基于代謝組學(xué)技術(shù)探討高尿酸血癥合并慢性腎臟疾病的研究進(jìn)展

魏雪，劉蕊

尿酸是嘌呤代謝的終產(chǎn)物，其2∕3通過(guò)腎臟排泄，尿酸合成增多或排泄減少是造成高尿酸血癥（HUA）的主要原因［1］。HUA可導(dǎo)致慢性腎臟?。?］，慢性腎臟病是以腎功能損傷為特征的一類(lèi)疾病，如不及時(shí)診療會(huì)導(dǎo)致終末期腎?。?］。一項(xiàng)上海浦東近郊居民HUA流行病學(xué)研究顯示，HUA患病率為16.67%，其中25.9%的患者發(fā)生慢性腎臟?。?］。代謝組學(xué)旨在測(cè)量生命體對(duì)生物刺激或基因操縱的整體、動(dòng)態(tài)代謝反應(yīng)［5］，主要利用質(zhì)譜（MS）以及磁共振技術(shù)（MR）對(duì)生物樣品進(jìn)行檢測(cè)，分析其中相對(duì)分子質(zhì)量小于1 500 Da的代謝物［6］。代謝組學(xué)通過(guò)對(duì)差異代謝物的分析，反映機(jī)體存在的代謝通路異常，提示代謝情況變化［7］。其目前已被廣泛應(yīng)用于疾病發(fā)病機(jī)制研究、早期診斷標(biāo)志物篩選、疾病治療監(jiān)測(cè)、預(yù)后判斷等多個(gè)領(lǐng)域［8-10］。代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)部分氨基酸、脂質(zhì)代謝通路在HUA合并慢性腎臟疾病發(fā)病、診斷和治療中發(fā)揮重要作用。本文就HUA合并慢性腎臟疾病的代謝組學(xué)研究進(jìn)行綜述，以期從代謝通路異常的角度探討HUA合并慢性腎臟疾病的發(fā)病和診療。

1 HUA合并慢性腎臟疾病發(fā)病機(jī)制的代謝組學(xué)研究

HUA合并慢性腎臟疾病的發(fā)病機(jī)制包括：氧化應(yīng)激、內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂、炎癥反應(yīng)和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)的激活［11］。代謝組學(xué)可同時(shí)分析包括氨基酸、脂質(zhì)、糖類(lèi)等在內(nèi)的幾千種小分子代謝物，利用R語(yǔ)言等分析軟件選出差異代謝物，通過(guò)京都基因和基因組百科全書(shū)（KEGG）數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)差異代謝物進(jìn)行富集分析，發(fā)現(xiàn)與疾病發(fā)病相關(guān)的異常代謝通路。代謝組學(xué)研究［10，12-13］顯示，HUA合并慢性腎臟疾病的發(fā)生與氨基酸、脂質(zhì)代謝通路異常密切相關(guān)，由此為探索該病的機(jī)制提供了新思路。

1.1 氨基酸代謝異常與HUA合并慢性腎臟疾病的關(guān)系 有學(xué)者利用代謝組學(xué)方法檢測(cè)HUA及正常大鼠的血液，結(jié)果顯示HUA大鼠存在腎損傷，且多種氨基酸水平異常，富集分析發(fā)現(xiàn)HUA合并慢性腎臟疾病與谷氨酸、谷氨酰胺代謝通路和甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸代謝通路異常相關(guān)［12-14］。

1.1.1 谷氨酸及谷氨酰胺代謝通路 Han等［14］發(fā)現(xiàn)HUA大鼠存在明顯腎臟損傷，血肌酐（Scr）和尿素氮（BUN）水平較對(duì)照組顯著升高，通過(guò)MR分析HUA大鼠的血清代謝物，發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺和谷氨酸水平下降。在HUA狀態(tài)下，腎臟可能攝取更多的谷氨酰胺和谷氨酸以中和過(guò)量的尿酸，從而導(dǎo)致血清谷氨酰胺和谷氨酸水平下降。谷氨酰胺是維持腎功能的必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是腎臟中NH3的主要供體，在腎臟酸堿平衡調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用，其血清水平下降可能表明腎功能異常［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，血漿谷氨酰胺濃度下降將造成谷胱甘肽合成不足，導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生大量活性氧及自由基，產(chǎn)生氧化應(yīng)激［12］，進(jìn)一步促進(jìn)慢性腎臟病的發(fā)生發(fā)展。

1.1.2 甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸代謝通路 代謝組學(xué)研究表明HUA合并慢性腎臟疾病與甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸代謝途徑相關(guān)［13，15］。Pan等［13］建立HUA合并腎病模型大鼠，發(fā)現(xiàn)模型組大鼠Scr、BUN和腎質(zhì)量指數(shù)顯著升高，并對(duì)HUA大鼠進(jìn)行腎臟解剖，可見(jiàn)明顯的腎臟病理性損傷；利用氣相色譜-質(zhì)譜法檢測(cè)HUA大鼠血漿，發(fā)現(xiàn)甘氨酸水平升高，絲氨酸水平降低，推測(cè)在HUA狀態(tài)下，絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶活性受到抑制，引起腎臟中甘氨酸向絲氨酸轉(zhuǎn)化減弱，使血漿甘氨酸水平升高。甘氨酸為合成膠原的主要原料，其水平升高，可導(dǎo)致膠原合成增多，腎臟發(fā)生纖維化，形成慢性腎臟?。?6-17］；然而，另一部分研究顯示HUA大鼠血漿甘氨酸水平降低［15，18］，甘氨酸是尿酸鹽的合成前體，大量甘氨酸被用于合成尿酸鹽［18］，尿酸鹽堆積導(dǎo)致慢性腎臟病。此外，甘氨酸通過(guò)抑制核因子κB p65的上調(diào)來(lái)抑制缺氧誘導(dǎo)因子-1α，從而抑制炎癥反應(yīng)［19］。血漿甘氨酸水平降低可導(dǎo)致機(jī)體抗炎能力減弱［20］，加速HUA合并慢性腎臟疾病的發(fā)生發(fā)展。雖然以上研究甘氨酸水平變化不一致，但均表明甘氨酸代謝異常在HUA合并慢性腎臟疾病中具有重要作用，未來(lái)應(yīng)深入研究證實(shí)其作用。

1.2 脂質(zhì)代謝異常與HUA合并慢性腎臟疾病 利用超高效液相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（UPLCQ-TOF∕MS）對(duì)HUA腎臟損傷及正常大鼠的血清進(jìn)行代謝組學(xué)研究，結(jié)果顯示，HUA大鼠存在多種小分子脂質(zhì)水平異常，通過(guò)富集并與KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其與甘油磷脂代謝通路密切相關(guān)［21-22］。由此推測(cè)，HUA可能通過(guò)激活甘油磷脂代謝途徑造成慢性腎臟病。甘油磷脂為機(jī)體含量最多的磷脂，是細(xì)胞膜的重要組成部分，參與細(xì)胞膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及蛋白質(zhì)識(shí)別等重要代謝［23-24］。代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)HUA大鼠血清磷脂酰膽堿（PC）、溶血磷脂酰膽堿（LPC）水 平 明顯 升 高［21，25］，推 測(cè) 尿 酸 可激 活 磷 脂 酶A2（PLA2），使該酶催化的甘油磷脂水解加快，導(dǎo)致血清PC及LPC增高［21］。生理狀態(tài)下，PC、LPC含量較低，而在炎癥狀態(tài)下會(huì)聚集并導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)病理特征［26］。LPC可激活炎癥信號(hào)通路［27］，造成血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，血管壁通透性增加［24］；炎性環(huán)境及內(nèi)皮細(xì)胞損傷會(huì)促使慢性腎臟病發(fā)生［11］。PLA2活性增高可導(dǎo)致花生四烯酸合成加快，而花生四烯酸為白三烯、組胺等炎性物質(zhì)的前體［28］，其含量增加導(dǎo)致機(jī)體炎癥反應(yīng)加劇，從而加速慢性腎臟病的形成。

2 代謝組學(xué)在篩選HUA合并慢性腎臟疾病生物標(biāo)志物中的應(yīng)用

目前，臨床上通常以血清尿酸（SUA）水平升高，結(jié)合腎臟組織病理學(xué)、Scr或臨床表現(xiàn)確診HUA合并慢性腎臟疾病。代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)部分代謝產(chǎn)物與HUA合并慢性腎臟疾病密切相關(guān)，相關(guān)代謝物聯(lián)合檢測(cè)有助于該病的識(shí)別［13］，為臨床診斷提供新思路。

2.1 氨基酸及其代謝產(chǎn)物用于診斷HUA合并慢性腎臟疾病

2.1.1 甘氨酸、絲氨酸、谷氨酰胺 Pan等［13］利用氣相色譜-質(zhì)譜法對(duì)大鼠血漿進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)12種代謝物異常與HUA的發(fā)生密切相關(guān)，其中甘氨酸、絲氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺水平與Scr、BUN等腎功能指標(biāo)密切相關(guān)；采用受試者工作特征（ROC）曲線(xiàn)分析甘氨酸、絲氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺對(duì)HUA合并腎病的預(yù)測(cè)能力，曲線(xiàn)下面積分別為0.84、0.86、0.94和0.84；聯(lián)合應(yīng)用甘氨酸、絲氨酸和谷氨酰胺診斷HUA合并慢性腎臟疾病，曲線(xiàn)下面積為1，敏感度和特異度均為1，對(duì)該病具有良好的診斷價(jià)值。

2.1.2 色氨酸及其代謝產(chǎn)物 Chen等［29］對(duì)HUA及正常大鼠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)HUA大鼠的Scr、BUN顯著升高，提示HUA大鼠存在腎損傷，而后利用UPLCQ-TOF∕MS檢測(cè)大鼠血清代謝物，發(fā)現(xiàn)2組間11種關(guān)鍵代謝物存在明顯差異，其中色氨酸代謝產(chǎn)物5-羥基吲哚乙酸水平與Scr、BUN等腎功能指標(biāo)密切相關(guān)，ROC曲線(xiàn)分析其對(duì)HUA的診斷價(jià)值，曲線(xiàn)下面積為0.88，對(duì)HUA的診斷價(jià)值較高。后續(xù)可進(jìn)一步研究5-羥基吲哚乙酸對(duì)HUA合并慢性腎臟疾病的診斷價(jià)值。Shan等［30］對(duì)HUA腎病大鼠進(jìn)行UPLCQ-TOF∕MS分析顯示，HUA大鼠血漿色氨酸水平顯著升高，可作為潛在診斷標(biāo)志物。另外有研究發(fā)現(xiàn)，色氨酸代謝產(chǎn)物可激活芳香烴受體，引起炎癥、氧化應(yīng)激，造成慢性腎臟?。?1］。由此推測(cè)，色氨酸及其代謝產(chǎn)物可能用于診斷HUA合并慢性腎臟疾病。但HUA如何造成色氨酸代謝異常尚不清楚。

2.2 脂質(zhì) Yang等［21］采用UPLC-Q-TOF∕MS對(duì)HUA腎損傷及正常對(duì)照組大鼠進(jìn)行血清脂質(zhì)代謝組學(xué)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)包括4種PC、4種LPC、2種磷脂酰乙醇胺（PE）、2種三酰甘油、1種膽固醇酯（CE）在內(nèi)的13種脂質(zhì)異?？勺鳛樵\斷HUA腎臟損傷的潛在標(biāo)志物。Qin等［24］利用UPLC-Q-TOF∕MS發(fā)現(xiàn)HUA腎損傷患者的血清PC、LPC、PE、磷脂酰甘油水平相較正常人群顯著上升。Wang等［25］利用MR及MS法分析HUA腎損傷及正常大鼠血漿，發(fā)現(xiàn)HUA腎損傷大鼠血漿3種LPC明顯上升，可作為潛在的診斷標(biāo)志物。由此可見(jiàn)，脂質(zhì)異常有助于診斷HUA合并慢性腎臟疾病，但仍需進(jìn)一步驗(yàn)證方能應(yīng)用于臨床。

目前，代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)多種指標(biāo)可作為診斷HUA合并慢性腎臟疾病的潛在標(biāo)志物。但不同研究的結(jié)論不盡相同，可能與造模方法不同有關(guān)；且多數(shù)研究仍處在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，未來(lái)需進(jìn)行大規(guī)模人群試驗(yàn)以判斷指標(biāo)的臨床應(yīng)用價(jià)值。

3 代謝組學(xué)在中藥治療HUA合并慢性腎臟疾病中的應(yīng)用

對(duì)于HUA合并慢性腎臟疾病，現(xiàn)主要采用降尿酸治療［1，32］，但降尿酸治療能否改善腎損傷仍存在爭(zhēng)議［33］。臨床常用的藥物別嘌呤醇、非布司他均通過(guò)抑制黃嘌呤氧化酶活性，減少尿酸合成，達(dá)到降尿酸作用［34］；而別嘌呤醇、非布司他使用過(guò)程中存在過(guò)敏、胃腸道不適等不良反應(yīng)［14，34］，且慢性腎臟病晚期患者應(yīng)慎用非布司他［33］。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)中藥調(diào)節(jié)氨基酸和脂質(zhì)代謝可降低血尿酸水平［21，25］。近年來(lái)利用代謝組學(xué)評(píng)估中藥治療HUA效果的相關(guān)研究日漸增多，代謝組學(xué)對(duì)中藥成分、療效分析的優(yōu)勢(shì)有效彌補(bǔ)了中藥配伍復(fù)雜、作用成分不明的缺陷，已經(jīng)廣泛用于機(jī)制探索、療效判斷等研究中［35-36］。

3.1 中藥調(diào)節(jié)氨基酸代謝治療HUA合并慢性腎臟疾病 研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)虎杖苷治療的HUA腎損傷大鼠SUA、Scr和BUN水平顯著降低，證明虎杖苷對(duì)HUA治療效果較好，且可緩解腎功能損傷；利用MR對(duì)正常、HUA及治療后的HUA大鼠血液進(jìn)行代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)虎杖苷逆轉(zhuǎn)了HUA大鼠血中亮氨酸、纈氨酸的異常上升，通路分析表明虎杖苷降尿酸作用與其恢復(fù)支鏈氨基酸代謝紊亂有關(guān)［14］。Wang等［25］分別采用秦皮、別嘌呤醇治療HUA腎損傷大鼠，發(fā)現(xiàn)2種藥物治療后大鼠SUA水平均下降，腎臟病理切片檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，秦皮治療組HUA大鼠腎臟損傷有恢復(fù)跡象，別嘌呤醇治療組則未見(jiàn)恢復(fù)，可見(jiàn)秦皮可用于治療HUA，且對(duì)腎臟有保護(hù)作用，而別嘌呤醇不能緩解腎損傷；利用MR及MS技術(shù)對(duì)大鼠血漿、尿液分析，發(fā)現(xiàn)秦皮治療有助于改善HUA大鼠天冬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和鳥(niǎo)氨酸的代謝異常，提示秦皮的降尿酸作用與調(diào)節(jié)氨基酸代謝有關(guān)。

3.2 中藥調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝治療HUA合并慢性腎臟疾病 Zhang等［28］研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)銀杏葉治療的HUA大鼠SUA明顯下降，此外，其血清三酰甘油較未治療的HUA大鼠也顯著下降，采用UPLC-Q-TOF∕MS法對(duì)正常、治療前HUA及治療后HUA大鼠進(jìn)行血清脂質(zhì)代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，銀杏葉治療改善了HUA大鼠血清中LPC、PC等13種脂質(zhì)異常，上述脂質(zhì)與甘油磷脂代謝途徑關(guān)系密切，推測(cè)銀杏葉可能通過(guò)抑制PLA2活性降低LPC及PC水平，以達(dá)到降尿酸的目的。Yang等［21］研究發(fā)現(xiàn)HUA大鼠的Scr、血清腫瘤壞死因子（TNF）-α顯著增高，提示HUA大鼠存在腎功能異常及炎癥反應(yīng)，經(jīng)車(chē)前子治療后，HUA大鼠的SUA、Scr、TNF-α水平顯著下降，與正常大鼠無(wú)明顯差異，提示車(chē)前子具有抗HUA、抗炎和腎臟保護(hù)作用；UPLC-Q-TOF∕MS分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)車(chē)前子治療的HUA大鼠血清中8種異常的脂質(zhì)水平恢復(fù)正常，通路分析表明其與甘油磷脂代謝密切相關(guān)，推測(cè)車(chē)前子通過(guò)調(diào)節(jié)甘油磷脂途徑達(dá)到降尿酸目的，從而治療HUA合并慢性腎臟疾病。

以上代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)多種中藥通過(guò)改善體內(nèi)代謝紊亂的方式起到降尿酸、保護(hù)腎功能的作用，可見(jiàn)應(yīng)用代謝組學(xué)探索中藥治療HUA合并慢性腎臟疾病有一定的應(yīng)用前景；但不同藥物調(diào)節(jié)的代謝途徑不完全相同，其有效成分無(wú)法完全明確，仍需要繼續(xù)研究。

4 小結(jié)與展望

應(yīng)用代謝組學(xué)對(duì)HUA合并慢性腎臟疾病開(kāi)展研究，能更全面、系統(tǒng)地揭示該病的發(fā)病機(jī)制，篩選出部分相關(guān)標(biāo)志物，有助于早期診斷，與中藥治療結(jié)合為后期治療提供了新的方向。今后可利用大樣本人群對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以期應(yīng)用于臨床并開(kāi)展代謝組學(xué)聯(lián)合基因、轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)的多組學(xué)研究，更深入地探討疾病機(jī)制及診療方面的問(wèn)題。