細胞鐵死亡在心臟手術后急性腎損傷中的研究進展

郎正鵬 向道康，△ 胡馗 向龍 曲昊楠 高魯方

(1.遵義醫學院，貴州 遵義 563000；2.貴州省人民醫院心外科，貴州 貴陽 550002)

CSA-AKI是一種心臟手術術后并發癥，導致心臟手術后的病死率增高。CSA-AKI是ICU中AKI的第二大常見原因，并且與發病率和死亡率增加獨立相關[2]。根據不同的研究人群及診斷標準不同，CSA-AKI發生率在3%～42%[1-2]，嚴重的CSA-AKI導致圍手術期死亡率增加3～8倍，與ICU和病房住院時間延長，以及護理成本增加獨立相關[3]。無論其他風險因素如何，心臟手術后10年內AKI相關死亡風險仍然很高，即使對于完全腎功能恢復的患者也是如此。正如識別和糾正術前危險因素一樣，明確CSA-AKI的發病機制，從而在手術期間和手術后使用預防措施來改善腎功能對于提高這些患者的術后發病率和死亡率至關重要。最近的大量研究表明，細胞鐵死亡這種特殊的腎小管細胞壞死形式是CSA-AKI可能的機制。

1 CSA-AKI的研究現狀

體外循環(cardiopulmonary bypass，CPB)的復雜影響通常會誘發一定程度的AKI。包括來自非搏動性低血流，低壓導致灌注不足，血液稀釋，快速的升降溫度，炎癥反應，細胞破壞，過氧化狀態持續存在以及氧化應激等都可能是術中導致CSA-AKI的病因。在術后早期期間，低心輸出量的狀態，缺血缺氧后再灌注損傷也可能是CSA-AKI的病因。心臟手術后AKI的發病機制尚不完全清楚。單個病因因素不太可能導致CSA-AKI。這是術前，術中和術后通路的多重互動的結果。目前國內外沒有針對CSA-AKI專門制定的診斷標準，多是采用RIFLE，AKIN，KDIGO診斷標準等作為參考，三種診斷標準均采用SCr及尿量作為診斷指標，然而，SCr受種族、性別、年齡、飲食、肌肉質量、血管內容量負荷和藥物的影響，與腎功能本身并無關，即使腎功能降低50%，SCr濃度變化也可能不會超過正常值范圍[4]。在預測AKI方面，尿量作為診斷標準中不可或缺的參考標準之一，其并沒有辦法把腎前性、腎性少尿或缺血性、腎毒性腎損傷區分開來[5]。TRIBE-AKI研究表明，除臨床危險因素外，使用生物標志物人類嗜中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin，NGAL)時，CSA-AKI風險預測值提高了18%[6]。基于RIFLE，AKIN和KDIGO標準而制定的干預CSA-AKI措施不能實現早期干預AKI，不斷研究CSA-AKI的發病機制對于改善監測，早期制定治療措施從而改善患者術后的愈后情況[7]。大量的研究表明NGAL、鐵調素、α-1微球蛋白、血幼素、脂肪酸結合蛋白等CSA-AKI早期生物學標志物均涉及同一個關鍵的機制，即心臟術后腎臟由于鐵穩態失衡及脂質過氧化所致的細胞鐵死亡機制。有學者[8]研究表明鐵穩態的破壞是導致CSA-AKI的一個關鍵機制，并且監測游離鐵及鐵穩態相關的調節指標可以在早期直觀的反應的損傷情況，從而為早期干預提供相應的數據支持。

2 細胞鐵死亡的機制

鐵是人體最豐富的必需微量元素之一，它廣泛參與氧運輸、電子轉運、DNA 合成，細胞增殖、分化，基因表達調控等生命過程，鐵過載會因鐵沉積在重要臟器而對生存產生顯著影響。身體存在嚴格的鐵代謝調節機制，以確保體內鐵處于鐵穩態[9]。隨著對鐵代謝研究的深入，研究者發現大部分鐵過載都會對機體造成嚴重損害。 在鐵過載狀態下，過量的游離鐵在細胞內可催化具有高反應破壞性的活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，激活氧化應激反應，損傷細胞膜結構、蛋白質及DNA，進而導致細胞凋亡、組織損傷[10]，最終引起腎臟疾病、肝臟疾病、心血管疾病、阿爾茨海默癥、帕金森病、2 型糖尿病等多種疾病的發生[11]。Ferroptosis在2012年由Dixon首次提出，其中鐵的參與是這種特殊的細胞死亡形式的一個顯著特征，隨著鐵和ROS的獲得，它被定性為非凋亡性過氧化誘導的細胞死亡[12]。鐵死亡不能被細胞凋亡、細胞焦亡、細胞自噬的抑制劑所抑制，卻可以被鐵螯合劑、抗氧化劑等所抑制，因此鐵死亡是鐵依賴性的、以脂質活性氧增多為特點的特殊細胞死亡形式[13]。Ferroptosis總結起來是一個中心，兩種細胞事件，四個方面而發生的：一個中心即是細胞脂質得過氧化物累積；兩個細胞事件即細胞抗氧化庫的破壞和細胞內鐵的增加，導致有毒的脂質過氧化物的累積；四個方面分別包括鐵的依賴性、活性氧物質的產生、細胞中谷胱甘肽過氧化物酶4(GPx4)的消耗、脂質過氧化物的積累。在形態學方面，Ferroptosis不具有細胞凋亡的形態學特征，沒有傳統細胞凋亡時出現的現象如細胞皺縮、染色質凝集、凋亡小體的形成、細胞骨架的解體等現象的發生，通過電子顯微鏡可以觀察到線粒體明顯皺縮伴膜密度增加，這是細胞凋亡所沒有的[14]。在生化方面，目前的研究認為鐵死亡主要依賴于鐵過載和GPx4的大量消耗，從而產生細胞質和脂質的ROS聚積。腎小管上皮細胞富含線粒體及細胞內鐵，是活性氧和鐵離子功能極其活躍的部位[15]，對缺血氧極其敏感，故在CPB之后，腎小管上皮細胞極有可能以鐵死亡方式參與腎損傷。但是也有人提出，Ferroptosis主要發生在缺血再灌注的哪個階段目前不能完全精確定位下來，其研究的心肌缺血缺氧再灌注中發現不同階段發生的Ferroptosis發生率有很大差別，進一步的精確定位對于精準定位至關重要[16]。R.Skouta等[17]研究表明，Ferrostatins(一種Ferroptosis抑制劑)在急性腎損傷模型新鮮孤立腎小管中起到保護作用，阻止發生致命性損害，表明在急性腎衰竭中可能存在鐵死亡介導的細胞死亡。有學者[18]在研究中指出：利用第3代ferrostatins抑制鐵死亡能削弱缺血再灌注損傷引起的急性腎衰。

3 鐵死亡與CSA-AKI

CSA-AKI的發病機制復雜且多因素，包括幾種損傷途徑：缺血和再灌注、外源性和內源性毒素釋放、炎癥、氧化應激和血液動力學因素。這些損傷機制可能在不同時間以不同的強度發揮作用，并可能協同作用，其中涉及到一個關鍵的節點即是游離鐵的釋放[19]。與非CPB操作相比，CPB期間的缺血再灌注損傷可能在的游離鐵的催化下進一步加劇氧化炎癥應激。游離不穩定鐵能夠誘導腎小管上皮功能的多種變化，如誘導自由基損傷、脂質過氧化、蛋白質氧化以及DNA變化等。游離鐵離子催化羥自由基及過氧化物的產生，并且在酸性pH下更具活性。

3.1鐵穩態失衡在CSA-AKI中的作用 非搏動性血流、微栓塞的血流動力學狀態、血液稀釋及CPB相關的快速溫度變化，在從完全的CPB血流動力學支持到患者自身心血管系統的完全循環過渡期間，可能發生血流動力學不穩定，而這種低心輸出量狀態將導致全身低灌注及腎缺血[20]。在缺血期間，pH降低或超氧化物誘導的Fe3 +還原導致蛋白質結合的細胞內鐵的解離，從而增加游離鐵的水平。游離鐵的增加可能導致氧化應激和細胞損傷，導致腎小管壞死。CPB期間的再灌注損傷可能會給腎臟帶來額外的鐵，并攜帶上游壞死腎細胞釋放的鐵進一步下降至下一個腎單位，進一步加劇氧化應激從而導致組織損傷[21]。 CPB將血細胞暴露于機械性的CPB管道系統，外科手術中吸引裝置，置換的瓣膜假體等非生理表面和剪切力，導致機械破壞紅細胞，釋放游離血紅蛋白進入循環[22]。在CPB使用期間觀察到游離血紅蛋白水平增加超過上生理范圍幾倍，直至手術后數小時[23]。已知的色素性腎病是由血紅蛋白尿和肌紅蛋白尿導致，在CPB期間血紅蛋白增加與早期術后腎小管損傷相關，并且是之后腎功能喪失的發展顯著獨立危險因素[24]。CPB的持續時間越長發生的溶血越多，從而產生更多的游離血紅蛋白。游離血紅蛋白與觸珠蛋白結合形成一種復合物，最終經過腎臟代謝而被排出。血紅蛋白由4個蛋白質鏈和4個血紅素基團組成，血紅素結構的中心有氧化還原活性鐵，能夠參與有機和無機氧自由基反應，如刺激脂質過氧化和催化形成破壞性羥自由基，隨后導致組織損傷。在存在氧化劑如過氧化氫和超氧化物的情況下，游離鐵從血紅素分子釋放到循環中。游離鐵具有催化Haber-Weiss和Fenton反應的作用，從而催化超氧自由基和過氧化氫產生羥自由基。腎小管尿液的典型酸性環境增強了反應性羥基自由基的形成，因為Haber-Weiss反應是pH依賴性的，當pH降低時右移。在動物研究中，游離血紅蛋白的輸注及其向高鐵血紅蛋白的轉化過程中誘導腎臟發生急性損傷，并且酸性條件將加重這一反應[25-26]。堿性條件下輸注血紅蛋白幾乎不會導致腎損傷，尿堿化可減輕動物模型中的腎功能衰竭。生理上，轉鐵蛋白是游離鐵再循環和吸收入血的主要蛋白，轉鐵蛋白結合游離鐵并最大限度地減少其潛在的毒性。然而在CPB過后，游離鐵的釋放可能超過轉鐵蛋白的鐵結合能力。較低水平的術中鐵結合蛋白可能反映了CPB期間釋放的催化鐵的能力受損，從而導致腎損傷。研究數據顯示鐵穩態在人類缺血再灌注損傷中非常重要，并表明它是心臟手術期間潛在可改變的風險。此外，游離血紅蛋白能夠清除內皮衍生的一氧化氮，導致血管收縮、腎血流量減少、血小板活化、內皮素-1表達增加從而加重AKI。一些游離血紅蛋白也會通過腎小球，并出現在尿液中釋放游離鐵(參與活性氧的產生)，并可能導致腎小管阻塞、血紅蛋白鑄型和腎小管細胞壞死。腎小管的阻塞將導致更長時間的內吞攝取游離血紅蛋白進入近端腎小管細胞，這與近端腎小管細胞壞死有關[25]。此時，所有鐵結合抗氧化能力都喪失，游離鐵顯示出更強的促氧化特征[28]。還有證據表明，活性氧物質的產生可能有助于急性腎小管壞死的發生和持續損傷狀態[29]。游離鐵導致的氧化應激在AKI的發展中起關鍵作用，被認為是腎小管損傷的重要原因，游離鐵可能來自CPB中的溶血或從上游腎小管中受損的線粒體釋放[30]。

3.2針對鐵毒性的腎臟保護方法 在急性腎衰竭的大鼠模型中，通過使用碳酸氫鈉輸注實現堿化尿液，從而在腎小管中維持較高pH是具有非常大的保護性意義的。來自雙盲隨機對照試驗的證據表明，用碳酸氫鈉堿化尿可以減輕CSA-AKI，可能直接影響與鐵相關的毒性[31]。在中性或堿性pH下，游離的鐵離子以不溶的氫氧化鐵形式沉淀，其作為尿液中的惰性復合物排出。堿性尿液可減少有害羥基自由基的產生和脂質過氧化，碳酸氫鹽直接清除氫氧根離子，并且與氯化物相比作為不易吸附的陰離子，以更快的速度排出，從而減少有害自由基和腎小管之間的接觸時間。在慶大霉素誘導的AKI大鼠模型中，鐵螯合劑去鐵胺(DFO)可以減輕自由基損傷[32]。DFO是一種鐵離子螯合劑，其防御機制[33]：(1)去除游離鐵、降低組織中鐵離子濃度，使正常氧下低氧誘導因子-1的降解受到阻礙，并且轉錄增加，最終DFO可以通過增加組織細胞內低氧誘導因子-1的含量來發揮對缺血再灌組織的保護作用。DFO與鐵結合形成鐵胺(DFO與鐵的復合物)，其非常穩定且分布在細胞外空間，不能進入細胞內，去鐵胺的這種作用是減少腎臟缺血再灌注損傷最重要的原因之一。(2)清除自由基或抑制其形成。DFO自身也是一種自由基清除劑。能與OH·和O2-直接反應，它在H2O2存在下被過氧化物酶氧化形成氮氧化合物，清除過氧化陰離子。(3)上調內源性抗氧化的保護作用：DFO可降低腎臟繼發性損傷后局部組織丙二醛的含量，表明DFO具有較強的抗脂質過氧化能力，上調內源性抗氧化防線。

4 總 結

綜上所述，心臟手術過程中使用到的CPB技術，本身導致了氧化應激的增強，使機體處于一個過氧化狀態，大量的消耗了抗氧化系統物質。而其本身的非生理性管道及非博動性血流等將導致紅細胞的破裂釋放出的大量的血紅蛋白及自由鐵，并使機體出現缺血再灌注的發生從而加重氧化應激反應。機體出現缺血缺氧損害后，機體長期處于一個酸性的微環境中，有利于羥自由基的大量生成，并且再次灌注還將帶來大量的游離鐵，而此時的鐵穩態系統進一步失衡導致了大量的脂質過氧化發生，從而導致了腎小管細胞特殊鐵依賴性死亡。在缺血缺氧誘導腎小管上皮細胞損傷過程中，鐵死亡可能是腎小管上皮細胞較早出現的損傷方式，抑制細胞鐵死亡的發生可以減輕缺氧對腎小管上皮細胞的損害[34]。因此，鐵死亡可能是CSA-AKI的一種機制。