心脏手术相关急性肾损伤的临床实验室检测

武大伟， 宁 莉， 魏殿军

（天津医科大学第二医院检验科，天津 300211）

心脏手术相关急性肾损伤（cardiac surgeryassociated acute kidney injury，CSA-AKI）是一种心脏手术后常见而严重的并发症，是增加心脏手术死亡率和发展为慢性肾病的危险因素[1]。然而，由于缺乏统一的急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）定义，对其发生率的报道差异较大，从1%～30%不等，其中1%～15%的患者需要透析[2]。尽早识别和发现心脏手术术前和术中危险因素可以减少CSA-AKI的发生[3]。

肾损伤的最初阶段是血清肌酐（serum creatinine，SCr）不升高、肾小球滤过率（glomerular filtration rate，GFR）开始下降和明显下降之前，这一阶段非常关键。识别早期肾损伤状态可以及时进行直接干预并改变疾病预后，但临床上往往会因为SCr不升高、尿量满意或因使用利尿剂后观察不到肾小管功能的微小变化，从而忽视了肾损伤的早期变化，错过干预和扭转肾功能的最佳时机。目前，已有许多研究报道了很多新的生物标志物，可以对CSAAKI进行预测和判断预后[4]。我们对CSA-AKI的病因、危险因素、分级进行了阐述，并对目前临床实验室新的生物标志物的检测和应用进行了详细说明，以便更好地与临床医生携手做好CSA-AKI的早期防治工作。

1 AKI的定义及分级标准

AKI确切、统一的定义和诊断标准长期缺乏共识。2004年，BELLOMO等[5]提出了RIFLE标准的分类、定义和分级，将肾损伤的发生时间定为7 d内，分5类，即高危（risk，R）、肾损伤（injury，I）、肾衰竭（failure，F）、丢失（loss，L）和终末期肾脏疾病（end-stage kidney disease，简称E）。1期定义为GFR＞25%。2007年，急性肾损伤网络（the Acute Kidney Injury Network，AKIN）组织修改后的RIFLE（修订版）标准有4个主要变化：（1）GFR从定义系统中略去；（2）SCr的变化周期由7 d变为48 h；（3）SCr升高作为AKI诊断标准降低至26.4 μmol/L（0.3 mg/dL）；（4）最后2个阶段（丢失和终末期）被删除。在随后的研究中，学者们一致认为统一AKIN和RIFLE标准，提高研究的一致性非常有必要。因此，在2012年，改善全球肾脏病预后（the Kidney Disease：Improving Global Outcomes，KDIGO）组织提出了AKI新的定义，主要包括以下3个标准：7 d内SCr 升高＞50%，或48 h SCr＞26.4 μmol/L（0.3 mg/dL），或少尿。有研究显示，在心脏手术后AKI发病率、住院病死率方面，采用AKIN标准略优于RIFLE标准，但差异无统计学意义[6]。

2 CSA-AKI的病因、发病机制及危险因素分析

2.1 病因及发病机制

CSA-AKI是心脏缺血引起的肾前性损伤、肾脏缺血缺氧诱导的肾性损伤以及上皮细胞坏死、脱落堵塞肾小管继发的肾后性损伤共同作用的结果。心脏外科手术是导致AKI发生的重要原因，在AKI致病因素中居第2位，发生率为19%～45%，重症监护病房（intensive care unit，ICU）患者占30%，住院患者占5%[7]。其中，冠状动脉旁路移植术（coronary artery bypass grafting，CABG）和心脏瓣膜手术较易发生AKI，且后者发生AKI的比例最高，死亡率亦较高。CSA-AKI的发病机制尚不十分清楚，其病理生理机制是复杂的、多因素的，基本的病理改变为急性肾小管坏死。发病机制涉及术前、术中、术后多个环节，至少包括6个途径：外源性及内源性毒素、代谢因素、缺血再灌注损伤、神经激素激活、炎症和氧化应激。各种损伤因素在不同的时期呈现出不同的强弱表现并协同存在。

2.2 CSA-AKI的危险因素

2.2.1 术前危险因素 有研究显示年龄≥65岁、高收缩压、左室射血分数降低（＜35%）、术前肾功能不全、高尿酸血症、术前贫血、估算肾小球滤过率（estimated glomerular filtration rate，eGFR）≤60 mL/min、主动脉内球囊反搏（intra-aortic balloon pump，IABP）和CABG是评估术后发生AKI的危险预测因素[8]。不同程度的术前肾功能不全均会增加术后的AKI发生率和死亡率。原有心功能不全或有合并症，如慢性阻塞性肺疾病或糖尿病的患者发生AKI的风险也很高。利尿剂、血管紧张素转换酶（angiotensinconverting enzyme，ACE）抑制剂或血管紧张素受体拮抗剂、非甾体类抗炎药物 （nonsteroidal anti-inflammatory drug，NSAID）是AKI“三重打击”因素，频繁使用可引起肾小球血流动力学改变，引发AKI[9]。此外，随着接受心血管介入诊疗患者的增多，造影剂致急性肾损伤（contrast-induced acute kidney injury，CIAKI）是目前临床上需要特别关注的一类AKI。CIAKI的定义为冠状动脉造影术或经皮冠状动脉介入治疗术（percutaneous coronary intervention，PCI）后48～72 h SCr≥44.2 μmol/L或较基线升高≥25%[10]。

2.2.2 术中危险因素 在心脏手术的体外循环（cardiopulmonary bypass，CPB）过程中，低流量、低血压、非搏动灌注、肾脏低灌注、炎症反应、持续性入球小动脉收缩以及血液稀释和低温是AKI主要的发病机制。炎症状态及血液稀释是不可避免的2个关键因素[11]。组织的缺血再灌注损伤、内毒素血症、手术创伤、非搏动性血流及术前可能存在的左室功能不全都是术中炎症反应的触发因素。炎症介质、黏附分子及促炎因子的产生又进一步导致细胞损伤，并最终促使肾脏发生损伤。有研究表明CPB≥120 min是术后AKI发生的独立危险因素[12]，心脏手术中输注红细胞和进行CPB时红细胞压积水平过低可增加CSA-AKI风险；此外，手术过程使用甘露醇和多巴胺的患者尿液β2-微球蛋白排泄增多，提示甘露醇和多巴胺可能对肾小管有损伤作用。

2.2.3 术后危险因素 肾功能正常的患者术后血流动力学维持正常，术后很少发生AKI，其发生率＜2%。SUEN等[13]的研究结果显示术后低血压[收缩压＜11.97 kPa（90 mmHg）]超过1 h是术后AKI的危险因素。CABG后因低心排血量而采用IABP的患者发生AKI的危险性增高约7倍[14]。

3 CSA-AKI传统的实验室诊断指标

3.1 SCr和尿量

越来越多的证据显示SCr轻微升高与患者预后不良及发展为慢性肾损伤有关，应引起重视。对于高危患者应严密监测SCr的动态改变和尿量的变化，以早期发现AKI。以尿量为标准预测AKI非常不可靠，因为其不能鉴别肾前性少尿与肾毒性和肾缺血性损伤引起的少尿。采用SCr诊断CSA-AKI的不足在于：（1）早期诊断有局限性。SCr通常在肾脏受到损伤48～72 h后才会明显升高，且往往在约50%肾功能丧失时才升高。KDIGO标准为SCr在48 h～7 d的变化，若采用KDIGO标准改善围手术期术中或术后引起的AKI已为时太晚。（2）受多种因素限制。尿液的排出量、产生速度和分布并不稳定，不能准确反映GRF。（3）肾功能储备良好的患者即使在AKI早期出现了明显的肾组织损伤，SCr水平仍可能正常或仅轻度升高。（4）各实验室检测方法的不同使SCr水平的正确评估常受到限制[15]。

3.2 血尿素氮（blood urea nitrogen，BUN）/肌酐（creatinine，Cr）比值

正常状态下或肾性AKI时血BUN/Cr比值为（10～15）∶1。肾前性AKI时由于近端肾小管对BUN的被动重吸收增加，因此血BUN/Cr比值增高。CSA-AKI是心脏缺血引起的肾前性损伤、肾脏缺血缺氧诱导的肾性损伤以及上皮细胞坏死、脱落堵塞肾小管继发的肾后性损伤共同作用的结果。因此，CSA-AKI时血BUN/Cr比值升高。然而，BUN和SCr水平受多种因素的影响，因此即使发生肾前性AKI，BUN/Cr比值仍可能在参考区间内。

3.3 尿液分析

尿液分析在AKI诊断与鉴别诊断中具有不可替代的重要价值，并且经济、易行。

3.3.1 尿沉渣 尿沉渣分析是最常用的AKI鉴别诊断的检查方法之一，需采用新鲜尿液离心后进行显微镜下观察。单纯的肾前性AKI患者的尿沉渣正常或接近正常，可见少量透明管型。浑浊的棕色粗颗粒管型、上皮细胞管型以及游离的上皮细胞可见于缺血性或毒性AKI，但是20%～30%的急性肾小管坏死患者并不出现上述尿沉渣改变，因此并非是诊断AKI所必需的。肾后性AKI可见透明管型。

3.3.2 尿渗透压

浓缩功能减退是肾性AKI早期的共同表现之一，绝大多数患者尿渗透压＜450 mmol/L，其中多数＜350 mmol/L。如果尿渗透压＞550 mmol/L，则高度提示肾前性AKI。利尿剂的应用会影响尿渗透压的鉴别诊断价值。

3.3.3 尿钠浓度

肾前性AKI时由于肾脏的保钠作用导致尿钠水平较低（＜20 mmol/L），而肾性AKI时由于肾小管重吸收钠的能力受损，尿钠水平通常较高（＞40 mmol/L）。但由于不同个体之间肾脏对水重吸收的能力差异很大，因此尿钠水平在肾前性与肾性AKI中常有交叉。

4 CSA-AKI的新型诊断标志物

有大量研究集中于寻找并鉴定能够早期发现AKI或判断AKI预后的血、尿生物标志物。已被证明可作为早期AKI生物标志物的有中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（neutrophil gelatinase-associated lipocalin，NGAL）、胱抑素C（cystatin C，Cys C）、肾损伤分子1（kidney injury molecule-1，KIM-1）和白细胞介素-18（interleukin 18，IL-18）。这些指标升高均早于SCr，且与AKI的严重程度和持续时间相关，是具有重要临床诊断价值的标志物[16]。有研究显示多种标志物联合检测的稳定性良好，诊断AKI的敏感性和特异性均较高[17]。

4.1 NGAL

NGAL是一种调控肾小管上皮细胞凋亡的蛋白分子，正常情况下肾组织很少表达。当缺血引起肾损伤时NGAL在远端肾小管上皮细胞中表达明显上调，NGAL mRNA水平急剧升高（可升高1 000倍）并从尿液中排出[18]。作为AKI早期诊断和预后判断的指标，NGAL对CSA-AKI早期诊断的准确性很高，尤其是在新生儿、儿童及肾功能正常的成人中[19]。MISHRA等[20]对71例体外循环发生AKI的儿童进行了研究，结果显示术后2 h NGAL的预测性能最佳，血清和尿液NGAL的受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线下面积分别为0.91和0.99，诊断时间比SCr提前1～2 d。PERRY等[21]对879例成人CSA-AKI患者的研究结果显示血NGAL术后0 h的预测敏感性为38.7%，特异性为81.5%。但在临床实践中，循环和尿液中NGAL水平升高受炎症、肿瘤和基础肾功能等多种因素影响，与文献报道[22]存在差异。

4.2 Cys C

Cys C是一种碱性小分子蛋白，是近年来发现的反映肾功能受损的良好标志物。由于Cys C的相对分子质量小，能自由通过肾小球滤过膜，不被肾小管重吸收和分泌，不再重新回到循环中，因此能可靠地反映GFR的变化。AKI时Cys C较SCr提前2 d升高，是反映早期肾功能损伤较理想的标志物。Cys C可作为CIAKI的早期诊断标志物，且阴性诊断价值意义更大，缺点是敏感性较差[23]。

4.3 KIM-1

KIM-1是一种跨膜蛋白，在人体正常肾组织中几乎不表达，但在缺血及肾毒性损伤后的近曲小管上皮细胞中呈高表达。尿中KIM-1升高由肾小管损伤引起，可以对氮质血症和慢性肾病引起的缺血性AKI进行鉴别。动物实验证实KIM-1在AKI发生12 h的尿液中出现，早于管型，持续到上皮细胞修复为止。李称才等[24]对66例急性梗阻性化脓性胆管炎（acute obstructive suppurative cholangitis，AOSC）手术治疗患者进行回顾性分析，结果显示发生AKI的患者入院后12、24和48 h的尿KIM-1明显升高。KIM-1研究目前多局限于动物实验和小样本量的临床试验，尚需大量研究支持论证。

4.4 IL-18

IL-18是白细胞介素家族的成员之一。肾小管上皮细胞是半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-1（cysteine-containing aspartate-specific protease-1，Caspase-1）和IL-18的重要来源。当受到缺血等因素刺激后，前体IL-18迅速表达并被Caspase-1启动，参与肾损伤和修复过程。PARIKH等[25]的研究表明，IL-18是诊断AKI的独立预测指标，体外循环后4～6 h可在尿中检测到，12 h达到峰值。但IL-18的特异性较差，可与其他标志物联合检测，如同时监测NGAL和IL-18可预测患者在ICU的停留时间、透析时间、生存率和死亡率[26]。

4.5 金属蛋白酶组织抑制剂-2（tissue inhibitor of metalloproteinase 2，TIMP-2）和胰岛素样生长因子结合蛋白7（insulin-like growth factorbinding protein-7，IGFBP-7）

TIMP-2和IGFBP-7是2个新的细胞周期标志物，参与G1细胞周期阻滞，阻止细胞分裂和修复损伤。TIMP-2和IGFBP-7是以旁分泌形式出现的报警蛋白质，提示早期肾小管损伤。炎症、缺血、氧化应激、药物和毒素等可引起尿TIMP-2和IGFBP-7升高。有研究显示尿TIMP-2和IGFBP-7检测较KDIGO诊断标准更优异，对疑难病例有很好的诊断价值[27]。目前，有关这2个标志物的研究报道甚少，因此还不具有临床检测意义。

4.6 N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（N-acetylbeta-D-glucosaminidase，NAG）

NAG是近端肾小管溶酶体酶，正常人尿液中含量甚微。在肾小管细胞发生破坏时NAG迅速、大量释放入尿液中，因此AKI时尿NAG水平明显升高[28]。由于NAG的活性受尿液pH值及某些肾脏毒素的影响，所以在AKI诊断中的应用受到一定限制。

4.7 Semaphorin 3A

Semaphorin 3A是近年来AKI早期诊断标志物的研究新热点，同时还是未来临床治疗一个非常有前途的靶点。Semaphorin 3A已被证实可作为新的AKI和慢性肾病的标志物，但尚需大量研究证明其诊断性能。2 h尿Semaphorin 3A检测与AKI的时间和严重程度及住院时间有很强的相关性。在消除CPB时间和性别的影响后，2 h尿Semaphorin 3A依然是AKI的独立预测指标。尿Semaphorin 3A可作为CPB后2、6和12 h发生AKI的监测指标，ROC曲线显示其预测值很高（分别为0.88、0.81、0.74）。Semaphorin 3A也可早期诊断ICU患者发生AKI并预测病情进展[29]，对肝移植患者AKI的发生也有诊断价值。此外，Semaphorin 3A在慢性肾病中的作用也得到证实。尿Semaphorin 3A表达增加与高血压合并慢性肾病患者的肾损伤有关。糖尿病肾病时足细胞和远端小管上皮细胞的Semaphorin 3A表达增加。Semaphorin 3A能引起短暂的大量蛋白尿、足细胞足突融合，促使健康动物的血管内皮细胞损伤，进而出现肾小球硬化和大量蛋白尿[30]。Semaphorin 3A表达随糖尿病肾病病情的进展而不断增加，与蛋白尿水平呈正相关。小鼠糖尿病模型和患者的实验数据呈现出一致性[31]。Semaphorin 3A去表达（新型Semaphorin 3A抑制肽）可抑制缺血再灌注引起的炎症[31]，对糖尿病引起的蛋白尿、肾纤维化、炎症、氧化应激和肾功能不全也有抑制作用[32]。上述研究结果提示Semaphorin 3A在肾损伤时的表达具有组织特异性，但需排除肿瘤患者。

5 总结

目前，NGAL、Cys C等标志物已用于临床检测，新的标志物如KIM-1、Semaphorin 3A等尚需更多的研究数据支持。随着临床医师对CSA-AKI的重视，这些指标的临床价值会得到进一步论证，同时也提示临床医师应在心脏手术早期即开始动态观察相关标志物，掌握最佳干预时期。理想的AKI生物标志物是在24 h内能够快速、非侵入性地检测，具有可重复、特异、敏感的诊断性能，能独立诊断并可对AKI进行风险分层和亚型确定。能够满足以上条件的单一的生物标志物目前尚未被发现。根据临床需要，采用多项标志物联合检测对早期诊断AKI、预测肾损伤的严重程度和预后具有较高的临床价值，如血清和/或尿液NGAL与血清Cys C联合检测、NGAL与IL-18联合检测等[33]。

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