课件：《毒理学基础》第章肾脏毒理学.ppt

第18章 肾脏毒理学,1 概述 2 肾脏结构与功能的生物学基础 3 中毒性肾损伤的部位与类型 4 肾脏的毒性作用机制 5 肾损害的检测与评价 6 几种常见的肾毒物,1 概述,1.1 肾脏是毒物的重要靶器官 1.2 引起肾毒性的主要化学物 1.3 肾脏对毒物的易感性,1.1 肾脏是毒物的重要靶器官,肾脏在排泄废物、调节细胞外液容量、电解质和酸碱平衡上起着极其重要的作用，也参与一些激素（肾素、红细胞生成素等）的合成与释放以及维生素D的活化。 毒物不但直接影响肾脏功能，同时也间接影响全身的生理功能。 肾脏有较强的代偿能力和多种解毒功能，其也是毒物重要的靶器官之一。,1.2 引起肾毒性的主要化学物,金属和类金属：镉、铋、锂、汞、铊、金、镓、铟、铅、镍、铬、锑、硅、砷、砷化氢。 有机溶剂：卤代烃类（溴二氯甲烷、四氯化碳、氯仿、二溴氯丙烷等）、芳香烃类（甲苯、二甲苯、三甲苯、乙苯、联苯等 ）、脂肪烃类（汽油、煤油、柴油等）、脂环烃类（润滑油、松节油、环乙烷等）。 农药：五氯苯酚、百草枯、敌草快、氯丹、甲醚菊酯、氟乙酰胺等。 生物毒物：黄曲霉素B、桔霉素、细菌内毒素、蛇毒等。 药物：氨基糖苷类抗生素、万古霉素、一代头孢菌素、丝裂霉素、非那西丁、强效利尿药等。 其他：苯酚、乙醛、环氧丙烷、亚硝胺等。,1.3 肾脏对毒物的易感性,为了维持肾脏的功能，需要大量的氧和营养物质，1/3的血浆经肾脏滤过，因此肾脏尤其是肾小管对能造成细胞窒息的因素特别敏感。 水分被重吸收后化学物质在肾小管中被浓缩，使某些在血浆中无毒的物质在肾小管内达到有毒浓度水平；有些物质在浓缩后在肾小管内沉积而造成损害；某些物质或其代谢产物可在肾脏细胞内活化而引起损害。,2 肾脏结构与功能的生物学基础,2.1 肾小球的滤过功能 2.2 肾脏吸收与分泌功能 2.3 逆流放大系统与尿液浓缩机制 2.4 肾脏中外源化学物的生物转化,2.1 肾小球的滤过功能,肾小球的滤过功能是肾小球血管内物质经过球囊进入肾小管的过程。 肾小球滤过膜结构：内层为毛细血管的内皮细胞，对蛋白不起屏障作用；中间为非细胞性的基质膜，是主要的屏障部位，可限制大分子物质通过；外层为球囊上皮细胞，可限制部分物质通过。 屏障功能：机械性屏障只容许直径小于2nm的物质自由通过；电荷屏障可限制带相同电荷物质的通过。 影响滤过速率的因素：滤过膜的通透性；有效滤过压（肾小球毛细血管压-血浆胶体渗透压-囊内压）；肾血流量。,2.2 肾脏吸收与分泌功能,人日双肾滤过液达180L，而终尿仅1.5L左右，99%的液体被重吸收回到血液。钠、尿素等被肾小管不同程度吸收，肌酐、尿酸和钾分泌至肾小管腔。 近曲小管：NaCl的主动重吸收。CO2与H2O在碳酸酐酶的作用下生成H2CO3，后者解离出H+进行H+-Na+交换，而使Na+、水重吸收。 髓袢：降枝水大量重吸收；升枝NaCl主动重吸收使间质渗透压梯度形成。 远曲小管及集合管： ADH促进水的重吸收；H+-Na+交换同近曲小管；Na+-K+交换（醛固酮有促进作用）。 肾的排泄功能用清除率（C）表示：C=UV/P U：尿中被测物质的浓度；V：每分钟尿量；P：血中被测物质的浓度。,2.3 逆流放大系统与尿液浓缩机制,髓袢升枝NaCl主动重吸收使间质渗透压形成从皮质到髓质由低到高的梯度。 远曲小管及集合管从皮质到髓质由于间质的渗透压逐步增高，加之ADH的促进作用，使管腔中的水不断被重吸收，使尿液不断浓缩。,2.4 肾脏中外源化学物的生物转化,肝中存在的代谢酶，在肾中也可出现，但含量较低。 肾中的代谢酶有细胞色素P450、N-脱甲基酶类、芳烃羟化酶类、7-乙氧基香豆素-O-脱乙基酶、UDP-葡萄糖醛酸转移酶、磺基转移酶、硝基氧化酶类、硫氧化酶类、环氧化物水化酶及谷胱甘肽转移酶类等。 肾中的代谢产物的作用是双向性的。有些经肾转化后的产物形成对肾有损害作用的毒物，有些则经肾转化后具有肝外解毒作用。,3 中毒性肾损伤的部位与类型,外源化学物通过各种途径进入机体内对肾脏产生直接或间接毒性,肾毒性物在肾组织都有主要的作用部位，表现为毒物对肾脏毒作用的选择性。 3.1 肾小球损伤 3.2 肾近曲小管损伤 3.3 髓袢、远曲小管及集合管损伤 3.4 肾脏疾病分类,3.1 肾小球损伤,肾小球是肾脏最先接触毒物的部位，但很少毒物引起肾小球损伤。 肾小球的损伤主要是肾小球膜上的一些成分与毒物间相互作用的结果。如氨基糖苷类抗生素造成肾小球滤过率的降低是因其阳离子与内皮细胞的阴离子部位的静电相互作用，改变了肾小球的带电状态，影响了内皮细胞滤膜的大小与数目。 有些毒物可直接损伤肾小球上皮细胞和肾毛细血管膜。 免疫复合物可以参入到小球内部与补体相结合。毒物也可以作为半抗原，与肾小球蛋白相互结合成全抗原，从而刺激抗体的产生。抗体与细胞表面抗原结合，在肾小球中形成免疫沉积物。,3.2 肾近曲小管损伤,近曲小管是肾毒性物引起肾脏损伤最常见的部位，主要与毒物在近曲小管内选择性蓄积有关。 与远曲小管相比，近曲小管上皮细胞不够紧密，毒物更易渗入到细胞内。更重要的是有机离子、低分子量蛋白、多肽、谷胱甘肽结合物和金属都集中在近曲小管内，并在此发生转运和蓄积。 毒物在肾脏中的转运和蓄积是毒物引起肾脏毒性的必要条件，后者还可能取决于细胞靶位的反应能力。 此外，细胞色素P450和胱氨酸结合-溶酶的活性也是增加近曲小管易感性的因素，因其可活化某些毒物。,3.3 髓袢、远曲小管及集合管损伤,髓袢、远曲小管及集合管的功能主要是离子和水的重吸收，与近曲小管相比，化学物造成这些远端小管的损伤较为少见。 化学物造成这些远端小管的损伤主要表现为浓缩和酸化能力受损，而造成多尿的机制也不尽相同。如抗肿瘤药物顺铂可引起髓袢和集合管的浓缩功能损伤，造成对ADH的耐受。,3.4 肾脏疾病分类,3.4.1 免疫介导肾小球疾病 3.4.2 直接肾小球损伤 3.4.3 急性肾小管损伤 3.4.4 急、慢性间质性肾炎,3.4.1 免疫介导肾小球疾病,免疫介导的肾小球肾炎：可能是由于循环的抗体与肾小球结构抗原或非肾小球抗原相作用产生的沉积物所致（抗肾小球基底膜抗体（GBM）介导，特征是在肾小球基底膜上有IgG沉着），也可能是循环免疫复合物沉着的结果（免疫复合物介导，特征是在肾小球基底膜上有颗粒状的IgG沉着）。 一些药物如非甾体抗炎药和锂盐可导致微小肾小球改变的肾病综合征。 能引起该类疾病的有许多潜在的环境毒物和药物，如金、汞、D-青霉胺、非甾体抗炎药、二乙酰吗啡、盐酸肼屈嗪、甲基苄肼和二苯基乙内酰脲等。,3.4.2 直接肾小球损伤,化学物可直接引起肾小球损伤，但不常见。 金和硅能沉着于肾小球系膜细胞中，这种沉着反应可能是肾小球细胞和炎症细胞扩散的一种反应。肾小球膜的损伤可能转变为肾小球渗透性改变。肾小球膜收缩使肾小球毛细管变小变窄，从而降低肾小球滤过率。 纤维沉积也可能导致肾小球损伤。纤维蛋白沉着可以从本质上通过多种途径导致肾小球损伤，包括阻塞肾小球毛细血管、干预渗透反应或对肾小球系膜细胞的直接毒性作用。,3.4.3 急性肾小管损伤,毒物引起急性肾小管损伤是其对细胞的直接毒性作用。 毒物引起小管细胞的坏死可导致急性肾衰。 临近小管的衬里细胞的损伤可通过这些细胞正常重吸收的物质（葡萄糖、氨基酸、磷酸盐、钠等）的排泄增加而显现。 小管损伤延伸至小管末梢部分时，可引起肾功能丧失，出现酸性尿、水电解质平衡紊乱。 对肾小球的损伤可伴随肾小管毒性，可进一步导致慢性间质性肾病。如重金属铅和镉对肾脏的毒性。,3.4.4 急、慢性间质性肾炎,急性间质性肾炎：可能由对化学物（甲氧青霉素、利尿药、非甾体抗炎药金盐、汞等）的免疫反应（包括体液免疫和细胞免疫）所引起。这种损害显著的特点是单核细胞和嗜酸性白细胞浸润到肾间质。浸润其中的淋巴细胞是T细胞，其中主要是T4（辅助/诱导）细胞，少部分为T8（抑制/细胞毒）细胞。 慢性间质性肾炎：较急性间质性肾炎少见。其形态学特征是单核细胞浸润、显著的间质纤维化和小管萎缩。,4 肾脏的毒性作用机制,细胞死亡 活性中间代谢产物 细胞容积和离子稳态 细胞骨架和细胞极性 钙的内稳态,细胞死亡,肾细胞死亡是细胞损伤的最终结果，包括坏死和凋亡。其中毒物的损伤以坏死为主。 坏死常累及一大团细胞，细胞肿胀、体积增大，细胞破裂，内容物溢出，并伴随炎症。 凋亡往往仅影响散在细胞，首先细胞形态完整而体积减小，最终细胞变成小碎片，并被邻近的细胞和吞噬细胞所吞噬，无炎症反应。,活性中间代谢产物,有些无毒性的物质可经过代谢而活化，造成细胞损伤和死亡： 生成亲电子的物质（如烷化剂），可与细胞成分结合； 经P450代谢产生N-乙酰-邻-苯喹啉（乙酰氨酚）和光气（氯仿），与细胞大分子发生共价结合而损伤细胞； 增加活性氧而生成过氧化物（氧自由基、过氧化氢等），引起细胞氧化性损伤（细胞膜流动性、通透性活力降低，酶失活，DNA或染色体断裂）,细胞容积和离子稳态,细胞容积与离子内稳态有密切联系，对肾小管上皮的重吸收也至为重要。毒物一般都通过与细胞膜作用，增加离子通透性和抑制能量产生而影响细胞容积和离子内稳态。 正常情况下膜的转运可维持细胞内离子的平衡和跨膜离子转运，ATP的失代偿可以抑制膜的转运功能。随着ATP的耗竭，钠钾ATP酶活性受抑制，引起钾外流、钠氯内流增加，细胞肿胀，最后细胞溶解。,细胞骨架和细胞极性,毒物可以引起一些早期膜完整性的变化，如刷状缘的丧失、浆膜变性和细胞极性的改变。 这些可能与毒物诱发的细胞骨架改变有关。 近曲小管有明显的极性，在毒物作用下，由于能量代谢紊乱，骨架的重排，导致近曲小管的极性破坏。,钙的内稳态,钙作为第二信使对细胞功能有多种重要作用。 细胞内游离钙水平的升高，能活化一些钙离子依赖性酶，如磷脂酶和蛋白酶，造成细胞骨架和一些与收缩有关成分的功能。,5 肾损害的检测与评价,肾损害的评价原则：需要整体实验与离体试验研究相结合，不仅需要用不同种系动物研究，也要结合人群临床及流行病学研究。 5.1 整体实验 5.2 离体试验,5.1 整体实验,5.1.1 肾脏浓缩-稀释试验 5.1.2 尿成分测定： 尿蛋白 尿糖 尿酶 5.1.3 肾小球滤过率测定： 菊糖清除试验 内生肌酐清除率测定 血清肌酐和血尿素氮测定 肾对氨基马尿酸清除试验 形态学和酶组织化学检查,5.1.1 肾脏浓缩-稀释试验,在限制饮水条件下，因肾远曲小管和集合管对水重吸收增加，使尿量减少，尿比重升高（人大于1.02），即浓缩功能。 在大量饮水条件下，因肾远曲小管和集合管对水重吸收相对减少，使尿量增加，尿比重降低，即稀释功能。 该功能试验先进行肾脏浓缩功能试验，后进行稀释功能试验。,尿蛋白,正常生理情况下，尿中仅有未被肾小管完全吸收的少量小分子蛋白。 若尿中蛋白质量增加，则可能有肾脏损伤。 如果以大分子蛋白为主或出现大量蛋白质，提示肾小球的选择性滤过功能障碍或结构不完整； 若以小分子蛋白为主，则提示损伤部位主要在近曲小管，也可能是血中小分子蛋白质量异常升高。 动物试验时，因动物尿蛋白的差异较大，因此应设置正常对照。,尿糖,生理情况下，原尿中葡萄糖的浓度未超过肾糖阈时，能被肾小管完全吸收。 因此，如果血糖不高而出现尿中葡萄糖浓度增高，提示肾小管功能障碍。,尿酶,尿酶可来自肾单位脱落溶解的细胞、血浆中经肾小球滤过后未被重吸收的小分子蛋白质、其它泌尿道上皮细胞。 尿酶是肾损害早期和敏感的指标之一，对急性肾损害比对慢性肾损害更有意义。 尿中碱性磷酸酶和-谷氨酰转移酶活性增高，是刷状缘受损的标记； 尿中存在细胞浆或线粒体内的酶如乳酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶活性升高，是广泛细胞损伤的标记。 注意：尿酶活性正常，并不能说明没有肾损伤，因其大部分在早期即已随尿排出。 动物试验中，应选用肾酶分布与人接近的动物大鼠。,菊糖清除试验,菊糖是一种多糖，能被肾小球滤过，但不被肾小管重吸收或分泌，在体内不被代谢，也不与血浆蛋白结合。在静脉注射菊糖后，收集一定时间内的尿液，然后测定血浆和尿中的菊糖浓度，按下式计算其清除率，以反映肾小球的滤过功能。 菊糖清除率（ml/min）= 尿量（ml） X 尿中菊糖浓度（mg/L） 血浆中菊糖浓度（mg/L）,内生肌酐清除率测定,肌酐为肌酸的代谢产物，其滤过后肾小管无任何吸收，内生肌酐清除率测定的意义同菊糖清除率测定的意义相同。 内生肌酐清除率（升血浆/24小时）= 尿肌酐浓度（mg/L） X24小时尿量（L） 血浆肌酐浓度（mg/L）,血清肌酐和血尿素氮测定,血清肌酐和血尿素氮可间接反映肾小球滤过率，但没有菊糖清除率和内生肌酐清除率灵敏。 在肾小球滤过率下降50%-70%的情况下血清肌酐和血尿素氮才会增高。 且在脱水、少尿、蛋白分解代谢增强时血清肌酐和血尿素氮也会升高。,肾对氨基马尿酸清除试验,血中对氨基马尿酸（PAH）几乎全部通过肾脏分泌而被清除，血中PAH经过肾脏时，被清除的量与肾血流量成正比，其清除值可看作肾有效肾血流量（ERPF），再用红细胞比容进行校正，可求出肾血流量（RPF）。 ERPF=（尿中PAH 浓度 X 每分钟尿量）/血浆中PAH 浓度 RPF=ERPF/（1-红细胞比容）,形态学和酶组织化学检查,急性或慢性毒性试验结束时，需常规称量肾脏和体重，计算脏器系数。脏器系数改变，提示可能有肾脏损害。 大体检查还能发现肾脏有无充血、水肿、纤维化等病理改变。 镜检能发现肾脏在组织学及亚细胞水平上损害的部位、范围、性质、形态学特征及严重程度。 酶组织化学检查能对某些病损或某些功能（如一些酶活性）进行定位研究。,5.2 离体试验,离体试验可对肾功能和肾毒性检测在肾单位、甚至部分肾小管水平进行，更有利于对毒作用机制的阐明。 离体试验周期短、成本低、可同时检测多种化学物。 5.2.1 肾皮质薄片或肾组织片段培养 5.2.2 离体灌注肾小管技术 5.2.3 其他试验技术,5.2.1 肾皮质薄片或肾组织片段培养,该试验是先将肾皮质用组织切片机切成0.2-0.5mm的薄片，然后置入一定的培养基中培养，培养基中加入待测的化学物，经过一定时间后，测定培养基和薄片中化学物的比值。 该试验主要反映肾皮质细胞对化学物质的转运能力。,5.2.2 离体灌注肾小管技术,该技术是将肾小管分离出来后，再进行灌注试验。 该技术复杂、难度大，且需在显微镜下操作。 最佳的试验动物是家兔。,5.2.3 其他试验技术,包括有： 离体肾灌注； 原代肾细胞培养； 亚细胞器分离； 建立肾细胞株。,6 几种常见的肾毒物,汞 镉 氯仿 四氟乙烯 溴化苯,汞,汞进入体内可在组织细胞中迅速氧化成无机汞。 汞在体内可与含巯基的化合物（包括含巯基酶、蛋白质、氨基酸）发生特异结合而影响其功能。 肾脏是无机汞蓄积的主要器官。无机汞的急性肾毒性，一般在接触后4