多黏菌素類藥物腎毒性分子機制及保護措施研究進展

(中國農業大學動物醫學院，北京海淀100193)

多黏菌素類藥物腎毒性分子機制及保護措施研究進展

代重山，湯樹生，肖希龍

(中國農業大學動物醫學院，北京海淀100193)

近20年來，多重耐藥革蘭陰性細菌(MDRGNR)在全球范圍內呈蔓延趨勢，嚴重威脅動物及人類健康;又由于缺乏新的、較為有效的抗生素，使得多黏菌素類(包括多黏菌素B及黏菌素)藥物在臨床又重新得到重視和應用，并成為治療MDRGNR感染的最佳選擇，甚至是最后的防線［1］。腎毒性是多黏菌素的主要臨床副作用之一，發生率高達60%［1，2］。越來越多的證據表明，當前臨床推薦的劑量為亞治療劑量，增加了臨床多黏菌素耐藥性形成的風險，而簡單粗暴的增加劑量勢必增加其腎毒性、甚至是神經毒性［1］。本文通過對多黏菌素腎毒性分子機制做一綜述，并進一步探討其保護措施，以期為多黏菌素臨床應用及后續研究提供理論依據。

1 多黏菌素類藥物進入細胞途徑

Azad等［3］通過使用X射線熒光顯微鏡方法發現熒光標記的多黏菌素在大鼠腎細胞(NRK-52E)及人腎細胞(HK-2)內濃度分別是細胞外的1930倍和4 760倍。動物實驗研究發現，多黏菌素在腎組織中主要分布于腎臟皮質部及近端腎小管，近端小鼠損傷較遠曲小管更為嚴重［4，5］。多黏菌素屬大分子藥物，進入哺乳動物細胞內必須經過受體或離子通道途徑，最新研究發現，內源性受體巨蛋白(megalin)、多肽轉運蛋白1和2(PEPT1和2)及有機陽離子轉運蛋白1(OCTN1)在多黏菌素進入細胞內發揮著重要的“搬運工”作用［5-7］。進一步研究發現，黏菌素原型主要分布于腎小管上皮細胞線粒體、內質網及高爾基體等細胞器，且大量在線粒體富集、并與其線粒體膜緊密結合在一起，但黏菌素不能進溶酶體及細胞核，暗示黏菌素可能靶向性損傷真核細胞線粒體，隨后導致各種級聯反應［8］。

2 多黏菌素類藥物腎毒性分子機制

2．1 細胞膜毒性研究表明，多黏菌素類藥物腎毒性與其分子結構中所攜帶的D-氨基酸成分密切相關，黏菌素攜帶5個游離的正電荷，競爭性(約占80%)和非競爭性(約占20%)取代鈣離子(Ca2+)、鎂離子(Mg2+)與細胞漿膜內磷脂中帶負電荷的磷酸根的共價結合，導致哺乳動物細胞漿膜表面張力降低，細胞膜通透性增大、細胞腫脹和溶解，直至死亡，與其體外殺菌機制類似［9］。體外研究發現，多黏菌素B可在弱酸環境下劑量依賴性破壞磷脂酞膽堿、磷脂酞乙醇胺等磷脂分子，使磷脂雙分子層結構遭到破壞，從而介導細胞膜損壞繼發性誘發細胞毒性［10］。Colome等［11］研究發現，黏菌素可特異性的破壞卵磷脂、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸等組成的磷脂雙分子層結構，但確切的作用機制還有待進一步的研究。

2．2 氧化應激損傷氧化應激是指機體在需要清除體內老化的細胞，或在遭受各種有害刺激時，體內高活性分子，如活性氧自由基(ROS)和活性氮(RNS)自由基產生過多，氧化程度超出氧化物的清除，氧化系統和抗氧化系統失衡，從而導致組織損傷。Yousef等［12］研究發現，抗氧化劑維生素C及褪黑素可保護黏菌素誘發的腎細胞脂質過氧化及凋亡;Oguzulgen等［13］通過試驗發現，抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸能夠逆轉黏菌素誘導的誘導型一氧化氮合)酶(i-NOS)、神經營養素-3(NT-3)變化;這些研究證實氧化應激損傷黏菌素誘發肺毒性及腎毒性中起主導作用。此外，黏菌素可導致雞神經元鈣穩態失調，細胞內鈣大量增加，鈣調蛋白(CaM)mRNA表達顯著降低，表明鈣穩態失調在黏菌素誘發細胞毒性中扮演著重要角色［14］。

2．3 細胞凋亡和自噬動物及體外細胞模型研究證實，線粒體凋亡通路、內質網凋亡通路及死亡受體凋亡通路參與黏菌素誘導的細胞凋亡，且線粒體及死亡受體通路為黏菌素誘導細胞凋亡的主要通路［5］。Eadon等［15］研究發現，細胞周期阻滯在多黏菌素誘導的小鼠腎毒性中發揮一定的作用，p53/p21信號通路扮演者重要角色。動物實驗研究表明，黏菌素可致腎臟組織中半胱天冬酶(caspase)-1大量增加，caspase-1可通過上調自噬蛋白Beclin 1和線粒體自噬發揮保護性應激作用［16］，體外細胞實驗進一步研究證實，自噬激活明顯改善黏菌素誘導的細胞凋亡，而自噬抑制明顯加劇黏菌素誘導的細胞毒性，且伴隨明顯的caspase依賴性［17］。此外，多條存活信號通路如核轉錄因子(Nrf2)/單加氧酶(HO-1)及核轉錄因子(NF)-kB、絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)家族在多黏菌素誘導的細胞毒性中均發揮著重要作用［5］。

3 多黏菌素類藥物腎毒性保護措施

3．1 抑制氧化應激，降低腎毒性基于氧化應激分子機制，抗氧化劑是抑制黏菌素腎毒性的重要保護措施。抗氧化劑維生素C及N-乙酰半胱氨酸能夠抑制多黏菌素誘導的腎細胞及神經元細胞氧化應激損傷及細胞凋亡［12－13，16－17］。Dezoti Fonseca等研究發現［18］，HO-1誘導劑血紅素能夠增加腎臟組織內過氧化氫酶活性，保護多黏菌素B誘發的小鼠腎毒性。天然抗氧化劑原花青素及番茄紅素能夠有效激活Nrf2/HO-1信號通路來改善黏菌素誘導的腎細胞氧化應激及caspase依賴性的凋亡［16，19］;此外，一些研究也發現，蝦青素及維生素E能夠改善黏菌素誘導的腎臟氧化應激損傷及細胞凋亡［20］。

3．2 改變劑型，降低腎毒性不減少血藥濃度及其殺菌活性，同時降低腎毒性是最理想的減毒模式。如黏菌素的緩釋微球可有效改善黏菌素的腎毒性，同時還可更好的維持血藥濃度［21］。此外，研究者通過使用多黏菌素噴霧劑呼吸道靶向給藥，也可達到相同的治療效果，且造成的腎損傷遠遠低于靜脈注射［1，9］。

3．3 其他途徑也有一些研究者發現了其他途徑的腎毒性保護措施，如Suzuki等［7］通過使用巨蛋白(megalin)受體抑制劑細胞色素C可明顯改善多黏菌素B誘導的大鼠腎毒性;離子通道轉運蛋白抑制劑p-gp(糖蛋白)預處理也可改善黏菌素誘導的細胞凋亡及腎臟損傷［22］;體外實驗證實，自噬在黏菌素細胞毒性中發揮著保護性角色［17］，自噬激活劑雷帕霉素可有效抑制黏菌素腎毒性［22］。

4 小結

綜上所述，腎毒性已經成為影響多黏菌素類藥物臨床應用的最重要的限制性因素;研究其分子機制對臨床降低腎毒性、提高治療指數具有重要意義。氧化應激在多黏菌素誘導的腎毒性中發揮角色，然而，多黏菌素類藥物誘導人類或動物腎損傷的確切分子機制仍然是謎，仍需要進一步更深入的研究。

［1］Nation R L，Li J，Cars O，et al．Framework for optimisation of the clinical use of colistin and polymyxin B:the Prato polymyxin consensus［J］．Lancet Infect Dis，2015，15(2):225-234．

［2］Garonzik S M，Li J，Thamlikitkul V，et al．Population Pharmacokinetics of Colistin Methanesulfonate and Formed Colistin in Critically Ill Patients from a Multicenter Study Provide Dosing Suggestions for Various Categories of Patients［J］．Antimicrob Agents Chemother，2011，55(7):3284-3294．

［3］Azad M A K，Roberts K D，Yu H D H，et al．Significant accumulation of polymyxin in single renal tubular cells:a medicinal chemistry and triple correlative microscopy approach［J］．Anal Chem，2015，87(3):1590-1595．

［4］Yun B，Azad M A，Wang J，et al．Imaging the distribution of polymyxins in the kidney［J］．J Antimicrob Chemother，2015，70(3): 827-829．

［5］Dai C，Li J，Tang S，et al．Colistin-induced nephrotoxicity in mice involves the mitochondrial，death receptor，and endoplasmic reticulum pathways［J］．Antimicrob Agents Chemother，2014，58(7): 4075-4085．

［6］Lu X，Chan T，Xu C，et al．Human oligopeptide transporter 2 (PEPT2)mediates cellular uptake of polymyxins［J］．J Antimicrob Chemother，2016，71(2):403-412．

［7］Suzuki T，Yamaguchi H，Ogura J，et al．Megalin contributes to kidney accumulation and nephrotoxicity of colistin［J］．Antimicrob A-gents Chemother，2013，57(12):6319-6324．

［8］Yun B，Azad MAK，Nowell C J，et al．Cellular uptake and localization of polymyxins in renal tubular cells using rationally designed fluorescent probes［J］．Antimicrob Agents Chemotherm，2015，59 (12):7489-7496．

［9］Falagas M E，Kasiakou S K．Toxicity of polymyxins:a systematic review of the evidence from old and recent studies［J］．Crit Care，2006，10(1):R27．

［10］牛真真．電化學法研究硫酸多黏菌素B與磷脂的相互作用［D］．鄭州:鄭州大學，2011．

［11］Colome C，Alsina M A，Busquets M A，et al．Interaction of aminoglycosides and colistin with model membranes-liposomes and monolayers［J］．Int J Pharm，1993，90(1):59-71．

［12］Yousef J M，Chen G，Hill P A，et al．Ascorbic acid protects against the nephrotoxicity and apoptosis caused by colistin and affects its pharmacokinetics［J］．J Antimicrob Chemother，2012，67 (2):452-459．

［13］Ozyilmaz E，Ebinc F A，Derici U，et al．Could nephrotoxicity due to colistin be ameliorated with the use of N-acetylcysteine?［J］．Intensive Care Med，2011，37(1):141-146．

［14］Dai C，Zhang D，Li J，et al．Effect of colistin exposure on calcium homeostasis and mitochondria functions in chick cortex neurons［J］．Toxicol Mech Method，2013，23(4):281-288．

［15］Eadon M T，Hack B K，Alexander J J，et al．Cell cycle arrest in a model of colistin nephrotoxicity［J］．Physiol Genomics，2013，45 (19):877-888．

［16］Ozkan G，Ulusoy S，Orem A，et al．How Does Colistin-Induced Nephropathy Develop and Can It Be Treated?［J］．Antimicrob Agents Chemother，2013，57(8):3463-3469．

［17］Dai C，Tang S，Velkov T，et al．Colistin-induced apoptosis of neuroblastoma-2a cells involves the generation of reactive oxygen species，mitochondrial dysfunction，and autophagy［J］．Molecular Neurobiology，2015，August 27．

［18］Dezoti Fonseca C，Watanabe M，Vattimo Mde F．Role of heme oxygenase-1 in polymyxin B-induced nephrotoxicity in rats［J］．Antimicrob Agents Chemother，2012，56(10):5082-5087．

［19］Dai C，Tang S，Deng S，et al．Lycopene attenuates colistin-induced nephrotoxicity in mice via activation of the Nrf2/HO-1 pathway［J］．Antimicrob Agents Chemother，2015，59(1):579-585．

［20］Ghlissi Z，Hakim A，Sila A，et al．Evaluation of efficacy of natural astaxanthin and vitamin E in prevention of colistin-induced nephrotoxicity in the rat model［J］．Environ Toxicol Pharmacol，2014，37(3):960-966．

［21］Nanjo Y，Ishii Y，Kimura S，et al．Effects of slow-releasing colistin microspheres on endotoxin-induced sepsis［J］．J Infect Chemother，2013，19(4):683-690．

［22］Lee S H，Kim J S，Ravichandran K，et al．P-glycoprotein induction ameliorates colistin induced nephrotoxicity in cultured humanproximaltubularCells［J］．PLoSOne，2015，10 (8):e0136075．

S859

A文章標號:0529-6005(2017)01-0067-03

2016-05-04

國家科技支撐計劃(2015BAD11B03)

代重山(1987-)，男，博士生，從事獸醫藥理與毒理學研究，E-mail:daichongshan@163．com

肖希龍，E-mail:xiaoxl@cau．edu．cn