心臟外科術(shù)后急性腎損傷的代謝組學(xué)研究進(jìn)展

石寧 張松 馬高祥 馬世平（通訊作者）

（中國(guó)藥科大學(xué)中藥學(xué)院 江蘇 南京 210000）

急性腎損傷（Acute kidney injury，AKI）是一種多病因引起的腎功能快速下降的復(fù)雜的臨床綜合征，是成人心臟外科術(shù)后常見(jiàn)的嚴(yán)重并發(fā)癥[1]。心臟外科術(shù)后發(fā)生急性腎損傷不僅會(huì)延長(zhǎng)患者的住院時(shí)間，還會(huì)增加患者術(shù)后的死亡風(fēng)險(xiǎn)[2-5]。在所有接受心臟手術(shù)的患者中，約18%的患者術(shù)后發(fā)生AKI事件，最終約有2%-6%的患者需要接受腎臟替代治療（Renal replacement therapy，RRT）[6]。

心臟手術(shù)相關(guān)AKI的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，包括多種損傷途徑：缺血再灌注、外源性和內(nèi)源性毒素、炎癥、氧化應(yīng)激和血流動(dòng)力學(xué)因素等[7]。臨床工作中，血清肌酐和尿量作為常用的AKI的診斷標(biāo)準(zhǔn)已超過(guò)50年[8]，然而血清肌酐易受循環(huán)容量狀態(tài)、藥物等非腎臟因素影響，對(duì)AKI檢測(cè)的特異性較低，限制了AKI的檢出率[9-10]。因此，找到一種能夠輔助早期預(yù)測(cè)AKI的生物標(biāo)志物成為了腎臟領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1.代謝組學(xué)研究概況

代謝組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域一門(mén)迅速發(fā)展起來(lái)的學(xué)科，是除了基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之外的高通量“組學(xué)”技術(shù)之一[11]。代謝組學(xué)利用具有高通量、高準(zhǔn)確性和高靈敏度的現(xiàn)代分析技術(shù)[12]，通過(guò)對(duì)機(jī)體體液中內(nèi)源性代謝物進(jìn)行檢測(cè)與分析，靈敏且迅速地反映生物體內(nèi)代謝物的變化，衡量機(jī)體的代謝改變，同時(shí)借助多變量統(tǒng)計(jì)方法，探究?jī)?nèi)源性代謝物的變化與機(jī)體生理病理的關(guān)系[13]。

根據(jù)研究目的可將代謝組學(xué)分為非靶向代謝組學(xué)和靶向代謝組學(xué)。非靶向代謝組學(xué)針對(duì)生物樣品中可檢測(cè)到的所有或大部分內(nèi)源性代謝物進(jìn)行無(wú)差別的定性或定量分析，可從整體上闡明疾病發(fā)展過(guò)程中的代謝紊亂情況[14]。靶向代謝組學(xué)是指針對(duì)某一個(gè)或幾個(gè)或特定類別的內(nèi)源性代謝物進(jìn)行定量分析，通常為相似理化性質(zhì)的一類代謝物（如脂質(zhì)、氨基酸等）或相關(guān)代謝途徑所涉及的代謝物[15]。

代謝組學(xué)研究過(guò)程主要包括樣品收集、樣品制備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)、代謝物鑒定和代謝標(biāo)志物篩選等。血液、尿液、組織是代謝組學(xué)生物標(biāo)志物研究中最常用的標(biāo)本，其中的內(nèi)源性代謝物包含多類型化合物，且濃度范圍跨度較廣，因此，高靈敏度、高準(zhǔn)確性、高通量的儀器分析技術(shù)是代謝組學(xué)研究的基礎(chǔ)[16-18]。核磁共振波譜法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR）和質(zhì)譜法（Mass Spectrometry，MS）分析是當(dāng)前代謝組學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的兩種核心技術(shù)[19-20]，前者具有無(wú)偏向性、所需樣品量少、非破壞性檢測(cè)、可提供代謝物精確結(jié)構(gòu)信息的優(yōu)點(diǎn)[21]，而后者則具有較高的靈敏度和專屬性，檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍更為廣泛[16]。

代謝組學(xué)具有無(wú)損傷、可量化的特點(diǎn)及高通量、低成本的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于多種疾病模型中以進(jìn)行代謝產(chǎn)物的輪廓分析[22-25]，為臨床心臟術(shù)后AKI的研究提供了新的思路。

2.代謝組學(xué)在心臟術(shù)后急性腎損傷中的研究進(jìn)展

代謝組學(xué)技術(shù)能夠從代謝網(wǎng)絡(luò)終端表象反映生物體的功能水平，因此其在疾病預(yù)測(cè)和診斷等方面的作用備受關(guān)注。內(nèi)源性代謝標(biāo)志物不僅可以作為疾病發(fā)生的診斷標(biāo)志物在疾病早期判斷疾病的發(fā)生，而且可以通過(guò)研究其代謝途徑的擾動(dòng)找到相關(guān)通路以及確定關(guān)鍵的代謝酶，從而為疾病機(jī)制的探索及治療提供證據(jù)。

2.1 代謝組學(xué)描繪心臟術(shù)后急性腎損傷代謝特征及代謝標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)

Wei[26]等通過(guò)對(duì)缺血再灌注造模的急性腎損傷小鼠的血漿、腎皮質(zhì)和髓質(zhì)進(jìn)行代謝組學(xué)分析，采用氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的技術(shù)手段，檢測(cè)到11種代謝物在腎損傷早期于腎臟和血漿中變化顯著升高，包括氨基酸類及一些脂肪酸分解的代謝產(chǎn)物，包括2-甲基丁甘氨酸、3-甲基巴豆酰甘氨酸、3-吲哚基硫酸鹽、苯酚硫酸鹽等。在臨床研究中，Martin[27]等采用核磁共振（NMR）與液相色譜-質(zhì)譜法（LCMS/MS）結(jié)合的方法對(duì)心臟術(shù)后發(fā)生AKI的患者的尿液樣本進(jìn)行檢測(cè)，證明AKI患者尿液中的代謝物發(fā)生了顯著變化，N-乙酰神經(jīng)氨酸、磷酸乙醇胺和絲氨酸的水平升高，而2-羥基丁酸、泛酸和馬尿酸水平顯著降低，有顯著性差異，其中馬尿酸、磷酸乙醇胺和絲氨酸在腎前性AKI患者中的變化程度高于腎性AKI患者。已有研究[10]采用核磁共振波譜技術(shù)對(duì)85例成人心臟手術(shù)患者進(jìn)行前瞻性研究，探究血漿樣本的代謝特征譜對(duì)體外循環(huán)心臟手術(shù)后AKI預(yù)后的判斷潛力，Mg2+、乳酸及葡萄糖苷酸綴合物可作為鑒別是否發(fā)生AKI的差異代謝物，但仍缺乏更為嚴(yán)謹(jǐn)、廣泛的多中心臨床研究。曾有學(xué)者[28]針對(duì)主動(dòng)脈瓣膜置換術(shù)后發(fā)生AKI的患者的血漿代謝物進(jìn)行代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)5-腺苷同型半胱氨酸與肌酐升高和患者死亡率顯著相關(guān)。

2.2 代謝組學(xué)探究心臟術(shù)后AKI發(fā)生相關(guān)的分子代謝路徑

研究者們[26]通過(guò)研究代謝產(chǎn)物的變化來(lái)推斷心臟術(shù)后急性腎損傷分子代謝路徑的擾動(dòng)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，AKI發(fā)生之后，葡萄糖、丙酮酸、乳酸及三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物包括琥珀酸、蘋(píng)果酸等含量降低，表明糖代謝受抑制，三羧酸循環(huán)氧化供能受阻；血漿中乙酰肉堿、乙酰乙酸、3-羥基丁酸的增加，表明游離脂肪酸及其分解增加，提示脂質(zhì)成為代償供能物質(zhì)。一項(xiàng)17例AKI患者與腎功能正常者的血清代謝譜進(jìn)行比較的臨床試驗(yàn)中[29]，研究人員觀察到?；鈮A和氨基酸（蛋氨酸、同型半胱氨酸、焦谷氨酸、非對(duì)稱二甲基精氨酸和苯丙氨酸）的增加及血清精氨酸和幾種溶血磷脂酰膽堿的降低，參與氧化應(yīng)激途徑化合物顯著增加提示氧化應(yīng)激反映增強(qiáng)。近期研究表明[30]，小鼠缺血再灌注造成的急性腎損傷模型中AKI后腎組織中NAD+（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）下降，喹諾酮類升高，QPRT（喹啉磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶）下降，隨后研究者在QPRT+/-小鼠中驗(yàn)證這一現(xiàn)象，小鼠模型表現(xiàn)出更多的喹諾酮類累積、更低的NAD+水平和更高的AKI敏感性。在術(shù)后AKI患者的臨床前瞻隊(duì)列研究中，證實(shí)了NAD+的從頭合成通路的抑制是AKI高?；颊叩拇x特征。

3.總結(jié)與展望

綜上所述，代謝組學(xué)結(jié)果能夠直觀地反映出心臟術(shù)后急性腎損傷造成的內(nèi)源性代謝物的擾動(dòng)，發(fā)現(xiàn)潛在的早期診斷生物標(biāo)志物及代謝紊亂途徑，為臨床心臟術(shù)后AKI的診斷研究提供了新的思路。但在現(xiàn)階段的研究中，仍存在較多不足之處，需在檢測(cè)技術(shù)、臨床樣本數(shù)量、多組學(xué)結(jié)合等方面不斷突破。因此,在心臟術(shù)后AKI研究中應(yīng)用代謝組學(xué)應(yīng)積極總結(jié)自身優(yōu)勢(shì), 建立更可靠的臨床隊(duì)列樣本，探索疾病進(jìn)展過(guò)程中的代謝差異與病理機(jī)制，促進(jìn)心臟術(shù)后AKI研究更好發(fā)展，為臨床診斷、治療及預(yù)后提供新的科學(xué)證據(jù)與思路。