パートⅠ：急性および慢性腎臓病のバイオマーカー
Mar 06, 2022
ウィリアムR.チャン1、ChiragR.Parikh
概要：の現在の一次元パラダイム肝臓疾患検出は、腎病理の複雑さと不均一性と互換性がありません。 腎疾患の診断は主に糸球体濾過に焦点を合わせていますが、腎尿細管の健康状態の評価は特にありません。 傷害に続いて、腎臓尿細管細胞は、尿および体循環における低分子量タンパク質の産生および蓄積をもたらす細胞応答のカスケードを受ける。 分子分析とプロテオミクスの最近の進歩により、腎臓病を評価および特徴づけるためのバイオマーカーとして、これらのタンパク質の同定と定量化が可能になりました。 このレビューでは、腎疾患の病態生理学に強力な基盤を持っている腎尿細管の健康の有望なバイオマーカーを強調しています。 これらのバイオマーカーは、急性から慢性肝臓病気患者のケアを改善する可能性を示します。
キーワード：バイオマーカー; 急性肝臓けが; AKI; 慢性肝臓疾患; CKD;肝臓
前書き
腎臓病複雑で不均一です。 それでも、肝臓疾患腎臓の特殊な濾過ユニットである糸球体に大きく依存しています。 この一次元のパラダイムは、腎臓病の診断と治療を制限し、その結果はすぐに明らかになります：両方急性および慢性腎臓病臨床管理を上回り続けており、重大な世界的な健康問題としてますます認識されています（1）。 そして、これらの状態は病気の経過の中で検出されるのが遅すぎるため、最小限に抑えるために開発された効果的な治療法はありませんでした肝臓けが、病気の経過を変えるか、関連する罹患率と死亡率を制限します。
具体的には、腎臓病の診断は、糸球体によって大部分が自由に濾過される、クレアチンとホスホクレアチンの分解産物である血清クレアチニンに依存してきました。 アクセス可能で手頃な価格の血清クレアチニンは、損傷の検出の遅延など、腎臓損傷の間接的なマーカーとして多くのよく認識されている制限にもかかわらず、ほぼ1世紀の間ゴールドスタンダードであり続けています（表1）（2、3）。 さらに、血清クレアチニンは、糸球体または尿細管の損傷がない場合に増加する可能性があり、特に患者が良好な基礎腎機能と有意な腎予備能を持っている場合、重大な尿細管損傷の条件下で変化しない可能性があります（4–6）。
これらの制限に対処するために、新しい技術を採用した研究は、腎臓によって直接生成されるか、腎臓損傷後の尿細管細胞の機能不全の結果として蓄積する尿または体循環における腎尿細管損傷の構造マーカーを特定することに焦点を当てています（7– 10）。 の病態生理にリンク肝臓けが、尿細管の健康のこれらのバイオマーカーは、早期の検出、損傷の場所の特定、病因の識別、および予後の予測を可能にする可能性があります肝臓病気。 実際、肝臓尿細管特に重要かもしれません。 腎臓のエネルギー消費の大部分は、腎臓の非糸球体機能の恒常性維持に費やされており、最近の研究では、肝臓疾患糸球体起源（11）が尿細管間質性線維症の程度に依存している場合でも。 このレビューでは、腎臓損傷の病態生理学において強力な基盤を持っている有望な腎臓バイオマーカーを強調しています（12）。 これらのバイオマーカーは、急性腎障害（AKI）のさまざまな病因で調査されており、最近では慢性腎臓病（CKD）のさまざまな症状にまで拡大しています。 急性から慢性腎臓病のスペクトルからさまざまな特定の臨床設定でのそのようなバイオマーカーのアプリケーションの結果を提示し、これらのバイオマーカーの臨床アプリケーションの幅を示しています。
腎臓の尿細管の健康のバイオマーカー
腎臓バイオマーカーの分野での研究の多くは、血清クレアチニンが定常状態にない可能性がある状態であるAKIの調査から始まりました。 したがって、心臓組織のトロポニンに類似した、真の腎臓組織損傷と密接に関連するバイオマーカーは、腎臓への急性傷害の検出にとって特に重要です。 腎尿細管の健康に関するさまざまなバイオマーカーが、ネフロンの特定の部分に局在し、腎障害の過程で明確な機械的反応を表すことができる動物モデルおよび臨床研究で特定されています。 腎臓の病理の直接的な指標として、これらのバイオマーカーは血清クレアチニンの限界に対処する可能性があります。 いくつかのよく研究された腎臓バイオマーカーは、損傷の局在化とメカニズムによって分類された、広範な生理学的概要とともに提示されます（図1および2）。 これらのバイオマーカーは、腎臓損傷の病因の複雑さと、腎臓病を特徴づけて治療するための現在のアプローチでは適切に捉えられていない不均一性へのレンズを提供します。
管状損傷のバイオマーカー
最初の損傷への応答として、尿細管上皮細胞は微妙な変化を受け、特定のタンパク質を尿と体循環に放出します。 好中球ゼラチナーゼ関連リポカリン（NGAL）は、リポカリン2（LCN2）とも呼ばれ、ヒト好中球のマトリックスメタロプロテイナーゼ-9に結合する糖タンパク質であり、最も広く研究されている腎臓バイオマーカーの1つです。 これは、リポカリンスーパーファミリーに属する25- kDaタンパク質であり、細胞の恒常性を維持するために膜を介した親水性物質の輸送に関与しています（13）。 NGALは、細菌のシデロホアを結合して鉄を隔離することにより、細菌の増殖を抑制し、生存のために鉄の獲得を必要とする病原体に対する宿主の防御に重要です。 NGALは、肺、胃腸管、肝臓、腎臓などの体内のさまざまな組織で発現し（14）、損傷、炎症、および腫瘍性形質転換に応答して、損傷した上皮細胞で著しく誘導されます（14）。 したがって、血漿および尿中NGALの両方が腎臓損傷の有望なバイオマーカーとして調査されてきましたが、尿中NGALは、傷害後に腎臓によって産生されるものにより特異的です。 げっ歯類モデルでのトランスクリプトームプロファイリング研究により、NGALは、尿細管損傷後の非常に早い時期に、特に遠位ネフロンセグメントにおいて、腎臓で最も上方制御される遺伝子の1つとして特定され、証拠は、NGALが腎臓損傷の最も初期の既知のマーカーである可能性を示唆しています（15、16）。 尿中NGALレベルは、マウスモデルで腎虚血再灌流傷害から2時間以内に有意に上昇し（17）、術後AKIを発症した小児では心臓手術後2時間以内に尿と血清の両方のレベルが上昇しました（18）。 さらに、CKDでは、ヒトの尿中NGALレベルは、推定糸球体濾過率（eGFR）と逆相関し、間質性線維症と尿細管萎縮の両方と直接相関することが示されています（19）。 これらの有望な発見に基づいて、商用NGALテストは、米国食品医薬品局（FDA）による承認待ちで、ヨーロッパおよびアジアでのAKIの検出に使用することが承認されています。
腎臓損傷分子-1（KIM -1）、T細胞免疫グロブリンおよびムチンドメイン含有タンパク質-1（TIM -1）およびA型肝炎ウイルス細胞受容体1（ HAVCR -1）は、90- kDaタイプ1膜貫通型糖タンパク質であり、虚血性損傷後の腎臓、特に近位尿細管細胞で有意に発現しますが、健康な腎臓では実質的に存在しないか、低レベルで存在します。 （20、21）。 KIM -1は、近位尿細管損傷のマーカーとして進化しました。これは、実質的にすべてのタンパク尿性、毒性、および虚血性腎疾患の特徴です。 KIM -1は、虚血による損傷のモデル（20、22）やさまざまな腎毒素（23–28）を含む、腎臓病のいくつかの動物モデルにおいて、腎臓損傷の高感度で特異的なマーカーであることが示されています。 前臨床データは、尿細管損傷のマーカーとして機能することに加えて、KIM -1がAKIの後期にアップレギュレーションされ、腎修復に重要な役割を果たすと考えられていることも示しています（29）。
メタロプロテイナーゼ-2（TIMP -2）およびインスリン様成長因子結合タンパク質7（IGFBP -7）の組織阻害剤は、腎臓損傷に対する一般的に誘発される応答である細胞周期停止のメディエーターです。 。 IGFBP -7（p523およびp21を介して）とTIMP -2（p27を介して）の両方が、サイクリン依存性プロテインキナーゼ複合体の効果をブロックし、短期間のG1細胞周期停止を引き起こします（30–32）。 これらのバイオマーカーは、もともと重篤な病気の臨床現場で発見され、急性心血管および/または呼吸障害のある集中治療室の患者での臨床評価と組み合わせて使用することがFDAによって承認されています（33）。
最小限に抑える効果的な治療法はありません腎臓障害
管状機能のバイオマーカー
アデノシン5'-三リン酸（ATP）に富む近位尿細管の主な機能は、ろ液の大部分を再吸収することです。 したがって、糸球体によって濾過され、近位尿細管によって処理または再吸収される小分子は、近位尿細管機能の効果的なバイオマーカーとして役立つ可能性がある。 尿中のこれらのタンパク質のレベルの上昇は、不可逆的な細胞死の前に、近位尿細管でのマルチリガンドエンドサイトーシス受容体であるメガリンによる吸収の低下を示している可能性があります。 たとえば、シスタチンCは、すべての有核細胞によって一定の速度で生成され、糸球体濾過によってのみ排除される13kDaの低分子量タンパク質です。 尿細管によって分泌も再吸収もされませんが、近位尿細管細胞によるほぼ完全な異化作用を受けるため、通常の状況では尿中にほとんど現れません。 近位尿細管での再吸収の障害は、動物およびヒトの尿中シスタチンCレベルの著しい増加につながる可能性があります（34、35）。
1-ミクログロブリン（1M）は、近位尿細管機能のマーカーのもう1つの典型的な例です。 1Mは、約27〜30 kDaの低分子量糖タンパク質であり、リポカリンスーパーファミリーのもう1つのメンバーです。 1Mは主に肝臓で合成され、遊離型と免疫グロブリンA（IgA）との複合体の両方で利用できます（36）。 1Mは糸球体で自由にろ過され、メガリン媒介によって完全に再吸収され、通常の近位尿細管によって異化されます。 したがって、尿細管濃度1Mの上昇は近位尿細管損傷または機能不全を示し、尿細管性疾患の患者は尿細管1Mレベルが上昇していることがわかっています。 類似のメカニズムに従う2-ミクログロブリンおよびレチノール結合タンパク質とは異なり、1Mは尿中のpHレベルの範囲でより安定しており（37）、現在、尿細管機能障害の優れた尿バイオマーカーとなっています。
L型またはレバー型脂肪酸結合タンパク質（L-FABP）は、遊離酪酸に選択的に結合してミトコンドリアまたはペルオキシソームに輸送する15- kDaタンパク質であり、遊離酪酸が酸化されて関与します。細胞内酪酸ホメオスタシスにおいて。 オレイン酸とビリルビンの結合タンパク質として肝臓で最初に単離されたが、現在では、さまざまな組織で発現するいくつかの異なるタイプのFABPが存在することが知られている。 循環するL-FABPは糸球体で濾過され、近位尿細管細胞によって再吸収されると考えられています。 L-FABPはマウスモデルでは合成されませんが、急性虚血性損傷後のヒトの近位尿細管で発現します（38）。 したがって、L-FABPレベルの上昇は、成人と子供の両方でAKIの高感度かつ特異的なマーカーであることが示されています（39、40）。 L-FABPは肝臓でも発現するため、肝障害はAKI中のこのバイオマーカーの尿中レベルの上昇の一因となる可能性があります。 しかし、以前の臨床研究では、血清L-FABPレベルは尿中レベルに有意な影響を及ぼさず、肝疾患の患者の尿中L-FABPレベルは健康な被験者よりも有意に高くないことが示されています（39-42）。
タムホースフォールタンパク質としても知られるウロモジュリン（UMOD）は、ヘンレ係蹄の太い上肢の細胞によってのみ産生される85-kDa糖タンパク質です。 これは生理的尿中に最も豊富なタンパク質であり、システイン残基が多数あるため、凝集する傾向があり、硝子体の主成分です（43）。 UMODの生理学的機能はまだ解明されていませんが、塩の恒常性の調節と、感染の予防や腎結石の抑制などの免疫学的腎保護の付与に関与しています。 動物モデルと臨床設定の研究は、尿細管の質量と機能のバイオマーカーとして機能する能力を示しており、したがって、UMODは多くの腎臓病の状態と逆に関連していることが示されています。 証拠はまた、UMODがヘンレ係蹄の上肢の無傷の尿細管細胞の量の直接的なマーカーであり、したがって残りの機能性尿細管の数のマーカーを表す可能性があることを示しています（44）。
腎臓のバイオマーカーは検出に重要です腎臓障害
腎臓の炎症のバイオマーカー
腎臓内の炎症経路の活性化と損傷部位への炎症細胞の動員は、腎臓損傷への早期の反応です。 このような炎症性メディエーターには、インターロイキン-18（IL -18）、18- kDa炎症性サイトカイン、およびIL-1スーパーファミリーのメンバーが含まれます。 傷害に対する初期の反応として、この炎症性サイトカインの前駆体であるプロIL -18は、尿細管細胞およびマクロファージ内でカスパーゼ1によって切断され、IL-18は尿細管内腔および全身に放出されます。サーキュレーション。 前臨床研究は、IL -18が急性尿細管損傷のメディエーターであり、腎実質の好中球と単球の両方の浸潤を誘発することを示しています（45、46）。 さらに、IL -18はマクロファージの活性化に主要な役割を果たすことが実証されており、IL -18-欠損骨髄を移植したマウスは、IL -18が豊富な骨髄を移植したマウスよりもAKIが少なくなります（47 ）。 同様に、AKI、腫瘍壊死因子-（TNF-）、誘導性一酸化窒素シンターゼ、マクロファージ炎症性タンパク質-2、および単球化学誘引物質タンパク質-1（MCP {{ 20}}）メッセンジャーRNAの発現はすべて減少しており、AKIに対するIL-18の主要な炎症性媒介効果を示しています。 免疫応答には、IL-6やIL-10などのさまざまな追加メディエーターが関与します。 IL -6は、急性腎障害後の炎症反応のオーケストレーションでよく特徴付けられている主要な炎症誘発性メディエーターであり、全身性などの他の炎症誘発性候補と比較して、腎患者の優れたマーカーであることが示されています。炎症性マーカーC反応性タンパク質。 一方、IL -10は、IL -6の効果に拮抗する、炎症の調節と抑制という重要な機能を実行する典型的な抗炎症性サイトカインです。
さらに、腎尿細管細胞は、TNF-およびIL -1を含む炎症性サイトカインに応答してMCP-1も産生します（48）。 MCP -1は、CCモチーフ細胞表面受容体ケモカイン受容体2（CCR2）との相互作用を通じて血中単球および組織マクロファージを引き付ける走化性タンパク質です（49、50）。 炎症誘発性刺激に応答して、MCP -1は、線維芽細胞、内皮細胞、末梢血単核細胞、上皮細胞など、さまざまな種類のヒト細胞で発現します（50–54）。 尿と血清のMCP-1レベルの間に相関関係がないことは、尿のMCP -1が、血清MCP -1のろ過の結果ではなく、腎臓によって局所的に生成されることを示唆しています（55–57） 。
軽度の炎症の循環マーカーである可溶性TNF受容体（TNFR1およびTNFR2）も、最近、腎臓病のバイオマーカーとして実証されています。 これらの可溶性タンパク質は、TNFシグナル伝達経路に不可欠な、膜結合型の受容体から放出される循環型の受容体であり、アテローム性動脈硬化症および腎疾患の進行に重要な役割を果たすことが実証されています（58–60）。 具体的には、TNF経路は動物モデルの糖尿病性腎症の発症と進行に関与しており（61）、可溶性TNFR2融合タンパク質であるエタネルセプトによるTNF阻害はアルブミン尿と組織損傷を改善しました（62）。 TNF受容体は、1型単一膜貫通型糖タンパク質のグループであるTNF受容体スーパーファミリーに属しています。 TNF-のTNFRへの結合は、核因子カッパB（NF-κB）またはアクチベータータンパク質1（AP -1）の活性化を介して炎症反応とアポトーシスを調節します。 ヒトでは、初期の研究により、循環TNFRのレベルの上昇は、糖尿病性腎症のCKDステージ3および末期腎疾患（ESRD）への進行、およびすべての原因による死亡率と強く関連していることが示されています（59、60、63）。 文献は主に糖尿病性腎症での使用を支持していますが、これらの研究における非糖尿病患者のサブ分析は、腎疾患の他の病因におけるそれらの有用性も確認しています（64）。
早期の検査と治療は、腎障害を元に戻す可能性を高める可能性があります
適応修復および線維症のバイオマーカー
炎症に続いて、損傷の後に修復プロセスまたは進行中の炎症の進行が続き、最終的に線維症につながる可能性があります。 適応修復および線維症のこれらの厳しく規制された経路は、これらの経路に関与する尿中バイオマーカーによって捕捉される可能性があります。 YKL -40は、マウスではキチナーゼ3- Dislike protein1およびBRP-39とも呼ばれ、40-kDaの炎症性糖タンパク質です。細胞損傷に対する好ましい反応を調節する（65）。 このタンパク質は、炎症後の適応修復反応を示す可能性があるとの仮説が立てられています。 たとえば、低酸素性肺損傷では、BRP -39 / YKL -40が肺損傷、炎症、および上皮アポトーシスを制限することが実証されています（66）。 Brp39ノックアウトマウスの研究により、マクロファージ由来のBRP -39は、Akt（PKB、プロテインキナーゼBとしても知られる）の活性化を介して腎尿細管アポトーシスを制限し、腎虚血再灌流傷害後の生存率を改善するのに重要であることが明らかになりました（ 67）。
対照的に、他のバイオマーカーは、線維症の特徴である細胞外マトリックスの沈着を反映しています。 生理学的条件下では、腎臓は間質に少量のコラーゲンが存在しますが、進行性で持続的な損傷を受けた腎臓はコラーゲン産生の増加を示します。 プロコラーゲンIII型N末端プロペプチド（PIIINP）は、III型コラーゲンの合成および沈着中に放出されるIII型プロコラーゲンの42-kDaアミノ酸末端ペプチドです。 したがって、尿中PIIINPレベルは、腎線維症の初期段階のバイオマーカーであると考えられています。 研究によると、尿中のPIIINPレベルはタンパク尿と相関しておらず、したがってこのペプチドの腎内合成を表している可能性が高いことがわかっています（68）。 進行中の研究は、腎修復の調節における腎障害の病態生理学の進化する理解に焦点を合わせています。 心臓や脳とは対照的に、腎臓は虚血性および毒性の傷害に続く固有の再生能力を持っています。 修復が迅速に開始されるか遅延されるかは、腎障害後の転帰に重要な役割を果たす可能性があります。 したがって、適応修復と不適応修復のプロセスとバランスは、治療的介入の重要な接合点である可能性があり、活発な研究努力の焦点となっています。 腎臓生検は侵襲的で比較的困難な手順であるため、CKDの初期線維症の定量化はこれらの非侵襲的バイオマーカーで実現可能になる可能性があります。
たとえば、損傷に対する尿細管反応の調節に関与している上皮成長因子（EGF）（69、70）は、4件の研究で腎生検トランスクリプトーム駆動型発見アプローチを介して慢性腎臓病のバイオマーカーとして特定されました。多様なコホート（71）。 遺伝子発現データの偏りのない機能分析を通じて、EGFは腎機能低下に関与していることが独自に特定されました。 腎内EGFmRNAに加えて、尿中EGFは、生検時のeGFRと、従来の危険因子とは無関係にeGFRの縦断的変化と密接に相関していることがわかりました。 さらに、EGFは、4つの多様なコホートにわたるCKD進行エンドポイントの従来の臨床予後マーカーに予測力を追加しました。 特に有望なバイオマーカーとして、尿中EGFは腎臓に非常に特異的であり、通常は血漿中に最小限しか存在しないことが示されています（72）。 したがって、EGFは再生機能予備能のバイオマーカーであり、侮辱に反応する能力を反映している可能性があると仮定されています。 この理解と一致して、外因性EGF投与は、AKIの動物モデルにおける尿細管修復および腎機能の再生を増強しました。 しかし、興味深いことに、炎症誘発性刺激の存在下で、EGFは傷害をさらに悪化させました（73）。 さらに、尿中EGFは、間質性線維症（74）、糖尿病性腎症（75）、IgA腎症（69、76）、成人多発性嚢胞腎（77）、および小児CKD（78）と逆相関することが示されています。
腎臓の損傷は腎線維化を引き起こす可能性があります
臨床応用
病因または臨床設定に関係なく、腎臓病によるGFRの特定の喪失は、血清クレアチニンレベルの同一の上昇によって検出されます。 ただし、損傷と結果の根本的なメカニズムに関する血清クレアチニンのこれらの上昇の意味は、生理学的状況と上昇が発生する環境に基づいて大幅に異なる場合があります。 尿細管の健康のバイオマーカーは、これらの状態のニュアンスと複雑さをより正確に解決する能力を備えており、検出を改善し、疾患感受性を特定し、無症候性腎疾患を診断し、さまざまな臨床における有害事象の予後を予測する能力を実証しています。設定。 単一のバイオマーカーが病状を特徴づけるには不十分である可能性があることがますます認識されるようになっている。 むしろ、これらのバイオマーカーは状況に依存します。 したがって、さまざまなバイオマーカーがさまざまな設定で有用性を示しており、傷害の根本的なメカニズムの独自の側面を反映しています（図3）。 これらの異なるバイオマーカーカテゴリー間の関係を理解することは、これらの疾患プロセスの理解と表現型の能力を向上させ、次に、新規治療化合物の開発に情報を提供する可能性があります。 これらのバイオマーカーが臨床ケアの進歩に有望であることが示されているいくつかの多様な臨床状況からの観察データを強調します。
これらのバイオマーカーは、慢性腎臓病の臨床ケアを進める上で有望です。
