药源性肾损伤机制研究进展

王雨,孙诗钰,钱徐萍,胡艳东,葛文迪,龚晓健,王永庆

肾脏承担了人体许多重要的生理功能,受限于肾脏的代偿能力,且许多药物在治疗剂量下即导致肾脏损伤,因此药源性肾损伤往往不易发现,且时常错过最佳的预防和治疗时间。

肾毒性可定义为任何由药物直接或间接引起的肾损伤,常见的临床表现为急慢性肾功能衰竭、肾小管疾病及肾小球疾病[1]。目前公认的可引起肾脏毒性的药物主要有氨基糖苷类、喹诺酮类及磺胺类等抗生素,顺铂等抗肿瘤药物,环孢素A等免疫抑制药,非甾体抗炎药(NSAIDS),高渗透碘化造影剂,二磷酸盐类抗骨质疏松药和雷公藤等传统中药[2]。

药物浓度低时,毒性作用主要引起近端小管对多种物质的重吸收障碍,可出现Fanconi综合征等[3];影响远端小管尿浓缩功能和酸化功能,诱发肾性尿崩症或肾小管酸中毒。药物浓度过高时,可导致肾小管上皮细胞大量凋亡,发生急性肾功能障碍。本文主要从细胞毒性作用出发,对不同肾脏损伤的细胞分子机制及代表药物进行归纳总结,以期提高对药物性肾毒性的认识,指导合理用药,降低药源性肾损伤的发生率。

1 氧化应激

氧化应激加速肾脏疾病的进展[4]。机体通过谷胱甘肽(GSH)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)及过氧化氢酶(CAT)等一系列自由基清除系统维持氧化抗氧化系统的动态平衡[5]。平衡被打破时,过量的活性氧(ROS)和活性氮(RNS)会导致脂类、蛋白质和DNA的氧化或调节细胞凋亡相关基因,造成细胞氧化损害,导致细胞凋亡。氧化应激还通过细胞因子释放和炎性细胞在组织中的积累激活炎性反应。药物分子引起氧化应激,其产生ROS的病理条件与两种机制有关:(1)谷胱甘肽耗竭导致内源性ROS增多。药物小分子在肾脏细胞线粒体内蓄积,抑制氧化磷酸化反应,随后出现线粒体内GSH和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)耗竭、ROS积存、细胞炎性因子激增等,最终导致细胞炎性反应和凋亡。顺铂诱导了线粒体抗氧化防御系统衰竭,即顺铂应用后抑制细胞内的GSH产生,而诱导ROS的产生[6]。相关研究表明,顺铂诱导的肾毒性与大鼠肾线粒体氧化应激、氧化还原状态失衡、能量代谢障碍和凋亡有关[7]。肾脏中活性氧主要来源于NADPH氧化酶作用,也有学者表示NADPH氧化酶通过ROS介导的程序性细胞凋亡和炎性反应促进顺铂诱导的急性肾损伤[8]。Trx是一种内源性的氧化还原活性蛋白,Kodama等[9]认为重组人血清白蛋白-Trx(HSA-Trx)是一种预防氧化应激和炎性反应增强的顺铂肾毒性的策略。这些报道均表明顺铂诱导的肾毒性被认为主要通过线粒体损伤和活性氧的生成发生。(2)SOD缺失不能及时清除超氧化物自由基,导致ROS的积累。氧化应激被认为是造影剂引起的急性肾损伤(CI-AKI)的主要机制,造影剂给药后红细胞SOD、CAT、GPx均显著降低[10]。由此可见造影剂给药前的抗氧化治疗有助于防止氧化应激进展,从而降低CI-AKI的风险。

2 溶酶体损伤

溶酶体是分解蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的细胞器。溶酶体内含许多水解酶,当溶酶体内的药物超负荷或细胞衰老时,溶酶体破裂并释放大量药物分子和酸性水解酶,造成线粒体呼吸链功能障碍、微粒体蛋白合成受阻、自由基激增及细胞钙超载等一系列细胞凋亡前表现[11]。氨基糖苷类药物导致近端小管溶酶体功能障碍,是由于近端小管细胞内的磷脂积累所致,药物进入细胞会在溶酶体内蓄积,与磷脂结合,抑制磷脂酶活性,导致溶酶体磷脂病。有研究认为,庆大霉素等氨基糖苷类药物能与近曲小管细胞膜上的磷脂结合后由巨蛋白受体胞饮的方式进入肾小管细胞中[12]。在肾小管细胞内蓄积的庆大霉素可进入溶酶体,通过溶酶体通透性的改变、线粒体通路的触发和Caspase-3途径的激活引起细胞凋亡[13]。

自噬是一种保守的降解细胞质成分的溶酶体途径,肾细胞的基础自噬是维持肾脏稳态、结构和功能的关键[14]。而在应激条件下,自噬失调是急性肾损伤、肾损伤修复不全及慢性肾脏疾病的发病机制之一(包括糖尿病肾病、局灶性节段性肾小球硬化及多囊肾病)[15]。高脂饮食导致磷脂在肾近端小管细胞内的溶酶体中蓄积,诱导溶酶体功能障碍和自噬通量受损,造成线粒体功能障碍和炎性小体激活,从而引起肾脏脂肪毒性[16]。

3 线粒体功能障碍

近年来的研究认为,线粒体功能紊乱在急慢性肾损伤发病过程中起着重要作用。线粒体功能障碍主要是由线粒体呼吸链受阻、膜通透性变化、线粒体自噬抑制等导致,这些生理变化直接或间接地影响整个细胞的正常功能。

异环磷酰胺(ifosfamide,Ifo)是一种常用于治疗恶性肉瘤的细胞毒性药物。Ifo的有毒代谢物氯乙醛(CAA),被认为是Ifo引起的肾脏损害的原因[17]。但氧化应激和线粒体功能障碍被怀疑参与CAA肾毒性的机制[18]。C-I是最大的线粒体呼吸链复合体,对自由基和氧化损伤敏感,易受自由基损伤,从而造成线粒体呼吸链受阻[19]。有研究发现,CAA可能通过抑制近端小管中的C-I复合体的活性,从而引起线粒体呼吸链受阻,造成肾损伤[20]。

马兜铃酸(AA)是一种天然的肾毒素和致癌物,可诱发进行性肾小管间质性肾病。有报道称,线粒体通透性转变在马兜铃酸引起的肾脏损伤中起着重要作用[21]。AA可能通过抑制线粒体内膜上的ADP/ATP转运酶增强线粒体膜通透性,大量物质进出线粒体导致线粒体肿胀破裂,出现Ca2+渗漏、细胞色素c释放和膜去极化等线粒体损伤。

线粒体自噬(mitophagy)是指自噬体选择性隔绝受损线粒体,随后转移至溶酶体进行破坏[22]。自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤能阻断近端小管细胞的线粒体自噬,加重了顺铂诱导的线粒体功能损伤[23]。药物外源性刺激导致线粒体受损,超出线粒体自噬机制的调节能力,功能失调的线粒体快速积聚,引起线粒体依赖性细胞凋亡。

4 有机阴离子转运蛋白

药物分子进入肾小管上皮细胞的方式多种多样,其中有机阴离子转运系统(organic anion transporting,OAT)占主导,是一种药物性肾损害的最基本机制[24]。有机阴离子转运多肽是一类重要的跨膜摄取转运体,主要参与内源物、药物及毒物的转运[25]。多种内外因素(如激素、炎性因子和药物等)会影响OAT的分布、表达及活性,引起底物在肾脏内蓄积的增加或减少,导致食物—药物及药物—药物相互作用。

Hu等[26]报道了OATs依赖的顺铂诱导肾损伤途径,该途径是由有机阴离子转运体OAT1和OAT3介导,细胞外运输减少或细胞进入增加可导致近端小管损伤和AKI。值得注意的是,OAT抑制剂(葛根素、白藜芦醇和大黄酸)通过抑制大鼠OATs和hOAT1/322的功能降低甲氨喋呤对大鼠的肾毒性和对人OAT1/3过表达的细胞毒性[27-28];这一发现也证实OAT1过表达导致药物毒素进入细胞的运输增多,肾脏损伤的风险增加。再者,OATs介导的亚胺培南转运参与了亚胺培南诱导的肾毒性,而西司他丁可通过抑制OATs转运功能或活性抑制亚胺培南肾毒性[29]。故OATs是具有潜在肾毒性治疗作用的靶点,可在临床上避免某些药物引起的肾脏不良反应。

5 结语与展望

不同药物导致的肾损伤机制不同,广泛的病理生理机制和分子机制研究显示出药物和个体的差异性。目前的研究多涉及与免疫损伤和细胞毒性作用,采用现代分子生物学最新技术,在分子、细胞和整体水平上进行系统的毒性机制研究。目前,药物毒性管理和治疗方案的修改主要根据以往经验,具有较大的不确定性。故临床医师需要在掌握药物诱导肾毒性机制的基础上,明确和药物相关的危险因素,通过消除危险因素进行医疗干预。在药物治疗期间监测肾功能和血清药物浓度,尽可能使用最低有效剂量和达到最短的治疗时间。同时,建立对特定药物肾毒性的适当评估系统,以期提高用药的安全性、有效性。

利益冲突：所有作者声明无利益冲突。