1.辽宁中医药大学，辽宁 沈阳 110032； 2.辽宁中医药大学附属医院，辽宁 沈阳 110032；
摘要：受到核磁共振（NMR）与质谱分析技术大量应用的影响，催生出代谢组学（Metabonomics），此学科定量和定性分析某一生物（或细胞）全部低相对分子质量（RMM）代谢产物，目前诸多领域都开始大量应用此学科，在诸多疾病方面也进行了深入研究，包括肾脏、肝脏、心脏等疾病。代谢组学集合了多个领域的知识，其发展于后基因组学时代，用来分析生命体受到外部因素刺激后，所发生生理病理变化与自身基因变化等引起的机体内部代谢方面的多元动态反应。经由众多实验研究证实，在各种肾脏疾病患者的血液内都有1类或多类代谢产物具备生物标志物价值，在数据层面为相关肾脏病变的临床诊断与预后提供了科学指导。此项研究系统分析了各类肾脏病变研究方面血液代谢组学的应用。
关键词：血的代谢组学；肾脏疾病；应用研究
Advances in the Relationship between Blood Metabolomics and Kidney Disease
WANG Jing*，ZHANG Jun
*Liaoning University of Traditional Chinese Medicine，Shenyang，Liaoning 110032，China
Corresponding author：ZHANG Jun
Abstract：Affected by the large-scale application of nuclear magnetic resonance (NMR) and mass spectrometry techniques, metabonomics (Metabonomics) was born. This discipline quantitatively and qualitatively analyzes all low relative molecular mass (RMM) metabolites of a certain organism (or cell). There are many Many fields have begun to apply this subject, and in-depth research has also been conducted in many diseases, including kidney, liver, heart and other diseasesError: Reference source not found. Metabolomics is a collection of knowledge in multiple fields. It was developed in the post-genomics era to analyze the multiple dynamic responses of the body's internal metabolism caused by the physiological and pathological changes of the living body after being stimulated by external factors and its own genetic changes. Numerous experimental studies have confirmed that there are one or more types of metabolites in the blood of patients with various kidney diseases that have biomarker value, which provides scientific guidance for the clinical diagnosis and prognosis of related kidney diseases at the data level. This research systematically analyzes the application of blood metabolomics in the research of various kidney diseases.
Keywords: metabolomics of blood；kidney disease；applied research
代谢组学是系统生物学的重要组成部分，此学科定量和定性分析某一生物（或细胞）全部低相对分子质量代谢产物，目前诸多疾病领域都开始大量应用此学科，如何将代谢组学更好地应用于中医临床诊治，是中医临床工作者研究的方向。众多实验研究的结果显示,代谢组学技术在肾脏领域的研究中具有重要意义。本文拟简介血的代谢组学技术在肾脏疾病方面的研究进展。
代谢组学是继基因组学（Genomics）、转录组学（Transcriptomics）和蛋白质组学（Proteomics）之后发展起来的一门重要学科，是系统生物学的重要组成部分，利用高尖的现代分析技术，动态考察生命系统对内、外环境刺激干扰后，其代谢产物的改变或其在时间改变下所呈现的应答规律性Error: Reference source not foundError: Reference source not found。此概念提出者为英国理工大学Jeremy Nicholson，其研究对象为整个机体系统，通过动态研究途径对机体生理表现与病理表现展开分析，代谢组学对代谢物进行的定量和定性测定是在动态的状态下进行研究[1]。2000年德国（马克斯-普朗克研究所）Fiehn认为代谢组学进行的中低分子代谢物的定性与定量研究是在静止状态中进行的[4]。虽然2位学者提出的概念有所差异，但在实际应用中有相同和相互借鉴之处[5]。严格而言, 代谢组学是指对生物体或细胞的所有代谢物进行分析。与基因组学、转录组学以及蛋白质组学相比，它的特点是对某一生物（或细胞）全部低RMM代谢产物开展定量或定性分析,对活细胞内的化学反应做出监测。此学科主要研究的是体内1KD分子量以下的小分子代谢物质，含代谢期间生成的中间物质和最终物质[6]。血清、细胞、器官组织、血浆，汗液与唾液等都可以成为研究标本[5]。代谢组学的研究内容是能够提供生物样品中存在的所有代谢物的全面概况。相较于蛋白组与转录组分析，代谢细胞分析存在更多优势[7]。有关研究显示,随着慢性肾脏病（CKD）的病情发展,精氨酸代谢改变、凝血/炎症途径代谢增加、羧酸阴离子转运障碍、肾上腺激素减少以及犬尿素途径色氨酸代谢产物增多等变化[8]。经过大量实验研究显示，各类肾脏病变人员血液所含的1类或若干类代谢物质可以做为生物标志物，在数据层面为相关肾脏病变的临床诊断与预后提供了科学指导[9]。本文通过对已有相关文献的综述，系统分析了各类肾脏病变研究方面血液代谢组学的应用，相信在未来在肾脏疾病研究层面，会有更多的临床意义。
代谢组学在具体研究中主要依赖于相关先进性科学仪器的辅助，主要通过核磁共振（NMR），质谱（MS），色谱（HPLC，GC）及色谱-质谱联用等技术手段来研究，此学科为对生物体体液、血液、组织液或尿液等代谢反应产物进行定量或定性分析研究[10]。在机体物质代谢调节方面，肾脏发挥着重要作用。由于在肾脏疾病状态下基因和蛋白质水平代谢物浓度的变化一般晚于血液、尿液，所以血液、尿液是代谢组学在肾脏疾病研究方面的主要指标[11]。
李锐等[12]运用代谢组学的研究方法，提出血清代谢物LC-MS测定手段，发现对比正常血清与肾脏疾病血清的代谢组学，发生明显改变的是肾脏疾病血清代谢谱，有效地区分开了正常组与肾脏疾病组。在王旭方等[13]的研究中，借助代谢组学方法对不同阶段糖尿病肾病病人氨基酸、糖与脂代谢产物的特征表现加以了明确，有助于早日发现可标志病变早期诊断与病情发展的物质。在分析糖尿病肾病病人宏观代谢水平以及微观病理生理机制方面，代谢组学表现较好。王方杰等[14]从代谢组学的角度分析了原发性肾病综合征患儿与健康儿童的血浆代谢谱差异，通过对比两组血浆代谢谱，鉴定出15 种差异性化合物，这些差异性物质可以成为新的生物标志物，为隐匿性肾病早期诊断及治疗预后提供新的方法。
肾病综合征（NS）的致因众多，此病可提升肾小球基底膜通透性，进而出现若干临床症状，包括大量蛋白尿、高脂血症、严重水肿、低蛋白血症。肾病综合征（NS）与诸多因素相关，包括遗传因素、局部组织因子、环境因素等,只有对各类病人进行翻译、基因转录或代谢产物等诸层面的分子区别加以系统了解,才能保证疾病诊断与分型的准确性。在系统辨识以及定性、定量研究生物标本内代谢产物方面，代谢组学存在独特优势[15][16]。经研究，王方杰等[14]提出，受到各类差异性代谢物改变影响，糖酵解、蛋白质代谢、脂类代谢与糖异生皆见下降表现，三羧酸循环（TCA）失衡。此项研究为NS病机的进一步明确给予了科学指导，对疾病的诊断及预后评估有重要意义。张晓波等[17]研究发现原发性肾病综合征（primary nephrotic syndrome,PNS）患者血清与健康人群的代谢轮廓差异有统计学意义，同时运用PR以及代谢通路分析，构建了具有高特异性及敏感性的PNS血清代谢物诊断模型，说明代谢组学在PNS诊断及监测方面可以开出一条新途径。
狼疮性肾炎（LN）是系统性红斑狼疮（SLE）引发的病症，此并发症危害很大。现今，狼疮性肾炎在临床早期诊断和治疗效果方面极不乐观，导致此类病人的住院率与死亡率逐渐上升
[18]。欧阳昕等[19]借助NMR的代谢组学技术来分析此类病人的血清标本，完成了此种病人血清代谢物对应“指纹图谱”的初步绘制。同单一标志物相比，此“指纹图谱”除了可有效鉴别疾病组和对照组，还具备针对此病构建高敏感度与特异度诊断模型的潜力。在大量学者的持续探索中，代谢组学技术+模式识别技术，可实现对代谢物改变的量化分析，进而获知体内代谢反应，有助于疾病形成与发展机制的掌握，为后期疾病的临床诊断奠定了基础。李鞠等[20]运用代谢组学寻找LN患者血清中的差异代谢物，构建疾病血清代谢物诊断模型及研究相关的代谢通路，发现LN和健康人中具有12种潜在的血清差异性代谢标志物。
IgA肾病属于一类原发性肾小球病变，其主要特征为肾小球系膜区IgA沉积，表现以无症状性或发作性血尿为主，或见蛋白尿、肾功能受损、高血压等表现[21]。通过对比分析IgAN病人和健康人员，李丽萍等[22]应用质谱核磁共振(1H-NMR)代谢组技术分析，IgAN病人血清内代谢表型为：丙酮酸盐、乳酸盐、苯丙氨酸（Phe）、肌酸肝（CR）、myo-肌醇、肌酸以及不饱和脂类（包括-CH2-CH2-C=O等）水平上调，但α-葡萄糖（Glu）、1-甲基组氨酸（MH）、β- Glu、3-轻基丁酸、撷氨酸（Val）、醋酸盐、酪氨酸（Tyr）、丙氨酸（Ala）、磷酸胆碱（PCh）、谷氨酸（Glu）、赖氨酸（Lys）、谷氨酞胺、异亮氨酸（lle）、甘氨酸（Gly）与甘油磷酸胆碱（GPC）水平下调。上述血清中代谢物具备成为早期诊断和预测IgAN新生物标记物的潜力，为IgA肾病的诊断和治疗提供了临床研究价值。Sui等[23]在患有IgA肾病的病人中筛选出了没有使用过免疫抑制剂血清样本，通过质子核磁共振波谱分析发现:IgA肾病患者有更高水平的苯丙氨酸、肌醇、乳酸等和较低水平的β-葡萄糖、α-葡萄糖、缬氨酸、酪氨酸、卵磷脂等，这些代谢物有可能成为新的生物标记物，为IgA肾病的诊断提供了一种新的、敏感的并且具体和无创的方法。
在慢性肾脏病（CKD）中，糖尿病肾病（DN）的发生率较高，其发病的关键机制主要在于肾素-血管紧张素系统（renin-angiotensin system，RAS）的异常激活[24]。大部分糖尿病患者会发展成为糖尿病肾病Error: Reference source not found，占慢性肾脏疾病的25%～50%之多[25]。糖尿病肾病会导致50%以上的糖尿病患者最后需进行透析治疗，甚至导致其病死率升高[27][28]。
Nicholson等[29]通过NMR氢谱技术对比了正常人和糖尿病肾病患者的血清样本，在糖尿病肾病患者的血清样本中检测到了酮体3-D-羟基丁酸酯、丙酮和乙酰乙酸酯，如此证实代谢组学可应用于DN研究。液质联用（LC/MS）的代谢组学技术具有高通量、高灵敏度等特点,为2型DN的早期诊断提供了一条新路径, 同时在1型糖尿病肾病的鉴别和诊断方面也得到了很好的应用[30]。Beisswenger 等[31]运用代谢组学技术研究大量1型糖尿病患者的肾小球基膜厚度5年，将肾小球基膜改变位于前25%者定义为快速进展者，其余75%为缓慢进展者。结果发现，血清中的甲基乙二醛氢化咪唑啉酮（一种糖基化终末产物）、羧乙基赖氨酸、羧甲基赖氨酸水平在快速进展者中高于缓慢进展者。经过实验证明，对比1型糖尿病肾病与无肾病的1型糖尿病患者的代谢产物，他们的代谢产物是不同的，这些不同的代谢产物为1型糖尿病肾病早期发展提供了研究标记。国内已有研究表明，2型糖尿病肾病模型小鼠血浆内多种代谢物含量发生了改变, 体现在一些已知的肾损伤的标志物TMAO、肌酸等，同时发现多种氨基酸含量降低，在糖尿病肾病出现时, 因肾脏受损导致的肾小管重吸收作用减弱, 会导致氨基酸的流失，这些氨基酸将可以作为新的潜在代谢标志物[32]。
全球患有肾脏疾病的病人大概有8.5亿人，并且在逐年增加，亟须引起高度关注，因此，有效、尽早地诊断和治疗肾脏病，延缓疾病的进展，是目前医药工作者所面临的重要课题。迄今，代谢组学技术已广泛用于各类疾病的研究，但对于肾脏疾病的代谢组学临床研究还是很少。目前肾脏病代谢组学的临床研究大多都是围绕在诊断方面，我们相信，在代谢组学技术日渐完善与发展下，此学科定然会在疾病诊断、药物研发、营养科学等方面释放更大的价值。彼时如果将代谢组学与基因组学、转录组学、蛋白质组学等更好地结合在一起，用于肾脏病相关代谢标志物的研究应该会有很多新的发现，从而为肾脏病的诊治提供更先进更科学的代谢组学技术支持。
参考文献：
、X Zhao,J Fritsche,J Wang,et al.Metabonomic fingerprints of fasting plasma and spot urine reveal human pre-diabetic metabolic traits[J].Metabolomics,2010,6(3):362-374.
、Cantor G H , Beckonert O , Bollard M E , et al.Integrated Histopathological and Urinary Metabonomic Investigation of the Pathogenesis of Microcystin-LR Toxicosis[J]. Veterinary Pathology,2013,50(1):159-171.
、王斯婷，李晓娜，王皎，等．代谢组学及其分析技术[J]．药物分析杂志，2010，30(09):1792-1799．
、Fiehn O,Kopka J,Dörmann P,et al.Metabolite profiling for plant functional genomics[J]. Nature Biotechnology: The Science and Business of Biotechnology,2000,18(11):1157-61.
、高嘉元，严玉澄．代谢组学技术在肾脏病研究中的应用[J]．中国中西医结合肾病杂志，2011，12(05):466-470．
、Jenkins H , Hardy N , Beckmann M , et al.A proposed framework for the description of plant metabolomics experiments and their results.[J]. Nature Biotechnology: The Science and Business of Biotechnology,2004,22(12):1601-1606.
、Dorothee A , Edzard S , Tanja Z .Integrated genomics and metabolomics in nephrology.[J]. Nephrology, dialysis, transplantation : official publication of the European Dialysis and Transplant Association - European Renal Association,2014,29(8):1467-1474.
、李洁，王向晶，俞东容．代谢组学在肾脏疾病研究中的应用[J]．中国中西医结合肾病杂志．2014，15(09):843-844.
、Emwas A H , Luchinat C , Paola B , et al. Standardizing the experimental conditions for using urine in NMR-based metabolomic studies with a particular focus on diagnostic studies: a review[J]. Metabolomics, 2015, 11(4):872-894.
、王方杰，刘韶，王婷，等．基于气相色谱质谱联用技术的代谢组学在小儿原发性肾病综合征中的应用[J]．儿科药学杂志，2017，23(11):1-5．
、Schmidt,C. Metabolomics takes its place as latest up-and-coming "omic" science.[J]. Journal of the National Cancer Institute,2004,96:732-734.
、Wang J H , Byun J , Pennathur S . Analytical Approaches to Metabolomics and Applications to Systems Biology[J]. Seminars in Nephrology, 2010, 30(5):500-511.
、张晓波,李鞠,乔善磊,等.应用代谢组学方法构建原发性肾病综合征诊断模型[J].中华肾脏病杂志,2016,32(05):334-338.
、Yip P , Kwok C , Mok C . Effect of Renal Disease on the Standardized Mortality Ratio and Life Expectancy of Patients With Systemic Lupus Erythematosus[J]. Arthritis & Rheumatology, 2013, 65(8):2154-2160.
、欧阳昕，彭华明，陈珍，等．基于核磁共振的代谢组学方法在狼疮性肾炎外周血清代谢物检测效果的研究[J]．白求恩医学杂志，2016，14(01):7-10．
、李鞠，唐凤英.基于超高效液相色谱-质谱的狼疮肾炎血清代谢组学研究[J].中华风湿病学杂志,2016,20(12):817-821+866.
、王青青，卢嫣，王怡．IgA肾病的中医治疗现状[J]．中国中西医结合肾病杂志，2016，17(11):1021-1023．
、Sui W , Li L , Che W , et al. A proton nuclear magnetic resonance-based metabonomics study of metabolic profiling in immunoglobulin a nephropathy[J]. Clinics, 2012, 67(4):363-373.
、赵颖丹，郭志勇．Klotho蛋白与肾脏疾病的研究进展[J]．中国中西医结合肾病杂志，2017，18(07):652-655．
、倪奇,石勇铨.糖尿病肾病降糖药物选择[J].中国实用内科杂志,2015,35(07):595-598.
、Adamski J.Genome-wide association studies with metabolomics[J].Genome Medicine,2012,4(4):34．
、Afkarian M , Sachs M C , Kestenbaum B , et al. Kidney Disease and Increased Mortality Risk in Type 2 Diabetes[J]. Journal of the American Society of Nephrology Jasn, 2013, 24(2):302-308.
、Nicholson J K , O"Flynn M P , Sadler P J , et al. Proton-nuclear-magnetic-resonance studies of serum, plasma and urine from fasting normal and diabetic subjects[J]. Biochemical Journal, 1984, 217(2):365-375.
、Makinen V P,Soininen P,Forsblom C,et al.Diagnosing diabetic nephropathy by 1H NMR metabonomics of serum.[J]. Magma,2006,19(6):281-296.
、Beisswenger P J , Howell S K , Russell G B , et al. Early progression of diabetic nephropathy correlates with methylglyoxal-derived advanced glycation end products.[J]. Diabetes Care, 2013, 36(10):3234-3239.
、孙立业，毛璇，张冬娟，等．Ⅱ型糖尿病肾病模型db/db小鼠血浆的代谢组学研究[J]．中国医药导报，2012，9(13):19-21．
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