Biomarcatori di danno precoce renale nelle sindromi Cardio-Renali (Rassegna)

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1 Biomarcatori di danno precoce renale nelle sindromi Cardio-Renali (Rassegna) Dinna Cruz 1, Valentina Corradi 1, Elisa Scalzotto 1, Massimo de Cal 1, Grazia Maria Virzì 1, Ching Yan Goh 1,2 e Claudio Ronco 1 1 Dipartimento di Nefrologia, Dialisi e Trapianto renale e International Renal Research Institute Vicenza (IRRIV) Ospedale San Bortolo, ULSS 6, Vicenza 2 Dipartimento di Nefrologia, Selayang Hospital, Selangor, Malaysia INTRODUZIONE L insufficienza renale acuta (Acute Kidney Injury, AKI) rappresenta un problema sanitario importante con un incidenza sempre più in aumento in tutto il mondo, soprattutto tra i pazienti con problemi cardiovascolari 1. In generale, la Sindrome Cardio-Renale, SCR (Cardio Renal Syndrome, CRS) viene definita come un disordine fisiopatologico combinato di cuore e rene, in cui la disfunzione acuta o cronica di uno dei due organi induce un danno/disfunzione dell altro organo. Si suddivide in 5 sottogruppi a seconda dell eziopatogenesi 2. SCR di tipo 1 (SCR acuta): insufficienza cardiaca o coronarica acuta che induce un insufficienza renale acuta di vario grado. SCR di tipo 2 (SCR cronica): un insufficienza cardiaca cronica favorente una progressiva insufficienza renale cronica; SCR di tipo 3 (sindrome Reno-Cardiaca acuta): un insufficienza renale acuta che causa danno/disfunzione cardiaca acuta; SCR di tipo 4 (sindrome Reno-Cardiaca cronica): un insufficienza renale cronica di vario grado che induce disfunzione cardiaca cronica, ipertrofia ventricolare e/o aumentato rischio di eventi cardiovascolari; SCR di tipo 5 (SCR secondaria): caratterizzato dalla presenza di una patologia sistemica acuta o cronica (es. sepsi, amiloidosi) in grado di causare un danno/disfunzione simultanea al rene e al cuore. L'Insufficienza renale acuta è rappresentativa della SCR di tipo 1 e di tipo 3. Scenari clinici tipici appartenenti a questi due sottotipi comprendono lo scompenso cardiaco (Chronic Heart Failure, CHF) o lo scompenso cardiaco acuto ADHF (Acute Decompensated Heart Failure, ADHF), la sindrome coronarica acuta (Acute Coronary Syndrome, ACS) e la nefropatia indotta da mezzo di contrasto (RadioContrast-Induced Nephropaty, CIN), che si verificano in seguito a procedure cardiache diagnostiche o terapeutiche 3. La AKI può anche essere inquadrata nella SCR di tipo 5. Negli ultimi anni è diventato sempre più necessario identificare precocemente l insufficienza renale acuta, differenziando l azotemia, dall insufficienza renale cronica e dall insufficienza renale acuta vera e propria. Sebbene la determinazione della creatinina sierica (scr) sia tipicamente usata per la diagnosi di AKI, essa rappresenta un marcatore insensibile e inaffidabile nella fase acuta di danno renale 4. Infatti, la scr può rimanere entro gli intervalli di normalità nei pazienti anziani, malnutriti o malati cronici, nonostante stiano sviluppando AKI, poiché la sua formazione è proporzionale alla massa muscolare. Infatti l incremento della concentrazione di scr non avviene prima della perdita di almeno metà del tessuto renale funzionante. Per tutte queste ragioni la scr rappresenta più un marcatore di funzionalità che di danno renale. In questo modo la diagnosi clinica di AKI avviene spesso con un ritardo di ore, rispetto al danno, finestra di tempo entro cui si potrebbero già iniziare tutte quelle misure renoprotettive. Ecco perché la necessità di identificare un marcatore predittivo precoce che possa riflettere il danno renale in un paziente acuto ad uno stadio ancora reversibile, permettendo di attuare tempestivamente tutti quegli interventi necessari a ridurre il danno 5. Un marcatore ideale o, come meglio definito dall inglese, un ideal biomarker dovrebbe essere: 1) generato dalle cellule danneggiate; 2) specifico per il danno di quell organo; 3) proporzionale all entità del danno ed esprimersi precocemente, quando il danno è ancora potenzialmente reversibile; 4) la sua concentrazione dovrebbe diminuire velocemente con il temine dell acuzie; infine 5) facile da misurare, rapido e affidabile. In questo articolo descriveremo brevemente i biomarcatori precoci di danno renale acuto. BIOMARCATORI DI DANNO RENALE ACUTO Lipocalina-granulocitaria associata alla gelatinasi La lipocalina-granulocitaria associata alla gelatinasi o siderocalina, meglio conosciuta come Human neutrophil gelatinase-associated lipocalin (NGAL) è una proteina di piccole dimensioni (circa dalton) della famiglia delle lipocaline 6. Inizialmente NGAL venne identificato nei neutrofili, a seguito dell'attivazione dei recettori toll-like. Successivamente, nuove scoperte evidenziarono che le cellule tubulari renali sono capaci di produrre NGAL entro poche ore dall instaurarsi di un evento dannoso 7,8. NGAL ha una funzione di trasporto di sostanze lipofiliche (ad esempio vitamina E e acido arachidonico), del ferro ed è coinvolto nella differenziazione delle cellule epiteliali tubulari e dei nefroni 9. Diversi studi animali di danno ischemico renale in seguito a riperfusione evidenziarono che il gene di NGAL fosse tra i 7 geni altamente sovra-regolati e la proteina facilmente rilevabile nelle urine entro due ore dal danno ischemico 10. NGAL in ACS-AKI. In uno studio pilota condotto su 71 bambini sottoposti a bypass cardio-polmonare (CPB) per disfunzione cardiaca congenita, NGAL dimostrò di essere un eccellente marcatore predittivo di AKI già 2 ore dopo l intervento. L analisi ROC (Receiver Operating Characteristic) ha evidenziato un area sottesa alla curva (Area Under the Curve, AUC) di 0,99 (NGAL urinario) e di 0,90 (NGAL sierico) 11, mentre l incremento della scr era dimostrabile solo dopo ore. Successivi studi di coorte di pazienti adulti sottoposti a rivascolarizzazione 254 LigandAssay 16 (3) 2011

2 coronarica e chirurgia valvolare, evidenziavano risultati con NGAL urinario e sierico predittivo di AKI subito dopo l intervento, con valori di AUC leggermente inferiori: 0,74 12 e 0,80 13 rispettivamente. Valori inferiori di AUC per NGAL negli adulti potrebbero dipendere dalle comorbidità, dalle rilevazioni di NGAL in tempi differenti e dalle diverse metodiche di misurazione. In ogni caso in questi studi la concentrazione di NGAL è proporzionale alla severità e alla durata di AKI. L analisi multivariata ha confermato che la determinazione di NGAL urinario è il più potente, predittivo e indipendente fattore di rischio per lo sviluppo di AKI 14,15. In una recente meta-analisi di 1204 pazienti cardio-chirurgici NGAL era predittivo di AKI con AUC di 0,78, determinando una sensibilità e specificità del 75% 16. NGAL in CIN. In uno studio di 91 bambini sottoposti ad angiografia coronarica le concentrazioni di NGAL urinario e sierico erano significativamente elevate nel gruppo con CIN entro due ore dall intervento 17. La determinazione di AKI utilizzando la scr è possibile solamente da 6 a 24 ore dopo l esposizione. Utilizzando un cut-off di 100 ng/ml, la predizione di CIN entro 2 ore era eccellente sia con NGAL urinario (AUC = 0,92) che sierico (AUC = 0,91) NGAL in ACS e CHF. Il peggioramento della funzionalità renale (WRF) si verifica spesso in pazienti con ADHF e CHF e predice fortemente eventi clinici avversi. Pertanto, una diagnosi precoce di WRF in questi pazienti è di fondamentale importanza 21,22. In uno studio di 91 pazienti con ADHF ricoverati in ospedale caratterizzati da un elevata concentrazione di NGAL sierico all ammissione avevano un rischio più elevato di WRF (Odds Ratio = 1,92; intervallo di confidenza [IC] al 95%, 1,23-3,12; p=0,004). In particolare, concentrazioni di NGAL 140 ng/ml sono state associate ad un aumento di 7,4 volte il rischio di sviluppare WRF con una sensibilità e specificità del 86% e 54% rispettivamente 21. Poniatowski e colleghi 23 hanno dimostrato che NGAL sierico e urinario sono sensibili marcatori precoci di disfunzione renale nei pazienti con CHF, valori normali di scr e ridotta filtrazione glomerulare stimata (egfr). Inoltre NGAL urinario correla direttamente con l escrezione urinaria di albumina e inversamente con egfr, in questi pazienti 22. In uno studio di 46 pazienti anziani con CHF, concentrazioni più elevate di NGAL plasmatico correlavano direttamente con la severità di CHF. Concentrazioni più alte sono state identificate in pazienti di classe IV secondo la New York Heart Association associata ad una maggiore mortalità 24. Risulta quindi sempre più evidente come NGAL sia coinvolto nei processi di sopravvivenza cellulare, infiammazione e di degradazione della matrice attraverso la modulazione dell'attività della metalloproteinasi di matrice (MMP) 9, un importante mediatore del rimodellamento vascolare e dell'instabilità della placca aterosclerotica, come dimostrato in diversi studi animali 25,26. L espressione di NGAL e il suo omologo murino, 24p3, risultano aumentati nelle placche aterosclerotiche, portando all indebolimento e alla progressiva rottura della struttura della placca con eventuale sviluppo di infarto del miocardio (MI) 25. In un altro studio animale con modelli murini di MI post-hf, l espressione genica di NGAL/lipocalin-2 risultava aumentata nella parte non-ischemica del ventricolo sinistro dimostrando che la sovra-regolazione di NGAL/lipocalin-2 nei ratti HF era limitata ai cardiomiociti 26. Lo studio clinico dello stesso autore che vedeva coinvolti 236 pazienti con MI acuto post-hf e 150 pazienti con CHF ha dimostrato che elevati livelli sierici di NGAL correlavano significativamente con il deterioramento clinico e neuro-ormonale. Pazienti con CHF post MI acuto e livelli elevati di NGAL sierico basali correlavano con eventi avversi cardiaci (mediana di 27 mesi di follow-up) 26. Cistatina C La cistatina C (CysC) è una proteina di 13KDa non glicosilata, appartenente alla superfamiglia degli inibitori delle proteasi cisteiniche, prodotta e rilasciata nel sangue con una velocità costante da tutte le cellule nucleate. E filtrata a livello glomerulare, riassorbita e completamente catabolizzata dai tubuli renali. Il sesso, l età, la razza, la massa muscolare, le terapie steroidee, l infiammazione, le infezioni e le patologie epatiche, variabili da cui dipendono in maniera significativa le concentrazioni di creatinina non influenzano le concentrazioni di CysC 27. Questo determinerebbe la possibilità di utilizzare la CysC in equazioni di calcolo per la funzionalità renale, candidandola come marcatore di danno precoce renale più accurato e rapido. CysC in CSA-AKI. Che e colleghi 28 hanno dimostrato che l'uso dei biomarcatori sierici ed urinari per la diagnosi precoce di AKI nei pazienti sottoposti a chirurgia cardiaca è dipendente dal tempo di campionamento. L AUC ottimale per la CyC sierica si ottiene a 10 ore (0,71 sensibilità, specificità 0,92, cut-off 1,31 mg / L). In uno studio di 100 pazienti sottoposti a chirurgia cardiaca, la CysC sierica si è dimostrata un marcatore di malattia renale cronica piuttosto che di WRF acuta 15. In effetti, la somministrazione di fluidi durante CPB potrebbe contribuire alle variazioni di CysC sierica risultate in pazienti ricoverati in terapia intensiva post-operatoria rispetto alle concentrazioni basali. Alcuni studi 29 riportano diminuzione della CysC sierica mentre altri evidenziano incrementi 13. La CysC urinaria invece dimostra andamento simile ad NGAL nella previsione di CSA-AKI 29. CysC in CIN. La CysC risulta in grado di mimare rapidamente una diminuita GFR subito dopo la somministrazione del mezzo di contrasto, rispetto alla scr in pazienti adulti sottoposti ad angiografia coronarica 30. In un studio prospettico di 87 pazienti, sottoposti a cateterizzazione elettiva, CIN si è verificata in 18 pazienti e l analisi ROC ha evidenziato una AUC più alta per CysC rispetto a scr (0,933 vs 0,832; p =0,012). Tenendo un cut-off > 1,2 mg/l la CysC dimostrava sensibilità di 94,7% (IC al 95% = 0,851-1,015) e specificità di 84,8% per la rilevazione di CIN, prima del cateterismo. Le concentrazioni di CysC erano più elevate nei pazienti con CIN rispetto a quelli senza CIN, anche prima dell intervento di cateterizzazione (CysC, 1.08 ± 0,22 vs 1,36 ± 0,28 mg/l; p =0,007) 31. Questo supporta la teoria, secondo cui pazienti con malattia renale cronica sono più sensibili allo sviluppo di CIN. CysC in ACS e CHF. Recentemente, diversi studi hanno indagato la CysC come marcatore prognostico nelle patologie cardiovascolari Concentrazioni più elevate di CysC sono state associate all aumento della massa ventricolare sinistra (LV) e all ipertrofia LV fenotipi- LigandAssay 16 (3)

3 ca 32. CysC sembra essere un marcatore intermedio di rischio cardiovascolare (CV). L incremento dei livelli sierici di CysC sono risultati predittivi indipendenti di eventi cardiovascolari (morte cardiaca, MI non fatale o angina instabile) a 6 mesi/1 anno dal follow-up in pazienti con ACS senza sopraslivellamento del tratto ST (Non-ST Elevation Myocardial Infarction, NSTEMI) rispetto alla proteina C- reattiva (CRP), al peptide natriuretico di tipo B (BNP), e alla scr La CysC risulta essere un parametro migliore rispetto alla CRP, al N-terminale probnp e alla troponine nella predizione della disfunzione LV progressiva in pazienti con un ACS con sopraslivellamento del tratto ST (ST Elevation Myocardial Infarction, STEMI) 38. Inoltre, in un gruppo di 240 pazienti ricoverati in ospedale con gravi acutizzazioni di CHF, CysC era associata significativamente al rischio di morte o re-ospedalizzazione ad 1 anno di follow-up, nonostante l aggiustamento per età, razza, sesso, comorbidità e scr 39. Nei pazienti con CHF cronica, la CysC si è dimostrata associata all avanzamento della disfunzione diastolica LV e della disfunzione sistolica del ventricolo destro, rimanendo un predittore indipendente di prognosi a lungo termine dopo aggiustamento con i fattori miocardici 40. Altri studi hanno messo in evidenza come la CysC risulti essere un marcatore più predittivo di eventi avversi cardiaci rispetto ai fattori di rischio classici Infatti, la CysC offriva informazioni prognostiche complementari ad altri biomarcatori cardiaci come la troponina T (ctnt), la CRP ad alta sensibilità e l N-terminale probnp, aiutando i clinici ad una più accurata stratificazione del rischio in pazienti con acuta CHF o ACS Kidney Injury Molecule 1 (KIM-1) KIM-1 è una proteina transmembrana glicosilata appartenente alla superfamiglia delle immunoglobuline. E coinvolta nella differenziazione delle cellule T Helper ed è espressa sulla membrana apicale del tubulo prossimale in caso di danno renale. KIM-1 in ACS-AKI. In studi prospettici KIM-1 è stata valutata nei campioni di urina per la diagnosi precoce di AKI in pazienti adulti dopo chirurgia cardiaca. L AUC per KIM-1, predittiva di AKI al momento del ricovero, è compresa tra 0,57 e 0, Il valore predittivo di KIM-1 aumenta e raggiunge un AUC di 0,83 12 ore dopo l intervento, momento in cui il danno d organo potrebbe essere avanzato e irreversibile. KIM-1 in CIN. Alcuni studi evidenziano l aumento di diversi biomarcatori che raggiungono il picco di concentrazione a tempi differenti dopo danno renale, in seguito alla somministrazione del mezzo di contrasto: KIM-1 crescente dopo NGAL e interleuchina 18 (IL-18) In uno studio condotto dal gruppo di Malyszko 20, in pazienti con un normale valore di scr e sottoposti a cateterizzazione cardiaca, è stato evidenziato un significativo aumento di NGAL sierico a 2, 4 e 8 ore; di NGAL urinario e di IL-18 4, 8 e 24 ore dopo la cateterizzazione. Il livello di CysC nel siero aumenta significativamente dopo 8 ore e raggiunge il valore massimo a 24 ore per poi diminuire dopo 48 ore, mentre KIM-1 nell urina e proteine di legame degli acidi grassi epatiche ( L-FABP), aumentano significativamente 24 e 48 ore dopo cateterizzazione cardiaca. A causa della scarsità di dati pubblicati per KIM-1 in CIN, la sua potenziale utilità in questo contesto non è nota e ha bisogno di un ulteriore valutazione. Non ci sono studi al momento che valutano KIM-1 nel contesto di ACS e nell HF congestizia. Interleuchina 18 IL-18 è una citochina pro infiammatoria con un peso molecolare di 18 kda ed è prodotta dalle cellule tubulari renali e dai macrofagi; ha un ruolo attivo in vari processi caratterizzanti numerose malattie renali, tra cui l apoptosi, ischemia/re-perfusione, rigetto, infezioni, malattie autoimmuni e tumori maligni. IL-18 in ACS-AKI. In 3 studi 48,51,52, nei quali sono stati arruolati 258 pazienti sottoposti a chirurgia cardiaca, è stato evidenziato che l IL-18 nell urina presenta una moderata capacità predittiva per AKI con un AUC compresa tra 0,53 e 0,66 al momento del ricovero in terapia intensiva postoperatoria. Parikh e colleghi 52 hanno concluso che la combinazione di IL-18 ed NGAL nell urina potrebbe consentire una diagnosi precoce e una prognosi affidabile di AKI dopo CBP, molto prima rispetto all aumento della scr. Nello studio condotto da Haase e colleghi 51 l IL-18 urinaria correlava con la durata di CPB; i cambiamenti nei livelli di IL-18 potrebbero rappresentare un marcatore non specifico di infiammazione sistemica associata a CPB, piuttosto che di danno tubulare. IL-18 in CIN. Nello studio condotto da Ling 19 in pazienti sottoposti ad angiografia coronarica, i livelli di IL-18 ed NGAL erano significativamente aumentati nel gruppo CIN, 24 ore dopo la procedura, ma non nel gruppo di controllo (p<0,05). Dall analisi della curva ROC è emerso che sia l IL-18 che l NGAL sono migliori nella diagnosi precoce di CIN rispetto alla scr (p<0,05). E importante sottolineare che elevati livelli di IL-18 nell urina, 24 ore dopo la somministrazione del mezzo di contrasto, possono anche essere considerati come marcatori predittivi indipendenti per eventi cardiaci tardivi (rischio relativo= 2,09; p<0,01). IL-18 in ACS e CHF. L IL-18 è stata associata ai processi di aterogenesi, malattie coronariche arteriose, rottura delle placche come principale causa di ACS 53,54 e danni del miocardio da ischemia-reperfusione 55. Si ipotizza che l IL-18 svolga un ruolo patofisiologico nell ipertrofia cardiaca e HF 56. Livelli elevati di IL-18 nel plasma sono stati individuati nei pazienti con HF. Inoltre alte concentrazioni di IL-18 erano associati ad una maggiore mortalità nel followup 55. Nei pazienti post-acs elevati livelli di IL-18 nel plasma erano stati identificati come predittori indipendenti di eventi cardiovascolari a breve e a lungo termine (morte cardiovascolare, HF congestizio avanzato, nuovo episodio di ACS e necessità di rivascolarizzazione non programmata) 53,54,57. Oltre ad essere un marcatore prognostico, l IL- 18 può potenzialmente essere utilizzato per diagnosticare l angina instabile e l MI nei pazienti con dolore al petto. In uno studio condotto dal gruppo di Kawasaki 58 in 27 pazienti con ACS, è stato osservato che nonostante essi presentino, al momento del ricovero, un normale valore di CK-MB, il livello plasmatico di IL-18 è elevato e precede l aumento di CK-MB; la sua concentrazione aumenta rapidamente dopo un forte evento ischemico del miocardio indipendentemente dall evoluzione della necrosi dello 256 LigandAssay 16 (3) 2011

4 stesso. Alla luce di questo, la concentrazione plasmatica di IL-18 potrebbe essere un buon marcatore precoce per identificare se il sintomo sia dovuto a ischemia miocardica e di conseguenza possa essere usato per decidere la strategia terapeutica in singoli pazienti con possibile ACS 58. In uno studio osservazionale, le concentrazioni plasmatiche di IL-18 sono risultate significativamente aumentate in pazienti con ACS e correlate con un peggioramento della disfunzione miocardica 59. Proteine di legame degli acidi grassi Le proteine di legame degli acidi grassi (FABPs) sono piccole proteine citoplasmatiche di 14 kda, abbondantemente espresse nei tessuti con un attivo metabolismo degli acidi grassi. Due tipi di FABPs sono state isolate dal rene umano. Il tipo di FABP del fegato (L-FABP) è riassorbita dal tubulo prossimale mediante endocitosi megalina dipendente ed è localizzata nel citoplasma delle cellule del tubulo prossimale, nel fegato e nell intestino tenue. In topi transgenici L-FABP, i livelli nelle urine di questa proteina ha permesso di identificare in maniera accurata e precoce danni sia istologici che funzionali nell AKI indotto da ischemia 60. Al contrario, la FABP di tipo cardiaco (H-FABP) è localizzata nel tubulo distale, nel cuore, nell intestino tenue e nel muscolo scheletrico. FABP in CSA-AKI. Il gruppo di Portilla 61 ha dimostrato che la L-FABP prevede lo sviluppo di AKI nei bambini sottoposti a chirurgia cardiaca; hanno infatti scoperto che un aumento nell urina di L-FABP entro 4 ore dall intervento cardiaco prevede il successivo sviluppo di AKI con un AUC di 0, Nel loro insieme, i dati non sono ancora sufficienti per una valutazione ragionevole di AKI da parte delle FABP dopo intervento chirurgico. FABP in CIN. Le concentrazioni di L-FABP urinaria avevano sottolineato la sua precocità (come primo marcatore) nella predizione di CIN 18,62,63. Nello studio condotto in pazienti adulti con un normale valore di scr sottoposti a intervento percutaneo coronarico 18, il livello di NGAL sierico era aumentato dopo 2 e 4 ore l intervento, mentre NGAL e L-FABP urinaria aumentavano significativamente dopo 4 ore, rimanendo elevati fino a 48 ore dalla cateterizzazione post cardiaca. Per confronto, scr non cambiava significativamente durante questo periodo. Tuttavia, questo studio non indirizza in maniera specifica la capacità predittiva della L-FABP per CIN. FABP in ACS e CHF. Recenti studi hanno dimostrato che sia H-FABP nel siero che L-FABP nelle urine possono rilevare danni del miocardio coinvolti nella progressione di ACS e possono essere potenzialmente utili nella diagnosi e nella prognosi nei pazienti con ACS 64,65. La combinazione di H- FABP con il valore di albumina al momento del ricovero dimostra di essere altamente sensibile e specifica nelllo stratificare il rischio di pazienti ACS con un normale livello di ctnt 64. Nei pazienti con ACS, H-FABP nel siero è un predittore indipendente di eventi cardiaci (morte cardiaca o MI non fatale) nel periodo intermedio di follow up (12 mesi) e presenta una maggiore capacità predittiva per eventi cardiaci rispetto a ctnt 66,67. H-FABP potrebbe anche essere usata come un affidabile marcatore per valutare la severità di CHF 68. I suoi livelli sono stati positivamente correlati con i livelli di BNP nei pazienti con ADHF prima e dopo il trattamento. BIBLIOGRAFIA 1. Thakar CV, Christianson A, Freyberg R, et al. Incidence and outcomes of acute kidney injury in intensive care units: a Veterans Administration study. Crit Care Med 2009;37: Ronco C, McCullough P, Anker SD, et al. Cardio-renal syndromes: report from the consensus conference of the acute dialysis quality initiative. Eur Heart J 2010;31: Bagshaw SM, Cruz DN, Aspromonte N, et al. Epidemiology of cardio-renal syndromes: workgroup statements from the 7th ADQI Consensus Conference. 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