Част Ⅰ: Биомаркери на остро и хронично бъбречно заболяване

Контакт: emily.li@wecistanche.com

Уилям Р. Джан¹, Чираг Р. Парих

Резюме:Настоящата едноизмерна парадигма набъбрекзаболяванеоткриването е несъвместимо със сложността и хетерогенността на бъбречната патология. Диагнозата на бъбречното заболяване до голяма степен се фокусира върху гломерулната филтрация, докато оценката на здравето на бъбречните тубули забележимо липсва. След инсулт тубулните клетки на бъбреците претърпяват каскада от клетъчни отговори, които водят до производството и натрупването на протеини с ниско молекулно тегло в урината и системното кръвообращение. Съвременният напредък в молекулярния анализ и протеомиката позволи идентифицирането и количественото определяне на тези протеини като биомаркери за оценка и характеризиране на бъбречни заболявания. В този преглед ние подчертаваме обещаващи биомаркери за здравето на бъбречните тубули, които имат силна основа в патофизиологията на бъбречното заболяване. Тези биомаркери са приложени към различни специфични клинични ситуации от спектъра на остри дохрониченбъбрекзаболяваниядемонстрират потенциал за подобряване на грижите за пациентите.

Ключови думи:биомаркери; остърбъбрекнараняване; AKI; хрониченбъбрекзаболяване; ХБН;бъбрек

ВЪВЕДЕНИЕ

Бъбречни заболяванияса сложни и разнородни. И все пак клиничната оценка набъбрекзаболяванедо голяма степен разчита до голяма степен на гломерула, специализираната филтрираща единица на бъбрека. Тази едноизмерна парадигма ограничава диагностиката и лечението на бъбречни заболявания, последствията от които са очевидни: И дветеостри и хронични бъбречни заболяванияпродължават да изпреварват клиничното управление и все повече се признават за значими глобални здравни проблеми (1). И тъй като тези състояния се откриват твърде късно в хода на заболяването, не са разработени ефективни лечения за минимизиранебъбрекнараняване, променят хода на заболяването или ограничават свързаната заболеваемост и смъртност.

По-конкретно, диагнозата на бъбречно заболяване се основава на серумния креатинин, продукт от разграждането на креатин и фосфокреатин, който до голяма степен се филтрира свободно от гломерула. Достъпен и достъпен, серумният креатинин остава златен стандарт в продължение на почти век, въпреки многобройните си добре признати ограничения като индиректен маркер за увреждане на бъбреците, включително забавено откриване на увреждане (Таблица 1) (2, 3). В допълнение, серумният креатинин може да се повиши при липса на гломерулно или тубулно увреждане и може да остане непроменен при условия на значително тубулно увреждане, особено когато пациентите имат добра подлежаща бъбречна функция и значителен бъбречен резерв (4-6).

За да се преодолеят тези ограничения, изследванията, използващи нови технологии, са фокусирани върху идентифицирането на структурни маркери за увреждане на бъбречните тубули в урината или системното кръвообращение, които се произвеждат директно от бъбреците или се натрупват в резултат на дисфункция на тубулни клетки след увреждане на бъбреците (7– 10). Свързани с патофизиологията набъбрекнараняване, тези биомаркери на здравето на тубулите могат да позволят ранно откриване, идентифициране на местоположението на нараняването, етиологично разпознаване и прогностично прогнозиране набъбрекзаболявания. Всъщност характеристиката набъбректубулиможе да бъде особено важно. По-голямата част от енергийния разход на бъбреците е предназначен за хомеостатичното поддържане на негломерулните функции на бъбреците и скорошни проучвания показват, че прогнозата набъбрекзаболяванедори ако гломеруларен произход (11) зависи от степента на тубулоинтерстициална фиброза. В този преглед ние подчертаваме обещаващи бъбречни биомаркери, които имат силна основа в патофизиологията на бъбречното увреждане (12). Тези биомаркери са изследвани при различни етиологии на остро бъбречно увреждане (AKI) и напоследък са разширени в различни прояви на хронично бъбречно заболяване (CKD). Представяме резултатите от приложенията на такива биомаркери в различни специфични клинични условия от спектъра на остри до хронични бъбречни заболявания, демонстрирайки широчината на клиничните приложения на тези биомаркери.

Острото и хронично бъбречно заболяване е основен здравен проблем в световен мащаб

БИОМАРКЕРИ НА ЗДРАВЕТО НА БЪБРЕЧНИТЕ ТУБУЛИ

Голяма част от изследванията в областта на бъбречните биомаркери започнаха с изследвания на AKI, състояние, при което серумният креатинин може да не е в стабилно състояние; по този начин, биомаркери, които са тясно свързани с истинското увреждане на бъбречната тъкан, подобно на тропонина за сърдечната тъкан, биха били особено важни за откриването на остри инсулти на бъбреците. Разнообразие от биомаркери за здравето на бъбречните тубули са идентифицирани в животински модели и клинични проучвания, които могат да се локализират в специфични части на нефрона и да представляват различни механични реакции в процеса на увреждане на бъбреците. Като директни индикатори за бъбречна патология, тези биомаркери могат да се справят с ограниченията на серумния креатинин. Представени са няколко добре проучени бъбречни биомаркери с широк физиологичен преглед, категоризирани по локализация и механизъм на увреждане (фигури 1 и 2). Тези биомаркери осигуряват поглед към сложността на патогенезата на бъбречното увреждане и хетерогенността, която не е адекватно уловена от настоящите подходи за характеризиране и лечение на бъбречно заболяване.

Биомаркери на тубулно увреждане

Като отговор на първоначалното увреждане, тубулните епителни клетки претърпяват фини промени и освобождават специфични протеини в урината и системното кръвообращение. Свързаният с неутрофилна желатиназа липокалин (NGAL), известен също като липокалин 2 (LCN2), е гликопротеин, свързан с матриксната металопротеиназа-9 в човешките неутрофили и е един от най-широко изследваните бъбречни биомаркери. Това е 25-kDa протеин, принадлежащ към суперсемейството на липокалин, който участва в транспорта на хидрофилни вещества през мембраните за поддържане на клетъчната хомеостаза (13). Чрез свързване на бактериални сидерофори и секвестиране на желязо, NGAL инхибира бактериалния растеж и е важен за защитата на гостоприемника срещу патогени, които изискват придобиване на желязо за оцеляване. NGAL се експресира в различни тъкани в тялото, като белия дроб, стомашно-чревния тракт, черния дроб и бъбреците (14) и се индуцира значително в увредени епителни клетки в отговор на нараняване, възпаление и неопластична трансформация (14). По този начин, докато както плазмения, така и уринарният NGAL са изследвани като обещаващи биомаркери за увреждане на бъбреците, уринарният NGAL е по-специфичен за този, произведен от бъбрека след инсулт. Проучванията за профилиране на транскриптоми при модели на гризачи идентифицираха NGAL като един от най-регулираните гени в бъбрека много рано след тубулно увреждане, особено в дисталните сегменти на нефрона, и доказателствата сочат, че това може да е най-ранният известен маркер за бъбречно увреждане (15, 16). Нивата на NGAL в урината са значително повишени в рамките на 2 часа от бъбречна исхемия-реперфузионно увреждане при миши модели (17), а нивата както в урината, така и в серума са повишени в рамките на 2 часа след сърдечна операция при деца, които са развили постоперативна AKI (18). В допълнение, при ХБН е доказано, че нивата на NGAL в урината при хора са обратно пропорционални на изчислената скорост на гломерулна филтрация (eGFR) и пряко корелират както с интерстициалната фиброза, така и с тубулната атрофия (19). Въз основа на тези обещаващи констатации търговските NGAL тестове са одобрени за използване при откриване на AKI в Европа и Азия с очакване на одобрение от Американската администрация по храните и лекарствата (FDA).

Молекула за бъбречно увреждане-1 (KIM-1), известна още като Т-клетъчен имуноглобулин и белтък, съдържащ домейн на муцин-1 (TIM-1) и клетъчен рецептор 1 на вируса на хепатит А ( HAVCR-1), е 90-kDa тип 1 трансмембранен гликопротеин, който се експресира значително в бъбреците, по-специално в проксималните тубулни клетки, след исхемично увреждане, докато практически липсва или присъства в ниски нива в здрави бъбреци (20, 21). KIM-1 се е развил като маркер за проксимално тубулно увреждане, отличителен белег на почти всички протеинурични, токсични и исхемични бъбречни заболявания. Показано е, че KIM-1 е силно чувствителен и специфичен маркер за бъбречно увреждане при няколко животински модела на бъбречно заболяване, включително модели на увреждане, дължащо се на исхемия (20, 22) и различни нефротоксини (23–28). Освен че служат като маркер за тубулно увреждане, предклиничните данни показват също, че KIM-1 се регулира нагоре в по-късните фази на AKI и се смята, че играе важна роля в възстановяването на бъбреците (29).

Тъканните инхибитори на металопротеиназите-2 (TIMP-2) и инсулиноподобния растежен фактор-свързващ протеин 7 (IGFBP-7) са медиатори на спиране на клетъчния цикъл, често индуциран отговор на бъбречно увреждане . Както IGFBP-7 (чрез p523 и p21), така и TIMP-2 (чрез p27) блокират ефекта на циклин-зависимите протеин киназни комплекси и причиняват кратки периоди на спиране на G1 клетъчния цикъл (30-32). Тези биомаркери първоначално са открити в клиничната обстановка на критично заболяване и са одобрени от FDA за употреба във връзка с клинична оценка при пациенти в интензивно отделение, които имат остър сърдечно-съдов и/или респираторен компромис (33).

Няма ефективно лечение, което да се сведе до минимумувреждане на бъбреците

Биомаркери на тубулната функция

Преобладаващата функция на богатите на аденозин 5'-трифосфат (АТР) проксимални тубули е да реабсорбират по-голямата част от филтрата. По този начин, малки молекули, които се филтрират от гломерула и се обработват или реабсорбират от проксималните тубули, могат да служат като ефективни биомаркери на проксималната тубулна функция. Повишаването на нивата на тези протеини в урината може да показва намалена абсорбция от мегалин, мултилиганден ендоцитен рецептор, в проксималните тубули преди необратима клетъчна смърт. Например, цистатин С е протеин с ниско молекулно тегло от 13 kDa, произвеждан с постоянна скорост от всички ядрени клетки и елиминиран изключително чрез гломерулна филтрация. Въпреки че нито се секретира, нито се реабсорбира от бъбречните тубули, той претърпява почти пълен катаболизъм от проксималните тубулни клетки и по този начин малко, ако изобщо се появява в урината при нормални обстоятелства. Нарушаването на реабсорбцията в проксималните тубули може да доведе до значително повишаване на нивата на цистатин С в урината при животни и хора (34, 35).

1-Микроглобулин (1M) е друг прототипен пример за маркер за проксимална тубулна функция. 1M е гликопротеин с ниско молекулно тегло от приблизително 27 до 30 kDa и друг член на суперсемейството на липокалин. 1M се синтезира предимно от черния дроб и се предлага както в свободна форма, така и като комплекс с имуноглобулин А (IgA) (36). 1M се филтрира свободно в гломерула и се реабсорбира напълно чрез медиация на мегалин и се катаболизира от нормалните проксимални тубули. Следователно, повишаването на концентрацията на 1М в урината показва увреждане или дисфункция на проксималните тубули и е установено, че пациентите с бъбречни тубулни заболявания имат повишени нива на 1М в урината. За разлика от 2-микроглобулина и ретинол-свързващия протеин, които следват аналогичен механизъм, 1M е по-стабилен в диапазон от нива на рН в урината (37), което в момента го прави превъзходен уринарен биомаркер за тубулна дисфункция.

L-тип или тип лост свързващ мастни киселини протеин (L-FABP) е 15-kDa протеин, който селективно се свързва със свободни мастни киселини и ги транспортира до митохондрии или пероксизоми, където свободните мастни киселини се окисляват и участват в хомеостазата на вътреклетъчните мастни киселини. Първоначално изолирани в черния дроб като свързващ протеин за олеинова киселина и билирубин, сега е известно, че има няколко различни вида FABP, които се експресират в различни тъкани. Смята се, че циркулиращият L-FABP се филтрира в гломерулите и се реабсорбира от проксималните тубулни клетки. Въпреки че не се синтезира в миши модели, L-FABP се експресира в проксималните тубули на хора след остро исхемично увреждане (38). Съответно е доказано, че повишените нива на L-FABP са чувствителен и специфичен маркер за AKI както при възрастни, така и при деца (39, 40). Тъй като L-FABP се експресира и от черния дроб, чернодробното увреждане може да бъде потенциален фактор за повишени нива на този биомаркер в урината по време на AKI. Предишни клинични проучвания обаче показват, че серумните нива на L-FABP нямат значително влияние върху нивата в урината и че нивата на L-FABP в урината не са значително по-високи при пациенти с чернодробно заболяване, отколкото при здрави индивиди (39-42).

Уромодулин (UMOD), известен също като протеин на Tamm-Horsfall, е 85-kDa гликопротеин, произведен изключително от клетки на дебелия възходящ крайник на Henle. Това е най-разпространеният протеин във физиологичната урина и, с голям брой цистеинови остатъци, има тенденция да агрегира и е основната съставка на хиалиновите отливки (43). Докато физиологичната функция на UMOD все още не е изяснена, тя е замесена в регулирането на солевата хомеостаза и предоставянето на имунологична бъбречна защита, включително предотвратяване на инфекции и инхибиране на нефролитиаза. Проучвания върху животински модели и клинични условия са показали неговата способност да служи като биомаркер за тубулна маса и функция и, съответно, е доказано, че UMOD е обратно свързан с много състояния на бъбречно заболяване. Доказателствата също така показват, че UMOD е директен маркер за количеството непокътнати тубулни клетки на възходящия крайник на бримката на Хенле и по този начин може да представлява маркер за броя на оставащите функционални тубули (44).

Бъбречните биомаркери са важни за откриванетоувреждане на бъбреците

Биомаркери на бъбречно възпаление

Активирането на възпалителни пътища в бъбреците и набирането на възпалителни клетки към мястото на увреждане е ранен отговор на бъбречно увреждане; такива възпалителни медиатори включват интерлевкин-18 (IL-18), 18-kDa провъзпалителен цитокин и член на суперсемейството на IL-1. Като ранен отговор на увреждане, прекурсорът на този възпалителен цитокин, pro-IL-18, се разцепва от каспаза 1 в клетките на бъбречните тубули и макрофагите и IL-18 се освобождава в тубулния лумен и системно тираж. Предклиничните проучвания показват, че IL-18 е медиатор на остро тубулно увреждане, предизвикващо неутрофилна и моноцитна инфилтрация на бъбречния паренхим (45, 46). Освен това е доказано, че IL-18 играе основна роля в активирането на макрофагите, като мишките, присадени с костен мозък с дефицит на IL-18-, изпитват по-малко AKI, отколкото тези с костен мозък, наситен с IL-18 (47 ). По подобен начин, при IL-18 нокаут мишки с AKI, тумор некрозисфактор- (TNF-), индуцируема азотен оксид синтаза, макрофагов възпалителен протеин-2 и моноцитен хемоатрактантен протеин-1 (MCP{{ 20}}) експресията на информационна РНК е намалена, демонстрирайки ключовите възпалителни медииращи ефекти на IL-18 върху AKI. Имунният отговор включва различни допълнителни медиатори, включително IL-6 и IL-10. IL-6 е основен провъзпалителен медиатор, който е добре характеризиран в оркестрацията на възпалителния отговор след остър бъбречен инсулт и е доказано, че е превъзходен маркер при бъбречни пациенти в сравнение с други провъзпалителни кандидати, като системния възпалителен маркер С-реактивен протеин. От друга страна, IL-10 е прототипен противовъзпалителен цитокин, който изпълнява критичната функция на модулиране и потискане на възпалението, антагонистичен на ефектите на IL-6.

В допълнение, бъбречните тубулни клетки също произвеждат MCP-1 в отговор на провъзпалителни цитокини, включително TNF- и IL-1 (48). MCP-1 е хемотаксичен протеин, който привлича кръвни моноцити и тъканни макрофаги чрез взаимодействие с хемокиновия рецептор 2 (CCR2) (49, 50) на клетъчно повърхностния рецептор на СС мотив. В отговор на провъзпалителни стимули, MCP-1 се експресира в различни видове човешки клетки, включително фибробласти, ендотелни клетки, мононуклеарни клетки на периферната кръв и епителни клетки (50–54). Липсата на корелация между нивата на MCP-1 в урината и в серума предполага, че MCP-1 в урината се произвежда локално от бъбреците, а не в резултат на филтриране на серумния MCP-1 (55–57) .

Разтворимите TNF рецептори (TNFR1 и TNFR2), циркулиращи маркери на нискостепенно възпаление, също наскоро бяха демонстрирани като биомаркери на бъбречно заболяване. Тези разтворими протеини са циркулиращите форми на рецепторите, отделени от техните мембранно свързани двойници, които са неразделна част от TNF сигналните пътища и е доказано, че играят важна роля в прогресията на атеросклеротичните и бъбречните заболявания (58-60). По-конкретно, пътят на TNF е включен в развитието и прогресирането на диабетна нефропатия при животински модели (61), а инхибирането на TNF с разтворимия слят протеин TNFR2, етанерцепт, е подобрило албуминурията и тъканното увреждане (62). TNF рецепторите принадлежат към суперсемейството на TNF рецепторите, група от единични трансмембранни гликопротеини тип 1. Свързването на TNF- с TNFRs регулира възпалителните реакции и апоптозата чрез активиране на ядрен фактор капа B (NF-κB) или активаторен протеин 1 (AP-1). При хора ранните проучвания показват, че повишените нива на циркулиращите TNFRs са силно свързани с прогресията на диабетната нефропатия до ХБН стадий 3 и краен стадий на бъбречно заболяване (ESRD) и с общата смъртност (59, 60, 63). Въпреки че литературата подкрепя предимно употребата им при диабетна нефропатия, субанализите на пациенти без диабет в тези проучвания също потвърждават тяхната полезност при други етиологии на бъбречно заболяване (64).

Ранното изследване и лечение могат да увеличат шанса за обръщане на бъбречното увреждане

Биомаркери за адаптивно възстановяване и фиброза

След възпаление, нараняване може да бъде последвано от репаративни процеси или продължаващо прогресиране на възпалението, което в крайна сметка води до фиброза. Тези строго регулирани пътища на адаптивно възстановяване и фиброза могат да бъдат уловени от биомаркери на урината, включени в тези пътища. YKL-40, известен също като хитиназа 3-Dislike protein 1 и BRP-39 при мишки, е 40-kDa възпалителен гликопротеин, произведен в широк диапазон от възпалителни клетъчни типове, участващи в модулиране на благоприятни отговори на клетъчно увреждане (65). Хипотезата е, че този протеин може да сигнализира за адаптивния възстановителен отговор след възпаление. Например, при хипоксично белодробно увреждане, BRP-39/YKL-40 е доказано, че ограничава белодробното увреждане, възпалението и епителната апоптоза (66). Изследвания на нокаутирани Brp39 мишки разкриха, че извлеченият от макрофаги BRP-39 е критичен за ограничаване на бъбречната тубулна апоптоза чрез активиране на Akt (известен също като PKB, протеин киназа B) и по този начин подобрява преживяемостта след бъбречно исхемично-реперфузионно увреждане ( 67).

За разлика от тях, други биомаркери отразяват отлагането на извънклетъчния матрикс, което е отличителният белег на фиброзата. При физиологични условия бъбреците имат малки количества колаген в интерстициума, докато бъбреците, претърпели прогресивно и продължително увреждане, показват повишено производство на колаген. Проколаген тип III N-терминален пропептид (PIIINP) е 42-kDa аминокиселинен краен пептид на проколаген тип III, който се освобождава по време на синтеза и отлагането на колаген тип III. Съответно се смята, че нивата на PIIINP в урината са биомаркери на ранните стадии на бъбречна фиброза. Проучванията установяват, че нивата на PIIINP в урината не корелират с протеинурията и следователно вероятно представляват интраренален синтез на този пептид (68). Текущата работа се фокусира върху развиващото се разбиране на патофизиологията на бъбречното увреждане при модулирането на възстановяването на бъбреците. За разлика от сърцето и мозъка, бъбреците притежават присъщи регенеративни способности след исхемични и токсични инсулти. Дали възстановяването е започнало своевременно или е забавено, може да играе важна роля в резултатите след бъбречно увреждане. По този начин процесът и балансът между адаптивното и неадаптивното възстановяване може да бъде важна връзка за терапевтична интервенция и е в центъра на активните изследователски усилия. Бъбречните биопсии са инвазивни и сравнително трудни процедури и по този начин количественото определяне на ранната фиброза при ХБН може да стане осъществимо с тези неинвазивни биомаркери.

Например, епидермалният растежен фактор (EGF), който е замесен в модулирането на тубулния отговор към нараняване (69, 70), е идентифициран като биомаркер на хронично бъбречно заболяване чрез подход за откриване на транскриптом, управляван от бъбречна биопсия, в проучване на четири различни кохорти (71). Чрез безпристрастен функционален анализ на данните за генната експресия, EGF беше уникално идентифициран като участващ в намаляването на бъбречната функция. Заедно с интрареналната EGF иРНК, беше установено, че EGF в урината е тясно свързан с eGFR по време на биопсия и с надлъжни промени в eGFR, независимо от традиционните рискови фактори. Освен това, EGF добави предсказваща сила към традиционните клинични прогностични маркери за крайни точки на прогресия на ХБН в четирите различни кохорти. Като особено обещаващ биомаркер е доказано, че EGF в урината е силно специфичен за бъбреците и обикновено присъства в минимални количества в плазмата (72). По този начин се предполага, че EGF може да бъде биомаркер на регенеративния функционален резерв и да отразява способността да се реагира на обиди. В съответствие с това разбиране, прилагането на екзогенен EGF засилва възстановяването на тубулите и регенерирането на бъбречната функция при животински модели на AKI; интересно е обаче, че в присъствието на провъзпалителни стимули, EGF допълнително влошава увреждането (73). Освен това е доказано, че EGF в урината е обратно пропорционално свързан с интерстициална фиброза (74), диабетна нефропатия (75), IgA нефропатия (69, 76), поликистоза на бъбреците при възрастни (77) и педиатрична ХБН (78).

Увреждането на бъбреците може да причини бъбречна фиброза

КЛИНИЧНИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Независимо от етиологията или клиничната обстановка, дадена загуба на GFR, дължаща се на бъбречно заболяване, се открива чрез идентични повишения на нивата на серумния креатинин. Въпреки това, значението на тези повишения на серумния креатинин по отношение на основните механизми на нараняване и резултати може значително да се различава въз основа на физиологичния контекст и средата, в която се появяват повишенията. Биомаркерите на тубулното здраве имат способността да осигурят по-голяма резолюция в нюансите и сложността на тези състояния, които са показали способността да подобрят откриването, да идентифицират чувствителността към заболяване, да диагностицират субклинично бъбречно заболяване и да предскажат прогнозата на нежеланите събития в различни клинични настройки. Става все по-ясно, че всеки отделен биомаркер може да е недостатъчен за характеризиране на болестното състояние. По-скоро тези биомаркери са зависими от контекста. Съответно различни биомаркери са показали полезност в различни настройки, отразявайки уникалните аспекти на основните механизми на нараняване (Фигура 3). Разбирането на връзките между тези различни категории биомаркери може да подобри разбирането и способността за фенотипиране на тези болестни процеси и от своя страна да информира разработването на нови терапевтични съединения. Ние подчертаваме данни от наблюдения от няколко различни клинични контекста, в които тези биомаркери са показали обещание за напредване на клиничните грижи.

Тези биомаркери са обещаващи за напредване на клиничните грижи за хронично бъбречно заболяване

Моля, щракнете тук за ЧАСТ Ⅱ