Large uremic toxins: an unsolved problem in end-stage kidney disease
背景和目的：
近几十年来，随着维持性血液透析（HD）技术的推广，终末期肾脏病（ESRD）患者的预后较以往已明显改善。然而，HD 患者仍面临着炎症和心血管疾病高发的沉重负担。相对于非肾脏病人群，HD 患者往往有着较高的发病率和死亡率，此点在心血管事件发生及相应死亡率上格外明显。研究表明，尿毒症患者的心血管事件与非肾脏病患者相比有着本质区别，这主要体现在前者往往伴随着较高的心室重构和功能紊乱、心律失常、心源性猝死、动脉钙化和瓣膜疾病发生率。虽然具体机制尚不完全明确，人们把上述现象主要归因于尿毒症毒素的作用。实际上，即使采用高通量透析膜，现有的透析技术仍不足以清除分子量＞15kDa 的尿毒症毒素。为了清除这个大的尿毒症毒素，中截留量透析膜应运而生。与既往的高通量透析膜相比，中截留量透析膜孔径更大，孔径分布更均匀，这些特质为进一步清除分子量高至 50kDa 的大的中分子毒素提供了可能。这篇综述主要介绍了 18 种分子量介于 15-60kDa 的尿毒症毒素对患者预后的影响，同时评估了现有透析技术对大的中分子毒素清除不足以及对对未来提高其清除策略做出了展望。
大的尿毒症毒素：
HD 可有效清除循环中水溶性小分子溶质，因此人们通常将尿素清除情况作为验证透析剂量或透析动力学模型的评估指标。中分子量毒素是指分子量介于 500 至 60kDa 的尿毒症滞留溶质，其中许多已经被证实存在着毒性作用。目前的高通量 HD 技术可在保证传统中分子毒素（～15kDa，如β2 微球蛋白）达到有效清除的前提下，又能避免白蛋白（66kD）的大量丢失。血液透析滤过（HDF）可清除分子量高达 25kDa 的毒素，而新问世的中截留量（MCO）膜可将毒素清除谱扩至 50kDa，同时又能保证白蛋白丢失在可控范围内。尿毒症环境导致许多大的中分子毒素滞留，包括许多细胞因子、脂肪因子、生长因子以及其他信号蛋白，各自发挥着不同的生物学效应。尿毒症环境下的滞留使得大部分毒素血浓度较正常人高出 2-10 倍，一些中分子毒素在尿毒症环境下的浓度甚至可以高于正常值 10 倍以上，而采用常规透析无法清除这些毒素。
大的中分子毒素在炎症和心血管疾病发生发展中的作用：
研究表明，炎症状态和心血管疾病的发生发展密切相关，许多细胞因子以及炎症介质浓度在尿毒症环境下明显升高，并在炎症-心血管疾病通路中起着重要作用。
白介素 1β（IL-1β）在促炎症细胞因子级联中起着关键刺激作用，与动脉粥样硬化的进展密切相关。Galea 等发现 IL-1β浓度在病变冠状动脉中明显升高，并与斑块严重程度相关。基因多态性研究揭示了白介素 1 受体拮抗蛋白多态性和冠状动脉疾病间的关系， 同时指出 IL-1β是该过程以及动脉粥样硬化发生发展的使动因素。研究还发现 IL-1β还与 HD 患者的左心室肥厚相关。
白介素 18（IL-18）在尿毒症环境下表达增加，相关研究亦表明其浓度升高与慢性肾脏病（CKD）患者的冠状动脉钙化以及心血管事件死亡率相关。根据针对冠状动脉疾病患者的研究显示，高 IL-18 水平与不稳定冠状动脉斑块形成相关。易感动物实验提示 IL-18 可能通过干扰素伽马依赖途径促进斑块形成。
研究发现，CKD 患者和 HD 患者的白介素 6（IL-6）水平升高与左心室肥厚及心血管事件死亡率相关。人们认为，IL-6 在动脉粥样硬化斑块的发展以及炎症细胞的招募和侵入过程中起着关键作用，同时其可通过发挥血管局部促凝作用进而促进急性血栓形成。人类孟德尔随机化研究也肯定了 IL-6 在冠心病发生发展中的作用。
肿瘤坏死因子α（TNF-α）是一种可由多种类型细胞在炎症刺激诱导下产生的细胞因子，同时也是其他细胞因子，如 IL-1 的下游。TNF-α具有很强的上调免疫反应作用，并由此产生广泛的全身效应包括抑制食欲和诱导发热。研究发现，TNF-α在 ESRD 患者中的浓度可升至原来的 4-5 倍，并且与透析患者的左心室肥厚密切相关。人们认为，高循环水平的 TNF-α可促进心功能不全和纤维化进展，也可通过增加凝血活化物、破坏内皮结构以及促进血管平滑肌细胞的增值和迁移等途径影响血管疾病的进展。Chia 等通过注射 TNF-α观察到其可引起血管急性损害，由此推测 TNF-α与早期动脉粥样硬化的发生发展相关。
穿透素 3（PTX3）是急性反应正五聚蛋白（PTX）家族成员之一，其分子量为 40kDa，是典型的长链 PTX。PTX3 主要由白细胞合成分泌，当在促炎症因子（如 TNF-α和 IL-1）或固有免疫活化物的刺激下，其浓度可快速升高并通过结合病原体进而发挥调理素和补体激活作用。众多研究发现，PTX3 与心血管死亡风险和死亡率增加相关。与 CRP 主要在肝脏合成不同，PTX3 的大量分泌主要与受动脉粥样硬化斑块影响的细胞相关，因此 PTX3 在预测动脉粥样硬化上较 CRP 有着更高的特异性。Koga 和 Shindo 的研究提示，PTX3 可能还与冠状动脉和颈动脉不稳定斑块的形成相关。
尿毒症环境下的脂肪因子紊乱与心血管疾病
人体脂肪组织有着强大的内分泌功能，能够分泌信号通路蛋白参与一系列病理生理过程，这些信号通路蛋白被统称为脂肪因子。脂肪因子有着不同的生理活性，其中一些属于中分子溶质，可在肾脏病患者体内蓄积，而脂联素正是其中比较具有代表性的一种，近来越来越受到人们的关注。正常情况下，脂联素血浓度水平与机体脂肪含量呈负相关。循环脂联素主要以三聚体和其他更高分子量的多聚体形式存在，其中主要发挥生理性保护作用的是多聚体脂联素。研究发现，低脂联素水平与肥胖相关性胰岛素抵抗、代谢综合症以及心血管疾病相关。
脂联素在动脉粥样硬化的进程中发挥着多种多样的生物学效应，这可能与其不同分子量聚合物作用于不同的受体有关。尽管众多研究指出脂联素在体内有着抗炎作用，然而矛盾的是，CKD 患者体内的高脂联素水平往往伴随着高风险的心血管疾病发生率。Alam 等发现肾移植患者体内的高脂联素水平与更高的死亡风险相关。Ayerden 等通过研究透析患者发现高脂联素水平还与炎症因子如 IL-6 和 TNF-α相关。另有研究发现脂联素和死亡率之间存在 U 型曲线关系，提示可能混杂了营养不良、炎症和或消耗对死亡率的影响。
与脂肪因子不同，瘦素在动脉粥样硬化发生发展中的机制更加明确。研究发现，瘦素主要通过增加内皮素以及引起 NO 生成调节异常，介导损害血管舒张能力，进而参与早期动脉硬化形成。Zeidan 等发现瘦素可通过促进血管平滑肌细胞肥大以及其上调 1 型血管紧张素 II 受体表达来强化血管紧张素 II 相关的血管功能紊乱。瘦素还在促进局部炎症因子表达、增强血小板活化以及促血栓形成等方面发挥着重要作用。研究表明，高循环瘦素水平是预测急性心血管事件的独立危险因子。
内脂素，又称为磷酸核糖转移酶（NAMPT），是一种分子量为 52kDa，主要由内脏脂肪细胞分泌的脂肪因子。内脂素在细胞内参与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸生物合成，而在细胞外则发挥着更广的生物学效应，包括刺激血管和血管平滑肌细胞生成、促进内皮细胞增殖、抗巨噬细胞凋亡、促进血管炎症以及内皮损伤等。Dahl 等研究发现，循环内脂素水平可用来预测不稳定斑块的形成。
其他与心血管疾病相关的大的中分子毒素
YKL-40，又称壳多糖酶 3 样蛋白 1，是一种分子量高达 40kDa 的糖蛋白，可由活化巨噬细胞和其他不同类型细胞生成和分泌。作为促炎因子，YKL-40 可通过上调 MCP1 的表达，活化胞质内信号通路以促进细胞增殖和存活等方式起着调控炎症标志物的作用。研究发现 YKL-40 与透析患者冠状动脉疾病的发生相关，然而在其他人群中未发现二者间存在相关性。目前有关 YKL-40 的研究尚未深入到具体致病机制，但其可作为卒中标志物这一特质，表明这个分子值得进一步研究。
生长因子家族在刺激细胞增殖和分化方面起着举足轻重的作用，其中一些的浓度在尿毒症环境下有着不同程度的升高，比如血管内皮生长因子 VEGF（～2 倍）、FGF-2(5～20 倍)、FGF-23(～200 倍)。VEGF 分子量为 34kDa, 其在血管生成的生理和病理状态下均起着必不可少的调节作用，同时在促进内皮细胞增殖、迁移和分化上也起着重要作用。研究发现，缺氧及牵张刺激可促进 VEGF 的表达，而 VEGF 在心脏对这些刺激的适应过程中起着重要的作用。Nakano 等发现 VEGF 在发生动脉粥样硬化斑块时表达上升，并与 CKD 程度相关。
成纤维生长因子 2（FGF-2）是一种和心肌肥厚进程相关的信号蛋白。动物实验发现，通过基因敲除手段诱发的 FGF-2 缺乏可有效预防经血管紧张素 II 依耐高血压介导的代偿性心肌肥大，该现象同时也可见于类似 ESRD 环境下的压力/容量负荷模型。值得注意的是，研究发现在 CKD 患者中，循环 FGF-2 水平与动脉粥样硬化的进程呈负相关，提示了其在心血管疾病进展中的作用具有两面性。此外，相关研究还发现 FGF-23 水平与 CKD 患者左室肥厚密切相关。
补体因子 D（CFD）是补体替代通路的整体构件，是 C3 转化酶形成的限速步骤。在 ESRD 环境下，CFD 水平可明显升高（4-17 倍），进而促进过度补体激活导致补体系统失调。既往研究表明补体激活及沉积在内皮功能紊乱和心脏缺血再灌注损伤中起着重要作用，而动物实验提示通过阻断补体通路可缓解上述病理条件下的组织损伤。
CKD 患者的催乳素水平异常升高，究其原因是与肾脏清除率下降以及生成增加相关。目前认为催乳素生物学效应多样，例如可涉及不同程度的心血管疾病。在炎症因子的刺激下，催乳素可促进单核细胞粘附于内皮细胞。当伴发泌乳素瘤时，过量的催乳素与机体胰岛素抵抗和血脂联素水平异常相关。另有研究提示催乳素与 CKD 患者的心血管疾病的发生风险及死亡风险相关。
β 痕迹蛋白在正常情况下可由肾小球自由滤过并在肾小管中完全代谢，当发展至 ESRD 时，其含量通常可增至 20-30 倍。正常情况下，β痕迹蛋白高表达于心脏及心脏血管，与前列腺素的合成相关。研究发现，β痕迹蛋白与 HD 患者的动脉粥样硬化及心血管疾病密切相关。
糖基化终末产物（AGEs）是指在非酶促条件下，相关蛋白质和脂类经糖基化而形成的一大组不同分子量大小的终末产物，根据其来源形式可分为内生型和食物来源型，前者则是导致 AGEs 浓度在尿毒症环境下明显升高的主要原因。 研究发现在 HD 患者中，AGEs 主要以分子量为 70、14 和＜2kDa 大小的形态存在，其与炎症及血管疾病进展相关，可用来评估透析患者的心血管死亡风险。
目前和未来清除大的中分子毒素策略
即时在使用高通量透析膜的情况下，传统的透析方式对大的中分子毒素的清除仍明显不足，例如 CFD 的清除率为 1.8 ml/min 而相比之下尿素的清除率可高达 208 ml/min。人们倾向于采用以对流清除为主的方式，比如 HDF 来改善大中分子的清除，然而受膜孔径大小所限，大的中分子清除量仍不理想。最初，为了解决基于大的中分子物质急性负荷过量而导致继发性 AKI，具有更大孔径的透析膜（又称高截留量透析器）应运而生。然而，在使用这些透析膜的过程中，人们发现在清除目标溶质的同时还伴随着大量白蛋白的丢失。这促进人们通过改进制造工艺研发出了具有更均匀膜孔分布的中截留量（MCO）透析膜，从而实现了在改善大的中分子毒素清除的前提下，又使白蛋白的丢失在可控范围内。目前已有诸多研究提示 MCO 膜在大的中分子毒素清除效率上明显高于高通量膜，例如可以使得 CFD 的清除率从 1.8 ml/min 提升至 26-35 ml/min 或使 YKL-40 的下降率从高通量膜条件下的 19% 升至 61-71%。MCO 膜的应用提升了现阶段临床上清除大的中分子毒素的能力，该技术中长期使用的安全性及对患者预后的影响尚需进一步的研究予以验证。
结论：
大的中分子毒素在尿毒症毒素范围内涵盖较广，与 ESRD 患者的高心血管疾病负担密切相关。现有透析技术对这些毒素的清除能力十分有限。新一代的透析膜显示出了更强大的大中分子清除能力，然而基于大中分子毒素清除的增加是否能改善患者远期预后则需要今后通过更多的前瞻性研究予以验证。
推荐理由：
尽管目前 HD 患者的预后较前已明显改善，但临床上仍面临着极大的炎症和心血管疾病负担，患者远期预后仍不理想。现有透析技术对大的中分子毒素清除不足被认为是导致上述现象发生的主要原因。该综述介绍了 18 种分子量介于 15-60kDa 的尿毒症毒素对患者预后的影响，同时展望了大的中分子毒素清除策略的未来发展方向。
【文献出处：Nephrol Dial Transplant. 2018 Oct 1;33(suppl_3):iii6-iii11】