl)等观察28例ALI或ARDS患者,检测BALF中MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-8、MMP-9水平。结果提示,几乎所有患者MMP-2、MMP-8、MMP-9水平都升高,但只有6例患者出现MMP-1和(或)MMP-3水平升高。急性生理与慢性健康评分 Ⅲ(APACHE Ⅲ)显示,这6例患者死亡和发生多器官功能衰竭的风险都明显升高。上述结果表明BALF中MMP-2、MMP-8、MMP-9水平可作为ALI标志物,MMP-1 和MMP-3可作为判断ALI或ARDS预后的指标。

肝衰竭

肝衰竭是临床常见的严重肝病症候群,病死率极高,表现为迅速进展的器官衰竭。长期以来,转氨酶、胆红素、白蛋白、胆固醇、凝血功能等检查在肝功能判断中起重要作用。最近研究表明,下述2种标志物可辅助判断肝衰竭患者的预后。

谷氨酸

谷氨酸在肝脏代谢中起核心作用。最近,珀茨(Poeze)等对肝功能不全患者的研究表明,谷氨酸浓度及谷氨酸/谷氨酰胺比值在死亡患者中均显著降低。并且,这两个指标均具有较好的预测价值。其曲线下面积分别为0.75[95% 可信区间(CI)为0.65~0.85]和0.82(95%CI为0.74~0.91)。谷氨酸水平对患者死亡的预测价值优于肝脏的酶学指标。

非对称性二甲基精氨酸(ADMA)

肝衰竭的重要病理机制是系统炎症性反应加强。一氧化氮(NO)是内皮细胞功能关键因子,由一氧化氮合酶(NOS)在内皮细胞内合成。ADMA为内源性NOS抑制剂,主要在肝脏中代谢。ADMA水平升高,尤其是ADMA/精氨酸(Arg)比值升高,会抑制NOS功能,引起内皮细胞功能障碍。在肾功能衰竭、糖尿病、高脂血症等多种疾病患者中均观察到ADMA水平异常升高。最近,多项研究表明,ADMA能作为预测多器官衰竭(包括肝衰竭)的独立危险因子,可辅助诊断早期肝衰竭。慕克吉(Mookerjee)等通过一项年龄匹配对照研究发现,在早期肝衰竭患者中,ADMA水平显著增高;肝移植后,其水平迅速下降。在酒精性肝病患者中,ADMA水平升高和门脉压力升高相关,且提示患者预后不良。目前,伦敦大学学院肝病中心肝衰竭组正在进行一项关于ADMA及缺血性改造性白蛋白(DASIMAR)在急慢性肝衰竭中作为临床预后分子标志的研究。

结 语

上述标志物在各脏器损伤诊断及预后判断方面有一定优势,但很多尚未被广泛应用于临床。

目前,一系列大规模临床试验正在进行,以深入探索这些标志物的优点及不足,为今后的临床工作提供依据。

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