Část Ⅰ: Biomarkery akutního a chronického onemocnění ledvin

Kontakt: emily.li@wecistanche.com

William R. Zhang¹, Chirag R. Parikh

Abstraktní:Současné unidimenzionální paradigmaledvinachorobadetekce je neslučitelná se složitostí a heterogenitou renální patologie. Diagnóza onemocnění ledvin se z velké části soustředila na glomerulární filtraci, zatímco hodnocení tubulárního zdraví ledvin výrazně chybělo. Po poškození ledvinové tubulární buňky podstoupí kaskádu buněčných odpovědí, které vedou k produkci a akumulaci nízkomolekulárních proteinů v moči a systémové cirkulaci. Moderní pokroky v molekulární analýze a proteomice umožnily identifikaci a kvantifikaci těchto proteinů jako biomarkerů pro hodnocení a charakterizaci onemocnění ledvin. V tomto přehledu zdůrazňujeme slibné biomarkery tubulárního zdraví ledvin, které mají silné základy v patofyziologii onemocnění ledvin. Tyto biomarkery byly aplikovány na různá specifická klinická nastavení od spektra akutních až pochronickýledvinanemocíprokázat potenciál zlepšit péči o pacienty.

klíčová slova:biomarkery; akutníledvinazranění; AKI; chronickýledvinachoroba; CKD;ledvina

ÚVOD

Onemocnění ledvinjsou složité a heterogenní. Přesto klinické hodnoceníledvinachorobaz velké části se spoléhá na glomerulus, specializovanou filtrační jednotku ledvin. Toto unidimenzionální paradigma omezuje diagnostiku a léčbu onemocnění ledvin, jejichž důsledky jsou snadno zřejmé: obojíakutní a chronická onemocnění ledvinnadále překonávají klinický management a jsou stále více uznávány jako významné globální zdravotní problémy (1). A protože jsou tyto stavy detekovány příliš pozdě v průběhu onemocnění, nebyly vyvinuty žádné účinné léčby, které by je minimalizovalyledvinazranění, změnit průběh onemocnění nebo omezit související morbiditu a mortalitu.

Konkrétně se diagnóza onemocnění ledvin opírala o sérový kreatinin, produkt rozkladu kreatinu a fosfokreatinu, který je do značné míry volně filtrován glomerulem. Přístupný a cenově dostupný sérový kreatinin zůstává zlatým standardem téměř celé století, navzdory svým mnoha dobře známým omezením jako nepřímý marker poškození ledvin, včetně opožděné detekce poranění (tabulka 1) (2, 3). Kromě toho se sérový kreatinin může zvýšit v nepřítomnosti glomerulárního nebo tubulárního poškození a může být nezměněn za podmínek významného tubulárního poškození, zvláště když pacienti mají dobrou základní funkci ledvin a významnou ledvinovou rezervu (4–6).

Aby se tato omezení vyřešila, výzkum využívající nové technologie se zaměřil na identifikaci strukturálních markerů tubulárního poškození ledvin v moči nebo systémové cirkulaci, které jsou přímo produkovány ledvinami nebo se hromadí v důsledku dysfunkce tubulárních buněk po poškození ledvin (7– 10). Souvisí s patofyziologiíledvinazraněníTyto biomarkery tubulárního zdraví mohou umožnit včasnou detekci, identifikaci místa poranění, etiologické rozlišení a prognostickou předpověďledvinanemocí. Ve skutečnosti, charakteristikaledvinatubulymůže být obzvláště důležité. Velká většina energetického výdeje ledvin je věnována homeostatickému udržování neglomerulárních funkcí ledvin a nedávné studie prokázaly, že prognózaledvinachorobai když glomerulární původ (11) závisí na rozsahu tubulointersticiální fibrózy. V tomto přehledu zdůrazňujeme slibné biomarkery ledvin, které mají silné základy v patofyziologii poškození ledvin (12). Tyto biomarkery byly zkoumány u různých etiologií akutního poškození ledvin (AKI) a nedávno se rozšířily do různých prezentací chronického onemocnění ledvin (CKD). Prezentujeme výsledky aplikací takových biomarkerů v různých specifických klinických podmínkách od spektra akutních až po chronická onemocnění ledvin, což ukazuje na šíři klinických aplikací těchto biomarkerů.

Akutní a chronické onemocnění ledvin je závažný celosvětový zdravotní problém

BIOMARKERY ZDRAVÍ LEDVIN

Velká část výzkumu v oblasti biomarkerů ledvin začala zkoumáním AKI, což je stav, kdy sérový kreatinin nemusí být v ustáleném stavu; biomarkery, které úzce korelují se skutečným poškozením ledvinové tkáně, podobně jako troponin pro srdeční tkáň, by tedy byly zvláště důležité pro detekci akutních poškození ledvin. Na zvířecích modelech a klinických studiích byla identifikována řada biomarkerů tubulárního zdraví ledvin, které se mohou lokalizovat do specifických částí nefronu a představují odlišné mechanické reakce v procesu poškození ledvin. Jako přímé indikátory patologie ledvin mohou tyto biomarkery řešit omezení sérového kreatininu. Je prezentováno několik dobře prostudovaných biomarkerů ledvin se širokým fyziologickým přehledem, kategorizovaným podle lokalizace a mechanismu poškození (obrázky 1 a 2). Tyto biomarkery poskytují objektivní pohled na složitost patogeneze poškození ledvin a heterogenitu, která není adekvátně zachycena současnými přístupy k charakterizaci a léčbě onemocnění ledvin.

Biomarkery tubulárního poranění

Jako odpověď na počáteční poranění procházejí tubulární epiteliální buňky jemnými změnami a uvolňují specifické proteiny do moči a systémového oběhu. Neutrofilní gelatináza-asociovaný lipokalin (NGAL), také známý jako lipokalin 2 (LCN2), je glykoprotein vázaný na matrix metaloproteinázu-9 v lidských neutrofilech a je jedním z nejvíce studovaných ledvinových biomarkerů. Je to 25-kDa protein patřící do nadrodiny lipokalinů, který se podílí na transportu hydrofilních látek přes membrány k udržení buněčné homeostázy (13). Prostřednictvím vazby bakteriálních sideroforů a sekvestrování železa NGAL inhibuje růst bakterií a je důležitý v obraně hostitele proti patogenům, které vyžadují získání železa pro přežití. NGAL je exprimován v různých tkáních v těle, jako jsou plíce, gastrointestinální trakt, játra a ledviny (14), a je výrazně indukován v poraněných epiteliálních buňkách v reakci na poranění, zánět a neoplastickou transformaci (14). Zatímco tedy plazmatický i močový NGAL byly zkoumány jako slibné biomarkery poškození ledvin, močový NGAL je specifičtější k tomu, který produkuje ledviny po poškození. Studie profilování transkriptomu na modelech hlodavců identifikovaly NGAL jako jeden z nejvíce upregulovaných genů v ledvinách velmi brzy po tubulárním poškození, zejména v distálních segmentech nefronu, a důkazy naznačují, že to může být nejstarší známý marker poškození ledvin (15, 16). Hladiny NGAL v moči byly významně zvýšeny do 2 hodin od renálního ischemicko-reperfuzního poškození u myších modelů (17) a hladiny v moči i v séru byly zvýšeny do 2 hodin po kardiochirurgickém výkonu u dětí, u kterých se vyvinul pooperační AKI (18). Kromě toho bylo u CKD prokázáno, že hladiny NGAL v moči u lidí nepřímo korelují s odhadovanou rychlostí glomerulární filtrace (eGFR) a přímo korelují jak s intersticiální fibrózou, tak s tubulární atrofií (19). Na základě těchto slibných zjištění byly komerční testy NGAL schváleny pro použití při detekci AKI v Evropě a Asii, přičemž čeká na schválení americkým Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv (FDA).

Molekula poškození ledvin-1 (KIM{1}}), známá také jako imunoglobulin T buněk a protein obsahující doménu mucinu-1 (TIM-1) a buněčný receptor 1 viru hepatitidy A ( HAVCR-1), je 90-kDa transmembránový glykoprotein typu 1, který je významně exprimován v ledvinách, konkrétně v buňkách proximálních tubulů, po ischemickém poškození, zatímco ve zdravých ledvinách prakticky chybí nebo je přítomen v nízkých hladinách (20, 21). KIM{11}} se vyvinul jako marker poškození proximálních tubulů, což je charakteristický znak prakticky všech proteinurických, toxických a ischemických onemocnění ledvin. Ukázalo se, že KIM{12}} je vysoce citlivý a specifický marker poškození ledvin na několika zvířecích modelech onemocnění ledvin, včetně modelů poškození v důsledku ischemie (20, 22) a různých nefrotoxinů (23–28). Kromě toho, že slouží jako marker tubulárního poškození, preklinická data také prokázala, že KIM-1 je upregulován v pozdějších fázích AKI a má se za to, že hraje důležitou roli při opravě ledvin (29).

Tkáňové inhibitory metaloproteináz-2 (TIMP-2) a inzulinu podobný růstový faktor vázající protein 7 (IGFBP-7) jsou mediátory zástavy buněčného cyklu, běžně indukované reakce na poškození ledvin . Jak IGFBP-7 (prostřednictvím p523 a p21), tak TIMP{10}} (prostřednictvím p27) blokují účinek komplexů proteinkináz závislých na cyklinu a způsobují krátká období zástavy buněčného cyklu G1 (30–32). Tyto biomarkery byly původně objeveny v klinickém prostředí kritického onemocnění a byly schváleny FDA pro použití ve spojení s klinickým hodnocením u pacientů na jednotce intenzivní péče, kteří mají akutní kardiovaskulární a/nebo respirační potíže (33).

Neexistuje žádná účinná léčba, kterou by bylo možné minimalizovatporanění ledvin

Biomarkery tubulární funkce

Hlavní funkcí proximálních tubulů bohatých na adenosin-5'-trifosfát (ATP) je reabsorbovat většinu filtrátu. Malé molekuly, které jsou filtrovány glomerulem a zpracovány nebo reabsorbovány proximálními tubuly, tedy mohou sloužit jako účinné biomarkery funkce proximálních tubulů. Zvyšující se hladiny těchto proteinů v moči mohou naznačovat sníženou absorpci megalinem, multiligandovým endocytárním receptorem, v proximálních tubulech před ireverzibilní buněčnou smrtí. Například cystatin C je protein s nízkou molekulovou hmotností 13 kDa produkovaný konstantní rychlostí všemi jadernými buňkami a eliminován výhradně glomerulární filtrací. Ačkoli není ani secernován, ani reabsorbován renálními tubuly, podléhá téměř úplnému katabolismu proximálními tubulárními buňkami, a proto se za normálních okolností v moči objevuje jen málo, pokud vůbec nějaké. Porucha reabsorpce v proximálních tubulech může vést k výraznému zvýšení hladin cystatinu C v moči u zvířat a lidí (34, 35).

1-Mikroglobulin (1M) je dalším prototypovým příkladem markeru funkce proximálních tubulů. 1M je glykoprotein s nízkou molekulovou hmotností přibližně 27 až 30 kDa a další člen nadrodiny lipokalinů. 1M je primárně syntetizován v játrech a je dostupný jak ve volné formě, tak jako komplex s imunoglobulinem A (IgA) (36). 1M je volně filtrován v glomerulu a kompletně reabsorbován prostřednictvím megalinu a katabolizován normálním proximálním tubulem. Zvýšení koncentrace 1M v moči tedy ukazuje na poškození nebo dysfunkci proximálních tubulů a u pacientů s onemocněním ledvinových tubulů bylo zjištěno, že mají zvýšené hladiny 1M v moči. Na rozdíl od 2-mikroglobulinu a proteinu vázajícího retinol, které se řídí analogickým mechanismem, je 1M stabilnější v rozsahu hladin pH v moči (37), což z něj v současnosti činí vynikající biomarker moči tubulární dysfunkce.

Protein vázající mastné kyseliny typu L nebo pákového typu (L-FABP) je 15-kDa protein, který se selektivně váže na volné mastné kyseliny a transportuje je do mitochondrií nebo peroxisomů, kde jsou volné mastné kyseliny oxidovány a účastní se v intracelulární homeostáze mastných kyselin. Nejprve izolován v játrech jako vazebný protein pro kyselinu olejovou a bilirubin, nyní je známo, že existuje několik různých typů FABP, které jsou exprimovány v různých tkáních. Předpokládá se, že cirkulující L-FABP je filtrován v glomerulech a reabsorbován proximálními tubulárními buňkami. Ačkoli L-FABP není syntetizován v myších modelech, je exprimován v proximálních tubulech lidí po akutním ischemickém poškození (38). V souladu s tím se ukázalo, že zvýšené hladiny L-FABP jsou citlivým a specifickým markerem AKI u dospělých i dětí (39, 40). Protože L-FABP je také exprimován játry, poškození jater může být potenciálním přispěvatelem ke zvýšeným hladinám tohoto biomarkeru v moči během AKI. Předchozí klinické studie však ukázaly, že hladiny L-FABP v séru nemají významný vliv na hladiny v moči a že hladiny L-FABP v moči nejsou významně vyšší u pacientů s onemocněním jater než u zdravých jedinců (39–42).

Uromodulin (UMOD), také známý jako Tamm-Horsfallův protein, je 85-kDa glykoprotein produkovaný výhradně buňkami tlusté vzestupné končetiny Henleho. Je to nejhojnější protein ve fyziologické moči as velkým počtem cysteinových zbytků má tendenci agregovat se a je hlavní složkou hyalinních odlitků (43). Zatímco fyziologická funkce UMOD musí být ještě objasněna, podílí se na regulaci homeostázy solí a udělování imunologické renální ochrany, včetně prevence infekcí a inhibice nefrolitiázy. Studie na zvířecích modelech a klinických podmínkách prokázaly jeho schopnost sloužit jako biomarker pro tubulární hmotu a funkci, a proto se ukázalo, že UMOD je nepřímo spojen s mnoha stavy onemocnění ledvin. Důkazy také ukazují, že UMOD je přímým markerem množství intaktních tubulárních buněk vzestupného ramene Henleovy kličky, a může tedy představovat marker pro počet zbývajících funkčních tubulů (44).

Pro detekci jsou důležité ledvinové biomarkeryporanění ledvin

Biomarkery zánětu ledvin

Aktivace zánětlivých drah v ledvinách a nábor zánětlivých buněk do místa poranění je časná reakce na poškození ledvin; takové zánětlivé mediátory zahrnují interleukin-18 (IL-18), 18-kDa prozánětlivý cytokin a člen superrodiny IL-1. Jako časná odpověď na poranění je prekurzor tohoto zánětlivého cytokinu, pro-IL-18, štěpen kaspázou 1 v buňkách renálních tubulů a makrofázích a IL-18 je uvolňován do tubulárního lumenu a systémového oběh. Preklinické studie prokázaly, že IL-18 je mediátorem akutního tubulárního poškození, který indukuje infiltraci neutrofilů i monocytů do renálního parenchymu (45, 46). Kromě toho bylo prokázáno, že IL-18 hraje hlavní roli v aktivaci makrofágů, přičemž myši s štěpem s IL-18-deficitní kostní dření zažívají méně AKI než myši s IL-18 kompletní dření (47 ). Podobně u IL-18 knockout myší s AKI, tumor nekrotizujícím faktorem- (TNF-), indukovatelnou syntázou oxidu dusnatého, makrofágovým zánětlivým proteinem-2 a monocytovým chemoatraktantním proteinem-1 (MCP{{ 20}}) exprese messenger RNA jsou všechny snížené, což ukazuje klíčové účinky IL-18 na AKI zprostředkovávající zánět. Imunitní odpověď zahrnuje řadu dalších mediátorů, včetně IL-6 a IL-10. IL-6 je hlavní prozánětlivý mediátor, který je dobře charakterizován při organizování zánětlivé odpovědi po akutním poškození ledvin a ukázalo se, že je lepším markerem u pacientů s ledvinami ve srovnání s jinými prozánětlivými kandidáty, jako jsou systémové zánětlivý marker C-reaktivní protein. Na druhou stranu, IL-10 je prototypický protizánětlivý cytokin, který vykonává kritickou funkci modulace a potlačení zánětu, antagonistický vůči účinkům IL-6.

Kromě toho tubulární buňky ledvin také produkují MCP-1 jako odpověď na prozánětlivé cytokiny, včetně TNF- a IL-1 (48). MCP-1 je chemotaktický protein, který přitahuje krevní monocyty a tkáňové makrofágy prostřednictvím interakce s CC motivem buněčného povrchového receptoru chemokinového receptoru 2 (CCR2) (49, 50). V reakci na prozánětlivé stimuly je MCP{10}} exprimován v různých typech lidských buněk, včetně fibroblastů, endoteliálních buněk, mononukleárních buněk periferní krve a epiteliálních buněk (50–54). Chybějící korelace mezi hladinami MCP v moči a v séru{13}} naznačuje, že MCP v moči{14}} je produkován lokálně ledvinami, nikoli jako výsledek filtrace sérového MCP-1 (55–57) .

Rozpustné TNF receptory (TNFR1 a TNFR2), cirkulující markery zánětu nízkého stupně, byly také nedávno prokázány jako biomarkery onemocnění ledvin. Tyto rozpustné proteiny jsou cirkulujícími formami receptorů uvolněných z jejich protějšků vázaných na membránu, které jsou nedílnou součástí signálních drah TNF a bylo prokázáno, že hrají důležitou roli v progresi aterosklerotického onemocnění a onemocnění ledvin (58–60). Konkrétně se dráha TNF podílela na rozvoji a progresi diabetické nefropatie na zvířecích modelech (61) a inhibice TNF rozpustným fúzním proteinem TNFR2, etanerceptem, zlepšila albuminurii a poškození tkáně (62). Receptory TNF patří do superrodiny receptorů TNF, což je skupina jednoduchých transmembránových glykoproteinů typu 1. Vazba TNF- na TNFR reguluje zánětlivé reakce a apoptózu prostřednictvím aktivace nukleárního faktoru kappa B (NF-κB) nebo aktivátorového proteinu 1 (AP-1). U lidí rané studie ukázaly, že zvýšené hladiny cirkulujících TNFR jsou silně spojeny s progresí diabetické nefropatie do stadia CKD 3 a konečného stadia renálního onemocnění (ESRD) a s mortalitou ze všech příčin (59, 60, 63). Ačkoli literatura převážně podporovala jejich použití u diabetické nefropatie, subanalýzy nediabetických pacientů v těchto studiích potvrdily jejich užitečnost i u jiných etiologií onemocnění ledvin (64).

Včasné vyšetření a léčba mohou zvýšit šanci na zvrácení poškození ledvin

Biomarkery adaptivní opravy a fibrózy

Po zánětu mohou po poranění následovat reparační procesy nebo pokračující progrese zánětu, která nakonec vede k fibróze. Tyto přísně regulované dráhy adaptivní opravy a fibrózy mohou být zachyceny močovými biomarkery zapojenými do těchto drah. YKL-40, také známý jako chitináza 3-nelíbí se proteinu 1 a BRP-39 u myší, je 40-kDa zánětlivý glykoprotein produkovaný v široké škále typů zánětlivých buněk, které se účastní modulující příznivé reakce na poškození buněk (65). Byla vyslovena hypotéza, že tento protein může signalizovat adaptivní reparační reakci po zánětu. Například u hypoxického poškození plic bylo prokázáno, že BRP-39/YKL-40 omezuje poškození plic, zánět a apoptózu epitelu (66). Studie na myších s knockoutem Brp39 odhalily, že BRP odvozený z makrofágů-39 byl kritický při omezování renální tubulární apoptózy prostřednictvím aktivace Akt (také známé jako PKB, proteinkináza B), a tak zlepšil přežití po renálním ischemicko-reperfuzním poškození ( 67).

Naproti tomu jiné biomarkery odrážejí ukládání extracelulární matrix, které je charakteristickým znakem fibrózy. Za fyziologických podmínek mají ledviny malé množství kolagenu přítomné v intersticiu, zatímco ledviny, které prošly progresivním a trvalým poškozením, vykazují zvýšenou produkci kolagenu. N-terminální propeptid prokolagenu typu III (PIIINP) je 42-kDa aminokyselinový koncový peptid prokolagenu typu III, který se uvolňuje během syntézy a ukládání kolagenu typu III. Hladiny PIIINP v moči jsou tedy považovány za biomarkery časných stádií fibrózy ledvin. Studie zjistily, že hladiny PIIINP v moči nekorelují s proteinurií, a proto pravděpodobně představují intrarenální syntézu tohoto peptidu (68). Pokračující práce se zaměřila na vyvíjející se porozumění patofyziologii poškození ledvin při modulaci opravy ledvin. Na rozdíl od srdce a mozku mají ledviny vlastní regenerační schopnosti po ischemických a toxických inzultech. To, zda je oprava zahájena okamžitě nebo odložena, může hrát důležitou roli ve výsledcích po poškození ledvin. Proces a rovnováha mezi adaptivní a maladaptivní reparací tedy může být důležitou křižovatkou pro terapeutickou intervenci a je středem aktivního výzkumného úsilí. Biopsie ledvin jsou invazivní a relativně obtížné postupy, a proto může být kvantifikace časné fibrózy u CKD s těmito neinvazivními biomarkery proveditelná.

Například epidermální růstový faktor (EGF), který se podílí na modulaci tubulární reakce na poranění (69, 70), byl identifikován jako biomarker chronického onemocnění ledvin prostřednictvím objevu založeného na transkriptomu renální biopsie ve studii čtyř různorodé kohorty (71). Prostřednictvím nezaujaté funkční analýzy dat genové exprese bylo jednoznačně identifikováno, že EGF se podílí na poklesu funkce ledvin. Spolu s intrarenální mRNA EGF bylo zjištěno, že močový EGF úzce koreluje s eGFR v době biopsie a s longitudinálními změnami eGFR, nezávisle na tradičních rizikových faktorech. Kromě toho EGF přidal prediktivní sílu k tradičním klinickým prognostickým markerům koncových bodů progrese CKD ve čtyřech různých kohortách. Ukázalo se, že močový EGF jako zvláště slibný biomarker je vysoce specifický pro ledviny a je za normálních okolností v plazmě přítomen minimálně (72). Proto se předpokládá, že EGF může být biomarkerem regenerační funkční rezervy a odrážet schopnost reagovat na urážky. V souladu s tímto pochopením, exogenní podávání EGF zlepšilo tubulární opravu a regeneraci funkce ledvin na zvířecích modelech AKI; zajímavé však je, že v přítomnosti prozánětlivých stimulů EGF dále zhoršoval poškození (73). Navíc bylo prokázáno, že EGF v moči nepřímo koreluje s intersticiální fibrózou (74), diabetickou nefropatií (75), IgA nefropatií (69, 76), polycystickým onemocněním ledvin dospělých (77) a dětským CKD (78).

Poranění ledvin může způsobit fibrózu ledvin

KLINICKÉ APLIKACE

Bez ohledu na etiologii nebo klinický stav je daná ztráta GFR v důsledku onemocnění ledvin detekována identickým vzestupem hladin kreatininu v séru. Význam těchto zvýšení sérového kreatininu s ohledem na základní mechanismy poškození a výsledky se však může významně lišit v závislosti na fyziologickém kontextu a prostředí, ve kterém ke zvýšení dochází. Biomarkery tubulárního zdraví mají schopnost poskytnout větší rozlišení nuancí a složitostí těchto stavů, které prokázaly schopnost zlepšit detekci, identifikovat náchylnost k onemocnění, diagnostikovat subklinické onemocnění ledvin a předpovídat prognózu nežádoucích příhod v různých klinických nastavení. Stále více se uznává, že jakýkoli jednotlivý biomarker může být nedostatečný pro charakterizaci stavu onemocnění. Tyto biomarkery jsou spíše závislé na kontextu. V souladu s tím různé biomarkery prokázaly užitečnost v různých prostředích, což odráží jedinečné aspekty základních mechanismů poškození (obrázek 3). Pochopení vztahů mezi těmito různými kategoriemi biomarkerů může zlepšit porozumění a schopnost fenotypovat tyto chorobné procesy a následně poskytnout informace pro vývoj nových terapeutických sloučenin. Zdůrazňujeme pozorovací data z několika různých klinických kontextů, ve kterých se tyto biomarkery ukázaly jako slibné pro pokrok v klinické péči.

Tyto biomarkery jsou slibné pro pokrok v klinické péči o chronické onemocnění ledvin

Klikněte prosím zde pro ČÁST Ⅱ