基于代谢组学的肾纤维化及相关疾病研究进展*

郝海梅，石松利,2，刘 庆，周红兵，常 虹，白万富

(1.包头医学院，内蒙古 包头 014060;2.包头医学院蒙中药活性物质与功能研究所

组学是一系列组学的总称，主要包括基因组学(Genomics)、蛋白组学(Proteinomics)、代谢组学 (Metabolomics)、转录组学 (Transcriptomics)等[1]。继基因组学和蛋白组学之后，代谢组学发展最为迅速。其概念最初由Nicholson教授等人在上世纪90年代于代谢轮廓分析中提出，发展至今被普遍认为是对生物体内代谢物进行定性或定量分析，描绘代谢物对外界刺激或基因改变应答规律的研究学科[2]。与其他“组学”相比，代谢组学灵敏度好，精准度高，在费用方面也较为可观[3]，未来将有十分广泛的应用与发展前景。

肾纤维化(Renal fibrosis)几乎是所有肾脏疾病进展到终末期肾功能衰竭的共同通路，是各种慢性肾病主要的病理学表现之一[4]。其特征是细胞外基质的大量产生和堆积，同时肾纤维化导致的肾实质细胞的损害[5-6]、炎性细胞的浸润、小管上皮丧失再生能力[7]和间质毛细血管的完整性受损，都将导致组织局部缺氧，进而加重肾损伤和肾纤维化[8]。近年来，慢性肾脏疾病的发病率逐渐升高，现已成为世界范围内的公共健康问题[9]，是造成早期死亡的第3大原因，仅次于艾滋病和糖尿病[10]。若任由其发展，则会引起严重的慢性肾衰竭，影响人们的生活品质和身体健康。因此早期防治甚至尽早逆转肾纤维化对防治肾病发展具有较深远的社会学价值和重要的经济学意义。本文在介绍了代谢组学研究流程和常用技术分类的基础上，对代谢组学在肾纤维化动物模型、肾纤维化临床患者、肾病动物模型和肾病临床患者4个方面的应用进行综述，以期为肾纤维化及相关疾病发病机制的探究和诊断治疗提供新的思路和方法。

1 代谢组学技术

1.1代谢组学一般研究 代谢组学一般研究主要包括样品处理、化合物分离、定性及定量分析、数据分析与建模等[11]。见图1。

1.2代谢组学常用技术 代谢组学常用技术有核磁共振、色谱-质谱联用等。见表1。

表1 代谢组学常用技术分类

2 代谢组学在肾相关疾病中的应用

代谢组学利用高通量筛选技术结合化学计量学的方法定量和定性分析生物体内的内源性代谢物，以筛选出敏感的生物标志物，用于早期诊断肾相关疾病并寻找有效药物阻断其进一步发展是目前医疗、临床需要解决的重要问题，将成为现阶段研究的热门。

2.1代谢组学在肾纤维化动物模型中的应用 Fang等[19]基于代谢组学系统化理论，借助气相色谱-质谱(GC / MS)法对黄芩总苷提取物对单侧输尿管梗阻(UUO)诱导的肾纤维化大鼠干预作用进行研究。其通过对UUO大鼠尿液分析，发现了与肾纤维化相关的18种潜在生物标志物参与了甘氨酸，丝氨酸和苏氨酸代谢，视黄醇代谢以及精氨酸代谢。结果显示黄芩总苷提取物对UUO大鼠诱导的肾纤维化有正面影响，可以逆转肾纤维化导致的代谢紊乱，从而改善大鼠的肾脏疾病，该研究为改善肾纤维化引起的代谢紊乱提供了有效帮助。Li等[20]采用液相色谱与四极杆时间高分辨率质谱联用技术对大鼠肾脏纤维化模型组、对照组、真武汤治疗组和依那普利马来酸组各组大鼠血清样品进行测定，在各组样品上利用代谢组学与分子生物学相结合的方法进行比较分析，鉴定出15种潜在的生物标志物(主要为磷脂和脂肪酸)，结果显示肾脏纤维化与氧化损伤和能量代谢紊乱有关，且真武汤可以通过减轻氧化应激，增加能量代谢和调节纤维化细胞因子而表现出有效的肾脏保护作用，该研究为肾纤维化的早期发现与后续治疗提供了理论基础。

2.2代谢组学在肾纤维化临床患者中的应用 Chen等[21]等使用2 155名参与者(包括1-5期慢性肾病患者和健康对照组)的非靶向代谢组学鉴定出了5种代谢物，其中5-甲氧基色氨酸(5-MTP)的水平与肾脏疾病的临床标志物密切相关。色氨酸羟化酶-1(TPH-1)是一种参与5-MTP合成的酶，其高度表达可以通过减轻肾脏炎症和纤维化来减轻肾损伤。结果表明，提高5-MTP的水平可以改善肾纤维化，TPH-1可以作为慢性肾脏疾病治疗的靶点，该研究可为肾纤维化的治疗，早期慢性肾病的发现提供实验依据。

2.3代谢组学在肾病动物模型中的应用 Zhao等[22]基于液-质联用代谢组学方法，采用多变量统计分析法研究了茯苓对腺嘌呤过量诱导的慢性肾脏病大鼠的影响，鉴定出了与进行性肾损伤相关的生物标志物(二十四碳六烯酸，肌酐等)。结合生化和组织病理学结果及血清代谢产物的变化显示茯苓药理作用与磷脂代谢、能量代谢和氨基酸代谢有关且茯苓可以调节这些生物标志物的代谢。研究证实鉴定出的生物标志物可作为解释茯苓机制特征的依据，以起到治疗慢性肾病的作用。该研究运用的代谢组学方法为药物机制研究提供了一种有价值的工具。Zhang等[23]采用脂质组学和代谢组学方法来鉴定血浆生物标志物，并确定了在慢性肾功能衰竭大鼠模型中大黄石油醚，乙酸乙酯和正丁醇提取物的治疗效果。结果显示慢性肾功能衰竭组大鼠表现出了明显的肾小管间质损伤和纤维化，纤维蛋白上调，肾功能显著降低，以及血浆脂质组学和代谢组学谱的显著变化。大黄石油醚，乙酸乙酯和正丁醇提取物的口服给药可以减轻慢性肾衰的严重程度，改善肾功能，减少纤维蛋白上调，并且可以逆转部分血浆脂质组和代谢组的异常，揭示了大黄提取物对慢性肾功能衰竭的有益作用，该研究为慢性肾衰的早期诊断和治疗提供了实验依据。

2.4代谢组学在肾病临床患者中的应用 李锐[24]通过建立代谢组学核磁共振(NMR)与液-质联用(LC-MS)技术对正常人和肾病患者的血清进行对比研究，鉴定出7个在肾病患者血清中产生的与正常人有较大差异的代谢物。结果显示对肾病患者血清进行代谢组学研究其代谢物信息是可信有效的，该研究为肾病的早期诊断提供依据。Øvrehus MA[25]等研究揭示了11种氨基酸的显着分布差异，其中多巴胺肾内生物合成紊乱是早期高血压性肾硬化的表现，丝氨酸和同型半胱氨酸代谢紊乱会通过影响尿液排泄和血压最终导致动脉粥样硬化和肾纤维化。其代谢组学研究显示肾硬化患者的氨基酸分解代谢和合成均减少，苯丙氨酸-酪氨酸-多巴胺轴明显下调，因而与正常人相比会产生尿液排泄下降和血压升高的症状，该研究为肾硬化患者的诊断与后续治疗提供了帮助。

综上所述，代谢组学处于一个兴盛的发展时期，将代谢组学技术与肾相关疾病相结合的研究方法是可行有效的。但在我国，代谢组学的研究尚未成熟，有很多基础性工作仍需完善，有关代谢组学在肾纤维化疾病发展与应用方面的研究也鲜有报道。但是，目前以测序为基础的转录组学方法也被广泛应用于肾纤维化、糖尿病肾病等疾病的研究中，来解释相关疾病的分子机制。若将代谢组学和转录组学两种技术方法联合应用在肾纤维化及相关疾病的研究中，则能更合理地解释药物作用机制相关问题，且该方法是适应当今医学领域发展需求的[26]，未来将有更广阔的发展与应用前景。因此随着代谢组学更深入的发展与应用，其在肾纤维化研究中与转录组学相结合的研究方法会更进一步加深人们对肾纤维化乃至其他相关疾病机制和治疗的认识，从而为肾相关病的研究奠定基础并提供新的研究思路，以期为肾相关疾病带来新的治疗方法。