防治肾移植中缺血再灌注损伤的研究进展

Abstract

During kidney transplant, the non-specific inflammatory response induced by ischemia-reperfusion injury (IRI) will lead to decreased survival ability of transplanted kidney. However, the effect of IRI on long-term survival rate of allograft is not sure. Here we illuminated the relationship between early IRI and decreased long-term survival ability of allograft by retrospectively analyzing the clinical evidences and laboratory investigations. Previous studies showed that early IRI resulted in the graft loss through reduction of renal functional mass, vascular injury, chronic hypoxia and subsequent fibrosis. IRI was also one of the main factors to induce dysfunction of transplanted kidney and acute rejection reaction, and to decrease the allograft survival. Therefore, it’s better to substitute traditional methods with novel measures during kidney transplant which may relieve the renal IRI much better.

引言

缺血再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury, IRI）是指组织或者器官经过一段时间的缺血后重新恢复血供，但却造成了组织器官功能没有及时恢复，反而加重其功能障碍以及结构损伤的一种病理状态。由于肾脏是具有丰富的肾小球和肾小管的一种高灌注器官，因此对缺血及再灌注都非常敏感。而在肾移植手术中，从开始分离供体肾脏时就不可避免的要经历缺血。首先获取供体肾时会发生短暂的外科热缺血，即从供体血液停止灌入肾脏开始，到灌注液灌入肾脏内部，温度降至 0～4℃；随后肾脏长时间保存在低温保存溶液中又将经历冷缺血，即从肾脏温度 0～4℃ 开始，直到植入受体，血管开放恢复血供前。当血液重新灌注进入肾脏后，便会激活一系列反应加重肾脏损伤，从而导致肾的 IRI 发生。IRI 的发生率高，且与早期肾移植失败有关。目前临床证据表明，长时间缺血的移植肾远期预后更差。有效防治肾 IRI，降低患者死亡率是临床上密切关注的问题。本文回顾性分析了早期 IRI 与远期肾移植失败的相关性等临床研究，并通过阐述与病理及预防移植功能障碍有关的重要概念，进一步总结分析了防治肾移植中 IRI 的新旧方法，为临床治疗提供一定参考。

1. IRI 对肾移植存活率的影响

肾移植的供肾来源主要有三种：心脏死亡器官捐献（donation after cardiac death, DCD）、脑死亡器官捐献（donation after brain death, DBD）以及扩大标准捐献（expanded criteria donation, ECD）。临床上，由于 DCD 供肾需要经历抢救时的低血压和心脏停止搏动后到器官取出之间的热缺血期，所以采用 DBD 供体的效果通常优于 DCD。研究表明，在长时间低温保存后，肾内黏附的白细胞将释放出大量炎性细胞因子并导致肾组织内活性氧的生成，进一步引起肾损伤和随后的移植功能延迟恢复（delayed graft function, DGF）^[1]。肾移植过程中的缺血和再灌注过程都参与了 DGF 的发生发展，从而影响移植肾存活率。

1.1. IRI 对移植肾存活率影响的临床依据

冷缺血时间对于 DGF 是一个独立危险因素^[2]，它可以促使 DGF 发生并增强急性免疫排斥反应，进而降低移植肾的长期存活率。Barba 等^[3]发现将移植肾的缺血时间控制在 18 h 以内，既不会造成 DGF，也没有降低整体移植存活率，而一旦超过 18 h，则每增加 1 h，死亡捐献移植病例中 DGF 的风险就增加 10%。Sert 等^[4]也证明在死亡捐献移植中，冷缺血时间是一个重要的可控危险因素，经历长时间的冷缺血将导致 DGF 的发生率更高。尤其当冷缺血时间超过 20 h 后，这些不良影响将进一步加重。然而也有其他证据表明，在死亡捐献中 DGF 没有影响患者的移植存活率^[5]，实际上只有在急性排斥反应与 DGF 同时发生时，移植肾的存活率才会显著降低。大量的临床证据证明了冷缺血时间与急性排斥反应发生率呈正相关^[2-3]。因此可以认为，缩短冷缺血时间可降低 DGF 和急性免疫排斥反应的发生。目前，针对 DGF 与急性排斥反应之间的关系仍然存在争议。由于各种研究结果不同，仍需进一步探明冷缺血时间、急性排斥反应和移植肾的长期存活率之间的关系。

1.2. IRI 对移植肾存活率影响的假说和机制

移植肾缺血时间延长导致 DGF 的确切分子机制仍有待研究。本文总结回顾了一些相关假说，以解释早期 IRI 与远期肾单位减少之间的关系。

损伤理论认为，IRI 可以增强移植免疫原性^[6]。移植肾的排斥反应始于机体对异体抗原的免疫识别，主要由 T 细胞受体和同种异体抗体介导^[7]。T 细胞的同种异体识别主要有三种不同的途径：第一种是直接途径，T 细胞识别供者抗原递呈细胞（antigen-presenting cell, APC）表面的主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex, MHC）—内源性多肽复合物；第二种途径是间接途径，受者 T 细胞识别由受者树突状细胞（dendritic cells, DC）递呈的供者 MHC—多肽复合物；第三种是半直接途径，受者 APC 表面的 MHC 递呈异体抗原肽，以此获得异体 MHC—抗原肽复合物^[7]。而 IRI 可以通过多种不同的方式影响这些过程：首先，在 IRI 期间，间接途径更容易递呈抗原，以增强同种异体基因识别；其次，IRI 导致激活的巨噬细胞浸润移植肾，并产生白介素-1（interleukin-1, IL-1）、白介素-6（interleukin-6, IL-6）、白介素-12（interleukin-12, IL-12）和白介素-23（interleukin-23, IL-23）等炎性细胞因子，建立炎性环境；第三，DC 在 IRI 期间的迁移又进一步加强了 T 细胞的迁移，增强了免疫反应^[8-9]。很明显，IRI 介导了一种特殊的免疫反应，它通过吸引更多的 T 细胞，建立炎性环境，改变排斥反应和免疫耐受的平衡，从而进一步加速了抗原识别和肾小管细胞损伤。此外，最近还有研究证实了肾脏 IRI 可能通过增强抗体介导的排斥反应来促进体液免疫^[10]。综上所述，IRI 导致了机体启动损伤相关的分子机制程序，引发中性粒细胞和巨噬细胞等炎症细胞涌入，进而增加了移植损伤。

此外，还有研究证明，缺乏一侧肾会导致其对侧肾血流的适应性增加和肾血管阻力降低^[11]。在肾移植中，IRI 可以导致功能肾单位数量减少，从而剩余肾单位负荷增加，引起肾脏增生和肥大^[12]。这些代偿性变化可以暂时维持电解质平衡和预防肾功能衰竭，然而超负荷容易耗尽剩余肾单位，同时导致血液过滤效率降低，积累的有毒代谢产物会增加移植肾的氧化应激和炎症反应，导致功能肾单位进一步减少，进而发展到后期移植失败^[13]。

同时，在肾移植过程中，缺氧导致的微脉管系统损伤和功能障碍可以触发纤维化反应而最终导致移植失败。肾皮质平均氧分压大约为 30 mm Hg，而在肾髓质不超过 10 mm Hg，肾皮质的高氧需求与肾髓质有限的氧供应在有氧糖酵解的帮助下维持着平衡^[14]。然而，这种生理结构非常容易导致肾脏缺氧损伤。缺血时，氧气微妙的供需平衡被打乱，导致再灌注后肾脏内血流灌注仅部分恢复，总血流量减少达 50%。这是因为恢复血供后，肾脏内的炎性细胞在 IRI 时释放的细胞因子激活了凝血途径，促使毛细血管堵塞，而导致微循环功能障碍，最终造成局部甚至整个肾血流灌注严重减少^[15]。有研究证明，在肾活检时，人的腹膜毛细血管数目随着肾功能的丧失而下降^[16]。在肾脏 IRI 初期，炎症反应和氧化应激反应诱导内皮细胞死亡导致血管退化和纤维化组织的沉积，使肾脏形成了低血管和低灌注区，随后肾内细胞被结缔组织取代，从而导致更多的血管退化和纤维化。这种血管的退化和纤维化反应的恶性循环，最终造成了整个肾脏的严重损伤。

2. 肾移植中 IRI 的防治策略

基于 IRI 对于肾移植中肾脏 DGF 及急性排斥反应的影响，为提高移植肾的长期存活率，研究防治肾 IRI 的方法势在必行。因此近年来，众多研究者力图找出一些临床可行的方法用于在 IRI 时肾脏的保护。

2.1. 肾移植中 IRI 的既往防治策略

2.1.1. 缺血预处理

缺血预处理（ischemic- preconditioning, IPC）是指在长时间缺血前反复地进行缺血—再灌注处理，从而诱导机体启动内源性活性物质，以提高抗氧化酶和应激蛋白等的含量及活性，增强组织抗缺氧的能力，从而发挥其对肾脏的保护作用。虽然动物实验和临床研究都证实 IPC 具有一定的保护作用^[17-18]，但这一方法在临床中的广泛实施依然很困难。Chen 等^[19]在一项临床试验中就发现远程 IPC 并没能减轻移植肾的 IRI。因此，这种保护方式确切的治疗效果仍有待探讨。

2.1.2. 药物保护

一直以来，基于已发现的 IRI 的机制，研究者们尝试使用一些具有抗炎、抗细胞凋亡、抗氧化和防止钙超载等功能的药物来防治 IRI，并且取得了较好的效果。例如：他克莫司等免疫抑制剂可以诱导淋巴细胞凋亡，从而减少炎症反应在 IRI 中对肾脏的伤害^[20]；依达拉奉主要通过阻断脂质过氧化反应链，减少氧自由基产生，从而减轻 IRI^[21]；维拉帕米等心血管药物，通过减少细胞外 Ca²⁺内流，减轻 IRI 时肾小管上皮细胞中的 Ca²⁺超载，而达到保护肾脏的目的^[22]。尽管众多研究得到了良好的效果，但是其确定的疗效仍有待进一步的研究。目前临床上依然采用血液透析的方法来应对 IRI 所导致的肾脏 DGF，因此有必要寻找更可靠的方法来防治肾移植中的 IRI。

2.2. 肾移植中 IRI 的新型防治策略

近年来，为了提高移植肾的生存率，针对防治肾移植 IRI 新策略的研究取得了可喜的成果。

2.2.1. 机器灌注对移植器官的保护作用

为了确保移植器官的最佳功能，目前临床使用的两种器官保存方法分别为静态冷藏法和机器灌注法。其中，体外低温机器灌注法（hypothermic machine perfusion, HMP）是部分模拟自然灌注，将冷却的灌注液引入封闭系统，并使灌注液在一定的压力下通过器官的血管床的一种方法。有研究将静态冷藏法与 HMP 对肾脏保护的效果进行对比，结果发现 HMP 有防治移植肾 IRI 的作用^[23-24]。Moers 等^[23]也发现 HMP 相比于静态冷藏法，可以将肾移植中 DGF 的发生率从 26.5% 降低到 20.8%，而将移植肾的一年存活率从 90% 提高到 94%。de Deken 等^[24]最近讨论了关于移植器官采用 HMP 的最佳参数设置的问题，目前仍没有定论。尽管如此，仍有大量证据支持 HMP 在临床实践中使用，特别是在 ECD 中的应用^[23-24]。

最近有研究者提出了一种新的器官保存方法：常温机器灌注法（normothermic machine perfusion, NMP）。从理论上讲，NMP 有利于减少与低温有关的移植器官损伤。Hosgood 等^[25]研究表明，应用静态冷藏法保存移植肾脏的 DGF 发生率为 36.2%，而应用 NMP 的移植肾脏的 DGF 发生率为 5.6%。虽然采用 NMP 保护移植器官的研究取得了一些进展，但主要集中在实验室研究。有限的临床研究调查数据是否可以指导这种方法应用于人类器官移植，仍然未知，因此需要更多的临床研究来验证这种方法的可行性。

2.2.2. 间充质干细胞对移植器官的保护作用

间充质干细胞（mesenchymal stem cell, MSC）是多能干细胞，大量研究表明，在循环中外源性给予 MSC 具有减轻肾 IRI 和促进肾修复的能力^[26]。MSC 可通过抑制：IL-6、白介素—8（interleukin-8, IL-8）和单核细胞趋化蛋白—1（monocyte chemotactic protein-1, MCP-1）等炎性因子的释放^[27]，调整胶原蛋白和金属蛋白酶介导的纤维蛋白以促进细胞外基质重建^[28]，改变和调节包括血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、胰岛素生长因子（insulin-like growth factor, IGF）和肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor, HGF）等从而调节细胞生理过程^[29-30]。总的来说，大量的研究表明 MSC 可以减少移植肾脏在移植过程中发生的 IRI，因此这或许是一个可行的移植肾脏保护策略。

2.2.3. 保护性气体的移植器官保护作用

目前为了更好地防治肾移植中 IRI，研究者们正尝试使用新型保护气体溶液来保护移植器官。

氩（argon, Ar）是一种惰性气体，具有神经保护作用。Faure 等^[31]发现用 Ar 进行低温保存相比于普通保存液可以明显改善移植肾功能，因而认为 Ar 可能提供了一个特殊的保护环境，有利于维护移植肾功能。氙（xenon, Xe）与 Ar 有相似的分子和化学特性，具有形态和功能上的肾保护作用，研究结果发现在移植动物肾缺血之前给予吸入 Xe，可以提高缺氧诱导因子-1α 的翻译效率，有助于增强机体对于低氧的耐受，从而预防急性肾功能衰竭^[32]。同时，Zhao 等^[33]将移植肾保存在 Xe 饱和溶液中可以显著减轻肾脏的组织病理学改变并降低凋亡基因及热休克蛋白的表达，而达到保护肾脏的目的。一氧化碳也可以通过抑制血红蛋白细胞色素 P450 降解，从而消除移植肾内由于过多血红素导致的炎症反应^[34]。此外，大量研究证明硫化氢具有抗凋亡、抗炎和抗氧化等多种作用，因此它也具有一定的防治肾 IRI 的作用^[35-38]。虽然有证据表明这些气体对肾脏 IRI 有防治作用，但是仍然需要在临床实践中进一步证明其可行性和安全性。

3. 结论

目前，面临日益增加的肾移植需求，供体来源已经显得十分匮乏。除了增加供体来源，提高移植存活率也是有待解决的问题之一。尽管免疫抑制剂的使用使得移植存活率有所提高，但其长期存活率仍远未达到理想水平。大量研究表明，肾移植中 IRI 仍是影响器官功能和导致患者生存能力下降的重要因素之一。这表明众所周知的免疫排斥并不是慢性移植肾衰竭的唯一原因，也可能是由 IRI 等因素引起的。目前，移植肾缺血时间延长和延迟移植失败之间的内在联系，以及 IRI 的严重程度和急性排斥反应发生频率之间的联系已经明确。但由于各个文献中存在混杂的结果，因此仍需进一步探索移植肾缺血时间与长期移植肾存活率之间的关系。此外，在防治肾脏 IRI 方面，虽然出现了很多新型保护策略，但其确切的效果和安全性仍需进行临床前期试验或进一步的临床验证。因此，进一步深入了解肾脏 IRI 的机制对于延长移植肾的生存率具有极其重要的意义。通过阻断相关发生机制可能为减轻甚至阻断肾脏 IRI 提供新的途径，从而改善患者预后，提高生存质量。

Funding Statement

国家自然科学基金面上项目（81770703）；四川大学华西医院学科卓越发展 1.3.5 工程项目（ZY2016104）