造影剂诱导的急性肾损伤发病机制及诊断相关标志物研究进展

李敏馨，唐利龙，张小荣，张莲珠，熊煜骋

1 海南医学院第一附属医院老年科，海口 570100；2 甘肃省中医院脑病科

造影剂诱导的急性肾损伤（CI-AKI）是指在接受造影剂（尤其是碘造影剂）后出现的急性肾功能受损的一种病理状态，通常在短时间内发生，且与造影剂的使用密切相关。目前临床上仍普遍沿用改善全球肾脏病预后组织（KDIGO）指南诊断CI-AKI：通常在排除其他病因的情况下，接受碘化造影剂后48~72 h内，血肌酐绝对值升高≥3 mg/L（26.5 μmol/L），或在过去的7 天内血肌酐较基线值升高≥50%，或尿量下降＜0.5 mL/（kg•h），成人持续>6 h，儿童和年轻人持续>8 h，或儿童和年轻人在过去7 天内eGFR 下降≥25%［1］。CI-AKI 是目前仅次于药物和手术相关的院内获得性肾损伤的第三大原因［2］。CI-AKI不仅会导致住院时间延长、医院支出增加，还会增加死亡和残疾的风险。CI-AKI 的发病机制复杂，与血流动力学改变、氧化应激、细胞凋亡和炎症反应等多种机制有关。其中，主要原因是造影剂对肾小管和血管内皮细胞的毒性作用，导致肾脏发生炎症反应和缺血再灌注损伤。近年来，在发病机制方面的研究已取得一些突破，涉及基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和微生物组学等新兴标志物领域。这些有效的检测指标被用于CI-AKI 的评估和诊断。现就造影剂诱导CI-AKI 的发病机制及诊断相关标志物研究进展综述如下。

1 CI-AKI发病的可能机制

1.1 造影剂的直接细胞毒性 CI-AKI 目前发病机制尚未确定。造影剂的直接细胞毒性被认为是导致急性肾损伤的关键因素之一。造影剂由于其成分中含有高浓度的碘元素和其他化学物质，具有高水溶性和低毒性，在注射后可直接接触到肾脏组织，与肾小管上皮细胞发生直接毒性作用，碘与细胞膜蛋白中的氨基酸发生相互作用，导致肾小管刷状缘和细胞膜的完整性破坏，引发异常激活的生物学过程，包括细胞内钙、氧自由基和细胞凋亡，导致急性肾损伤的发生。

1.2 肾脏血流动力学改变致肾髓质缺血缺氧 碘造影剂在使用后可引起肾脏血流动力学变化，表现为肾血管阻力的增加和肾小球滤过率降低。首先，肾血流出现由高灌注状态到低灌注状态的双相效应。其次，激活肾小球反馈机制，高渗透性造影剂通过释放心房钠尿肽产生利尿、利钠作用（渗透性利尿），较高的钠浓度刺激致密斑感受器释放腺苷和抗利尿激素，收缩传入小动脉，从而减少肾血流和肾小球滤过率，减少流经致密斑的钠负荷，肾小管对尿液的浓缩程度降低，使得髓质的浓度梯度减小，髓质内部细胞的渗透压降低，从而导致髓质耗氧量降低。最后，髓质离心腔壁较远，髓质灌注压力取决于肾小球滤过压和血流动力学科氏力的差值。当血流减少时，肾小球滤过压降低，导致肾髓质供血不足，引发髓质缺血缺氧。此外，肾实质氧合分布不均匀，在肾皮质氧张力处于20~60 mmHg，而在外髓质和内髓质分别处于15~30 mmHg 和＜15 mmHg 范围，造影剂可将外髓质氧张力降至10 mmHg，由于Henle's袢髓质厚升支（主要调节尿中的钠/钾离子）和外髓的肾近曲小管S3段对氧供需平衡敏感，缺乏足够的氧供可能导致肾髓质细胞损伤和坏死［3］。

1.3 活性氧（ROS）的细胞毒性诱导肾小管损伤 造影剂由于其特殊的化学结构和物理性质可通过多种途径生成较多的ROS，其中之一是通过影响线粒体功能，进而影响ROS 的产生和清除。当细胞受到造影剂的刺激，线粒体的膜完整性可能会受损，这会导致线粒体内部的电子传递链被破坏，导致氧化还原反应受阻，进而产生大量的ROS，ROS具有较强的氧化性，最终导致脂质过氧化、蛋白质变性和DNA 突变等细胞内重要分子氧化损伤。相反线粒体自噬可以通过PINK1/parkin 通路、Nix/BNIP3 通路和FUNDC1 通路介导的过程有效清除受损的线粒体，避免过量的ROS 产生［4］。然而，发生CI-AKI 时这种平衡可能被打破，导致ROS 积累和细胞毒性，进而直接损伤血管内皮。此外，造影剂导致肾髓质缺氧，引起肾实质低氧应激。有研究表明，碘化造影剂给药后导致Nrf-2（抗氧化酶的转录因子）功能的丧失，增强了ROS 的产生［5］。此外，高渗造影剂给药后患者的尿黄嘌呤增加，黄嘌呤氧化还原酶可通过烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶活性产生ROS，可以降低NO的生物利用度，从而损伤肾小管内皮细胞。

1.4 炎症反应 在接受造影剂的过程中，造影剂中的碘离子进入血液循环后，会触发机体免疫系统的炎症反应。主要包括细胞因子的释放、炎性细胞的浸润以及血管内皮细胞的损伤。首先，炎症反应中的细胞因子起到了重要的调节作用，在CI-AKI 发生时，肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）、含有pyrin结构域的蛋白3（NLRP3）炎症小体和IL-6 等炎症介质的增加会导致肾脏组织的炎症反应加剧，进而影响肾功能。其次，肾脏有一个内在的免疫监视系统，如CD11b、CD11c 等，该系统由血管周围常驻肾吞噬细胞（巨噬细胞和树突状细胞）组成，造影剂注入后停留和募集在肾吞噬细胞，通过过量的ROS 和渗透应激等途径，激活NLRP3 炎性体和IL-1依赖性白细胞募集，再通过肾二肽酶-1 对造影剂的小管重吸收，引起肾小管和小管周围毛细血管炎症［6］。这些炎性细胞通过释放一系列的炎症介质，进一步促进肾脏组织的炎症反应。最后，造影剂会损害血管内皮，导致血管内皮屏障破坏，从而增加水分和溶质的渗漏，影响肾小球滤过功能，降低血管的抗炎和抗血栓特性，导致全身和器官特异性不良反应。

1.5 血管内皮细胞及肾小管上皮细胞凋亡 在血管内皮细胞和肾小管上皮细胞中，凋亡是由一系列复杂的信号通路调控的。造影剂可以通过调节抗凋亡和促凋亡蛋白来预防细胞凋亡。当造影剂进入体内时，凋亡的肾小管上皮细胞会引起管型坏死和化学性肾小管病变，进而导致急性肾损伤的发生。造影剂通过特定途径包括线粒体通路、死亡受体通路和内源性凋亡相关通路等介导细胞凋亡过程。造影剂诱导的细胞凋亡与c-Jun N 末端激酶（JNK）通路相关。JNK 是一个丝氨酸/苏氨酸激酶，被广泛认为在细胞应激和凋亡过程中发挥关键作用，造影剂可通过活化JNK通路引起凋亡。哺乳动物中的丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）包括JNK、p38 MAPK 和细胞外信号调节激酶（ERK）。HE 等［7］研究表明，高剂量阿托伐他汀通过抑制JNK/p38 MAPK 通路的信号传导，上调抗凋亡蛋白Bcl-2 和下调促凋亡蛋白Bax 表达，从而减少CI-AKI 细胞凋亡。此外，半胱天冬酶（Caspase）与细胞凋亡密切相关。TSAI 等［8］研究发现，高剂量碘普罗胺引起ROS 生成，抑制AKT 激酶活性及信号通路，诱导死亡受体通路介导的Caspase-9 和Caspase-3/-7 等蛋白表达上调，并导致人胚胎肾细胞（HEK293）凋亡。

1.6 表观遗传调控 目前尚无确切的基因被确定为CI-AKI 的直接致病原因。然而，表观遗传调控在CI-AKI 的发病过程中可能起到重要调控作用。DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA 等表观遗传调控机制的异常改变可能导致肾细胞损伤和衰竭。如表观遗传调控因子Klotho 在CI-AKI 中的降低可能起到关键作用。Klotho 是一种高度表达于肾脏中的抗衰老蛋白，包括α、β 和γ 3 种类型，其在肾脏炎症和氧化应激中起到重要的调节作用。Klotho 基因的启动子含有典型的CpG 岛，如果发生DNA 超甲基化，就会抑制CpG 岛从而导致肾脏衰老［9］。研究发现，α 型Klotho 蛋白通过抑制NLRP3 炎性小体的激活来减轻CI-AKI 发病［10］。组蛋白修饰在CI-AKI 的发病中通过乙酰化、磷酸化、泛素化等修饰方式发挥重要作用。组蛋白修饰可以影响染色质的结构和基因的可访问性。低氧损伤是CI-AKI的病理机制之一。当造影剂给药后引起血管收缩和缺血缺氧性损伤时，会激活HK-2 细胞中的缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）。血红素加氧酶-1、转录因子FOXP1 和FOXP3a 的磷酸化增加，进一步增加CI-AKI 模型小鼠的氧化应激损伤［11］。HUANG 等［12］研究发现，在缺氧条件下，碘造影剂处理的大鼠模型中，HIF-1α、人附睾蛋白4（HE4）和NF-κB 的表达显著增加，在沉默HE4 的HK-2细胞中，p65的磷酸化水平降低。此外，非编码RNA（ncRNA）可能在CI-AKI 中发挥作用。不同类型的ncRNA，如长链非编码RNA（lncRNA）、小核RNA（snRNA）和微小RNA（miRNA），可以通过与mRNA 结合形成调控复合物，参与基因的转录和翻译调控。在CI-AKI中，多种ncRNA 可能发生异常表达，进而影响多个靶基因的表达和功能。通过第二代基因测序分析CI-AKI 大鼠肾脏中的miRNA 表达模式，研究者们发现了41 种差异表达的miRNA，其中19种上调，22种下调［13］。

1.7 造影剂的黏滞性 造影剂的黏滞性也是CI-AKI 的重要因素之一。造影剂在体内引起黏性增高，使得肾小球内腔灌注受阻，导致肾缺血和缺氧。此外，黏性增高还可能导致管腔梗阻，进一步影响尿流动力学。黏性增高还可促使造影剂在肾小管内沉积，直接对肾小管细胞产生毒性作用，损伤肾小管结构和功能。因此，减少造影剂的黏性可以有效降低CI-AKI 的发生率。造影剂的黏性增高是由造影剂分子中的化学结构和黏度决定的。通常情况下，造影剂的黏性与溶液中的溶质浓度呈正相关，即溶质浓度越高，黏性越大。此外，温度和pH 等因素也可影响黏性，可以通过调整造影剂的配方和浓度，以及使用低温和适宜的pH 来降低其黏性。目前改善黏滞性的措施如围手术期水化，在临床上广泛应用，取得较好疗效。LIU 等［14］在改良水合作用预防CI-AKI 发生的研究中，表明增加血容量，抑制肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）的激活和肾小管球间反馈，通过利钠、利尿作用可以降低造影剂黏度并减少其滞留时间，从而减少肾脏损伤。

2 CI-AKI诊断的相关标志物

2.1 血浆中的肾小球滤过率（GFR）相关标志物①肌酐清除率（CrCl）：在CI-AKI患者中，CrCl常被用作一个独立的指标来预测肾脏损伤。②血尿酸（UA）：在CI-AKI 患者中，UA 水平通常会增加，可能与肾小球滤过率的下降有关。③胱抑素C（Cys C）：Cys C是一种天然存在于体内的蛋白质，由有核细胞产生，其主要作用是调节细胞内的蛋白水解。Cys C不受肌肉质量和饮食等因素的影响，与个体因素的差异较小。血浆中Cys C 的代谢和排泄主要由肾脏完成，与肾小球滤过率密切相关。特别适用于早期肾损伤和肾功能下降的监测，对肾损伤预测具有更高的灵敏性和特异性。CHEN 等［15］研究证实，血浆Cys C 对CI-AKI 的诊断准确性优于血清肌酐（Scr），且早期检测CI-AKI 的最佳Cys C 测量时间为造影剂暴露后24 h。

2.2 血浆中的肾小管损伤标志物 ①线粒体DNA（mtDNA）：线粒体是细胞内的重要细胞器，mtDNA是线粒体损伤后释放的一种分子模式，参与免疫炎症、细胞凋亡及线粒体疾病的发生，mtDNA 突变可影响肾小管上皮细胞的能量代谢，导致肾小管损伤。CHENG 等［16］采用荧光定量PCR 检测CI-AKI 大鼠的血浆mtDNA，血浆mtDNA 的相对丰度越低，提示线粒体破坏越严重，说明血浆mtDNA 可作为CI-AKI 患者线粒体破坏和肾损害的生物学标志物。②肾损伤分子-1 （KIM-1）：作为一种膜蛋白，KIM-1主要存在于肾小管上皮细胞的近曲小管部分。KIM-1 在CI-AKI 发病机制中的确切机制尚未阐明，但有研究表明，其有助于巨噬细胞和T 淋巴细胞增殖，增加氧化细胞因子的产生，导致内皮功能障碍和炎症发生，这与非STEMI 老年患者CI-AKI发生呈正相关，可以作为CI-AKI 的早期预后标志物［17］。③中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL）：NGAL是一种存在于中性粒细胞及许多上皮细胞中相对分子质量为25 kD 的脂钙蛋白，在受损肾单位中特异性表达，通过消耗铁载体发挥抑菌作用，可以作为肾小管损伤标志物。其比SCr 诊断能力好，可以区分亚临床形式的肾损害。近期在接受PCI术的45例高危患者研究中发现，CI-AKI 组术前4 h、术后24 h 测定血浆NGAL 其灵敏性和特异性均较高，尤其是亚临床CI-AKI 患者NGAL 在4 h 显著升高。说明NGAL 可能是临床和亚临床肾损伤早期诊断的可靠生物标志物［8］。

2.3 尿液标志物

2.3.1 尿液中的趋化因子 趋化因子是一类能引导细胞移动和定向迁移的蛋白质。①单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）：低剂量非离子型碘化造影剂可通过磷酸化ERK 诱导肥大细胞增殖，显著上调MCP-1表达。②血小板激活因子（PAF）：由于造影剂的高渗透压及离子强度的降低，诱导血小板活化，PAF可作为血管活性炎症介质。这些趋化因子的增加可能引起炎症细胞的聚集和肾组织的损伤。

2.3.2 尿液中的代谢产物 在CI-AKI 发展过程中，一些代谢产物在尿液中的浓度发生变化。可以通过分析尿液样本中的代谢产物来评估肾功能和损伤程度。①尿酸：造影剂给药后增加尿酸排泄，可能形成尿酸盐晶体，增加造影剂的直接毒性作用，损伤肾小管，且高尿酸能激活RAAS 系统，导致肾血管收缩，减少肾血流量和增加血管阻力。②尿素：造影剂可能干扰肾脏中的透明质酸合成，透明质酸在肾小管中有保护作用，减少对尿素的重吸收，从而使尿素在尿液中排泄增加。③尿钠：造影剂可能对肾小管的重吸收机制产生影响，导致尿钠排泄增加。④肌酐：造影剂的毒性作用导致肾小球滤过率下降，使肌酐排泄减少。需要注意的是，尿液中这些代谢产物的浓度变化可能因个体差异而有所不同，临床医生通常会综合考虑患者的症状、体征和其他实验室检查结果做出准确的诊断和治疗决策。

3 新兴生物标志物

3.1 基因组学和转录组学 基因组学和转录组学标志物在研究CI-AKI 发病机制和诊断方面发挥重要作用。首先，基因组功能变异与CI-AKI 的相关性可以通过研究单核苷酸多态性（SNP）来揭示。SNP是基因组上常见的DNA 序列差异，可能导致基因表达变化，进而影响相关功能的调控。在诸多CI-AKI研究中，已发现与造影剂相关的肾损伤风险相关基因和SNP，如与氧化应激、炎症反应、肾小管损伤等相关的基因。转录组学分析可以揭示CI-AKI 发生时基因表达的动态变化。转录组学研究能全面分析在发病过程中的基因表达模式，并识别与CI-AKI相关的调控通路。通过对肾脏组织或其他相关组织的转录组学分析，可以发现在CI-AKI中与炎症反应、氧化应激、免疫调节和肾小管损伤等相关的基因表达上调或下调。如血浆中miRNA-188、miRNA-30a 和miRNA-30e 的水平显著区分了CI-AKI 患者和非CI-AKI 患者，提示miRNA 是CI-AKI 的潜在早期生物标志物。BAO 等［19］采用高通量RNA 测序技术探索了lncRNAs 和CI-AKI 之间的潜在联系，在动脉注射碘化造影剂后12h，共鉴定出910 个差异表达基因，其中415个下调，495个上调。这些lncRNA 主要参与氧化应激和炎症反应。

3.2 蛋白质组学和代谢组学 在蛋白质组学方面，某些蛋白质在CI-AKI 患者中的表达明显增加或减少，这可能与肾脏损伤和修复过程有关。DENG等［20］建立了一种新的CI-AKI大鼠模型，通过TMT 蛋白质组学和PRM 技术验证，通路分析发现16 个显著差异表达的蛋白质，以及包括SERPINA1、ApoA1、F2、PLG 和HRG 的5 种新蛋白，这些蛋白都与急性反应和纤溶有关。ZHU 等［21］采用LC-MS/MS方法对CI-AKI 患者的尿蛋白进行分析，发现尿中S100P 水平显著升高，提示S100P 蛋白可能与CI-AKI 的发生相关。这些蛋白质在CI-AKI 的发生过程中可能扮演重要角色，参与内源性防御机制的调节、细胞凋亡、氧化应激和炎症反应等过程。陈晨［22］通过LC-MS 技术对CI-AKI 患者和对照者尿液样本进行分析，共筛选出16 种差异表达代谢物，并筛选出与CI-AKI共匹配的11条代谢通路，这些代谢物可以作为CI-AKI 潜在生物标志物，其中精氨酸的生物合成通路和丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸的代谢通路与CI-AKI 最相关。DALILI 等［23］纳入66 例接受择期PCI 术患者，基于核磁共振波谱的代谢组学NMR 技术，确定发生CI-AKI 患者与对照者之间有牛磺脱氧胆酸、3-甲基组氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、精氨酸琥珀酸和表-考前列醇组成的6 种尿代谢物组合，可以提高区分血管造影术后肾损伤风险患者的预测价值，还包括苯丙氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸4条代谢途径具有显著意义。这些代谢物的异常水平与肾功能损伤密切相关，并且可能与氧化应激、炎症反应和细胞损伤等病理过程相关。

3.3 微生物组学 微生物组学指通过分析患者体内微生物的组成和功能来评估CI-AKI 的一种方法。微生物组学标志物是指在患者体内存在的特定微生物群落或菌种，与CI-AKI 的发生发展可能存在一定关联。微生物组学在评估CI-AKI 的发生和预测其严重程度方面具有潜力。通过分析患者体内微生物组的变化，可发现与CI-AKI 相关的特定微生物群落。研究显示，在CI-AKI 患者中，肠道菌群的多样性和丰度可能会发生改变。通过研究微生物组学标志物，我们可以深入了解肠道菌群与CI-AKI 之间的关系。

目前，SCr 和BUN 等肾功能指标在临床上被广泛使用，其弊端是评估肾功能损害的延迟性，容易受年龄、性别、肌肉质量、饮食等因素干扰。因此，研究人员和医生们正在努力寻找更准确、敏感的标志物来评估CI-AKI 的发生和预后。比如一些备受关注的新标志物抗凝血酶Ⅲ、钙结合蛋白、视黄醇结合蛋白4，以及相关标志物的联合检测指标如淋巴细胞与单核细胞比值（LMR）等也被认为与CI-AKI 的发生和预后有关。研究人员发现，通过将淋巴细胞计数除以单核细胞计数来计算LMR，LMR＜2.52 可预测CI-AKI 发展，灵敏度为66.3%，特异度为55.8%，是临床容易获取的标志物［24］。广泛应用这些标志物还面临诸多挑战，如建立标准化的检测方法和参考范围，进行大规模的临床研究以验证其准确性和可靠性，并解决成本和经济效益问题，确保这些标志物能有效使用。

综上所述，各种新型生物标志物及检测方法，如代谢组学、基因组学、转录组学、蛋白质组学和微生物组学，为识别高危个体、早期诊断CI-AKI 及预测治疗提供了参考，这些方法有望比传统的肾功能检测指标更省时、更准确、更实用。