蛋白質(zhì)結(jié)合的尿毒癥毒素與血液透析患者認(rèn)知功能的研究進展

李貴友，劉倫志

(湖北民族大學(xué)附屬民大醫(yī)院 腎病內(nèi)科，湖北 恩施 445000)

在過去的幾十年中，維持性血液透析(maintenance hemodialysis,MHD)患者的認(rèn)知功能障礙成為關(guān)注的重要問題，其中多達(dá)60%～90%患者有一定程度的認(rèn)知功能障礙[1]。認(rèn)知功能障礙指各種因素造成的言語、注意、思維、記憶及知覺等高級腦皮層功能的損害。既往有研究表明，在MHD患者中認(rèn)知障礙的發(fā)生率比普通人群中的類似年齡人群約高3倍，認(rèn)知功能障礙與生活質(zhì)量差，住院風(fēng)險和死亡率有關(guān)[2-3]。認(rèn)知功能障礙的病因包括高齡，腦血管疾病，貧血，藥物不良反應(yīng)和尿毒癥毒素等，其中特別是蛋白結(jié)合的尿毒癥毒素(protein-bound uremictoxins,PBUTs)受到了高度關(guān)注，血液和大腦中PBUTs的積累可影響認(rèn)知功能[4]。由于與血液中的白蛋白緊密結(jié)合，因此很難通過透析消除，PBUTs的積累可引起腦血管病變和神經(jīng)變性，前者指其對腦內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生直接影響，導(dǎo)致氧化應(yīng)激，慢性炎癥，動脈粥樣硬化和血-腦屏障異常，后者指其直接神經(jīng)毒性，對小膠質(zhì)細(xì)胞，星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元的后續(xù)作用而促進腦損傷，從而導(dǎo)致認(rèn)知障礙和癡呆[5-6]。本文就MHD患者中PBUTs對認(rèn)知功能的作用、機制及其治療現(xiàn)狀的研究進展做一綜述。

1 PBUTs的來源及代謝

1.1PBUTs的來源 尿毒癥綜合征歸因于大量化合物的積累，這些化合物在正常情況下會被腎臟排泄，當(dāng)這些化合物與生物學(xué)功能發(fā)生負(fù)面作用時，被稱為尿毒癥毒素。歐洲尿毒癥毒素工作組(EUTox)發(fā)布的根據(jù)生化特性將尿毒癥毒素作如下分類[7]：①小型水溶性化合物：如肌酐、次黃嘌呤及草酸鹽等；②較大的“中間分子”：如甲狀旁腺激素、腫瘤壞死因子α及胱抑素C等；③與蛋白質(zhì)結(jié)合的化合物：如吲哚-3-乙酸(IAA)，對甲酚硫酸鹽(PCS)，吲哚酚硫酸鹽(IS)，苯乙酰基谷氨酰胺(PAG)等。其中以與蛋白質(zhì)結(jié)合的化合物，即蛋白結(jié)合的尿毒癥毒素(protein-bound uremictoxins，PBUTs)目前總計10大類32種，由于結(jié)合方式的差異其與白蛋白親和力也不同，而決定了PBUTs的濃度和特異性。白蛋白可在多個位點結(jié)合各種配體，PBUTs主要結(jié)合在Sudlow位點Ⅰ或Ⅱ上。據(jù)報道，大多數(shù)PBUTs通過氫鍵、離子鍵、疏水作用力、范德華力以及位阻因子與白蛋白緊密結(jié)合，而3-羥基-4-甲基-5-丙基-2-呋喃丙酸與白蛋白共價結(jié)合到Sudlow位點Ⅰ，這種結(jié)合導(dǎo)致其構(gòu)象變化，繼而影響白蛋白的結(jié)合特性。

大多數(shù)PBUTs是腸源性毒素，由食物中的氨基酸經(jīng)腸道內(nèi)細(xì)菌作用生成。在MHD患者中由于尿素蓄積以及結(jié)腸上皮分泌尿酸和草酸鹽，導(dǎo)致腸道的生化環(huán)境發(fā)生變化，從而改變了微生物組。此外，抗生素，鐵補充劑質(zhì)和高纖維食物的限制可能會導(dǎo)致微生物組改變，MHD患者常見的臨床并發(fā)癥便秘，使結(jié)腸中未消化蛋白質(zhì)的可用性增加，這有利于厭氧細(xì)菌代謝，從而導(dǎo)致更多的尿毒癥毒素產(chǎn)生。MHD患者中的PBUTs由于它們與血漿白蛋白的緊密結(jié)合，大大增加了他們的分子量，既不能通過尿液排出，也很難通過透析方式有效的消除，在體液中積累[8]。

1.2PBUTs的代謝 研究已證明，消除蛋白質(zhì)結(jié)合的化合物(包括藥物和內(nèi)源性毒素)的最終途徑通常由腎臟近端小管細(xì)胞分泌，腎近端小管分泌由兩個重要的跨膜途徑組成，首先其促進蛋白質(zhì)結(jié)合的化合物從血液到腎小管細(xì)胞，再從腎小管細(xì)胞到管腔(尿液)的轉(zhuǎn)運[9]。對于非腎細(xì)胞和近端腎小管細(xì)胞，特定的有機陰離子轉(zhuǎn)運蛋白(organic anion transporter,OAT)推動了這一過程，即rOAT1/Slc22a6和rOAT3/Slc22a8負(fù)責(zé)腎臟近端小管基底外側(cè)膜上尿毒癥毒素的攝取，從腎小管周圍毛細(xì)血管分泌到近端小管細(xì)胞中的，OAT 首先可能在結(jié)合的溶質(zhì)和蛋白質(zhì)的解偶聯(lián)中起作用[10]。MHD患者腎小管分泌功能障礙會促使PBUTs在體內(nèi)的蓄積，腦內(nèi)PBUTs水平較高，通過導(dǎo)致氧化應(yīng)激，慢性炎癥，動脈粥樣硬化和血-腦屏障異常，對小膠質(zhì)細(xì)胞，星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元的后續(xù)作用進，而損害機體各器官系統(tǒng)，如加速腎功能惡化和腎纖維化進展、提高心血管并發(fā)癥發(fā)生率、導(dǎo)致腎性骨病、加速對神經(jīng)系統(tǒng)和認(rèn)知功能損害等[11]。

2 PBUTs與認(rèn)知功能的相關(guān)研究

MHD患者中有多達(dá)60%～90%有一定程度的認(rèn)知障礙，其發(fā)生率比類似年齡的普通人群約高3倍，有研究顯示PBUTs與注意力、定向能力、語言、記憶、執(zhí)行能力、抽象思維、視覺空間、計算力和理解判斷等認(rèn)知功能有關(guān)[4,6,12]。PBUTs引起認(rèn)知功能障礙機制分為腦血管病變和神經(jīng)變性組成，前者指通過氧化應(yīng)激，慢性炎癥，導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，引起動脈粥樣硬化、高血壓、血管鈣化和血-腦屏障異常等；后者指其直接神經(jīng)毒性，對小膠質(zhì)細(xì)胞，星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元的后續(xù)作用而促進腦損傷，從而導(dǎo)致認(rèn)知障礙和癡呆。

2.1PBUTs引起腦血管病變導(dǎo)致認(rèn)知障礙 近年來，我們已經(jīng)認(rèn)識到小血管疾病(smallvesseldiseases，SVD)對認(rèn)知障礙有重要影響，SVD是一種全身性疾病，與彌漫性內(nèi)皮功能障礙有關(guān)，會影響腦供血系統(tǒng)終端的小動脈、毛細(xì)血管、微動脈和小靜脈。腦SVD引起局灶性腔隙性腦梗塞和更多的彌散性缺血，稱為腦白質(zhì)疏松癥，盡管通常無癥狀，但其幾乎占所有認(rèn)知功能障礙癡呆病例的一半[13]。在MHD患者中，PBUTs通過增加活性氧(reactiveosygenspecies,ROS)的產(chǎn)生和增加炎癥基因[白細(xì)胞介素(IL)-6、IL-8、細(xì)胞內(nèi)黏附分子1及細(xì)胞趨化蛋白1]的表達(dá)來介導(dǎo)氧化應(yīng)激，這些炎性產(chǎn)物促進血管鈣化，還通過激活芳香族化合物受體(AhR)/p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)/核因子κB(nuclear factor kB,NF-κB)途徑誘導(dǎo)環(huán)氧化酶(Cyclooxygenase,COX)-2上調(diào)，從而誘導(dǎo)內(nèi)皮氧化應(yīng)激和炎癥，加速動脈粥樣硬化的進展，而引發(fā)腦小血管疾病[14-15]。PBUTs不僅是血管內(nèi)皮功能障礙的誘導(dǎo)劑，也可引起引起外周微血管功能障礙，動物實驗評估了PBUTs對小鼠模型中腦微循環(huán)功能的影響，并在小鼠體內(nèi)證明暴露于體外的IS增加氧化應(yīng)激，通過降低NO水平，誘導(dǎo)的腦內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙[16-17]。這些數(shù)據(jù)表明PBUTs不僅可以在大血管中誘導(dǎo)內(nèi)皮功能障礙，而且還可以通過增加ROS產(chǎn)生而在腦微血管中誘導(dǎo)內(nèi)皮功能障礙，而且NF-κB的必需調(diào)節(jié)因子特異性缺陷可損害內(nèi)皮細(xì)胞，引起毛細(xì)血管破壞和低灌注，減少神經(jīng)-血管偶聯(lián)和血腦屏障完整性，血管特異性改變伴隨行為改變，這種現(xiàn)象可能直接解釋腦SVD與認(rèn)知功能的關(guān)系[18]。

MHD患者常伴有高血壓，包含交感神經(jīng)元的延髓頭端腹外側(cè)區(qū)(rostral ventrolateral medulla，RVLM)是調(diào)節(jié)血壓的關(guān)鍵區(qū)域[19]。根據(jù)最近的一項研究，IS和甲基胍通過特定轉(zhuǎn)運體rOAT3直接刺激大鼠RVLM神經(jīng)元，產(chǎn)生氧化應(yīng)激，通過添加抗氧化劑抑制了PBUTs誘導(dǎo)的RVLM神經(jīng)元的活性，這表明PBUTs誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激在RVLM神經(jīng)元的激活中起著關(guān)鍵作用，PBUTs誘導(dǎo)氧化應(yīng)激后激活RVLM神經(jīng)元而引起高血壓[20]。高血壓也是腦小血管疾病發(fā)展的主要危險因素，是認(rèn)知障礙的主要原因之一，靶向治療PBUTs誘導(dǎo)的RVLM神經(jīng)元的活化，可能是減少高血壓和繼發(fā)性認(rèn)知衰退和癡呆的有效方法[21-22]。RVLM神經(jīng)元過度活化引起的高血壓等導(dǎo)致周圍血管功能障礙，這改變了正常的血液動力學(xué)，可能導(dǎo)致腦血管疾病的發(fā)生。

2.2PBUTs引起神經(jīng)變性導(dǎo)致認(rèn)知障礙 PBUTs可以直接影響神經(jīng)膠質(zhì)功能并引起神經(jīng)元損傷，也可以誘導(dǎo)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的氧化應(yīng)激和炎癥介質(zhì)產(chǎn)生。星形膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，為神經(jīng)元提供結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)和代謝支持，調(diào)節(jié)突觸活動，并參與有助于神經(jīng)元發(fā)育的多種腦功能，對各種形式的癡呆癥起作用，復(fù)雜神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞相互作用障礙是包括神經(jīng)退行性疾病在內(nèi)的多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的重要病理生理機制[23]。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中由PBUTs引起的氧化應(yīng)激和炎癥的潛在特定途徑有：①煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶和谷胱甘肽水平變化；②AhR和NF-κB激活；③Nrf2介導(dǎo)的抗氧化反應(yīng)減少；④激活促炎性介質(zhì)產(chǎn)生；⑤改變神經(jīng)膠質(zhì)增生/細(xì)胞周期[24]。此外，IS和將IS與神經(jīng)毒性聯(lián)系起來的神經(jīng)元損傷之間存在直接聯(lián)系，IS和IAA是有效的AhR配體，在大腦中AhR廣泛表達(dá)在大腦皮層，海馬和小腦中它與氧化應(yīng)激或興奮性毒性引起的感覺運動和認(rèn)知功能障礙有關(guān)，PBUTs激活星形膠質(zhì)細(xì)胞中的AhR，促進氧化應(yīng)激，該結(jié)果與人類血管內(nèi)皮細(xì)胞中AhR介導(dǎo)的氧化應(yīng)激途徑相符。PBUTs還降低了血紅素加氧酶1和NADH脫氫酶1的表達(dá)，而導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞中抗氧化防御能力下降和氧化應(yīng)激誘導(dǎo)損傷。

在PBUTs導(dǎo)致神經(jīng)變性的病理事件中，小膠質(zhì)細(xì)胞比星形膠質(zhì)細(xì)胞活化更早，它通過釋放炎性介質(zhì)和活性氧來促進星形細(xì)胞活化，另一方面，活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞促進遠(yuǎn)處的小膠質(zhì)細(xì)胞的活化。活化的小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞還釋放多種細(xì)胞因子，趨化因子和毒性因子，例如TNF-α、IL-6和NO，所有這些都可能導(dǎo)致神經(jīng)元毒性并導(dǎo)致侵襲性神經(jīng)元凋亡，是神經(jīng)系統(tǒng)疾病神經(jīng)元喪失中最關(guān)鍵的事件[25]。在PBUTs的作用下，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生混合細(xì)胞因子以及誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)和COX-2等促炎酶，與氧化應(yīng)激條件一起可以影響并參與神經(jīng)變性，也可誘導(dǎo)的內(nèi)皮功能障礙可能導(dǎo)致血腦屏障破壞和白細(xì)胞粘附，增加白細(xì)胞浸潤到大腦中受損的程度。此外，PBUTs增加了皮質(zhì)和海馬神經(jīng)元的神經(jīng)元細(xì)胞死亡，支持了其在神經(jīng)元丟失中的作用[26,27]。認(rèn)知功能障礙還與神經(jīng)元凋亡反應(yīng)有關(guān)，觸發(fā)復(fù)雜的細(xì)胞事件，從而逐漸導(dǎo)致凋亡性和壞死性神經(jīng)元細(xì)胞死亡。幾乎所有的神經(jīng)系統(tǒng)疾病都涉及氧化應(yīng)激 ，ROS的積累會導(dǎo)致神經(jīng)元損傷并引發(fā)細(xì)胞凋亡，因此，PBUTs還可通過氧化應(yīng)激增加引起的直接神經(jīng)毒性作用而促進認(rèn)知功能障礙[28-29]。

3 降低PBUTs相關(guān)措施

3.1限制PBUTs生成 通過增加碳水化合物和纖維化合物以及減少蛋白質(zhì)攝入量(尤其是色氨酸，苯丙氨酸和富含酪氨酸的食物)，可使PBUTs中的PCS、IS和IAA水平顯著降低。然而，MHD患者很難進行這種飲食，在MHD患者中蛋白質(zhì)限制會導(dǎo)致營養(yǎng)不良，最近的研究顯示MHD患者蛋白的攝入量應(yīng)不少于1.1 g/(kg·d)[30]。有研究證明益生元，益生菌和合生素等可調(diào)節(jié)MHD患者大腸中的微生物群可能會抑制某些PBUTs產(chǎn)生，使血清PCS和IS水平降低，Eidi等[31]在42例MHD患者中使用鼠李糖乳桿菌1個月，Rossi等[32]在37例慢性腎臟病患者中使用6周的合生素治療后，血清PBUTs濃度也明顯降低。已有研究證明，AST-120是一種口服碳吸附劑，可PBUTs在多個器官中的蓄積，Adesso等[33]在18例患者中使用AST-120，減少PBUTs在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，炎癥反應(yīng)可通過激活膠質(zhì)細(xì)胞而引起認(rèn)知功能損害的變化，如突觸喪失、樹突狀改變、神經(jīng)元凋亡、神經(jīng)發(fā)生受損、記憶功能障礙和下丘腦功能改變等，AST-120修飾或降低PBUTs具有潛在的治療效果，但仍需進一步大規(guī)模的試驗。

3.2白蛋白置換劑提高PBUTs清除率 白蛋白是主要的毒素結(jié)合蛋白，具有6個亞結(jié)構(gòu)域 (ⅠA，ⅠB，ⅡA，ⅡB，ⅢA和ⅢB)和九個脂肪酸結(jié)合位點。尿毒癥毒素通過非共價鍵與白蛋白結(jié)合，這種結(jié)合是可逆的，允許其他物質(zhì)競爭性的與其結(jié)合。白蛋白可在多個位點結(jié)合各種配體，蛋白結(jié)合的尿毒癥毒素主要結(jié)合在Sudlow位點Ⅰ或Ⅱ上。Madero等[34]的研究將置換劑型血液透析首次在人體內(nèi)實行，布洛芬與PBUTs中PCS和IS具有相同的主要白蛋白結(jié)合位點，在血液透析期間注入以置換這些毒素，而增加其清除率，基于這次的研究進一步驗證了前期在人體外蛋白結(jié)合的尿毒癥毒素的置換劑的功效[35-36]。這是置換劑增的首次人體研究，但布洛芬不是理想的置換劑，因為它不適合長期使用。將來用于臨床高級安全置換劑，應(yīng)滿足幾個標(biāo)準(zhǔn)：這些物質(zhì)必須是安全的，長期使用不會在體內(nèi)積聚，共享相同白蛋白結(jié)合位點的有益物質(zhì)不會發(fā)生置換。未來的研究鼓勵尋求安全有效的置換劑，以增強MHD患者中PBUTs的清除。

3.3改善透析療法 在常規(guī)血液透析中PBUTs沒有被充分去除，血液透析濾過的清除率在標(biāo)準(zhǔn)高通量血液透析的基礎(chǔ)上只稍有增加。透析液流量的增加提高了強蛋白結(jié)合毒素即IS和PCS的還原率和清除率，而對于弱結(jié)合毒素，如IAA和對甲酚葡萄糖醛酸，增加血液流量也是有利的。血液透析模型模擬表明，去除蛋白質(zhì)結(jié)合型尿毒癥毒素的其他方法也存在如：①用混合基質(zhì)膜，十六烷基固定的纖維素珠或者沸石分子篩吸附毒素；②使用白蛋白或活性炭來維持透析液中整個透析液纖維的擴散梯度；③用蛋白結(jié)合競爭劑置換白質(zhì)結(jié)合的尿毒癥毒素，以增加游離毒素；④利用高頻電磁場減弱毒素對白蛋白的親和力[37-38]。展望未來，需要將數(shù)學(xué)建模和臨床實踐研究結(jié)合起來，以指導(dǎo)透析技術(shù)的發(fā)展，從而提高結(jié)合型尿毒癥毒的透析清除率。

綜上所述，蛋白結(jié)合的尿毒癥毒素與認(rèn)知功能障礙有關(guān)，是影響維持性血液透析患者認(rèn)知功能的危險因素，需引起臨床工作者和研宄者的重視。故提高對蛋白質(zhì)結(jié)合尿毒癥毒素的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)新的清除方法和透析模式，降低認(rèn)知障礙發(fā)病率，將為防治血液透析患者認(rèn)知障礙提供新靶點。