Journal of Physiology Studies 生理学研究, 2016, 4(3), 19-29 Published Online August 2016 in Hans. /journal/jps /10.12677/jps.2016.43003
文章引用: 王翔宇, 马云波. 肾脏缺血再灌注损伤机制及其影响因素的研究进展[J]. 生理学研究, 2016, 4(3): 19-29. The Research Progress of Kidney Ischemia-Reperfusion Injury on Mechanism and Its Influencing Factors
Xiangyu Wang, Yunbo Ma
Department of Urology, Liaocheng People’s Hospital, Liaocheng Shandong
Received: Nov. 14th , 2016; accepted: Dec. 24th , 2016; published: Dec. 27th , 2016 Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
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Abstract
Ischemia-reperfusion injury (IRI) occurs when the blood flow to the particular organ is ob-structed, followed by the restoration of blood to the ischemic organ. In the kidney, IRI contributes to pathological conditions called acute kidney injury (AKI) that is a clinical syndrome with rapid kidney dysfunction and high mortality rates. Although the pathophysiology of IRI is very compli-cated and is not completely understood, several important mechanisms resulting in kidney failure have been mentioned. IRI usually is associated with an inflammatory reaction, oxidative stress, intracellular Ca 2+ overload, renin-angiotensin activation and microcirculation disturbance. Better understanding of the cellular pathophysiological mechanisms underlying kidney injury will hope- fully result in the design of more targeted therapies to prevent and treat the injury. In this review, we summarize some
important potential mechanisms and therapeutic approaches in renal IRI. Keywords
Ischemia-Reperfusion Injury, Kidney Injury, Free Radical, Ca 2+ Overload, Inflammation
肾脏缺血再灌注损伤机制及其影响因素的研究进展
王翔宇，马云波
王翔宇，马云波
聊城市人民医院泌尿外科，山东聊城
收稿日期：2016年11月14日；录用日期：2016年12月24日；发布日期：2016年12月27日
摘要
缺血再灌注损伤(IRI)是指在缺血的基础上恢复血流后组织损伤反而加重的现象。肾脏缺血再灌注损伤
引起的急性肾功能损伤(AKI)在临床上具有很高的死亡率。其机制非常复杂，涉及多种因素共同作用，且目前对于IRI的具体作用机制尚不十分明确，目前认为与缺血再灌注后的炎症反应、氧化应激、细胞内钙超载、肾素-血管紧张素激活、微循环障碍等有关。更好的理解肾缺血再灌注损伤的机制才能到有效的防治措施。这篇综述我们总结了缺血再灌注损伤可能的机制及防治措施。 关键词
缺血再灌注损伤，肾损伤，自由基，钙超载，炎症
1. 引言
1955年Sewell等首次报道在心脏冠状动脉结扎解除后，恢复血流引发的损伤现象[1]。这种在缺血基础上恢复血流后组织损伤反而加重，甚至发生不可逆性损伤的现象称为缺血再灌注损伤(IRI)。常见原因有：休克后微循环的再通、心脏骤停后的复苏、冠脉搭桥术、溶栓疗法、体外循环下心脏手术、断肢再植和器官移植等。IRI严重程度与缺血时间，组织器官功能结构、代谢特点，再灌注的条件等因素有关。
组织器官对氧需求程度越高，侧枝循环形成越少、越晚，IRI越重，故而肾脏成为易受IRI的器官之一。
十大自然灾害发布肾脏缺血再灌注损伤表现为血肌酐升高，严重者可导致急性肾小管坏死进而引起急性肾功能衰竭[2]。
2. 病理生理学改变
缺血再灌注损伤病理生理学机制很复杂，涉及多因素共同作用，具体发生机制至今尚未完全阐明，而研究也多集中在心肌缺血再灌注损伤方面，肾脏缺血再灌注损伤研究较少。IRI包括缺血和再灌注两个阶段。首先，组织缺血缺氧会引起能量代谢的变化，表现为由葡萄糖的有氧氧化转变为糖酵解，糖酵解产生过量乳酸，引起细胞内酸中毒，同时缺氧和能量代谢的变化导致细胞内ATP水平下降，两者为引起缺血再灌注损伤的始动环节[3]。 2.1. 钙超载
IRI缺氧阶段导致ATP减少，抑制钠-钾-ATP酶活性，同时为了缓解细胞内酸中毒，H+-Na+交换蛋白激活，两者引起细胞内钠离子浓度升高，进而导致钠/钙交换蛋白反向转运增强，引起细胞内钙超载[4]。
ATP减少同样会抑制内质网对钙离子的重吸收，加重细胞胞浆钙超载[5]。再灌注时PH的恢复，细胞外液氢离子浓度迅速下降，激活H+-Na+交换蛋白，促进细胞内氢离子排除，细胞外钠离子内流，进一步加重细胞钙超载[4]。
2.2. 自由基产生增多
自由基是指含有单个不成对电子的原子、原子团、分子的总称，主要包括活性氧(ROS)、活性氮(RNS)，
王翔宇，马云波
可引起氧化应激反应[6]。缺血再灌注时因线粒体电子传递链受损、黄嘌呤氧化、细胞呼吸爆发、一氧化氮合酶等作用产生过量的自由基。自由基通过氧化反应损伤细胞内大分子，包括膜脂质、蛋白质和DNA [7]。
线粒体在自由基产生过程中起重要作用，缺血时，细胞ATP减少，钙离子进入线粒体增多，细胞素氧化酶系统功能失调，电子传递链受损，使细胞内氧经单电子还原生成ROS增多，此外钙离子进入线粒体内使SOD对氧自由基清除能力下降，ROS产生与清除失衡，ROS增多[8]。
缺血时，细胞内ATP代谢为次黄嘌呤，导致次黄嘌呤在组织中大量堆积；细胞内钙超载导致细胞内黄嘌呤脱氢酶(XD)转化为黄嘌呤氧化酶(XO)。再灌注后，大量氧进入组织，次黄嘌呤在XO催化下氧化为黄嘌呤并进一步氧化形成尿酸，此过程中产生大量的超氧阴离子及羟自由基[7]。
缺血再灌注时大量炎症介质释放、补体系统激活，使中性粒细胞、巨噬细胞等向缺血组织趋化、浸润，激活细胞内NADPH/NADH氧化酶系统，在再灌注时大量涌入的氧分子作用下，产生氧自由基，此过程称为呼吸爆发[9]。
血管内皮细胞内的一氧化氮合酶(eNOS)催化L-精氨酸产生少量的NO维持血管正常功能，四氢生物蝶呤(BH4)是eNOS的必要辅助因子。缺血后再灌注时，内皮细胞受损，eNOS催化产生的NO减少，而超氧阴离子增多[10]。
2.3. 肾素-血管紧张素系统
肾素-血管紧张素系统的激活和血管紧张素Ⅱ含量的增高[11]是IRI的重要危险因素。血管紧张素Ⅱ通过收缩肾血管、提高血管对交感神经刺激敏感性[12]、引起氧化应激反应[13]、促进肾间质纤维化和介导凋亡[14]损伤肾脏。血管紧张素Ⅱ可直接收缩血管并能通过增加交感神经张力，降低肾血流量；通过增加NADPH氧化酶的表达，产生过量的ROS [15]；而其介导凋亡可能与Bcl家族蛋白表达有关[16]。同时血管紧张素Ⅱ通过Smad通路促进肾上皮细胞向间质细胞分化转移，促进肾间质纤维化，导致肾脏慢性纤维化[17]。
3. 病理改变
3.1. 细胞死亡
3.1.1. 坏死和坏死性凋亡
细胞非程序性死亡是指细胞受到环境中的物理或化学刺激发生的细胞被动死亡，这通常被认为是坏死。
而研究表明，并非所有的坏死都是非程序性的，而在信号通路转导下的坏死，称之为坏死性凋亡。细胞坏死后会释放细胞内容物和促炎症因子，引起炎症。
如前所述，缺血及再灌注两个阶段均会引起细胞内Na+与Ca+浓度升高，升高的渗透压与细胞膜损伤共同引起细胞肿胀、坏死。
细胞内钙超载、ROS、再灌注后PH的恢复会导致线粒体渗透性钙转运通道(mPTP)的开放，进而引起ATP的减少、ROS增加、细胞肿胀坏死[18]。mPTP的开放可能是在受体相互作用蛋白介导下进行的[19]。
3.1.2. 凋亡
TNF是由活化巨噬细胞产生的细胞因子，是介导凋亡的重要外源性因素。TNF与TNF受体(TNFR1和TNFR2)结合后，通过中间媒介蛋白—TNF受体相关联的死亡结构与(TRADD)和Fas相关死亡结构域(FADD)启动凋亡蛋白酶(Caspase)活化的信号通路，产生Caspase-8，后者可以直接活化Caspase家族其他
王翔宇，马云波
迟华东
成员，触发凋亡执行(execution of apoptosis) [20]。
缺血再灌注后自由基及细胞内钙超载损伤线粒体膜，通过不同方式诱导细胞凋亡。①线粒体膜损伤，释放内部的核酸内切酶G进入细胞核切割DNA，造成细胞凋亡。②Bcl家族蛋白表达，作用于线粒体外膜的线粒体凋亡诱导通道(MAC)，释放Cyto-C，Cyto-C一方面影响氧化呼吸链，使ATP生成减少，另一方面形成凋亡复合体，后者裂解产生Caspase-9，进而激活Caspase-3。③线粒体通透性增加后，释放SMAC/Diablo，与凋亡蛋白抑制因子(IAP)结合并使其失活，从而抑制IAP阻遏凋亡的过程[20][21][22]。
细胞内钙超载既能增强Caspase-3的活性，又能激活该依赖性的蛋白酶(如Calpain [23])，进而诱导凋亡。
3.1.3. 自噬
细胞自噬是指细胞利用溶酶体降解自身成分的过程，被降解的成分包括细胞质及细胞器。正常情况下生长因子能激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)，活化的mTOR能抑制诱导细胞自噬的关键信号分子Atg1，从而抑制细胞自噬的发生，而在应激及氧供缺乏的情况下，mTOR失活，启动细胞自噬[21]。
3.2. 炎症反应
缺血再灌注损伤涉及的炎症反应主要与缺血组织细胞因子、趋化因子产生和白细胞浸润有关。
炎症介质的产生与多种因素有关。自由基损伤会释放炎性介质并减少NO产生[24]。同时细胞坏死会导致细胞内容物及促炎症因子的释放，引起炎症。肾小管上皮细胞和活化的T细胞也会产生多种细胞因子、趋化因子，如TNF-α，白介素-1，白介素-8等[25]。Toll样受体(TLR)尤其是TLR2和TLR4的激活在这些介质产生中具有重要作用[26]。补体系统激活释放C5a和C5b-9也可以刺激内皮细胞表达选择素和细胞间粘附分子-1 (ICAM-1) [27][28]。
炎症因子促进白细胞浸润。趋化因子促使白细胞等炎症细胞向缺血区域移动，而粘附分子会促进白细胞与血管内皮细胞的粘附、聚集，而白细胞和内皮细胞的相互作用是导致肾缺血再灌注损伤的重要原因[29]。
3.3. 微循环障碍
炎症反应会在清除坏死组织细胞的同时产生ROS，并会导致缺血区的微循环障碍，甚至导致再灌注后缺血区无复流现象[7]。微循环障碍主要与白细胞浸润、游走，血管收缩-舒张功能障碍，血管通透性增高，血栓形成和新生血管有关[24]。无复流现象是指当缺血原因去除血流重新恢复后，缺血区很多毛细血管并没有得到充分的血流灌注。微循环障碍甚至无复流现象导致血供恢复后，组织仍处在缺血缺氧的状态，导致损伤不能减轻反而继续加重。
3.4. 间质纤维化
如前所述，血管紧张素Ⅱ通过Smad通路促进肾上皮细胞向间质细胞分化转移，促进肾间质纤维化，导致肾脏慢性纤维化[17]。同时，肾缺血再灌注后促炎因子、生长因子、基质金属蛋白表达上调，都会导致肾纤维化。并且，微循环障碍导致的缺氧也会促进肾间质纤维化[2]。
4. 防治措施
4.1. 尽快恢复血流灌注
肾缺血再灌注损伤与组织缺血的时间与程度有很大关系，目前观点是肾脏常温状态下缺血30分钟以内并不会引起永久性损伤[30]；而动物实验证实，肾脏缺血75~90分钟以上会出现肾功能的损伤[31]。尽
王翔宇，马云波
可能早的恢复血流灌注是防治缺血再灌注损伤的关键。
4.2. 抗炎2014年sci影响因子
炎症反应是由多条信号转导通路参与的复杂调控网络，发生机制负载，涉及其中的炎症因子和细胞繁多，针对不同靶点，研究发现很多药物通过抗炎起到减轻肾IRI损伤的作用。
随机数的产生
JAK/STAT信号通路是细胞因子信号转导的重要通路，小鼠中应用JAK抑制剂[32] (如右旋美托咪啶[33])再灌注后肾功能损伤、肾小管上皮细胞的凋亡都明显减轻。
抗胸腺细胞球蛋白(ATG)可以抑制树突细胞功能[34]，同时于再灌注之前应用可以减少ICAM-1，E-选择素，血小板内皮细胞粘附分子、CD11b等粘附分子，从而减轻炎症反应[35]。
可溶性的P选择素可以通过抑制p选择素和白三烯聚合体的结合减轻缺血后组织中性粒细胞浸润[36]，白三烯受体阻滞剂(孟鲁司特[37]，扎鲁司特[38])通过抑制白细胞浸润、粘附分子表达和脂质过氧化保护肾脏。
胆碱能受体激动剂(烟碱)可以通过α7烟碱型乙酰胆碱受体(α7nAChR)通路抑制中性粒细胞浸润和细胞因子释放，从而减轻炎症反应[39]。
如前所述，TLR在炎症反应中具有重要作用，动物实验表明，通过单克隆抗体OPN-305抑制TLR2可以显著减轻心肌缺血再灌注损伤[40]，TLR4阻断剂eritoran也可以减轻肾缺血再灌注损伤[41]。同时，阻断TLR通路的IRAK-4 [42]和MYD88 [43]同样可以减轻肾脏缺血再灌注损伤。
而对于补体介导的炎症反应，实验表明选择性的C5a受体拮抗剂[44]、沉默C3补体基因和凋亡基因[44]可以减轻肾脏缺血再灌注损伤[45]。C1抑制剂可以显著减少肾小球和肾小管毛细血管C4d和C5b-9沉积，减少缺血再灌注后肾小管损伤和肾小管上皮细胞凋亡[46]。
4.3. 抗氧化
IRI与自由基产生的损伤作用有很大关系，减少自由基产生或者清除自由基可以起到保护缺血组织、器官的作用。
缺血再灌注时因线粒体电子传递链受损、黄嘌呤氧化、细胞呼吸爆发、一氧化氮合酶等作用产生过量的自由基。XO抑制剂[24]、给予BH4和L-精氨酸[47]可以减少自由基产生可以起到保护作用。
清除自由基是抗氧化的重要方式，超氧化物歧化酶(SOD) [48]、褪黑素[49]、异丙酚具有清除自由基和抗氧化的作用。同时，褪黑素减轻缺血再灌注损伤还可能与抑制交感神经、减少儿茶酚胺释放有关[50]。异丙酚通过增加骨形态生成蛋白2 (BMP 2)表达、增加SOD含量、减少炎症因子释放减轻肾缺血再灌注损伤[51]。
4.4. NO
CO、NO、硫化氢、氢气等气体已经被应用于减轻IRI [4]，研究表明肝移植过程中吸入NO有利于提高肝功能并减少肝细胞的坏死[52]。动物实验亦表明，摄入亚硝酸盐产生的NO通过多种通路调节肾脏对缺血和炎症的反应，有利于移植后肾功能的恢复[53]。
4.5. 缺氧诱导因子
中国医刊缺血缺氧状态下，能量代谢由有氧氧化转变为无氧糖酵解，缺氧诱导因子1 (HIF-1)是缺氧基因表达重要转录因子。常氧状态下，脯氨酸-4-羟化酶(PHD)使HIF-1α亚基羟化，而缺氧时PHD羟化作用降低，HIF-1α降解减少，HIF增强多种基因的表达，促进细胞对缺氧的适应性反应。PHD抑制剂可以增强肾脏对缺血的耐受性[54]，促红细胞生成素(EPO)可以提高HIF-1α从而减轻肾小管缺氧损伤[55]。
