1、急性腎損傷之病理生理學與生物標記(Biomarker)之最新進展李柏葒、郭錦輯、高芷華急性腎損傷是在臨床上常常會遇到的問題。傳統上可依照其病因區分為腎前(pre-renal)，腎因(intrinsic)，以及腎後型(post-renal)腎損傷。三者之中，腎前與腎因型腎損傷可為因果關係，亦可同時並存。近年來腎因型腎損傷已成為住院病人最常見的急性腎損傷，儘管醫學不斷在進步，有越來越多的支持系統可幫助醫師照顧病患，但在急性腎損傷病人的預後卻沒有明顯的改善，這主要是受限於缺乏敏感且快速的診斷指標以及對於急性腎損傷時的細胞和分子機轉不夠瞭解所致。在此介紹缺血性急性腎損傷及敗血性急性腎損傷，這兩種急性腎
2、損傷是在重症病患最常見，希望藉由對病理生理機轉的瞭解， 讓臨床醫師瞭解早期診斷早期治療的重要性，以及重症透析觀念的建立。急性腎損傷之病理生理學缺血性急性腎損傷缺血(ischemia)是臨床上最常見造成急性腎損傷的原因，其病理生理學包含了腎小管上皮細胞的受損、血管內皮細胞的功能異常以及發炎反應。氧氣的缺乏會導致細胞內的腺嘌呤核甘三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)被迅速分解，使得細胞內鈣離子濃度上升，同時產生次黃嘌呤(hypoxanthine)。鈣離子可以活化下游的分解酵素對細胞骨架和細胞膜造成傷害；次黃嘌呤則是在組織再灌流(reperfusion)時，經由酵素分解為
3、黃嘌呤(xanthine)，此過程會產生大量的過氧化氫(hydrogen peroxide)及氫氣自由基(hydroxyl radical)。此外，腎小管細胞的誘生型一氧化氮合成酶(inducible nitrogen synthase, iNOS)在缺氧時表現會增加，一氧化氮(nitric oxide, NO)產生後會與細胞內的超氧化物(superoxide)交互作用產生過氧硝酸根化合物(peroxynitrite)，這些活性氧分子(reactive oxygen species)可藉由氧化蛋白質，使脂質過氧化(peroxidation)，破壞脫氧核醣核酸(DNA)，誘發細胞計畫性凋亡(ap
4、optosis)，對腎小管細胞造成傷害。目前有許多研究都在針對如何減少氧化損傷(oxidant injury)以期能夠降低腎臟所受到的傷害，edaravone 及apotransferrin 可抑制自由基與螯合具有還原活性之游離鐵，其在人類急性腎損傷的角色目前仍在研究中。腺嘌呤核甘三磷酸被用罄後會造成細胞骨架的破壞，刷狀緣(brush border)會脫落或是內化，細胞間之緊密接合(tight junction)和黏著接合(adherens junction)消失，細胞極性(polarity)喪失。鈉鉀幫浦(Na +-K+ ATPase)會由基底膜(basolateral membrane)移
5、開，導致近端腎小管對鈉的再吸收能力下降，鈉離子排除分率上升。受到傷害的腎小管細胞有可能存活或是死亡，這些死掉的細胞可以是細胞計畫性凋亡或非計畫性凋亡(necrosis)，掉落到管腔中後形成圓柱體(cast)，將管腔塞住，使得腎絲球過濾液從細胞與細胞間的鬆散間隙回流(back-leak)到腎臟間質(interstitial)，造成腎絲球過濾率持續下降。存活的上皮細胞具有卓越的再生能力，當腎臟開始進行修復，細胞會進行去分化(dedifferentiation)、細胞增生(proliferation)和再分化(differentiation)，細胞極性重新建立，腎功能開始恢復，病人的尿量增加，進入利
6、尿期(diuretic phase)。近年來越來越多的研究顯示血管內皮細胞的受損在許多疾病都佔有重要角色，血管內皮已被視為一種獨特的器官，可以是發炎反應的來源也可以是其攻擊目標。腎臟的血管受到傷害後自我調控的功能會受到影響，造成腎臟內血流分佈的改變，即使在再灌流後，由於血管持續收縮，組織會一直處在缺氧的狀態，這種情形在皮質髓質交界處最為明顯。在正常生理情況下，髓質外部原本就是處在相對低氧，但此處細胞代謝活性與能量需求卻偏高，因此在血流減少時傷害也就特別嚴重。此外，微循環的充血也會影響腎臟血流，內皮細胞受損後會變的腫脹(swelling)、呈現發泡狀(blebbing)、凋亡(death)、甚至
7、從血管壁剝離，造成血管管徑狹窄。內皮細胞表面的黏附分子(adhesion molecules)像是第一型細胞間黏附分子(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)、戊型選擇素(E-selectin)等的表現會增加，促進白血球和內皮細胞的交互作用，聚集的白血球對血管造成阻塞，同時引起免疫反應造成內皮細胞功能異常。發炎反應亦是缺血性急性腎損傷的主要病理機轉，由血管內皮引起的發炎反應會經由其他細胞所分泌的因子而加強，這些細胞包含了腎小管上皮細胞、樹突細胞(dendritic cell)以及白血球。這些細胞會分泌致炎性細胞激素(proinflammatory c
8、ytokines)與化學激素(chemokine)包括腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-alpha, TNF-)、細胞間素-1(interleukin-1, IL-1)、轉化生長因子-(transforming growth factor-, TGF-)、第六型細胞間素(interleukin-6, IL-6)、第八型細胞間素(interleukin-8, IL-8)和第一型單核球趨化蛋白(monocyte chemoattractant protein-1)對腎臟造成傷害。由來自骨髓和腎臟的細胞之間的交通，以及天然免疫(innate immunity)與獲得性免疫(a
9、daptive immunity)的交互作用，構成了腎損傷時複雜的發炎反應。就臨床的角度來看，缺血性腎損傷可以分為五個時期，分別為(1) 腎前期(prerenal phase)、(2)初始期(initiation phase)、(3)擴展期(extension phase)、(4)維持期(maintenance phase)和(5)恢復期(recovery phase)。在腎前期，到腎臟的血流量減少造成功能下降，但細胞的完整性可藉由腎臟本身的調控機制來維持，如果血流量不足的狀況沒有獲得改善，細胞內的腺嘌呤核甘三磷酸被消耗掉後就會引起細胞功能異常，進入初始期，在初始期時若能及時診斷並處理，腎臟功
10、能可以得到很好的恢復。腎小管上皮細胞和內皮細胞受到傷害後引起發炎反應，再加上血管調控機制受到影響造成組織持續缺氧，腎絲球過濾率繼續下降，此時就是擴展期。到了維持期，腎絲球過濾率達到最低點並在此低點維持一段時間，之後腎臟開始進行修復，進入恢復期，存活的細胞開始增生分化，腎臟功能開始改善。腎臟功能恢復的程度主要取決於一開始缺血的嚴重度，因此未來在這部分發展的重點應放在如何早期診斷早期治療，以期減少腎臟功能的下降。敗血性急性腎損傷敗血症是重症病人發生急性腎損傷的主要原因，儘管近年來在照護重症病人我們有越來越多的支持系統可供使用，但敗血性腎損傷的發生率和死亡率卻沒有明顯的下降，一個可能的原因就是缺乏對
11、其病理生理機轉的瞭解。在以往的觀念，敗血性急性腎損傷都被歸類為腎前型腎損傷(pre-renal AKI)，這樣的發現主要是來自於對低動力型休克(hypodynamic shock)病人的觀察，但在臨床上大部分的敗血症病人其實是處在一高血流動力的狀態(hyperdynamic status)，這些病人是否適用腎前型腎損傷的概念是有待商榷的。Brenner 在 1990 年曾經分析過八位重症病患，利用經皮穿刺導管到腎靜脈，藉由熱稀釋法(thermodilution)的方法測量腎臟的血流，結果發現在高血流動力狀態下的敗血症時，腎臟的血流並沒有下降但血管阻力(vascular resistance)是
12、降低的。這是目前少數關於人類的研究。而在動物實驗中，實驗的結果隨動物的種類、測量的方法以及動物的血液動力學狀態有所不同。綜合分析(meta-analysis) 的結果顯示唯一和腎臟血流有相關的變數就是心輸出量(cardiac output)，即如果病人是處在高血流動力的狀態，腎臟的血流應是足夠或是增加的。一個可能的解釋是由於腎臟的血管擴張，尤其是當出球小動脈擴張的程度超過入球小動脈時，即使腎臟的血流量足夠或是增加，腎絲球過濾率仍然是下降的，在臨床上看到的就是病人的肌酸酐上升，尿量變少。除了血液動力學的影響外，敗血症時所釋放出的眾多致炎性細胞激素、血管活性物質(vasoactive substa
13、nce)等等也都在敗血性腎損傷中扮演一定的角色。像是在內毒素血症(endoxotemia)時，會促進細胞計畫性凋亡。此外，器官之間的交互影響也是敗血性急性腎損傷的可能原因之一，例如在急性呼吸窘迫症候群的病人，呼吸器使用保護性通氣策略(protective ventilatory strategy)的可保護腎臟減少傷害。由前述的介紹，我們可以知道敗血性腎損傷的機轉相當 複雜，尤其在高血流動力狀態的敗血症病人，並非以往所認定的腎前型腎損傷，而是以腎因型腎損傷為主，因此在臨床上照顧這樣的病人，重點應放在處理根本的問題，避免腎毒性藥物的使用，給予病人適量的水分維持病患的血行動力，避免過量的點滴補充造成
14、病人體液過量，反而對腎功能的預後有害。急性腎損傷生物標記(Biomarker)之最新進展急性腎損傷為住院病患常見的問題，儘管對急性腎損傷之病理生理機轉的研究不斷在進步，其死亡率卻仍然偏高。許多在動物實驗中有顯著效果的藥物推展到人體實驗卻宣告失敗。這樣的差異有一部份是因為沒有辦法早期診斷急性腎損傷而錯失治療的黃金時間。以心肌梗塞為例，心肌酵素如心肌旋轉蛋白(troponin-I)和心肌酶(CK-MB)的偵測，合併心電圖及臨床症狀可幫助及早診斷急性心肌梗塞，利於心肌梗塞治療的發展，使得死亡率大幅降低。相較之下，在急性腎損傷，是以血清肌酸酐(serum creatinine)作為診斷的標準，這樣的診
15、斷標準有其侷限，第一、腎臟的組織(renal mass)大量喪失時，血清肌酸酐不會有相對應的改變，這樣的例子最典型的就是腎臟捐贈；第二則是血清肌酸酐會受到體重、年紀、蛋白質攝取量、藥物以及體液容積分佈等影響；最後，血清肌酸酐的上升和腎絲球過濾率的下降並非同步，再加上病人往往缺乏明顯症狀，因此造成診斷上的延誤。目前美國腎臟醫學會等組織已把急性腎損傷之生物標記的研究列為發展重點，希望藉由生物標記的發展，可以達到早期診斷早期治療的目標，同時提供關於病人預後的指標。理想的生物標記能夠提供的資訊包括急性腎損傷的病因、損傷的位置(近端管、遠端小管或腎間質)、預後的評估以及治療效果的監測。單一的生物標記無法
16、達到這樣的目標，因此以模組(AKI panel)的方式發展是必要的。生物標記從被研究發現到臨床應用，需要一段時間的檢測。Pepe 針對腫瘤標記的發展提出了三大時程五個階段，此原則亦可應用於急性腎損傷生物標記的發展。第一時程為研發期(discovery phase, phase 1)，此期主要在於找出和急性腎損傷有關的基因或蛋白質；第二時程為轉譯期(translation phase,包含 phase 2 & 3)，第二階段的重點在於發展出臨床檢測方法(clinical assay)並在確定有病者和對照組能驗出顯著差異，第三階段和第二階段類似，差別在於評估這些生物標記是否能更早偵測出疾病；第三時
17、程為確證期(validation phase 包含 phase 4& 5)，需要大規模的前瞻性研究評估。目前 IL-18、NGAL和 cystatin C 都已在第三階段的研究中被證實是急性腎損傷的很好的生物標記。目前被學者們認為最有潛力成為未來診斷急性腎損傷的生物標記包括了嗜中性白血球明膠酶相關性脂質載運蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin, 以下簡稱 NGAL)、第十八型細胞間素(interleukin-18, 以下簡稱IL-18)、腎損傷因子(kidney injury molecule-1, 以下簡稱 KIM-1)及血清半胱氨酸蛋白
18、酶抑制劑(以下簡稱 cystatin C)。NGAL 為一具 25-kDA(kilodalton)的蛋白質，是脂質載運蛋白家族(lipocalin family)的新成員，藉由與嗜鐵載體(siderophore)結合而參與細胞鐵轉運路徑(iron-delivery pathway)，調控腎臟細胞再生、修復及凋亡。在許多缺血性及腎毒性腎損傷之動物模式(animal model)的研究，都指出急性腎損傷後，在血清及尿液中可以很快偵測到NGAL。NGAL 已在小孩及成人接受心肺繞道之心臟手術(cardiopulmonary bypass surgery)、腎臟移植以及顯影劑所致之腎損傷證實比血清肌酸
19、酐更能早期發現急性腎損傷。在兒童溶血性尿毒症候群(hemolytic uremic syndrome)，NGAL 可評估急性腎損傷的嚴重度並預測病患是否需要透析治療。NGAL 的測量會受到一些因素的影響，包括泌尿道感染或全身性感染、或是本身已有慢性腎病(CKD)，在此類病人 NGAL 的應用仍有待進一步研究。IL-18 是一種致炎性細胞激素(proinflammatory cytokine)，急性腎損傷時會在近端小管被誘發、活化然後分泌至尿液中。IL-18 已被證實在急性腎小管壞死的病人會有顯著上升，在泌尿道感染、慢性腎病、腎炎症候群(nephritic syndrome)或腎前型腎損傷則不會
20、，可作為鑑別診斷的工具。在成人腎臟移植以及心臟手術之患者、急性肺損傷(acute lung injury)的成人以及重症之孩童，有研究指出 IL-18 可預測急性腎損傷的發生；此外，IL-18 在成人急性呼性窘迫症候群(acute respiratory distress syndrome)的研究中被發現和死亡率有關。因此，IL-18 可以幫助早期診斷急性腎損傷並評估預後，且對缺血性腎損傷具有特異性。KIM-1 為一跨膜蛋白(transmembrane protein)，在許多缺血性和腎毒性腎損傷的動物模式中發現在參與再生的去分化近端小管細胞會過度表現(dedifferentiating tu
21、bular cell)，可藉由尿液分析其濃度變化。在人類的研究中發現 KIM-1 於缺血性腎損傷的病人會有顯著上升，顯影劑引致之腎損傷、慢性腎病或其他原因引起的急性腎損傷則否，可作為缺血性腎損傷的生物標記。Cystatin C 是一血清半胱氨酸蛋白酶抑制劑(cysteine protease inhibiotor)，所有有核的細胞都會合成並以穩定的速度釋放到血液中，在正常情況下能自由地從腎絲球濾出再從近端小管再吸收，腎小管並不會分泌此蛋白。Cystatin C 不受年紀、種族、性別或病患肌肉量(muscle mass)的影響，因此比血清肌酸酐更能及早反應腎絲球過濾率的改變。在急性腎損傷的診斷，
22、Cystatin C 不能幫助鑑別診斷但是可以反應腎絲球過濾率的變化，目前已有商業化的測量儀器問世，在幾分鐘內就可得到結果，且不受檢體保存方法或其他干擾物質的存在所影響。每個血清或尿液生物標記在診斷急性腎損傷的強項各不相同，未來希望藉由急性腎損傷模組(AKI panel)的產生，可以提供臨床醫師更多的資訊，包括時序、腎損傷病因之診斷以及預後。目前已有至少兩個以上的大型研究針對這些生物標記作確證期(validation phase)分析，藉由分析儀器的商業化和蛋白質體學(proteomics)之發展，期待未來在重症腎臟醫學(critical nephrology)能有類似心肌酵素的生物標記(renal troponin)出現，帶給急性腎損傷診斷上的突破。
