心臟外科術后急性腎損傷的代謝組學研究進展

石寧 張松 馬高祥 馬世平（通訊作者）

（中國藥科大學中藥學院 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雜的臨床綜合征，是成人心臟外科術后常見的嚴重并發癥[1]。心臟外科術后發生急性腎損傷不僅會延長患者的住院時間，還會增加患者術后的死亡風險[2-5]。在所有接受心臟手術的患者中，約18%的患者術后發生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]。

心臟手術相關AKI的發病機制復雜，包括多種損傷途徑：缺血再灌注、外源性和內源性毒素、炎癥、氧化應激和血流動力學因素等[7]。臨床工作中，血清肌酐和尿量作為常用的AKI的診斷標準已超過50年[8]，然而血清肌酐易受循環容量狀態、藥物等非腎臟因素影響，對AKI檢測的特異性較低，限制了AKI的檢出率[9-10]。因此，找到一種能夠輔助早期預測AKI的生物標志物成為了腎臟領域的研究熱點。

1.代謝組學研究概況

代謝組學是系統生物學領域一門迅速發展起來的學科，是除了基因組學、轉錄組學和蛋白質組學之外的高通量“組學”技術之一[11]。代謝組學利用具有高通量、高準確性和高靈敏度的現代分析技術[12]，通過對機體體液中內源性代謝物進行檢測與分析，靈敏且迅速地反映生物體內代謝物的變化，衡量機體的代謝改變，同時借助多變量統計方法，探究內源性代謝物的變化與機體生理病理的關系[13]。

根據研究目的可將代謝組學分為非靶向代謝組學和靶向代謝組學。非靶向代謝組學針對生物樣品中可檢測到的所有或大部分內源性代謝物進行無差別的定性或定量分析，可從整體上闡明疾病發展過程中的代謝紊亂情況[14]。靶向代謝組學是指針對某一個或幾個或特定類別的內源性代謝物進行定量分析，通常為相似理化性質的一類代謝物（如脂質、氨基酸等）或相關代謝途徑所涉及的代謝物[15]。

代謝組學研究過程主要包括樣品收集、樣品制備、數據采集、數據處理與統計、代謝物鑒定和代謝標志物篩選等。血液、尿液、組織是代謝組學生物標志物研究中最常用的標本，其中的內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、高準確性、高通量的儀器分析技術是代謝組學研究的基礎[16-18]。核磁共振波譜法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR）和質譜法（Mass Spectrometry，MS）分析是當前代謝組學領域應用最廣泛的兩種核心技術[19-20]，前者具有無偏向性、所需樣品量少、非破壞性檢測、可提供代謝物精確結構信息的優點[21]，而后者則具有較高的靈敏度和專屬性，檢測動態范圍更為廣泛[16]。

代謝組學具有無損傷、可量化的特點及高通量、低成本的優勢，應用于多種疾病模型中以進行代謝產物的輪廓分析[22-25]，為臨床心臟術后AKI的研究提供了新的思路。

2.代謝組學在心臟術后急性腎損傷中的研究進展

代謝組學技術能夠從代謝網絡終端表象反映生物體的功能水平，因此其在疾病預測和診斷等方面的作用備受關注。內源性代謝標志物不僅可以作為疾病發生的診斷標志物在疾病早期判斷疾病的發生，而且可以通過研究其代謝途徑的擾動找到相關通路以及確定關鍵的代謝酶，從而為疾病機制的探索及治療提供證據。

2.1 代謝組學描繪心臟術后急性腎損傷代謝特征及代謝標志物的發現

Wei[26]等通過對缺血再灌注造模的急性腎損傷小鼠的血漿、腎皮質和髓質進行代謝組學分析，采用氣相色譜-質譜技術、液相色譜-質譜聯用的技術手段，檢測到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-質譜法（LCMS/MS）結合的方法對心臟術后發生AKI的患者的尿液樣本進行檢測，證明AKI患者尿液中的代謝物發生了顯著變化，N-乙酰神經氨酸、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對85例成人心臟手術患者進行前瞻性研究，探究血漿樣本的代謝特征譜對體外循環心臟手術后AKI預后的判斷潛力，Mg2+、乳酸及葡萄糖苷酸綴合物可作為鑒別是否發生AKI的差異代謝物，但仍缺乏更為嚴謹、廣泛的多中心臨床研究。曾有學者[28]針對主動脈瓣膜置換術后發生AKI的患者的血漿代謝物進行代謝組學分析，發現5-腺苷同型半胱氨酸與肌酐升高和患者死亡率顯著相關。

2.2 代謝組學探究心臟術后AKI發生相關的分子代謝路徑

研究者們[26]通過研究代謝產物的變化來推斷心臟術后急性腎損傷分子代謝路徑的擾動。動物實驗中，AKI發生之后，葡萄糖、丙酮酸、乳酸及三羧酸循環中間產物包括琥珀酸、蘋果酸等含量降低，表明糖代謝受抑制，三羧酸循環氧化供能受阻；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，提示脂質成為代償供能物質。一項17例AKI患者與腎功能正常者的血清代謝譜進行比較的臨床試驗中[29]，研究人員觀察到酰基肉堿和氨基酸（蛋氨酸、同型半胱氨酸、焦谷氨酸、非對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，參與氧化應激途徑化合物顯著增加提示氧化應激反映增強。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（喹啉磷酸核糖轉移酶）下降，隨后研究者在QPRT+/-小鼠中驗證這一現象，小鼠模型表現出更多的喹諾酮類累積、更低的NAD+水平和更高的AKI敏感性。在術后AKI患者的臨床前瞻隊列研究中，證實了NAD+的從頭合成通路的抑制是AKI高危患者的代謝特征。

3.總結與展望

綜上所述，代謝組學結果能夠直觀地反映出心臟術后急性腎損傷造成的內源性代謝物的擾動，發現潛在的早期診斷生物標志物及代謝紊亂途徑，為臨床心臟術后AKI的診斷研究提供了新的思路。但在現階段的研究中，仍存在較多不足之處，需在檢測技術、臨床樣本數量、多組學結合等方面不斷突破。因此,在心臟術后AKI研究中應用代謝組學應積極總結自身優勢, 建立更可靠的臨床隊列樣本，探索疾病進展過程中的代謝差異與病理機制，促進心臟術后AKI研究更好發展，為臨床診斷、治療及預后提供新的科學證據與思路。