代谢组学在肾脏疾病中的研究进展

张丹　王丽　韩梅

[摘要] 目前肾脏疾病的准确诊断最终仍需要肾穿刺活检技术。代谢组学可以定性和定量分析生物机体包括系统、器官或细胞在受到外界因素影响下引起的内源性代谢产物的变化;肾脏疾病的发生发展会受到生物体内外多种因素的影响，与机体代谢异常密切相关，表现为各类代谢产物的变化。近年来，代谢组学为肾脏疾病的研究做出了很多贡献，本文就代谢组学在肾脏疾病中的研究进展作以综述，希望为肾脏病发生发展及诊断提供新的研究思路和方向。

[关键词] 代谢组学;慢性肾脏病;急性肾损伤;糖尿病肾病

[中图分类号] R692          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-9701（2020）30-0189-04

Research progress of metabolomics in kidney disease

ZHANG Dan1   WANG Li2   HAN Mei1

1.Department of Nephrology， Dalian Children's Hospital， Dalian   116012， China; 2.School of Pharmacy， Dalian Medical University， Dalian   116012， China

[Abstract] At present， accurate diagnosis of kidney disease still needs renal biopsy technology. Metabolomics can qualitatively and quantitatively analyze changes in endogenous metabolites of biological organisms including systems， organs or cells under the influence of external factors. The occurrence and development of kidney diseases will be affected by various factors in and outside the organism， and is closely related with the body metabolic abnormalities， manifested as changes in various metabolites. In recent years， metabolomics has made a lot of contributions to the research of kidney disease. This article reviews the research progress of metabolomics in kidney disease， hoping to provide new research ideas and directions for the development and diagnosis of kidney disease.

[Key words] Metabolomics; Chronic kidney disease; Acute kidney injury; Diabetic nephropathy

代谢组学是近年来一门兴起的学科，它是继蛋白质组学和基因组学之后新近发展起来的，也是近年来研究较热门的领域之一。Nicholson[1]于20世纪90年代首先提出了代谢组学的相关概念，使用了metabonomics一词。目前代谢组学被大家普遍认可的定义为定量和定性研究测量细胞、组织、器官或者整个生命有机体全部代谢物的组成，通常为小分子代谢物质（相对分子质量在1000以下）及这些代谢产物在内外因素刺激下动态变化的科学[2]。代谢产物因其作为生物机体各种病理生理过程的最终产物，为深入了解机体各种生理病理现象及疾病发病机制提供了许多有用的线索[3]。代谢组学技术的出现和发展不仅是对基因组学、转录组学及蛋白组学的重要补充，更为从系统生物学下游-代谢组方向开展研究提供了新思路。目前代谢组学技术已在各系统疾病的研究中广泛应用。

代谢组学因其特性可以定性和定量分析生物机体包括细胞、器官和系统在受到内外界因素影响下引起的各种代谢产物的改变或这些代谢产物随时间的变化情况[4];肾脏疾病的发生发展可表现为各类代谢终产物的改变，因其受到生物体内外多种复杂因素的影响，所以肾脏疾病与全身代谢异常密切相关。近年来，代谢组学为肾脏疾病的研究做出了很多贡献，通过对代谢产物的研究，为研究肾脏病发生发展提供了新的思路和方向。本文就代谢组学在肾脏疾病中的研究进展作一综述。

1 代谢组学在慢性肾脏病中的应用

随着社会的发展，慢性肾脏病（Chronic kidney disease，CKD）发生率呈逐年增加的趋势，患者最终发展成终末期肾脏病，多数需肾脏替代治疗（血液透析、腹膜透析等）和肾移植，给个人、家庭和社会造成巨大的经济负担。慢性肾脏病还会增加心血管疾病的风险，心血管疾病是目前导致死亡的高风险疾病之一。近年来代谢组学在慢性肾脏病研究中做出了很多贡献，利用气相色谱-质谱联用（Gas chromatography-mass spectrum，GC-MS）技术研究慢性肾功能不全患者的尿液样本，发现了8个与疾病相关的差异性代谢产物，包括肌醇、己糖醇、核糖酸、丙酸等[5]。采用超高液相色谱-高清质谱联用技术对慢性肾衰竭大鼠模型肾组织的生物标记物进行研究分析，发现慢性肾衰竭大鼠肾组织的生物标记物为多不饱和脂肪酸[6]，國外许多研究均发现氨基酸及其代谢产物可能与慢性肾脏病相关。通过纵向队列研究，检测108例CKD患者的血液样本，发现D-型丝氨酸、D-型脯氨酸、D-天冬酰胺水平与肾功能显著相关[7]。研究发现，慢性肾病患者血清色氨酸水平下降，被认为是免疫系统的标志物激活，与炎症过程相关[8-10]。通过引入代谢组学相关技术，可能有助于发现对慢性肾脏病早期诊断有价值的代谢产物，为了解慢性肾功能不全的发生发展机制，为慢性肾衰竭的治疗提供新方向。

2 代谢组学在急性肾损伤中的应用

急性肾损伤（Acute kidney injury，AKI）是一种常见的严重急性肾功能异常综合征。目前没有有效的治疗方法。由于原发病的存在，急性肾损伤起病往往表现较隐匿，因此，早期预防和早期治疗是改善AKI的有效方法。通过对缺血再灌注诱导的AKI小鼠模型的研究发现，3-吲哚硫酸（3-indoxylsulfate，3-IS）在肾损伤早期的肾组织和血清中即出现明显升高[11]。此研究是利用气相色谱、液相色谱-质谱联用的代谢组学技术实现的。有研究显示，不对称二甲基精氨酸（Asymmetric dimethylarginine，ADMA）是一种内源性一氧化氮合酶抑制剂，抑制一氧化氮的合成，可使血液ADMA水平升高，与血管内皮细胞的功能障碍和肾损伤的进展相关[12-15]。一项研究发现，在急性肾损伤早期，尿液标本中代谢产物如马尿酸、3-IS及三羧酸循环中间产物（富马酸、顺乌头酸、柠檬酸等）显著降低[16]。但由于某些药物可影响尿中三羧酸循环的代谢产物和马尿酸的改变，不能将其作为肾脏疾病可靠的标志物，其研究表明尿液中代谢产物间异丙基苯胺（3-IS）水平的变化可能是诊断肾早期损伤的标志物之一，通过代谢组学研究，期待找到特异的代谢产物，为临床研究更好地理解AKI病理机制，寻找病因，早期诊断及未来的治疗提供临床依据。

3 代谢组学在糖尿病肾病中的应用

糖尿病肾病（Diabetic nephropathy，DN）是糖尿病（Diabetic mellitus，DM）主要的慢性微血管并发症之一，发病率逐年升高，是目前糖尿病患者的主要致死因素[17-18]。代谢组学现在被越来越多的应用于糖尿病肾病的研究中。其中对103例Ⅰ型糖尿病患者随访5年，监测其肾小球基底膜厚度后分为快速进展组和缓慢进展组，快速进展组定义为肾小球基底膜厚度的改变位于前25%者，缓慢进展组为余75%。研究发现，快速进展组血清中的1种糖基化终末产物甲基乙二醛氢化咪唑啉酮、羧甲基赖氨酸、羧乙基赖氨酸水平高于进展缓慢组[19]。此研究表明，Ⅰ型糖尿病患者肾病与无肾病患者之间存在代谢产物的差异，这些代谢产物可作为Ⅰ型糖尿病患者是否出现肾病并发症的早期标志物。通过代谢组学研究90例糖尿病患者，发现血清中棕榈酸、尿中的磷脂酰胆碱（Phosphatidylcholine，PC）[P-19∶1（12Z）/0∶1[和十八烷二酸可作为早期诊断的候选标志物，而血清左旋肉碱、PC（9∶0/0∶0）和二酰基甘油（Diacylglycerol，Dg）[17∶2（9Z，12Z）/20∶3（8Z，11Z，14Z）/0∶0]，尿液中尿嘧啶二磷酸和溶血PC（16∶0）可作为疾病进展的候选标志物[20]。有研究表明，DN患者也存在色氨酸代谢异常。不同CKD分期（包括早期）的2型DN患者血浆色氨酸及其代谢产物变化水平与肾功能的相关性，发现血浆色氨酸水平与估算的肾小球滤过率（Estimated glomerular filtration rate，eGFR）水平呈正相关，而其代谢产物血浆喹啉酸、血浆犬尿氨酸均与eGFR呈负相关[21]。研究证明，肿瘤坏死因子与糖尿病肾病早期损伤的病理过程密切相关，血清肿瘤坏死因子R2（Tumor necrosis factor R2，TNFR2）有可能成为糖尿病肾病早期诊断的代谢指标[22]。n1-甲基鸟苷相较于其他代谢物对糖尿病肾病诊断有明显意义，调整糖化血红蛋白和舒张压，黄嘌呤核苷和n1-甲基鸟苷可用于预测2型糖尿病肾病的发展[23]。寻找更灵敏、确切的生物标志物进行糖尿病肾脏疾病（Diabetic kidney disease，DKD）早期诊断非常有必要。通过对不同疾病发展时期DN患者血尿中代谢产物变化特点的研究，为发现DN早期诊断及疾病进展的生物标志物提供线索并奠定基础。

4 代谢组学在其他肾脏疾病中的应用

代谢组学除了应用在上述肾脏相关疾病中以外，在其他肾脏疾病中也有大量研究，推动了肾脏疾病研究的发展。应用代谢组学在对原发性肾病综合征的研究中，发现原发性肾病综合征患者存在硫胺素代谢、嘧啶代谢、苯基丙氨酸代谢、柠檬酸循环代谢紊乱，这些代谢紊乱可能参与原发性肾病综合征疾病的发生发展，对于了解原发性肾病综合征有指导意义[24]。狼疮小鼠及狼疮性肾炎（Lupus nephritis，LN）患者中糖磷脂代謝紊乱，提示糖磷脂代谢通路可能成为狼疮性肾炎的早期诊断标志物[25]。在对狼疮性肾炎的研究中，发现血清山梨醇和甘氨胆酸代谢物水平升高，皮质醇、肌酐和L-天门冬氨酰-L-苯丙氨酸水平降低[26]。这些潜在的生物标志物表明，LN代谢紊乱可能与炎症损伤、氧化应激和磷脂代谢密切相关。利用核磁共振氢谱代谢组学技术对轻度及重度IgA肾病的研究中，发现病情严重的IgA肾病组乙酸乙酯、次牛磺酸、同型半胱氨酸、犬尿氨酸4种代谢产物明显降低[27]。发现9种代谢产物与蛋白尿呈正相关，三种代谢物与蛋白尿呈负相关。寻找到预测疾病严重程度的可能潜在生物标志物。在间质性膀胱炎的尿代谢组学研究中，发现间质性膀胱炎组尿液中苯乙酰谷氨酰胺（Phenylacetyl glutamine，PAGN）/肌酐（Creatinine，Cr）明显高于健康对照组[28]。尿PAGN/Cr可能作为一种新的尿液标志物，对间质性膀胱炎的诊断具有重要意义。对尿路感染的研究中发现，一些代谢物如三甲胺和醋酸盐与尿中细菌感染相关，为醋酸和三甲胺浓度快速诊断大肠杆菌相关尿路感染提供临床依据。代谢组学越来越多的应用于其他肾脏疾病研究中，对肾脏疾病的诊治提供了新的思路和方向[29]。

基于现代医学技术，许多肾脏疾病的诊断仍然需要肾组织活检来明确病理诊断。由于肾组织活检术为创伤性诊断方法，在很大程度上受到限制，这一限制在儿科患者中更为突出。能否找到创伤性小或无创性的诊断技术是小儿肾脏疾病研究的突破点。近年来代谢组学也逐渐应用于儿童肾脏疾病的研究中。对庆大霉素诱导的肾毒性损伤新生大鼠的研究显示，给予庆大霉素后尿液中葡萄糖，半乳糖，n-乙酰氨基葡萄糖，肌醇、丁酸和3-羟基丁酸酯的含量较正常增加了3倍，瓜氨酸和假尿苷次之升高[30]。对22例原发性肾病综合征患儿及22例健康对照儿童的血浆代谢产物进行研究，此研究采用气相色谱-质谱联用技术，共筛选出差异性代谢产物15种[31]。这些代谢物变化导致糖代谢（糖酵解、糖异生）、蛋白质代谢和脂类代谢减弱，导致三羧酸循环代谢紊乱。这些差异代谢产物主要有胆固醇、柠檬酸、亚油酸及氨基酸等，含量升高的有胆固醇、乳酸盐、丙酮酸、亚油酸、软脂酸，其余10种代谢产物含量降低。基于核磁共振氢谱的代谢组学方法对21例肾脏疾病患儿（包括肾发育不良、膀胱输尿管反流、尿路感染和急性肾功能不全）和19例健康儿童的尿液进行分析，发现嘌呤及嘧啶代谢的氨基酸光谱、三羧酸循环发生了改变[32]。利用质谱检测对IgA肾病患儿加用鱼油或玉米油前后的氧脂素谱变化，发现蛋白尿减轻的患者较严重蛋白尿患者血总的氧化脂类、二烯酸、羟二十烷四烯酸、白三烯B4等代谢物显著降低[33]。对儿童肾移植受者尿代谢物进行研究，发现与非排斥肾损伤（Non rejection renal injury，NRKI）相关的尿代谢物特征[34];显示无创性尿液代谢物检测在儿童肾移植患者中鉴别NRKI和移植排斥反应性肾损伤有一定的潜力。儿童肾脏疾病无论在疾病发病率、疾病种类、治疗及预后与成人都存在差异。代谢组学多采用血尿检查，创伤性小或无创伤，对于儿童肾脏病的诊治来说是不错的选择。

5 小結与展望

由于肾脏疾病的病理生理特点，其代谢改变可通过对血液、尿液等进行定量研究来反映，代谢组学与传统的生化检测方法不同，其可以更系统全面地发现肾脏疾病发病过程中血尿代谢物的变化并找出生物标记物。因肾脏疾病的早期诊断非常困难，其准确诊断目前仍需要肾脏穿刺活检技术，最好的生物标志物应该是准确、灵敏、相对无创且易应用于患者。由于代谢组学技术的飞速发展，其灵敏、相对无创且易应用于患者的特点在肾脏疾病研究中越来越体现出来。代谢组学技术不仅可以帮助疾病的诊断和鉴别诊断，还可以用于动态观察疾病的发展进程、用于对疾病的预后评估等。由于国内外对肾脏疾病代谢组学的研究仍是单中心研究较多，样本量有限，如果可以多中心联合，且与基因组学、转录组学、蛋白质组学等整合一起，可能会得到更准确、更系统全面的研究结果。另外，代谢组学在肾脏疾病治疗中的研究较少，如何利用代谢组学技术对肾脏疾病的治疗进行研究，从而为肾脏疾病的治疗提供更有利的代谢组学技术支持也是未来研究的方向。

[参考文献]

[1] Nicholson JK，Lindon JC. Metabonomics：Understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data[J]. Holmes E.Xenobiotica，1999，29（11）：1181-1189.

[2] Jenkins H，Hardy N，Beckmann M，et al. A proposed framework for the description of plant metabolomics experiments and their results[J]. Nature Biotechnology，2004， 22（12）：1601-1606.

[3] Haggarty J，Burgess KE. Recent advances in liquid and gas chromatography methodology for extending coverage of the metabolome[J]. Curr Opin Biotechnol，2017，43（4）：77-85.

[4] Kalim S，Rhee EP. An overview of renal metabolomics[J]. Kidney Int，2017，91（1） 61-69.

[5] 钱鹏，白冠锋，赵洁，等. 慢性肾衰竭尿液样本代谢组学研究[J]. 中华中医药学刊，2012，30（2）：318-321.

[6] 赵英永. 基于药理学和代谢组学技术阐明慢性肾衰竭的作用机制及麦角甾酮抗肾纤维化[J]. 中国药理学与毒理学杂志，2016，30（10）：1054.

[7] Kimura T，Hamase K，Miyoshi Y，et al. Chiral amino acid metabolomics for novel biomarker screening in the prognosis of chronic kidney disease[J]. Sci Rep，2016，6：26137.

[8] Gathungu RM，Kautz R，Kristal BS，et al. The integration of LC-MS and NMR for the analysis of low molecular weight trace analytes in complex matrices[J]. Mass Spectrom Rev，2020，39（1-2）：35-54.

[9] Alderson HV，Ritchie JP，Pagano S，et al. The associations of blood kidney injury molecule-1 and neutrophil gelatinaseassociated lipocalin with progression from CKD to ESRD[J]. Clin J Am Soc Nephrol，2016，11（12）：2141-2149.

[10] Ichikawa D，Kamijo-Ikemori A，Sugaya T，et al. Utility of urinary tubular markers for monitoring chronic tubulointerstitial injury after ischemia-reperfusion[J]. Nephrology （Carlton），2018，23（4）：308-316.

[11] Won AJ，Kim S，Kim YG，et al. Discovery of urinary metabolomic biomarkers for early detection of acute kidney injury[J]. Mol Biosyst，2016，12（1）：133-144.

[12] Chronic Kidney Disease. Relationship with oxidative stress improvement[J]. Nutr Metab Cardiovasc Dis，2015， 25（2）：153-159.

[13] Dong L，Ma Q，Bennett M，et al. Urinary biomarkers of cell cycle arrest are delayed predictors of acute kidney injury after pediatric cardiopulmonary bypass[J]. Pediatr Nephrol，2017，32：2351-2360.

[14] Lee EK，Shin YJ，Park EY，et al. Selenium-binding protein 1：A sensitive urinary biomarker to detect heavy metal-induced nephrotoxicity[J]. Arch Toxicol，2017，91：1635-1648.

[15] Kim KS，Yang HY，Song H，et al. Identification of a sensitive urinary biomarker，selenium-binding protein 1，for early detection of acute kidney injury[J]. J Toxicol Environ Health A，2017，80：453-464.

[16] Won AJ，Kim S，Kim YG，et al. Discovery of urinary metabolomic biomarkers for early detection of acute kidney injury[J]. Mol Biosyst，2016，12（1）：133-144.

[17] Diabetes A. A economic costs of diabetes in the US in 2017[J]. Diabetes Care，2018，41（5）：917-928.

[18] Wang LG，Zhang P，Huang M，et al. Prevalence and ethnic pattern of diabetes and prediabetes in China in 2013[J].JAMA，2017，317（24）：2515-2523.

[19] Beisswenger PJ，Howell SK，Russell GB，et al. Early progressionof diabetic nephropathy correlates with methylglyoxal-derivedadvanced glycation end products[J]. Diabetes Care，2013，36（10）：3234-3239.

[20] 王旭方，李夢婕，葛永纯，等. 糖尿病肾病患者血清及尿液代谢组学特点及临床意义[J].肾脏病与透析肾移植杂志，2012，21（3）：210-209.

[21] Chou CA，Lin CN，Chiu DT，et al. Tryptophan as asurrogate prognostic marker for diabetic nephropathy[J]. J Diabetes Investig，2018，9（2）：366-374.

[22] 宿建芳，康文娟. 糖尿病肾病早期诊断生物学标志物研究进展[J]. 中国药物与临床，2016，（10）：1453-1455.

[23] Chen CJ，Liao WL，Chang CT，et al. Identification of urinary metabolite biomarkers of type 2 diabetes nephropathy using an untargeted metabolomic approach[J]. J Proteome Res，2018，17（11）：3997-4007.

[24] 李鞠. 原发性肾病综合征患者血清异常代谢通路的代谢组学分析[J]. 山东医药，2016，56（30）：1-5.

[25] Nowling TK，Mather AR，Thiyagarajan T，et al. Renal glycosphingolipid metabolism is dysfunctional in lupusnephritis[J]. J Am Soc Nephrol，2015，26（6）：1402-1413.

[26] Li J，Xie XW，Zhou H，et al. Metabolic profiling reveals new serum biomarkers of lupus nephritis[J]. Lupus，2017， 26（11）：1166-1173.

[27] Kalantari S，Nafar M，Samavat S，et al. 1 H NMR-based metabolomics study for identifying urinary biomarkers and perturbed metabolic pathways associated with severity of IgA nephropathy：A pilot study[J]. Magn Reson Chem，2017，55（8）：693-699.

[28] Tobias Kind，Eunho Cho，Taeeun D Park，et al. Interstitial cystitis-associated urinary metabolites identified by mass-spectrometry based metabolomics analysis[J]. Sci Rep，2016，6：39227.

[29] Milena Lussu，Tania Camboni，Cristina Piras，et al. 1 H NMR spectroscopy-based metabolomics analysis for the diagnosis of symptomatic E. Coli-Associated urinary tract infection （UTI）[J]. BMC Microbiol，2017，17（1）：201.

[30] Hanna MH，Segar JL，Teesch LM，et al. Urinary metabolomic markers of aminoglycoside nephrotoxicity in newborn rats[J].Pediatr Res，2013，73（5）：585-591.

[31] 王方杰，刘韶，王婷，等. 基于气相色谱质谱联用技术的代谢组学在小儿原发性肾病综合征中的应用[J]. 儿科药学杂志，2017，23（11）：1-5.

[32] Atzori L，Antonucci R，Barberini L，et al. 1 H NMR-based metabolic profiling of urine from children with nephrouropathies[J]. Front Biosci（Elite Ed），2010，2（1）：725-732.

[33] Shiva Kalantari，Mohsen Nafar，Shiva Samavat，et al. 1 H NMR-based metabolomics study for identifying urinary biomarkers and perturbed metabolic pathways associated with severity of IgA nephropathy：A pilot studymagn reson chem[J]. Maynetic Resonance in Chemistry：MRC，2017， 55（8）：693-699.

[34] Archdekin B，Sharma A，Gibson IW，et al. Non-invasive differentiation of non-rejection kidney injury from acute rejection in pediatric renal transplant recipients[J]. Pediatr Transplant，2019，4（2）：e13364.

（收稿日期：2020-06-24）