多黏菌素E肾毒性机制研究进展

杨天立 蔡芸

(解放军总医院医保部药学部药物临床研究中心，北京 100853)

多黏菌素E(colistin)是由多黏芽孢杆菌产生的一种抗菌药物，目前主要有两种剂型，多黏菌素E甲磺酸钠(colistimethate sodium, CMS)和硫酸多黏菌素E(colistin sulfate)[1]。对Colistin的计量单位主要有3种：多黏菌素E基质(colistin base activity, CBA)，多黏菌素E甲磺酸盐(CMS)和国际单位(IU)，10mg CBA相当于24mg CMS，相当于30万IU的colistin[2]。20世纪60年代，colistin在临床上被广泛应用，但由于其严重的肾毒性和神经毒性，很快被其他低毒性抗菌药物如喹诺酮类等所取代[3]。近年来，临床上多重耐药革兰阴性菌(铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌和肺炎克雷伯菌)感染率显著上升，而后续又缺乏有效的抗菌药物出现，老药colistin又重新回到了人们的视野中，成为对抗多重耐药革兰阴性菌的最后防线[3-4]。目前临床上为了达到更好的抗菌效果而采用增大colistin剂量的治疗方法，考虑到colistin诱导的肾毒性也呈剂量依赖型[5]，因而单纯提高药物剂量并非是最好的选择。有文献[6-7]报道，提高colistin的剂量可在约60%的患者中出现肾损伤。

Colistin的药动学研究表明，CMS进入体内后，经肾脏的排泄率远大于其转化率，在肾脏水解为有效成分colistin的转化率仅为20%左右，且其转化率的多少取决于患者肾功能的差异[5,8-10]。而colistin经过肾小球滤过后，80%以上由肾小管重吸收回体内，相比较于机体总清除率而言，肾清除率只占了很小的一部分，主要由非肾途径排出体外[3,8-12]。应用colistin治疗时，最常见且最引人关心的药物不良反应是肾毒性，这一不良反应呈剂量依赖型且多数为可逆性损伤，永久性的肾损伤很少见[3,13]。但在多重耐药菌感染患者其本身可能存在肾功能不良，另外由于其病情重、用药多，更加容易并发肾损伤。因此，colistin的肾毒性会对其临床应用带来巨大的限制，对于其肾毒性机制以及减毒药物的研究成为研究热点。本文综述了colistin的肾毒性作用机制，以及对于colistin诱导的肾损伤具有潜在的保护作用的药物，旨在为临床合理应用colistin降低其肾毒性提供相关数据支持。

1 Colistin肾毒性机制

1.1 直接损伤机制

Colistin的氨基丁酸和脂肪酸成分，可以提高肾小管上皮细胞膜的通透性，导致电解质和水透过细胞膜进入细胞内，进而使细胞肿胀和细胞溶解。因此，colistin引起的急性肾小管坏死临床上多表现为血肌酐升高、肾肌酐清除率的降低，以及蛋白尿、管型尿，和少尿[14-15]。也有部分病例报道称对多黏菌素的高敏感性可导致急性间质性肾炎[16-17]。

1.2 促进细胞凋亡机制

1.2.1 氧化应激与蛋白酶通路依赖的促凋亡机制

在Ozkan等[18]的一项研究中提到，colistin相关肾损伤过程中，氧化损伤与iNOS的升高相关，而iNOS表达的升高与凋亡和坏死损伤的程度平行。蛋白酶-1和-3的表达也有所升高，蛋白酶-3主要被内外源性凋亡通路所激活并最终导致DNA瓦解，蛋白酶-1是炎症性蛋白酶，二者的升高提示在colistin诱导肾毒性机制中，氧化应激损伤可能通过蛋白酶依赖性细胞凋亡导致肾损伤。

另有实验[19]显示，在使用colistin治疗过的小鼠肾脏中，脂质过氧化标志物丙二醛(MDA)明显升高，抗氧化酶过氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)都显著降低，提示氧化应激在colistin诱导的细胞凋亡和肾损伤中可能起重要作用。

1.2.2 线粒体通路依赖的促凋亡机制

线粒体是生成ATP的主要部位，也是活性氧攻击的目标。当暴露于药物或毒素时，线粒体通路就会被激活，进而活化蛋白酶导致细胞凋亡[20]。线粒体通路可被Bcl-2蛋白家族调节[21]，Bcl-2下调或Bax的上调都可诱导线粒体外膜通透性增加[22]，引起线粒体释放细胞色素C(cytC)和凋亡诱导因子(AIF)。cytC激活蛋白酶-9和-3依赖的细胞凋亡，AIF介导非蛋白酶依赖性细胞凋亡[23-25]。

经过colistin治疗过的小鼠肾脏中，透射电子显微镜下可清晰地看到严重肿胀的线粒体。线粒体功能紊乱主要表现为Ca2+诱导的线粒体膜通透性显著增高，线粒体酶活性降低和ATP生成减少等，这些都表明线粒体功能紊乱是colistin诱导肾毒性的一项重要事件。当小鼠经过多黏菌素E治疗7d后，Bcl-2显著降低，cytC、AIF、裂解的蛋白酶-9和蛋白酶-3明显升高，证实了激活线粒体通路对colistin诱导的肾毒性可能有重要作用，而且蛋白酶依赖和非依赖性通路均参与到colistin诱导的肾小管细胞的凋亡[19]。

1.2.3 死亡受体通路依赖的促凋亡机制

死亡受体通路的激活始于死亡受体Fas与FasL的结合[26]，而后作用于蛋白酶-8的Fas相关死亡结构域(FADD)，最终诱导细胞凋亡[27]。在经过colistin治疗后的小鼠肾脏中可观察到Fas、FasL、FADD和裂解的蛋白酶-8表达显著增加[19]，证实了colistin诱导肾小管细胞凋亡中可能有死亡受体通路的参与。

1.2.4 内质网通路依赖的促凋亡机制

细胞毒物、营养限制、未折叠或折叠错误蛋白的积聚等一系列因素都可导致内质网应激，从而启动内质网通路[28-29]。在持续的内质网应激作用下，促凋亡因子GADD153/CHOP诱导并激活蛋白酶-12，蛋白酶-12作用于下游的蛋白酶效应器，如蛋白酶-9或-3，最终引起细胞死亡[20-30]。实验中可见到被colistin治疗7d的小鼠体内GADD153/CHOP和蛋白酶-12水平明显升高，证实了内质网通路可能参与了colistin诱导的肾损伤[19]。

1.3 细胞周期停滞

细胞周期的进展和停滞过程与肾损伤后肾脏的恢复和纤维化密切相关[31-32]。p21蛋白(CDKN1a)是细胞周期依赖性蛋白激酶(CDK)的抑制剂[33]，它受到p53蛋白的控制，并在保护细胞免受凋亡的过程中起重要作用[34-35]。在使用colistin治疗的小鼠模型中，p21显著上调，证实了colistin引起的细胞损伤是通过p53-p21-CDK来抑制细胞周期的进展，造成细胞周期停滞[19]。这种细胞周期停滞对于肾脏的作用尚不清楚，可能是一种保护性机制，允许细胞对损伤进行修复，但同时p53也可引起细胞凋亡性死亡[36]。

1.4 自噬的作用

自噬是一个通过溶酶体系统对功能紊乱的细胞内容物进行自我降解的过程[37-39]。自噬对维持细胞存活很重要，它可以清除折叠错误的蛋白质和受损的细胞器，比如线粒体、内质网和过氧化物酶体[40]。自噬和凋亡都是程序化细胞死亡，二者之间的联系十分复杂，但对于细胞的生存和死亡都十分重要[41]。

在一项体内实验中[19]，经过不同剂量colistin治疗过的小鼠肾脏样本中，低剂量组可见到大量自噬溶酶体，高剂量组仅能见到少量自噬溶酶体，自噬的生物标志LC3B和Beclin-1变化程度与自噬溶酶体数量变化相一致，而且值得注意的是，自噬的这种变化趋势都与肾脏细胞凋亡的结果相反。提示一定剂量的colistin能够诱导自噬，较高剂量的colistin并不能够促进自噬，在colistin造成肾损伤时，自噬的减少能够促进细胞凋亡，因此自噬可能起到一定的肾脏保护作用。

一项研究自噬与colistin神经毒性的体外细胞实验证实[42]，在经过colistin处理过的PC-12细胞内，电镜下可见大小不等、不同阶段的自噬空泡，且LC3B和Beclin-1的水平显著升高。而用3-甲基腺嘌呤(3-MA)或雷帕霉素预处理过的细胞，再经过colistin的治疗后，细胞存活减少，细胞质内空泡形成、LC3B以及beclin-1的表达均减少，细胞加速凋亡。提示了自噬在colistin引起的细胞毒性损伤中起保护性作用，抑制自噬能够促进colistin引起的细胞凋亡。

2 预防和治疗多黏菌素E诱导肾损伤的药物

由于氧化应激是colistin诱导肾毒性的一项重要原因，因此联合使用一些抗氧化物，如褪黑素、抗坏血酸(维生素C)、葡萄籽原花青素提取物和N-乙酰半胱氨酸等可对预防colistin引起的肾损伤[18,43-45]。Colistin与这些抗氧化物联合应用，并不会降低多黏菌素E的抗菌作用，还可以扩大药物的治疗窗[44-45]，这对于colistin这一临床最后的抗菌药物应用具有十分重要的意义。两项大鼠体内实验[46-47]证实，colistin联合应用天然虾青素或维生素E，或维生素C与维生素E的复合物，都可在一定程度上降低colistin诱导的肾损伤，尤其是与氧化应激有关的损伤部分。

右美托咪定是一种α-肾上腺素受体激动剂，部分文献报道了右美托咪定具有抗凋亡作用[48-49]。一项大鼠体内实验显示，colistin联合右美托咪定治疗大鼠后，大鼠体内蛋白酶-3的表达减少，提示右美托咪定可通过抑制蛋白酶-3凋亡途径来阻止colistin诱导的肾毒性[50]。

姜黄素是从姜黄中提取出来的一种色素[51]，具有抗炎[52-54]、抗氧化[55]、抗凋亡[56-58]等广泛的药理作用。实验证实，通过这些药理作用，姜黄素联合colistin治疗的大鼠，血肌酐、尿素氮和尿酸水平显著降低，因而姜黄素有望用来防治colistin诱导的肾损伤[59]。

3 总结和展望

Colistin所致肾毒性机制研究主要集中于氧化应激所致的细胞凋亡，线粒体通路、死亡受体通路和内质网通路这3条主要的凋亡通路，对细胞周期停滞也有一定的影响。近年来，自噬在各类型肾损伤中的作用机制也是研究热点，colistin引起的肾损伤是否与自噬也具有相关性也值得进一步探讨。文中综述的潜在对肾脏具有保护作用的药物仅在动物实验中被证实，人体安全有效剂量也并未做进一步探索，具体保护机制尚待研究。对于colistin的肾毒性作用机制的深入探索以及对其诱导的肾损伤具有潜在的保护作用的药物的研发，能够拓展colistin在临床的应用，更好发挥其在对抗多重耐药菌中的作用。