代谢组学在急性肾损伤中应用的研究进展
急性肾损伤（AKI）是一项全球健康挑战，每年约影响13.3%的人群。AKI病理生理机制非常复杂，主要由脓毒症、顺铂和缺血/再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）引起，其临床表现主要分为3个时期，分别为少尿期、多尿期和恢复期，整个疾病发展过程中会发生低钾血症、肺水肿、电解质紊乱等致命并发症[1]。尽管近年来在治疗策略和护理方面取得了进展，但AKI的病死率仍缓慢上升。
代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后的最新发展，是系统生物学的重要组成部分，即系统研究特定细胞过程留下的特定的化学"指纹"[2]。目前，核磁共振波谱（nuclear magnetic resonance，NMR）和质谱法（mass spectrometry，MS）是用于表征代谢物的两种主要分析技术，通常与色谱法结合使用，以提高敏感度和准确度[3,4]。疾病代谢生物标志物可以为疾病的早期预测、诊断、发病机制、药物疗效和潜在治疗靶点等提供有力支持[5,6,7]。鉴于近年来AKI代谢组学研究的稳步发展，现回顾代谢组学在AKI中应用的研究进展，以提高疾病诊治与预防的效益。
1.1 风险预测及早期诊断：
AKI发病率高、病死率高，目前尚无有效的治疗方法。因此，针对AKI的工作重点是早期预防和早期启动肾脏替代治疗，以改善结局。近年来，基于液相色谱 - 质谱（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）、气相色谱 - 质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）等的血清、尿液和肾组织的快速代谢分析表明，代谢组学可能提供了一种新的AKI指数，可用于AKI的风险预测和早期诊断[8]。代谢组学在不同AKI患者中的应用及其临床意义见表1。
2022年，Franiek等[9]研究发现，尿液代谢物在儿科人群中检测AKI风险的潜力早于目前的诊断标准，但需要外部验证。Cheng等[10]证实了亮氨酸、吲哚、N - 乙酰缬氨酸、5 - 羟基 - L - 色氨酸、羟基己糖肉碱和犬尿酸预测及诊断AKI的准确性，且这6种标志物水平与碘呋喃醇诱导的肾损伤程度呈正相关，为损伤干预提供了治疗方向。2021年，Cui等[11]研究发现，由3种血浆生物标志物（葡萄糖酸、富马酸和假尿苷）和2个临床参数（术前肌酐和估算肾小球滤过率）构成的随机森林模型实现了心脏手术相关AKI预测的高精度。Muhle-Goll等[12]发现，亮氨酸、缬氨酸、胆汁酸增加和柠檬酸盐减少对于儿科患者AKI具有很高的诊断准确性。
Wang等[13]在儿科脓毒症人群中发现，与脓毒症相关性AKI有关的代谢途径包括脂质代谢，特别是涉及甘油磷脂代谢的过程，与单个代谢物相比，代谢物组合可成为更好的诊断标志物。Saito等[19]分析了侵入性手术后重症患者的尿代谢组学谱，分别在6个时间点收集了尿液样本，并通过机器学习在每个时间点构建了线性统计模型，发现24 h时可实现最佳效能，具有更高的诊断效能。
1.2 病情检测及预后评估：
在评估疾病进展方面，Piedrafita等[20]研究发现，AKI患者的尿色氨酸和犬尿素显著降低，可用来预测AKI严重程度。Davidson等[14]在一项中度至重度AKI婴儿心脏手术后血清代谢组学研究中发现，嘌呤、蛋氨酸和烟酰胺代谢的显著变化与疾病严重程度相关。Bajaj等[18]研究发现，支链氨基酸代谢物降低及半胱氨酸、色氨酸、谷氨酸水平升高可用于预测肝硬化住院患者AKI的发展和透析的开始。
在预测AKI预后方面，Sun等[17]在两个时间点测量了需要肾脏替代治疗的AKI患者的血清氨基酸水平，结果显示，1 - 花生四烯酰溶血卵磷脂和1 - 二十碳四烯酰溶血卵磷脂水平与患者永久性肾损伤的发生风险及病死率显著相关。Wang等[16]研究发现，AKI患者尿液中反式 - 4 - 羟基 - L - 脯氨酸水平增高可作为糖尿病神经病变进展的早期预警标志。
随着AKI研究的发展，越来越多的动物模型被发现和应用，包括脓毒症、顺铂、I/R、造影剂（contrast medium，CM）和中暑诱导的肾损伤模型。表2中总结了不同肾损伤模型的主要生物标志物，以期为了解生物标志物在不同肾损伤模型中的变化规律提供参考。
脓毒症及顺铂是最常用的诱导AKI的方法。Jouret等[22]基于代谢组学技术分析了脓毒症诱导的AKI模型与顺铂诱导的AKI模型体内代谢产物变化的差异，并进行了通路分析，结果显示，顺铂诱导的AKI模型涉及更多代谢途径，主要包括酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸生物合成，三羧酸循环，甘油磷脂代谢，苯丙氨酸代谢，牛磺酸和次牛磺酸代谢，d - 谷氨酰胺和d - 谷氨酸代谢，以及烟酸和烟酰胺代谢等，这些途径涉及能量生成、氨基酸和脂质代谢。相比之下，脓毒症诱导的AKI模型涉及的代谢通路则较少；该研究者通过代谢组学研究表明，脓毒症小鼠肾损伤模型可影响支链氨基酸代谢（异戊甘氨酸、氨基己二酸、N - 乙酰谷氨酰胺、N - 乙酰天冬氨酸增加）、脂肪酸氧化（乳酸、烟尿酸增加，缬氨酸、天冬氨酸、葡萄糖、苏氨酸减少），以及新生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸生物合成相关的线粒体途径（抗坏血酸增加，肌醇、苯乙酰甘氨酸降低）。此外，研究者还针对I/R [22]、CM[25]及热射病[27]诱导的代谢标志物变化开展了大量研究。
为了进一步描述不同肾损伤动物模型的代谢途径，本课题组将每项研究的不同代谢物上传到Metabo Analyst 5.0数据库，经过二次汇总后发现，肾损伤模型中改变的主要代谢途径为苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成，苯丙氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸代谢，磷脂代谢，嘌呤代谢，能量代谢，以及脂质代谢。
除筛选生物标志物和挖掘潜在机制外，代谢组学还可用于分析AKI患者药物干预前后体内代谢物的变化，为药物疗效评价提供理论参考。研究表明，一些小分子类药物和中药具有多作用靶点、多通道、多环节的相对优势 [28,29]。许多研究人员也已揭示了小分子药物和中药在治疗AKI方面的潜力，但具体的分子机制还未完全阐明。基于代谢技术和通路分析的方法有助于阐明药物作用机制，为个体化给药提供依据。
3.1 中药：
中药是我国文化的宝贵资源，长期以来被广泛应用于临床疾病的治疗[30]。随着代谢组学技术日新月异的发展，中药治疗在AKI中的应用被广泛开展。表3汇总了中药单体、中药复方及中药提取物通过调节机体代谢途径治疗AKI的研究，以期为中药治疗AKI的进一步研究提供理论依据。
经过代谢途径分析发现，中药提取物黄芪甲苷Ⅳ[31]及6 - 姜辣素、10 - 姜辣素[32]的活性成分主要通过改善炎症反应、氧化应激和能量代谢来减轻AKI模型肾组织的损伤程度。复合中药建皮一神配方[33]、穿心莲内酯[34]、琼玉膏[35]及单味中药油酸[36]可通过影响氨基酸代谢、脂肪酸代谢、嘌呤代谢及能量代谢来抑制炎症与氧化应激，从而显著缓解AKI症状。
此外，中药方剂黄连解毒汤及其4种组分中药材可以通过显著改善氧化应激和能量代谢紊乱，从而有效地抑制脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的小鼠AKI[42]。Zheng等[37]在分析黄连提取物对脓毒症相关性AKI的保护作用中发现，有25种与病理过程和药物作用密切相关的差异代谢物参与了对损伤肾组织的保护机制。
3.2 小分子药物：
小分子药物在治疗AKI的研究中已逐步取得进展。Harley等[43]通过代谢组学研究发现，糖尿病药物二甲双胍可以通过乙酰辅酶A羧化酶（acetyl CoA carboxylase，ACC）磷酸化对AKI模型发挥保护作用。NSC228155（一种具有潜在抗癌和抗菌作用的新型化合物）纠正了肾脏中的能量代谢，特别是柠檬酸盐周期相关途径、氧化应激和内质网应激，从而缓解了顺铂诱导的AKI [38]。致密阿莫姆可通过调节磷脂代谢途径对庆大霉素诱导的AKI发挥保护作用[44]。再灌注前30 min给予左旋肉碱预处理可通过改善能量代谢和减轻氧化应激来保护肾脏免受I/R损伤[45]。5 - 羟基 -1- 甲基海因可通过纠正三羧酸循环和能量代谢紊乱来防护百草枯中毒所致肾损伤[39]。
3.3 其他：
Li等[40]在同种异体脂肪间充质干细胞来源的细胞外囊泡对妊娠相关AKI猫模型的治疗效果研究中发现，通过半胱氨酸和蛋氨酸代谢、半乳糖代谢、维生素B1代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢，以及赖氨酸降解等途径，可显著改善代谢紊乱。
AKI是一种涉及多学科、多病因的临床常见危重病，对其病理生理学的新认识涉及代谢功能障碍。代谢组学研究能揭示适合治疗干预的特定代谢途径。AKI的代谢组学潜在治疗靶点见表4。
代谢紊乱是脓毒症AKI病理生理学的重要贡献者，开发激活支链氨基酸和脂肪酸代谢，以及以线粒体功能为中心的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD）合成途径，可能会为脓毒症相关性AKI提供新的治疗机会[46]。Ping等[28]对脓毒症相关性AKI小鼠的肾皮质进行了代谢组学研究，发现牛磺酸、泛酸和苯丙氨酸代谢紊乱与病情发展有关，纠正这些途径有望预防和治疗脓毒症相关性AKI。
犬尿氨酸途径是色氨酸降解的主要分解代谢途径，在NAD生物合成中发挥着重要作用，并成为减轻炎症期间免疫反应的反调节机制。由脓毒症[20]、顺铂[24]及新型冠状病毒感染[47]等不同病因导致AKI的研究均提示，犬尿氨酸途径的进一步阐明有望为AKI的靶向治疗带来希望。
热射病相关性AKI是全身炎症反应综合征的肾脏表现，不饱和脂肪酸的生物合成与高迁移率族蛋白B1/晚期糖基化终产物受体（high mobility group box protein 1/receptor for advanced glycosylation end product，HMGB1/RAGE）途径的相关性可能有助于寻找潜在治疗靶点[27]。Yuan等[48]在黄蜂蜇伤致AKI的病理生理机制研究中发现，磷脂酶抑制剂可能通过介导膜甘油磷脂的破坏，改善黄蜂毒液诱导的横纹肌溶解和溶血途径，从而减轻肾损伤。Sirtuin 3是一种线粒体中重要的去乙酰化修饰酶，可以通过激活腺嘌呤核糖核苷酸（adenosine monophosphate，AMP）活化蛋白激酶来调节肾小管组织，从而预防肾损伤[49]。
AKI是一种病因复杂、发展迅速的疾病。目前迫切需要寻找与疾病进展相关的标志物，以明确其发病机制。总结脓毒症、顺铂、I/R等诱导的AKI模型肾组织、血浆/血清及尿液中代谢产物的变化、发现差异代谢物，可能为AKI的诊断、进展和预后评估提供敏感的标志物。但AKI诊断的局限性在于生物标志物水平缺乏统一的标准，未来还需要对高度特异性的代谢标志物进行深入研究。差异代谢物涉及苯丙氨酸代谢、半胱氨酸和甲硫氨酸代谢、胆碱代谢、磷脂代谢、嘌呤代谢、能量代谢及脂质代谢，是AKI过程中受影响的主要代谢途径，它们介导的特异性代谢 - 炎症模式可能是揭示AKI发病机制的一个潜在方向。目前关于AKI潜在治疗靶点的研究较少，犬尿氨酸途径、胆碱代谢途径和苯丙氨酸代谢途径等在AKI中的作用还有待进一步探索。目前尚未明确AKI不同病因、不同治疗引起的代谢物变化之间的相关性，后续应开展此类研究以进一步解释AKI的异质性，以及不同药物干预在AKI中的代谢机制。随着代谢组学技术和评价标准的不断完善，其在AKI诊断和机制研究中的应用将得到进一步突破。
引用: 赵恒, 冯芳, 董晨明. 代谢组学在急性肾损伤中应用的研究进展 [J] . 中华危重病急救医学, 2023, 35(10) : 1111-1115.
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