膿毒癥急性腎損傷腎臟細胞凋亡通路的研究進展

張偉++孫仁華

[摘要] 膿毒癥在重癥監護病房（ICU）具有較高的發病率和死亡率，也是ICU患者急性腎損傷（Acute Kidney Injury AKI）發生的首要病因。迄今為止，膿毒癥腎功能損傷尚無有效的方法可以防治，主要是膿毒癥腎損傷發病過程復雜，且眾多因素參與其中，包括腎臟血流動力學改變、炎癥介質浸潤、腎血管內皮細胞功能紊亂、腎臟細胞凋亡。其中，腎臟細胞凋亡機制，特別是腎小管上皮細胞凋亡可能在膿毒癥急性腎損傷中起關鍵作用。因此，本文主要就膿毒癥致AKI腎臟細胞凋亡機制通路進展做一綜述，期望為臨床治療膿毒癥提供一定幫助。

[關鍵詞] 膿毒癥；急性腎損傷；細胞凋亡；線粒體途徑；死亡受體途徑；內質網途徑

[中圖分類號] R459.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-9701（2017）02-0165-04

Research progress of renal cell apoptosis pathway in sepsis acute kidney injury

ZHANG Wei1 SUN Renhua2 HU Bangchuan2

1.The Second Clinical Medical College of Zhejiang Chinese Medicine University，Hangzhou 310053， China； 2.Department of Intensive Care Unit， Zhejiang Province People's Hospital， Hangzhou 310014，China

[Abstract] Sepsis has high morbidity and mortality in intensive care unit（ICU）， and it is also the primary cause of acute kidney injury（AKI） in ICU patients. So far， there is no effective method to prevent and treat sepsis induced renal injury， because the pathogenesis of sepsis induced renal injury are complicated and many of the factors involved in it. Such as， renal hemodynamics changes， inflammatory mediator

膿毒癥在重癥監護病房（intensive care unit，ICU）具有較高的發病率和死亡率[1]，腎臟是最易受損器官之一，膿毒癥也是ICU患者急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）發生的首要病因，膿毒癥患者一旦合并AKI可加重其疾病的演變過程，增加多臟器衰竭及死亡風險[2]。迄今為止，膿毒癥腎功能損傷尚無有效的方法可以防治，主要是膿毒癥腎損傷發病過程復雜，且眾多因素參與其中，包括腎臟血流動力學改變、炎癥介質浸潤、腎血管內皮細胞功能紊亂、腎臟細胞凋亡。其中，腎臟細胞凋亡機制，特別是腎小管上皮細胞凋亡可能在膿毒癥急性腎損傷中起關鍵作用[3]。

1 膿毒癥急性腎損傷發病機制

膿毒癥指感染導致宿主機體產生失控反應引起的器官功能障礙[4]。腎臟是膿毒癥臟器受累靶器官之一，隨著對膿毒癥致AKI發病機制的深入研究，目前認為膿毒癥致AKI發生受多因素影響，包括炎性瀑布樣反應直接損傷[5]；腎內皮細胞損傷，微血栓形成[6，7]；腎臟血流動力學的改變[5，8，9]；免疫功能障礙[10]；腎臟細胞凋亡等。盡管關于膿毒癥致AKI機制的研究不斷深入，但膿毒癥AKI患者的預防及預后仍不容樂觀。膿毒癥致AKI是一個連續性的發病過程，在早期以腎血流再分布異常導致的相對灌注不足以及能量代謝利用障礙為主；其后以腎臟炎癥反應和細胞凋亡為主要表現，提示腎臟細胞凋亡可能在膿毒癥致AKI中起著關鍵性作用[11-13]。因此，闡明膿毒癥腎臟細胞凋亡機制，可能對膿毒癥致AKI的預防、靶向性治療及改善預后具有重要意義。

2 腎臟細胞凋亡與膿毒癥AKI

細胞凋亡是由基因調控的程序性細胞死亡，生理性的細胞凋亡對于維持組織器官的結構與功能的穩定非常重要，然而，當病理性的有害因素作用于正常宿主細胞，可導致細胞凋亡失調而使得細胞過度凋亡，引起器官功能障礙和自身免疫性疾病的發生，如膿毒癥急性腎損傷[10]。既往觀點認為腎缺血及炎癥因子打擊造成的急性腎小管壞死（acute tubular necrosis， ATN）在膿毒癥AKI中起主導作用。然而，近年來眾多研究表明膿毒癥腎臟損傷主要表現為腎臟細胞凋亡。在膿毒癥AKI患者腎活檢標本中，Lerolle N等[14]通過光鏡觀察、TUNEL染色及半胱氨酸天冬酶3（caspase-3）活性檢測三種不同的方法證實膿毒癥致AKI患者存在廣泛的腎小管上皮細胞凋亡。在另一項研究中，用膿毒癥患者的血漿刺激體外培養的腎小管上皮細胞和足細胞，可誘導細胞凋亡[15]。然而，膿毒癥是通過何種途徑引起腎小管上皮細胞凋亡目前尚未完全明確。Cantaluppi V等[16]提出在膿毒癥致AKI中以Fas和Caspase家族為核心的細胞凋亡調節通路。目前，多數學者認為膿毒癥引起腎臟細胞凋亡主要通過兩個經典的細胞凋亡途徑：線粒體介導細胞呼吸障礙的內源性途徑和死亡受體介導的外源性途徑[17]。此外，研究表明近年來新發現的內質網應激啟動細胞凋亡途徑也參與膿毒癥腎臟細胞凋亡。

3 膿毒癥AKI腎臟細胞凋亡通路

3.1線粒體途徑與腎臟細胞凋亡

細胞凋亡內源性線粒體途徑開始于細胞氧化應激的產生，包括ATP生成減少，活性氧（reactive oxygen species，ROS）生成增多，促進一氧化氮（NO）生成。這些細胞應激產物隨Bax/Bcl-2蛋白復合物進入線粒體內，后與其他促凋亡基因促進細胞線粒體通透性增加，線粒體膜通透性轉換孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）開放，釋放細胞素色C，最終通過激活Caspase-3凋亡效應分子，啟動細胞凋亡。

Bcl-2家族蛋白在其中發揮著重要的調節作用，Bcl-2和Bax是該家族中最具代表性的抗凋亡因子和促凋亡因子，在膿毒癥中Bcl-2蛋白基因變異和Bax/Bcl-2表達比率增加[18]，細胞應激產物與Bax形成復合物，引起線粒體通透性增加，啟動細胞凋亡程序。在促紅細胞生成素（EPO）治療脂多糖（LPS）誘導膿毒癥致AKI小鼠模型中，膿毒癥AKI組腎小管上皮細胞Bax顯著性表達增加[19]。Bax通過與線粒體膜上的細胞色素C電壓依賴性陰離子通道（voltage-dependent anion channel，VDAC）結合而促進MPTP開放，誘導細胞凋亡。

位于線粒體內外膜之間的MPTP是線粒體內外信息交流的中心樞紐，是細胞凋亡的生死開關[20]。MPTP開放可致線粒體腫脹、外膜破裂、細胞色素C和凋亡誘導因子釋放到胞質，最終導致凋亡的發生。膿毒癥時，各種有害因素引起腎臟組織細胞內Ca2+超載、ROS產生增加，促使線粒體膜上的MPTP開放，誘導細胞凋亡的發生，引起細胞損傷、壞死，導致AKI的發生[21-23]。

Caspase-3是調控線粒體細胞凋亡通路的終結者。MPTP的開放導致促凋亡蛋白如細胞色素C（Cyt-c）從線粒體向細胞質釋放，這一過程在細胞凋亡中發揮重要作用。Cytc從線粒體釋放進入細胞質，與細胞質中其它兩個蛋白Apaf-1和Caspase-9相互作用，啟動Caspase活化，激活下游的Caspase-3完成相應底物的剪切，引起細胞凋亡級聯反應。采用EPO治療LPS誘導膿毒癥致AKI小鼠模型中，EPO通過與促紅細胞生成素受體（EPO-R）結合阻斷細胞凋亡線粒體通路，下調Bax/Bcl-xl基因表達，減少細胞色素C（Cytc）釋放，抑制Caspase-3表達[19]，從而降低腎小管上皮細胞凋亡。

此外，線粒體作為細胞的能量代謝中心，生成ATP。在某種程度上，細胞ATP水平是區分細胞凋亡與死亡的標志物[24]，膿毒癥致AKI中ATP的耗竭，糖原合成激酶3β（GSK3β）活性降低，Bax磷酸化作用增強（0.57±0.03 vs 3.54±0.19，P<0.05），Caspase-3酶表達增加，引起腎臟細胞凋亡[25，26]，而細胞ATP的快速恢復可阻止細胞凋亡[27]，因此能量代謝在細胞凋亡中起著重要的作用。

因此，線粒體在膿毒癥致AKI腎臟細胞凋亡中發揮著關鍵性作用，是細胞凋亡調控的活動中心。

3.2 死亡受體途徑與腎臟細胞凋亡

死亡受體是細胞上的一種跨膜蛋白，細胞表面的死亡受體接受胞外的凋亡信號刺激，并對凋亡信號進行傳遞，進而啟動激活細胞內的凋亡機制，導致細胞凋亡。死亡受體均屬于腫瘤壞死因子受體（TNFR）超家族，胞內具有蛋白水解功能的“死亡結構域”（death domain，DD）。DD是死亡受體途徑的始動效應區，可傳遞死亡信號。進一步激活下游的Caspase-8，最終通過激活Caspase-3凋亡效應分子，啟動細胞凋亡[17]。

細胞凋亡死亡受體途徑啟動的關鍵在于配體與受體的結合激活DD，在膿毒癥致AKI中主要的死亡受體/配體組合為Fas/Fas L和腫瘤壞死因子受體-1（TNFR1）/腫瘤壞死因子受體（TNF-α）[28]。體外研究中已表明，將LPS或膿毒癥患者的血漿腎實干預腎質細胞，可誘導TNF-α/TNFR1基因表達上調，Caspase-3活性增加，細胞凋亡增多[29]。在LPS誘導膿毒癥AKI小鼠模型中，已證實TNFR-1基因敲除小鼠相比較未敲除小鼠較少發生腎臟細胞凋亡和炎性細胞浸潤。在最近的兩項膿毒癥血致AKI小鼠研究中，可見到腎臟細胞凋亡，Fas/FasL和Bax/Bcl-2表達增加[30，31]。在敲除Fas基因的膿毒癥致AKI小鼠腎組織中可見FasL溶解，腎小管上皮細胞凋亡減少[32]。Caspase-3是線粒體途徑和死亡受體途徑的交匯點。在LPS致膿毒癥腎損傷小鼠模型中，TNF-α基因及Caspase-3表達增加，促進細胞凋亡，使用依達拉奉后，可明顯抑制Caspase-3的表達和腎臟細胞凋亡[33]。

3.3內質網應激與腎臟細胞凋亡

膿毒癥引起機體的超炎癥反應和免疫麻痹，導致內質網的改變，產生內質網應激（endoplasmic reticulum stress，ERS），ERS是一條新的細胞凋亡信號傳導通路，稱之為內質網相關性死亡（ER-associated death，ERAD）途徑。在膿毒癥中持續的內質網應激將激活促凋亡編碼基因CHOP轉錄以及活化Caspase-12，激活Caspase家族等下游的凋亡信號分子，從而誘導細胞凋亡。

ERS即內質網腔內錯誤折疊、未折疊蛋白質聚集以及細胞內Ca2+離子平衡紊亂等引起細胞內一系列反應。內質網應激是細胞內一種適應性保護機制，但是持續存在或過強時則最終誘導細胞凋亡，造成組織損傷。內質網應激由內質網伴侶分子和內質網應激感受蛋白所介導[34]。ERS伴侶分子表達增加，可提高ERS狀態下細胞處理未折疊蛋白或抵御其他細胞應激的能力，在盲腸結扎穿孔的膿毒癥大鼠模型中，腎臟組織內質網伴侶分子糖調節蛋白78（glucose regulated proteins 78，GRP78）基因表達顯著增加，提示大鼠膿毒癥狀態下腎臟組織存在內質網應激[35，36]。

CHOP存在于細胞質內，在內質網應激時被活化而轉位至細胞核，是內質網應激相關性細胞凋亡中的重要轉錄調節因子，它能抑制細胞存活，促進凋亡相關蛋白Bcl-2生成，使得線粒體膜通透性改變，最終誘導細胞凋亡[37]。研究發現CHOP基因敲除能阻止內質網應激誘導的細胞凋亡，Esposito V等[38]報道在LPS誘導膿毒癥致AKI小鼠模型中，CHOP基因敲除小鼠腎組織淋巴細胞凋亡水平是野生型小鼠的1.7倍，且AKI程度更重。

Caspase-12活化是ERS介導細胞凋亡的關鍵途徑之一，它定位于內質網外膜，在死亡受體或線粒體凋亡途徑中不被活化。Caspase-12被激活，通過激活Caspase-3，導致細胞凋亡。在盲腸結扎穿孔致膿毒癥AKI大鼠模型中，CHOP和Caspase-12基因表達增加，提示膿毒癥AKI與內質網應激后凋亡途徑誘導腎小管上皮細胞凋亡有關[35]。

4 總結與展望

細胞凋亡在膿毒癥AKI發病機制中的作用為臨床干預提供了全新的靶點，Caspase家族為膿毒癥致AKI腎臟細胞凋亡3大途徑的共同交叉點，理論上Caspase抑制劑阻斷細胞凋亡具有較好的臨床應用前景，然而，細胞凋亡涉及錯綜復雜的信號通路網絡，膿毒癥致AKI細胞凋亡信號通路究竟是以哪種信號通路（線粒體通路、死亡受體通路和內質網通路）為主要的凋亡信號傳導通路？或者它們只是一個更加復雜的凋亡信號網絡系統中的一部分？因此，未來期望更多的關于膿毒癥致AKI細胞凋亡其他途徑的研究，從而為臨床干預膿毒癥AKI提供更多的支持。

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（收稿日期：2016-09-16）infiltration， renal vascular endothelial dysfunction and renal cell apoptosis. Renal cell apoptosis mechanism， especially renal tubular epithelial cell apoptosis may play a key role in sepsis induced AKI. Therefore， this article is mainly on the development of renal cell apoptosis pathway in sepsis induced AKI. We hope to provide some help for clinical treatment of sepsis.

[Key words] Sepsis； Acute kidney injury； Apoptosis； Mitochondria apoptosis pathway； Death receptor pathway； Endoplasmic reticulum associated death