基于代谢组学技术探讨高尿酸血症合并慢性肾脏疾病的研究进展

魏雪，刘蕊

尿酸是嘌呤代谢的终产物，其2∕3通过肾脏排泄，尿酸合成增多或排泄减少是造成高尿酸血症（HUA）的主要原因［1］。HUA可导致慢性肾脏病［2］，慢性肾脏病是以肾功能损伤为特征的一类疾病，如不及时诊疗会导致终末期肾病［3］。一项上海浦东近郊居民HUA流行病学研究显示，HUA患病率为16.67%，其中25.9%的患者发生慢性肾脏病［4］。代谢组学旨在测量生命体对生物刺激或基因操纵的整体、动态代谢反应［5］，主要利用质谱（MS）以及磁共振技术（MR）对生物样品进行检测，分析其中相对分子质量小于1 500 Da的代谢物［6］。代谢组学通过对差异代谢物的分析，反映机体存在的代谢通路异常，提示代谢情况变化［7］。其目前已被广泛应用于疾病发病机制研究、早期诊断标志物筛选、疾病治疗监测、预后判断等多个领域［8-10］。代谢组学研究发现部分氨基酸、脂质代谢通路在HUA合并慢性肾脏疾病发病、诊断和治疗中发挥重要作用。本文就HUA合并慢性肾脏疾病的代谢组学研究进行综述，以期从代谢通路异常的角度探讨HUA合并慢性肾脏疾病的发病和诊疗。

1 HUA合并慢性肾脏疾病发病机制的代谢组学研究

HUA合并慢性肾脏疾病的发病机制包括：氧化应激、内皮细胞功能紊乱、炎症反应和肾素-血管紧张素-醛固酮系统的激活［11］。代谢组学可同时分析包括氨基酸、脂质、糖类等在内的几千种小分子代谢物，利用R语言等分析软件选出差异代谢物，通过京都基因和基因组百科全书（KEGG）数据库对差异代谢物进行富集分析，发现与疾病发病相关的异常代谢通路。代谢组学研究［10，12-13］显示，HUA合并慢性肾脏疾病的发生与氨基酸、脂质代谢通路异常密切相关，由此为探索该病的机制提供了新思路。

1.1 氨基酸代谢异常与HUA合并慢性肾脏疾病的关系 有学者利用代谢组学方法检测HUA及正常大鼠的血液，结果显示HUA大鼠存在肾损伤，且多种氨基酸水平异常，富集分析发现HUA合并慢性肾脏疾病与谷氨酸、谷氨酰胺代谢通路和甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸代谢通路异常相关［12-14］。

1.1.1 谷氨酸及谷氨酰胺代谢通路 Han等［14］发现HUA大鼠存在明显肾脏损伤，血肌酐（Scr）和尿素氮（BUN）水平较对照组显著升高，通过MR分析HUA大鼠的血清代谢物，发现谷氨酰胺和谷氨酸水平下降。在HUA状态下，肾脏可能摄取更多的谷氨酰胺和谷氨酸以中和过量的尿酸，从而导致血清谷氨酰胺和谷氨酸水平下降。谷氨酰胺是维持肾功能的必需营养物质，是肾脏中NH3的主要供体，在肾脏酸碱平衡调节中发挥重要作用，其血清水平下降可能表明肾功能异常［13］。此外，谷氨酰胺是谷胱甘肽的合成原料，而谷胱甘肽具有抗氧化作用，血浆谷氨酰胺浓度下降将造成谷胱甘肽合成不足，导致机体产生大量活性氧及自由基，产生氧化应激［12］，进一步促进慢性肾脏病的发生发展。

1.1.2 甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸代谢通路 代谢组学研究表明HUA合并慢性肾脏疾病与甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸代谢途径相关［13，15］。Pan等［13］建立HUA合并肾病模型大鼠，发现模型组大鼠Scr、BUN和肾质量指数显著升高，并对HUA大鼠进行肾脏解剖，可见明显的肾脏病理性损伤；利用气相色谱-质谱法检测HUA大鼠血浆，发现甘氨酸水平升高，丝氨酸水平降低，推测在HUA状态下，丝氨酸羟甲基转移酶活性受到抑制，引起肾脏中甘氨酸向丝氨酸转化减弱，使血浆甘氨酸水平升高。甘氨酸为合成胶原的主要原料，其水平升高，可导致胶原合成增多，肾脏发生纤维化，形成慢性肾脏病［16-17］；然而，另一部分研究显示HUA大鼠血浆甘氨酸水平降低［15，18］，甘氨酸是尿酸盐的合成前体，大量甘氨酸被用于合成尿酸盐［18］，尿酸盐堆积导致慢性肾脏病。此外，甘氨酸通过抑制核因子κB p65的上调来抑制缺氧诱导因子-1α，从而抑制炎症反应［19］。血浆甘氨酸水平降低可导致机体抗炎能力减弱［20］，加速HUA合并慢性肾脏疾病的发生发展。虽然以上研究甘氨酸水平变化不一致，但均表明甘氨酸代谢异常在HUA合并慢性肾脏疾病中具有重要作用，未来应深入研究证实其作用。

1.2 脂质代谢异常与HUA合并慢性肾脏疾病 利用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLCQ-TOF∕MS）对HUA肾脏损伤及正常大鼠的血清进行代谢组学研究，结果显示，HUA大鼠存在多种小分子脂质水平异常，通过富集并与KEGG数据库对比，发现其与甘油磷脂代谢通路密切相关［21-22］。由此推测，HUA可能通过激活甘油磷脂代谢途径造成慢性肾脏病。甘油磷脂为机体含量最多的磷脂，是细胞膜的重要组成部分，参与细胞膜信号转导及蛋白质识别等重要代谢［23-24］。代谢组学研究发现HUA大鼠血清磷脂酰胆碱（PC）、溶血磷脂酰胆碱（LPC）水 平 明显 升 高［21，25］，推 测 尿 酸 可激 活 磷 脂 酶A2（PLA2），使该酶催化的甘油磷脂水解加快，导致血清PC及LPC增高［21］。生理状态下，PC、LPC含量较低，而在炎症状态下会聚集并导致机体出现病理特征［26］。LPC可激活炎症信号通路［27］，造成血管内皮细胞损伤，血管壁通透性增加［24］；炎性环境及内皮细胞损伤会促使慢性肾脏病发生［11］。PLA2活性增高可导致花生四烯酸合成加快，而花生四烯酸为白三烯、组胺等炎性物质的前体［28］，其含量增加导致机体炎症反应加剧，从而加速慢性肾脏病的形成。

2 代谢组学在筛选HUA合并慢性肾脏疾病生物标志物中的应用

目前，临床上通常以血清尿酸（SUA）水平升高，结合肾脏组织病理学、Scr或临床表现确诊HUA合并慢性肾脏疾病。代谢组学发现部分代谢产物与HUA合并慢性肾脏疾病密切相关，相关代谢物联合检测有助于该病的识别［13］，为临床诊断提供新思路。

2.1 氨基酸及其代谢产物用于诊断HUA合并慢性肾脏疾病

2.1.1 甘氨酸、丝氨酸、谷氨酰胺 Pan等［13］利用气相色谱-质谱法对大鼠血浆进行检测，发现12种代谢物异常与HUA的发生密切相关，其中甘氨酸、丝氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺水平与Scr、BUN等肾功能指标密切相关；采用受试者工作特征（ROC）曲线分析甘氨酸、丝氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺对HUA合并肾病的预测能力，曲线下面积分别为0.84、0.86、0.94和0.84；联合应用甘氨酸、丝氨酸和谷氨酰胺诊断HUA合并慢性肾脏疾病，曲线下面积为1，敏感度和特异度均为1，对该病具有良好的诊断价值。

2.1.2 色氨酸及其代谢产物 Chen等［29］对HUA及正常大鼠进行研究，发现HUA大鼠的Scr、BUN显著升高，提示HUA大鼠存在肾损伤，而后利用UPLCQ-TOF∕MS检测大鼠血清代谢物，发现2组间11种关键代谢物存在明显差异，其中色氨酸代谢产物5-羟基吲哚乙酸水平与Scr、BUN等肾功能指标密切相关，ROC曲线分析其对HUA的诊断价值，曲线下面积为0.88，对HUA的诊断价值较高。后续可进一步研究5-羟基吲哚乙酸对HUA合并慢性肾脏疾病的诊断价值。Shan等［30］对HUA肾病大鼠进行UPLCQ-TOF∕MS分析显示，HUA大鼠血浆色氨酸水平显著升高，可作为潜在诊断标志物。另外有研究发现，色氨酸代谢产物可激活芳香烃受体，引起炎症、氧化应激，造成慢性肾脏病［31］。由此推测，色氨酸及其代谢产物可能用于诊断HUA合并慢性肾脏疾病。但HUA如何造成色氨酸代谢异常尚不清楚。

2.2 脂质 Yang等［21］采用UPLC-Q-TOF∕MS对HUA肾损伤及正常对照组大鼠进行血清脂质代谢组学检测，发现包括4种PC、4种LPC、2种磷脂酰乙醇胺（PE）、2种三酰甘油、1种胆固醇酯（CE）在内的13种脂质异常可作为诊断HUA肾脏损伤的潜在标志物。Qin等［24］利用UPLC-Q-TOF∕MS发现HUA肾损伤患者的血清PC、LPC、PE、磷脂酰甘油水平相较正常人群显著上升。Wang等［25］利用MR及MS法分析HUA肾损伤及正常大鼠血浆，发现HUA肾损伤大鼠血浆3种LPC明显上升，可作为潜在的诊断标志物。由此可见，脂质异常有助于诊断HUA合并慢性肾脏疾病，但仍需进一步验证方能应用于临床。

目前，代谢组学发现多种指标可作为诊断HUA合并慢性肾脏疾病的潜在标志物。但不同研究的结论不尽相同，可能与造模方法不同有关；且多数研究仍处在动物实验阶段，未来需进行大规模人群试验以判断指标的临床应用价值。

3 代谢组学在中药治疗HUA合并慢性肾脏疾病中的应用

对于HUA合并慢性肾脏疾病，现主要采用降尿酸治疗［1，32］，但降尿酸治疗能否改善肾损伤仍存在争议［33］。临床常用的药物别嘌呤醇、非布司他均通过抑制黄嘌呤氧化酶活性，减少尿酸合成，达到降尿酸作用［34］；而别嘌呤醇、非布司他使用过程中存在过敏、胃肠道不适等不良反应［14，34］，且慢性肾脏病晚期患者应慎用非布司他［33］。研究发现通过中药调节氨基酸和脂质代谢可降低血尿酸水平［21，25］。近年来利用代谢组学评估中药治疗HUA效果的相关研究日渐增多，代谢组学对中药成分、疗效分析的优势有效弥补了中药配伍复杂、作用成分不明的缺陷，已经广泛用于机制探索、疗效判断等研究中［35-36］。

3.1 中药调节氨基酸代谢治疗HUA合并慢性肾脏疾病 研究发现，经虎杖苷治疗的HUA肾损伤大鼠SUA、Scr和BUN水平显著降低，证明虎杖苷对HUA治疗效果较好，且可缓解肾功能损伤；利用MR对正常、HUA及治疗后的HUA大鼠血液进行代谢组学分析，发现虎杖苷逆转了HUA大鼠血中亮氨酸、缬氨酸的异常上升，通路分析表明虎杖苷降尿酸作用与其恢复支链氨基酸代谢紊乱有关［14］。Wang等［25］分别采用秦皮、别嘌呤醇治疗HUA肾损伤大鼠，发现2种药物治疗后大鼠SUA水平均下降，肾脏病理切片检测发现，秦皮治疗组HUA大鼠肾脏损伤有恢复迹象，别嘌呤醇治疗组则未见恢复，可见秦皮可用于治疗HUA，且对肾脏有保护作用，而别嘌呤醇不能缓解肾损伤；利用MR及MS技术对大鼠血浆、尿液分析，发现秦皮治疗有助于改善HUA大鼠天冬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和鸟氨酸的代谢异常，提示秦皮的降尿酸作用与调节氨基酸代谢有关。

3.2 中药调节脂质代谢治疗HUA合并慢性肾脏疾病 Zhang等［28］研究发现经银杏叶治疗的HUA大鼠SUA明显下降，此外，其血清三酰甘油较未治疗的HUA大鼠也显著下降，采用UPLC-Q-TOF∕MS法对正常、治疗前HUA及治疗后HUA大鼠进行血清脂质代谢组学分析发现，银杏叶治疗改善了HUA大鼠血清中LPC、PC等13种脂质异常，上述脂质与甘油磷脂代谢途径关系密切，推测银杏叶可能通过抑制PLA2活性降低LPC及PC水平，以达到降尿酸的目的。Yang等［21］研究发现HUA大鼠的Scr、血清肿瘤坏死因子（TNF）-α显著增高，提示HUA大鼠存在肾功能异常及炎症反应，经车前子治疗后，HUA大鼠的SUA、Scr、TNF-α水平显著下降，与正常大鼠无明显差异，提示车前子具有抗HUA、抗炎和肾脏保护作用；UPLC-Q-TOF∕MS分析发现，经车前子治疗的HUA大鼠血清中8种异常的脂质水平恢复正常，通路分析表明其与甘油磷脂代谢密切相关，推测车前子通过调节甘油磷脂途径达到降尿酸目的，从而治疗HUA合并慢性肾脏疾病。

以上代谢组学研究发现多种中药通过改善体内代谢紊乱的方式起到降尿酸、保护肾功能的作用，可见应用代谢组学探索中药治疗HUA合并慢性肾脏疾病有一定的应用前景；但不同药物调节的代谢途径不完全相同，其有效成分无法完全明确，仍需要继续研究。

4 小结与展望

应用代谢组学对HUA合并慢性肾脏疾病开展研究，能更全面、系统地揭示该病的发病机制，筛选出部分相关标志物，有助于早期诊断，与中药治疗结合为后期治疗提供了新的方向。今后可利用大样本人群对研究结果进行验证，以期应用于临床并开展代谢组学联合基因、转录、蛋白质的多组学研究，更深入地探讨疾病机制及诊疗方面的问题。