基于代謝組學技術探討高尿酸血癥合并慢性腎臟疾病的研究進展

魏雪，劉蕊

尿酸是嘌呤代謝的終產物，其2∕3通過腎臟排泄，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可導致慢性腎臟病［2］，慢性腎臟病是以腎功能損傷為特征的一類疾病，如不及時診療會導致終末期腎病［3］。一項上海浦東近郊居民HUA流行病學研究顯示，HUA患病率為16.67%，其中25.9%的患者發生慢性腎臟病［4］。代謝組學旨在測量生命體對生物刺激或基因操縱的整體、動態代謝反應［5］，主要利用質譜（MS）以及磁共振技術（MR）對生物樣品進行檢測，分析其中相對分子質量小于1 500 Da的代謝物［6］。代謝組學通過對差異代謝物的分析，反映機體存在的代謝通路異常，提示代謝情況變化［7］。其目前已被廣泛應用于疾病發病機制研究、早期診斷標志物篩選、疾病治療監測、預后判斷等多個領域［8-10］。代謝組學研究發現部分氨基酸、脂質代謝通路在HUA合并慢性腎臟疾病發病、診斷和治療中發揮重要作用。本文就HUA合并慢性腎臟疾病的代謝組學研究進行綜述，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病和診療。

1 HUA合并慢性腎臟疾病發病機制的代謝組學研究

HUA合并慢性腎臟疾病的發病機制包括：氧化應激、內皮細胞功能紊亂、炎癥反應和腎素-血管緊張素-醛固酮系統的激活［11］。代謝組學可同時分析包括氨基酸、脂質、糖類等在內的幾千種小分子代謝物，利用R語言等分析軟件選出差異代謝物，通過京都基因和基因組百科全書（KEGG）數據庫對差異代謝物進行富集分析，發現與疾病發病相關的異常代謝通路。代謝組學研究［10，12-13］顯示，HUA合并慢性腎臟疾病的發生與氨基酸、脂質代謝通路異常密切相關，由此為探索該病的機制提供了新思路。

1.1 氨基酸代謝異常與HUA合并慢性腎臟疾病的關系 有學者利用代謝組學方法檢測HUA及正常大鼠的血液，結果顯示HUA大鼠存在腎損傷，且多種氨基酸水平異常，富集分析發現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［12-14］。

1.1.1 谷氨酸及谷氨酰胺代謝通路 Han等［14］發現HUA大鼠存在明顯腎臟損傷，血肌酐（Scr）和尿素氮（BUN）水平較對照組顯著升高，通過MR分析HUA大鼠的血清代謝物，發現谷氨酰胺和谷氨酸水平下降。在HUA狀態下，腎臟可能攝取更多的谷氨酰胺和谷氨酸以中和過量的尿酸，從而導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養物質，是腎臟中NH3的主要供體，在腎臟酸堿平衡調節中發揮重要作用，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，導致機體產生大量活性氧及自由基，產生氧化應激［12］，進一步促進慢性腎臟病的發生發展。

1.1.2 甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸代謝通路 代謝組學研究表明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［13，15］。Pan等［13］建立HUA合并腎病模型大鼠，發現模型組大鼠Scr、BUN和腎質量指數顯著升高，并對HUA大鼠進行腎臟解剖，可見明顯的腎臟病理性損傷；利用氣相色譜-質譜法檢測HUA大鼠血漿，發現甘氨酸水平升高，絲氨酸水平降低，推測在HUA狀態下，絲氨酸羥甲基轉移酶活性受到抑制，引起腎臟中甘氨酸向絲氨酸轉化減弱，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，可導致膠原合成增多，腎臟發生纖維化，形成慢性腎臟病［16-17］；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］，尿酸鹽堆積導致慢性腎臟病。此外，甘氨酸通過抑制核因子κB p65的上調來抑制缺氧誘導因子-1α，從而抑制炎癥反應［19］。血漿甘氨酸水平降低可導致機體抗炎能力減弱［20］，加速HUA合并慢性腎臟疾病的發生發展。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，未來應深入研究證實其作用。

1.2 脂質代謝異常與HUA合并慢性腎臟疾病 利用超高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜（UPLCQ-TOF∕MS）對HUA腎臟損傷及正常大鼠的血清進行代謝組學研究，結果顯示，HUA大鼠存在多種小分子脂質水平異常，通過富集并與KEGG數據庫對比，發現其與甘油磷脂代謝通路密切相關［21-22］。由此推測，HUA可能通過激活甘油磷脂代謝途徑造成慢性腎臟病。甘油磷脂為機體含量最多的磷脂，是細胞膜的重要組成部分，參與細胞膜信號轉導及蛋白質識別等重要代謝［23-24］。代謝組學研究發現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 尿 酸 可激 活 磷 脂 酶A2（PLA2），使該酶催化的甘油磷脂水解加快，導致血清PC及LPC增高［21］。生理狀態下，PC、LPC含量較低，而在炎癥狀態下會聚集并導致機體出現病理特征［26］。LPC可激活炎癥信號通路［27］，造成血管內皮細胞損傷，血管壁通透性增加［24］；炎性環境及內皮細胞損傷會促使慢性腎臟病發生［11］。PLA2活性增高可導致花生四烯酸合成加快，而花生四烯酸為白三烯、組胺等炎性物質的前體［28］，其含量增加導致機體炎癥反應加劇，從而加速慢性腎臟病的形成。

2 代謝組學在篩選HUA合并慢性腎臟疾病生物標志物中的應用

目前，臨床上通常以血清尿酸（SUA）水平升高，結合腎臟組織病理學、Scr或臨床表現確診HUA合并慢性腎臟疾病。代謝組學發現部分代謝產物與HUA合并慢性腎臟疾病密切相關，相關代謝物聯合檢測有助于該病的識別［13］，為臨床診斷提供新思路。

2.1 氨基酸及其代謝產物用于診斷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-質譜法對大鼠血漿進行檢測，發現12種代謝物異常與HUA的發生密切相關，其中甘氨酸、絲氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺水平與Scr、BUN等腎功能指標密切相關；采用受試者工作特征（ROC）曲線分析甘氨酸、絲氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺對HUA合并腎病的預測能力，曲線下面積分別為0.84、0.86、0.94和0.84；聯合應用甘氨酸、絲氨酸和谷氨酰胺診斷HUA合并慢性腎臟疾病，曲線下面積為1，敏感度和特異度均為1，對該病具有良好的診斷價值。

2.1.2 色氨酸及其代謝產物 Chen等［29］對HUA及正常大鼠進行研究，發現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檢測大鼠血清代謝物，發現2組間11種關鍵代謝物存在明顯差異，其中色氨酸代謝產物5-羥基吲哚乙酸水平與Scr、BUN等腎功能指標密切相關，ROC曲線分析其對HUA的診斷價值，曲線下面積為0.88，對HUA的診斷價值較高。后續可進一步研究5-羥基吲哚乙酸對HUA合并慢性腎臟疾病的診斷價值。Shan等［30］對HUA腎病大鼠進行UPLCQ-TOF∕MS分析顯示，HUA大鼠血漿色氨酸水平顯著升高，可作為潛在診斷標志物。另外有研究發現，色氨酸代謝產物可激活芳香烴受體，引起炎癥、氧化應激，造成慢性腎臟病［31］。由此推測，色氨酸及其代謝產物可能用于診斷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 Yang等［21］采用UPLC-Q-TOF∕MS對HUA腎損傷及正常對照組大鼠進行血清脂質代謝組學檢測，發現包括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）在內的13種脂質異常可作為診斷HUA腎臟損傷的潛在標志物。Qin等［24］利用UPLC-Q-TOF∕MS發現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，發現HUA腎損傷大鼠血漿3種LPC明顯上升，可作為潛在的診斷標志物。由此可見，脂質異常有助于診斷HUA合并慢性腎臟疾病，但仍需進一步驗證方能應用于臨床。

目前，代謝組學發現多種指標可作為診斷HUA合并慢性腎臟疾病的潛在標志物。但不同研究的結論不盡相同，可能與造模方法不同有關；且多數研究仍處在動物實驗階段，未來需進行大規模人群試驗以判斷指標的臨床應用價值。

3 代謝組學在中藥治療HUA合并慢性腎臟疾病中的應用

對于HUA合并慢性腎臟疾病，現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議［33］。臨床常用的藥物別嘌呤醇、非布司他均通過抑制黃嘌呤氧化酶活性，減少尿酸合成，達到降尿酸作用［34］；而別嘌呤醇、非布司他使用過程中存在過敏、胃腸道不適等不良反應［14，34］，且慢性腎臟病晚期患者應慎用非布司他［33］。研究發現通過中藥調節氨基酸和脂質代謝可降低血尿酸水平［21，25］。近年來利用代謝組學評估中藥治療HUA效果的相關研究日漸增多，代謝組學對中藥成分、療效分析的優勢有效彌補了中藥配伍復雜、作用成分不明的缺陷，已經廣泛用于機制探索、療效判斷等研究中［35-36］。

3.1 中藥調節氨基酸代謝治療HUA合并慢性腎臟疾病 研究發現，經虎杖苷治療的HUA腎損傷大鼠SUA、Scr和BUN水平顯著降低，證明虎杖苷對HUA治療效果較好，且可緩解腎功能損傷；利用MR對正常、HUA及治療后的HUA大鼠血液進行代謝組學分析，發現虎杖苷逆轉了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支鏈氨基酸代謝紊亂有關［14］。Wang等［25］分別采用秦皮、別嘌呤醇治療HUA腎損傷大鼠，發現2種藥物治療后大鼠SUA水平均下降，腎臟病理切片檢測發現，秦皮治療組HUA大鼠腎臟損傷有恢復跡象，別嘌呤醇治療組則未見恢復，可見秦皮可用于治療HUA，且對腎臟有保護作用，而別嘌呤醇不能緩解腎損傷；利用MR及MS技術對大鼠血漿、尿液分析，發現秦皮治療有助于改善HUA大鼠天冬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和鳥氨酸的代謝異常，提示秦皮的降尿酸作用與調節氨基酸代謝有關。

3.2 中藥調節脂質代謝治療HUA合并慢性腎臟疾病 Zhang等［28］研究發現經銀杏葉治療的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法對正常、治療前HUA及治療后HUA大鼠進行血清脂質代謝組學分析發現，銀杏葉治療改善了HUA大鼠血清中LPC、PC等13種脂質異常，上述脂質與甘油磷脂代謝途徑關系密切，推測銀杏葉可能通過抑制PLA2活性降低LPC及PC水平，以達到降尿酸的目的。Yang等［21］研究發現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，經車前子治療后，HUA大鼠的SUA、Scr、TNF-α水平顯著下降，與正常大鼠無明顯差異，提示車前子具有抗HUA、抗炎和腎臟保護作用；UPLC-Q-TOF∕MS分析發現，經車前子治療的HUA大鼠血清中8種異常的脂質水平恢復正常，通路分析表明其與甘油磷脂代謝密切相關，推測車前子通過調節甘油磷脂途徑達到降尿酸目的，從而治療HUA合并慢性腎臟疾病。

以上代謝組學研究發現多種中藥通過改善體內代謝紊亂的方式起到降尿酸、保護腎功能的作用，可見應用代謝組學探索中藥治療HUA合并慢性腎臟疾病有一定的應用前景；但不同藥物調節的代謝途徑不完全相同，其有效成分無法完全明確，仍需要繼續研究。

4 小結與展望

應用代謝組學對HUA合并慢性腎臟疾病開展研究，能更全面、系統地揭示該病的發病機制，篩選出部分相關標志物，有助于早期診斷，與中藥治療結合為后期治療提供了新的方向。今后可利用大樣本人群對研究結果進行驗證，以期應用于臨床并開展代謝組學聯合基因、轉錄、蛋白質的多組學研究，更深入地探討疾病機制及診療方面的問題。