心脏手术相关急性肾损伤的新型生物标志物研究进展

于洋 贾维坤

急性肾损伤(AKI)是心脏手术后最常见的并发症，每年全世界进行超过200万例心脏手术，心脏手术相关急性肾损伤(cardiac surgery-associated acute kidney injury，CSA-AKI)的发生率为5%～42%，也是重症监护室中AKI的第二大常见原因，并且与术后未并发AKI的患者相比，死亡风险增加6～18倍，严重的CSA-AKI使围手术期死亡率增高3～8倍，直接导致重症监护病房和住院时间延长以及护理费用增加[1]。所以，早期诊断非常必要，以减少CSA-AKI临床结果的发生。因此通过生物标记物早期预测CSA-AKI的发生，可以早期采取必要的措施来提高患者的生存率并减少医疗成本。

1 CSA-AKI早期诊断面临的困境

目前临床上主要使用血清肌酐(Scr)、肾小球滤过率(eGFR)、尿量来评估及诊断CSA-AKI，其诊断标准包括急性肾损伤网络标准(AKIN)、RIFLE标准(将AKI由轻到重依次分为Risk、Injury、Failure 3个级别，同时将AKI患者肾脏功能的转归分为Loss和End-stage kidney disease 2个级别，按照英文首字母的顺序合称为RIFLE标准)及AKI诊断标准，但Scr、eGFR通常在急性肾功能不全发生后改变，无法检测亚临床AKI及早期预测AKI；尿量在AKI的预测及诊断中，不但具有一定的时间限制，而且常受人为因素干扰。虽然上述两种诊断方式具有精确性，但无法及时发现早期肾功能的变化，导致早期临床干预的缺乏，最终导致患者死亡率、不良结果发生率增加，直接提高了医疗成本。

2 临床常用早期诊断CSA-AKI的新型生物标志物

面临CSA-AKI的早期诊断，使用新型生物标志物帮助识别CSA-AKI，如中性粒细胞明胶酶相关性脂质运载蛋白(NGAL)、肾损伤分子1(KMI-1)、白介素6(IL-6)、白介素18(IL-18)、胱抑素C(Cys-C)、肝脏型脂肪酸结合蛋白(L-FABP)、α1微球蛋白(α-MG)、N-乙酰β-d-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、血管紧张素原(uAGT)等。新型生物标志物不仅可以提示AKI的发生，且可提前于Scr水平升高在血液或尿液中检测出，血液成纤维因子23(FGF23)、尿基质金属蛋白酶-7 (uMMP-7)等对早期预测CSA-AKI有帮助，这些新的生物标记物可联合其他标记物提高预测的精准度。

2.1 NGAL NGAL是受损肾小管细胞释放的糖蛋白，是临床和亚临床AKI的敏感产物，并且NGAL存储在成熟中性粒细胞的颗粒中。NGAL与炎症、感染、缺血、细胞分化与凋亡、免疫反应及多种肿瘤的发生发展等密切相关[2]。NGAL在经皮冠状动脉介入治疗术、严重脑创伤、主动脉手术、造影剂注射后发生的AKI有早期诊断的作用。临床工作中，心脏术后患者的血清及尿液中NGAL的水平常作为早期预测CSA-AKI的生物指标。

NGAL可以早期预测儿童患者心脏术后AKI的发生，这项研究由Essajee等[3]报道，同时指出NGAL不仅可以预测基于血清肌酐诊断的AKI，还能将术后第1天尿液NGAL的浓度与其他临床结果联系起来。Mishra等[4]对儿童心脏术后血液及尿液中的NGAL连续监测，指出在体外循环后2 h尿液中NGAL的水平是AKI最有力的独立预测因子。在成人患者中，体外循环后测量患者尿液或血浆中的NGAL可以预测随后出现的肾损伤，并且尿液及血浆NGAL水平升高与住院时间延长、重症监护室停留时间延长、透析或死亡风险增加有关[5]，但是其预测能力比在儿童患者中差。另外，尿NGAL的增幅对CSA-AKI的发生与体外循环使用时间的相关性更加密切，并且在CPB后测量患者血清NGAL可以更佳准确预测CSA-AKI[6]。此外，Coca等[7]对NGAL与全因死亡率之间的关系进行研究，该研究对1 199例成人患者术后进行3年的随访，发现术后发生CSA-AKI的患者尿NGAL的水平与院外3年死亡率独立地相关；进一步的研究指出，围手术期血浆NGAL水平升高的患者在3年后死亡率增加，其机制尚不清楚[8]。

2.2 KIM-1 KIM-1是肾功能异常时在肾小管上皮细胞大量表达的一种蛋白，而且在肾脏自我修复的过程中持续高表达并释放至尿液及血液中，在尿液中释放较多，直接促进肾小管坏死细胞的清除并再生，重要的是正常情况下肾脏组织并不表达KIM-1。所以，KIM-1不仅仅能作为诊断AKI的标志物，也可以预测急性肾小管坏死的发生。与Scr相比，心脏术后KIM-1升高可以早期、准确地预测CSA-AKI的发生。

研究表明，尿液KIM-1在儿童与成人心脏术后预测CSA-AKI、术后不良结果均具有较高的准确性[9,10]。通常认为术后12 h KIM-1开始出现增加，与尿NGAL比较，虽然血浆KIM-1出现较前者晚，但是对缺血性肾损伤的早期诊断具有更高的特异性及灵敏度，进而对肾小管急性坏死的诊断提供一定帮助[11]。另外，相较于其他的新型生物标志物，尿KIM-1具有以下优势:(1)在慢性肾脏损伤患者中，KIM-1对于早期预测CSA-AKI仍表现出良好的特异性。(2)尿KIM-1的升高受术后应用米力农浓度的影响，对洋地黄类药物及血管扩张剂药物有无相关性暂不明确，这进一步提示了尿KIM-1可以用于心脏术后因血容量超负荷引起AKI的早期预测，但是KIM-1与药物药效学的评估需要进一步整合至临床实践中。(3)尿KIM-1水平不受术前因素及CPB使用时间的影响，与CSA-AKI的发生关联性最强[12]，但是由于检测成本，现未在临床上广泛开展。(4)KIM-1对CSA-AKI患者远期死亡风险及其他不良预后有预测能力，并且与其他标志物不同的是，对于住院期间无论是否发生AKI的患者，KIM-1均有相同的效果[7]，而且1型糖尿病伴术后KIM-1升高的患者远期出现eGFR下降、终末期肾病发生的风险增加。以上研究结果表明，KIM-1不但可以预测远期死亡风险，并且在特定人群中可以预测肾功能的长期进展及终末期肾脏病的发表情况。但对儿童患者术后的5年随访中，未发现KIM-1等新生标志物的预测死亡风险及肾功能下降的能力[13]，提示KIM-1对不同群体的远期预后的预测能力是不同的。

2.3 Cys-C Cys-C是一种内源性、碱性低分子蛋白质，能自由通过肾小球并由肾小管上皮代谢，且肾小管上皮细胞不分泌亦不重吸收，可反映肾小球滤过功能的变化。

Cys-C在AKI的诊断中，会受到年龄、性别、肥胖、吸烟、甲状腺功能、炎症和肿瘤的影响[14]，所以在儿童患者群体及成人患者群体中所表现略有不同。研究发现，在<2岁的儿童心脏手术患者中，术前基于Scr的浓度不仅可以预测术后轻度或中度的CSA-AKI发生，而且其浓度峰值与延长的通气持续时间和ICU住院时间有关，并指出术后0～12 h测量的尿Cys-C水平与CSA-AKI严重程度有关,而且与不良结果相关[15]，所以Cys-C被视为诊断儿童患者群体CSA-AKI的早期生物标志物，较Scr相比，它可以更好地对儿童心脏手术不良结果的风险进行预测。在对成年心脏手术患者的研究中发现，Cys-C具有预测CSA-AKI的能力，最早可在术后2～3 h区分CSA-AKI高风险患者，在患有基础疾病的心脏手术患者中，Cys-C可以比Scr早24～48 h发现CSA-AKI[16]，这明显较Scr及eGFR发生变化出现的更早，通过Cys-C诊断患有AKI的患者，具有更高的透析及死亡风险，而且血清Cys-C浓度持续升高与AKI的持续时间及严重程度有一定联系[17]。另外，虽然血Cys-C在成人心脏手术患者群体中是一种表现良好的生物标志物，但是与NGAL相比， Cys-C峰值出现时间较晚，所以术后早期联合其他实验室检查结果是有必要的。此外，在针对同种异体心脏移植术后随访中发现，术后持续升高的Cys-C水平使心脏移植术后1年的死亡率增加[18]，对于冠脉及瓣膜手术是否也有相似的作用暂时尚不明确，但联合应用Cys-C与Scr可以增加CSA-AKI早期诊断的精准性，并与术后3年的死亡率呈正相关[19]。上述研究表明心脏术后Cys-C的水平对远期死亡率有预测作用，但仍需要大样本、长期的随访来证实。

2.4 IL-18、IL-6 IL-18在免疫、感染和炎性疾病中起重要作用，因此，在心脏术后检测血液或尿液IL-18水平，不仅能预测CSA-AKI的发生，而且对术后脑损伤、心肺损伤的早期发现均有一定帮助。IL-6是促炎症细胞因子，由纤维母细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、肿瘤细胞等分泌，IL-6的血清水平在充血性心力衰竭、冠心病患者中升高。

一项荟萃分析证实，在儿童、青少年、成人患者群体中心脏术后尿液IL-18对早期预测AKI具有相同效果，但由于心脏手术患者群体的特殊性，上述证据应该进一步通过大型临床试验证实[20]。研究证实，尿液IL-18在术后6 h达到峰值，不但对CSA-AKI具有预测能力，且IL-18升高患者常在术后更易发生脑损伤、心肌损伤、肺损伤及全身多脏器功能衰竭等术后并发症[21]。IL-18虽然不具有NGAL的极高敏感性特异性，但IL-18对全身多器官的情况评价明显优于其他生物标志物，可能由于体外循环手术会引发全身炎性反应，并且心脏手术本身会引起心脏缺血-再灌注损伤，导致强烈的炎性反应，导致全身多脏器均会受到影响，所以高水平的IL-18不但可以预测CSA-SKI，而且对其他脏器功能异常的发生有一定的提示作用。

虽然IL-6及IL-18同属于白介素家族，但是两者在心脏术后预测CSA-AKI的能力存在一定差异，有学者发现接受CPB下心脏手术后发生重度AKI患者血液中检测到更高水平的IL-6，并提出了CPB心脏手术后严重急性肾功能不全与IL-6产生增加有关的新思路，随后对IL-6在心脏术后的预测AKI及其他不良临床结果的作用进行研究，针对先心病儿童患者群体的研究发现，术后血清IL-6升高到100 pg/ml时导致AKI发生的几率达到70%，但是其浓度受到患儿体外循环时间、年龄、体重影响，若CPB后2 h后血清IL-6浓度达185 pg/ml，则术后发生CSA-AKI的概率增加3倍以上[22]。另外，患儿术前血浆IL-6水平最高三分位数与最低三分位数相比，术后发生中度至重度CSA-AKI风险增加6倍，而且具有术前高浓度IL-6的患者术后血浆IL-6水平显著升高，并在术后第1天达到峰值，说明监测围手术期的血液IL-6浓度可以更加精准的预测CSA-AKI并采取相应的临床措施进行早期干预[23]。在接受心脏手术的成人患者中发现，术后第1次血液IL-6浓度升高与CSA-AKI发病风险增加相关，并且其风险随着IL-6浓度升高而增加，同时高浓度IL-6(>100 pg/ml)与术后超过24 h的机械通气具有较高的相关性，此外高龄(>70岁)患者在CPB期间产生更多的IL-6，术后发生CA-AKI的几率比年轻人更高[24]。目前虽然多个中心已经证实术后IL-6对CSA-AKI有预测能力，但IL-6围手术期动力学及在成人患者群体中的作用未得到充分阐述，因此，IL-6对心脏手术患者的临床结果和潜在治疗选择的影响、临床意义及致病作用仍有待研究。

2.5 L-FABP L-FABP是游离脂肪酸的细胞内载体蛋白，肾缺血后在近端小管上皮细胞中呈现上调并大量表达，其分子量大小与Cys-C相似，并且在肾小管上皮细胞重吸收。L-FABP在肾移植、冠脉造影术后及儿童重症监护室发生的AKI具有早期预测作用[25]，其对CSA-AKI的早期预测能力也在逐渐证实。

对于L-HABP早期诊断CSA-AKI的能力、术后出现时间及峰值出现时间是具有争议的，Portilla等[26]发现，尿液L-FABP水平在术后4 h增加24倍，此时尿液L-FABP的灵敏度、特异度约为0.7左右，证实了尿液L-FABP可预测接受心脏手术儿童发生CSA-AKI发生的风险。近年来，新的研究仍支持心脏术后血液及尿液L-FABP具有预测CSA-AKI的能力[27]，但是在术后出现的时间不同。对现有的研究结果进行讨论，在CPB后术后0～6 h即可在尿液中检测到L-FABP，部分研究同时指出L-FABP对早期预测CSA-AKI具有最高的灵敏度[28]，但是特异度较差。由于不同研究采样时间及检测方式不同，所以出现差异是必然的。此外，与其他新生标志物相比，尿液L-FABP对AKI的预测具有更高性价比。目前，针对L-FABP的大型前瞻性研究暂未开展。另外，术后尿液L-HABP水平与远期死亡率有关，但对术后未发生CSA-AKI的患者远期预后无预测作用[7]。虽然这项研究报道了术后即刻尿液新型生物标志物水平对患者远期预后是有影响的，但其机制尚不明确，对远期心血管不良结果、终末期肾病等严重不良临床结果的关系尚不清楚。

2.6 FGF23 FGF23是成纤维细胞因子家族一员。是一种重要的调磷因子，可减少血液中1,25(OH)2D3及甲状旁腺素的分泌，FGF23最初发现于常染色体显性遗传低磷软骨病，后来在肿瘤导致骨软化病和X伴性低磷软骨病中被进一步研究，随后证实FGF23与Klotho蛋白结合后与成纤维细胞生长因子受体结合发挥生理作用，在慢性肾脏病早期参与血磷代谢的调节。随着对FGF23的研究，发现FGF23在炎症、左心室肥大和急性肾损伤等病理生理机制有关[29]。

虽然血清FGF23升高与终末期肾病的快速进展、心血管疾病发病率和死亡率的增加有关，但是对AKI患者循环FGF23水平的变化的研究尚少，Ali等[30]对19例接受体外循环手术的儿童进行了血浆FGF23 的检测，发现与未发生AKI的儿童相比，心脏手术后发生AKI的患者在术前和术后均具有升高的FGF23，并指出术前血清FGF23浓度>86 RU/ml时，发生AKI的风险比术前低于该临界值的儿童高2倍。与其他新型生物标志物不同的是，术前及术后FGF23水平对CSA-AKI的早期预测均有一定意义，并且在儿童及成人群体中均具有预测能力。研究证实，(1)术前FGF23浓度在患有低氧血症儿童患者中升高并且与术后急性肾损伤相关，这说明术前基础疾病仍然是影响术前FGF23浓度的重要原因[31]，同样，在成人群体中，仍然可以通过对术前FGF23的浓度进行测量，能简单的对CSA-AKI患者进行术前风险评估;(2)在一项针对859例成人心脏手术群体的研究中发现，术前FGF23水平是预测CSA-AKI、术后死亡率、术后其他并发症、长期结果的有力指标，而且与手术持续时间、术后通气时间、总住院时间呈正相关，同时其对死亡率的预测能力明显优于EuroSCORE Ⅱ评分[32]；(3)在体外循环结束时FGF23水平升高与CSA-AKI、透析治疗及术后死亡率明显相关，并且AKI患者比未发生AKI患者的术后血清FGF23水平增加了15.9倍,而且术后FGF23水平不会受到甲状旁腺激素、磷酸盐、维生素D代谢物的影响[33]。(4)虽然围手术期FGF23能作为预测CSA-AKI的指标，但目前研究结果均来自单中心研究且FGF23的病理机制及潜在作用尚不明确。

2.7 其他新型生物标志物 除了上述常用的新型生物标志物，还有一些其他新型生物标志物在研究中被发现具有早期检测AKI中的潜在作用，如金属蛋白酶组织抑制因子2(TIMP2)和胰岛素样生长因子结合蛋白7(IGFBP7)，两者均是细胞周期停滞生物标志物，已经在动物模型和初步人类研究中进行了研究，研究发现心脏术后尿IGFBP7和TIMP2的水平不但准确的预测了CSA-AKI，而且尿液中这两种细胞周期阻滞标志物TIMP-2与IGFBP7的组合在多个临床环境中对AKI的风险预测显示出良好的结果[34]。一项荟萃分析证实IGFBP7和TIMP2在心脏术后24 h内尿液中的水平可以预测CSA-AKI的发生发展[35]。α-MG、NAG、uAGT、Net0rin 1、环形导向受体4、Semaphorin 3A、uMMP-7、铁调素等新型生物标志物在一些动物实验及小型研究中也表现出预测CSA-AKI的能力，但是仍然需要开展大型的研究来进一步证实其预测CSA-AKI的能力，并对它们围手术期血液或者尿液的水平对预测术后死亡率及远期预后的能力进行评价。

3 新型生物标志物的联合应用

心脏术后早期发现CSA-AKI并予以临床干预会改善其发病率和死亡率，目前已经开发了数种新型生物标志物用于CSA-AKI的早期检测，它们不但单独使用时具有良好的特异性及灵敏度，而且在联合使用能够体现出更高的价值。其中包括新型生物标志物间联合使用、新型生物标志物与常规实验室检查联合使用及新型生物标志物与术前风险评分联合应用均可提高其新特异度及灵敏度。同时，有学者指出，在CSA-AKI的早期诊断中，单独使用血清肌酐或新型生物标志物仅能证实一过性的临床肾损伤，不能准确的预测其临床结果[36]，所以在临床实践中，新型生物标志物与其他实验室检查项目联合应用是必要的。

3.1 NGAL在我国大部分医疗中心已经成为肾功能检查所包含的常规项目，其对多种不同临床环境的AKI均具有早期诊断意义。NGAL与血清肌酐的联合应用是被广泛接受的，为早期及严重的CSA-AKI提供了早期诊断的实验室检查依据[37]。NGAL可以进一步联合ACEF评分(年龄、肌酐与射血分数评分)对术后CSA-AKI的发生发展的可能性进行综合评估。ACEF评分是术前验证CSA-AKI的风险模型之一，这种风险模型具有相当高的精准度，在高风险人群中，术前通过ACEF评分进行风险评估从而预估风险分层，并在术后联合尿NGAL水平进行联合预测CSA-AKI，能比术后早期单独使用NGAL提供具有更高准确性的风险识别效果[38]。在儿童患者群体中，根据尿NGAL、CysC、血清肌酐的浓度进行综合计算，对术后严重的AKI和持续性AKI可以进行早期诊断。同样，尿液NGAL与尿液IGFBP7和TIMP2联合使用，也可以更加精准的预测CSA-AKI的发生[39]。

3.2 可能由于KIM-1在肾功能快速下降的情况下由肾小管分泌至尿液中，并且心脏术后患者疾病的特殊性及各个临床中心的护理差异，导致尿KIM-1与其他生物标志物的相关性较弱，联合应用很难达到其预期效果，但IL-18与KIM-1的联合应用可以增加KIM-1的总体预测CSA-AKI的能力，研究表明，术后两者联合使用的操作者曲线下面积(AUC)可达0.93，尤其是对预测术后AKIN 3期的AKI[40]。另外，在心脏同种异体移植的研究中，KIM-1与Scr及eGFR联合应用可以增加对CSA-AKI诊断的准确率，这进一步说明了KIM-1联合肾功能基础实验室检查也是必要的，可以提高KIM-1的灵敏度及特异性。此外，基于一项针对micro RNA的研究中，在大鼠、接受心脏手术的成年患者尿液中监测micro RNA的值与KIM-1的分布曲线相符合[41]，提示两者联合应用可能进一步提高早期预测的准确度，但是尚未在临床实践中大面积开展，如何更加有效的使用KIM-1及其他的实验室检查也是未来需要进一步研究的。

3.3 血清Cys-C水平的测定容易受到个体的因素影响，导致灵敏度及特异度较其他的新型生物标志物低，为了更加准确的预测CSA-AKI，有学者提出Cys-C与其他的实验室检查及生物标志物联合应用可以提高Cys-C的预测能力，主要包括与基于术前血肌酐水平、eGFR、RIFLE标准的联合应用，不但能增强其预测能力，而且对冠脉旁路移植术术后的死亡风险的评估也有一定帮助[42]。Cys-C与术后蛋白尿可以更好的判断CSA-AKI的发生，可以提高对持续性或重度AKI、院内死亡及透析的风险进行精准的预测[43]。单独测定NGAL或Cys-C均会受到患者自身因素的影响，但共同使用两者对碘剂造影后发生的AKI早期诊断有更好的效果，在儿童重症监护室中发现上述组合可预测危重患儿早期的AKI。但是对于儿童及成人患者群体的CSA-AKI笔者尚未发现相关报道，但是有针对婴儿的前瞻性研究中发现，接受体外循环下心脏手术的婴儿患者术后血清的Cys-C升高是NGAL阳性的更具特异性和敏感性的生物标志物，Cys-C可以更好地识别NGAL阳性患者CSA-AKI的发生[44]。笔者所见对于Cys-C联合其他新生生物标志物来早期预测CSA-AKI的研究尚少，缺乏多中心、前瞻性的研究。

3.4 笔者所见目前针对L-FABP与其他新型生物标志物及实验室检查联合应用相关研究尚少，检索发现L-FABP与NGAL、NAG联合应用可以增加L-FABP对CSA-AKI的准确度。在心脏手术后0 h及2 h的尿液L-FABP与NGAL的水平均增加，在相同的时间点分析两种新型生物标志物能增加预测CSA-AKI的准确率，并且提高了对AKIN Ⅱ、Ⅲ期的预测能力[45]。另外一项针对成人患者的研究发现由术后0 h、4 h、12 h尿L-FABP和NAG组成的生物标志物组是更加有效的，在这项研究中发现术后第4小时的尿L-FABP水平显示出高灵敏度，NAG水平具有高特异性，两者结合后对早期诊断CSA-AKI具有高特异度及灵敏度[46]。

CSA-AKI是心脏术后主要常见且严重的并发症，Scr和eGFR对于早期诊断CSA-AKI的不足之处在于其常在肾功能明显下降后才会出现改变，近年新型生物标志物对早期诊断CSA-AKI的相关研究取得了极大的进展，它们与血清肌酐相比具有多重优势，而且心脏术后患者的尿液及血液生物标志物在心脏手术后24 h内测量时具有最佳的辨别力，虽然它们的术中或术后出现时间、临界值、峰值及对不同患者群体早期预诊断特异度、灵敏度均无统一的标准，但是对于早期预测CSA-AKI它们潜力是巨大的，在未来的研究中我们更应该关注它们能否预测亚临床AKI及其他不良结果，以及是否可以根据术后新型生物标志物水平指导的早期干预治疗是否可以挽救肾脏的损伤及改善术后死亡率，另外也可以在其他临床环境中使用这些生物标志物，并在临床实践中逐渐完善的体系及诊断标准，并且进一步明确其成本问题，在控制最佳医疗成本的情况下准确地早期预测AKI的发生。