文獻解讀：利用代謝組學進行CKD早期診斷標志物篩選

百趣代謝組學文獻分享，2019年4月Nature communications雜志上發(fā)表了一篇關于慢性腎病早期診斷標志物篩選的文章《Identification of serum metabolites associating with chronic kidney disease progression and anti-fibrotic effect of 5-methoxytryptophan》，小編帶大家來看看，文章是通過哪些層層關卡最終鎖定診斷標志物并找到潛在治療靶點的。

研究背景
慢性腎病（CKD）會使得腎功能逐漸喪失，發(fā)展到終末期腎病時（即尿毒癥），就需要通過透析來維持生命，或者通過腎移植來解救生命。CKD的早期階段1-2階段幾乎沒有明顯跡象和癥狀，一般直到后期階段才被發(fā)現(xiàn)，且心血管疾病發(fā)病率和死亡率的風險也會隨著CKD的進展而增加，所以對于CKD早期診斷和治療是很有必要的。

百趣代謝組學文獻分享，目前臨床主要基于eGFR和蛋白尿水平進行腎損害評估，其用于CKD診斷的假陽性還是比較高的，所以我們迫切需要更好的評估腎功能的標志物，以提高CKD診斷的準確性。這篇文章就主要通過最接近表型的代謝組學技術進行了CKD早期診斷標志物的尋找。
 

圖1 技術路線圖

研究方法
非靶向代謝組學（UPLC-HDMS）
靶向代謝組（UPLC-MS/MS）
分子生物學實驗

研究結果
非靶代謝組學篩選生物標志物
百趣代謝組學文獻分享，通過對703例血清和尿液樣本（1-5期CKD患者組和正常對照組）進行非靶向代謝組學檢測，檢測到25109個peak，基于最小絕對收縮和選擇算子（LASSO）的變量選擇得到124個差異peak，通過匹配數(shù)據(jù)庫最終定性出98個代謝物。后續(xù)文中進行了隨機森林分析，支持向量機分類，并將這98個代謝物與臨床17個臨床指標進行了關聯(lián)分析篩選，最終發(fā)現(xiàn)5-甲氧基色氨酸（5-MTP）、CSA、乙酰肉堿、tiglylcarnitine和�；撬徇@五個物質可以清楚的區(qū)分CKD的所有臨床階段（見圖2），健康對照與疾病組也顯示明顯的區(qū)分差異。
 

圖2  五種選擇的代謝物用于區(qū)分不同的CKD階段

5個代謝物的外部驗證
由于是CKD早期診斷標志物篩選，文章中選取了CKD1和CKD2兩組與健康對照組（每組n=30例）進行了這5個潛在生物標志物靶向代謝檢測，通過聚類分析、PCA分析、隨機森林和支持向量機等分析發(fā)現(xiàn)這5個物質可以將健康對照組，CKD1和CKD2組完美的區(qū)分開來（見圖3），外部驗證結果進一步證明這5個物質可以作為潛在早期診斷標志物。
 

圖3 外部驗證結果展示

5個代謝物的縱向隊列驗證
百趣代謝組學文獻分享，文中進一步開展了一項前瞻性CKD研究，對1248名合格參與者實施了6年跟蹤，發(fā)現(xiàn)31名參與者新發(fā)CKD，隨后對這31名參與者發(fā)病前后的血清樣本進行了這5個物質的靶向代謝檢測，通過分析發(fā)現(xiàn)，結果與訓練集結果一致，發(fā)病前后兩組樣本可以很好的區(qū)分開來，且這5個物質敏感性特異性都在85%以上（見圖4），也具有較高的AUC值。縱向隊列結果進一步驗證了這5個物質是可以作為CKD早期診斷標志物的。
 

圖4 發(fā)病前后代謝水平差異顯著

藥物治療層面驗證
接下來，文章中又研究了依那普利，潑尼松和五苓散藥物治療114名CKD2患者前后這5個代謝物豐度變化。研究發(fā)現(xiàn)除牛磺酸外，其他四種潛在代謝物在患者接受依那普利治療后顯著恢復。百趣代謝組學文獻分享，潑尼松和五苓散治療組，除了tiglylcarnitine外，其他四種潛在的生物標志物在患者接受治療后均有顯著恢復（圖5），通過藥效比較，五苓散對CKD早期患者的治療效果優(yōu)于依那普利和潑尼松。以上所有驗證結果均表明5-甲氧基色氨酸（5-MTP）、CSA、乙酰肉堿、tiglylcarnitine和�；撬徇@五個物質可以作為CKD早期診斷標志物。
 

圖5 藥物治療前后代謝物顯著恢復

5-MTP的腎臟保護作用
在5個生物標志物中，5-MTP已有文獻報道其具有保護血管損傷和抗炎作用，但這尚未在腎損傷動物模型或腎小管上皮細胞中得到證實。文中就進行了體內和體外實驗來研究5-MTP對腎臟的保護作用。百趣代謝組學文獻分享，研究發(fā)現(xiàn)，5-MTP處理的小鼠、HK-2和HMC細胞，炎癥和纖維化均有明顯改善，相應的一些炎癥因子表達也受到抑制，細胞保護途徑表達恢復，這些實驗證明了5-MTP在體外和體內發(fā)揮強烈的抗炎和抗纖維化作用。
 

圖6  5-MTP具有抗炎和抗纖維化作用

TPH-1對腎臟疾病的保護作用
前面研究結果已經(jīng)證實了5-MTP具有抗炎和抗纖維化作用，而TPH-1是從L-色氨酸合成5-MTP的關鍵酶，文章中提出了假設：TPH-1對內源性5-MTP的上調從而對腎臟疾病發(fā)揮了有利的治療作用，那到底是不是這樣的呢？后續(xù)文章又進行了TPH-1過表達和敲除等一系列體內體外分子生物學實驗，發(fā)現(xiàn)TPH-1的過表達會導致5-MTP含量升高，炎癥和纖維化得到改善，敲除之后結果相反。百趣代謝組學文獻分享，這些結果確定了TPH-1是可以作為治療CKD的潛在治療靶點。
 

圖7 TPH-1通過調節(jié)5-MTP水平起到抗炎抗纖維化作用

結   論
百趣代謝組學文獻分享，本研究通過非靶代謝組學和靶向代謝組學結合細胞和小鼠模型的分子生物學實驗，最終篩選到5個CKD早期診斷標志物（5-甲氧基色氨酸（5-MTP）、CSA、乙酰肉堿、tiglylcarnitine和�；撬幔�，并證明了5-MTP具有抗炎和抗纖維化作用，且進一步說明了是通過合成5-MTP的關鍵酶TPH-1起的作用，最終找到TPH-1可以作為治療CKD的潛在治療靶點。

整篇文章思路清晰明了，還在擔心做了非靶代謝組學之后的數(shù)據(jù)該如何分析嗎？還在擔心后續(xù)如何進一步數(shù)據(jù)挖掘和結果驗證嗎？看看這篇文章，思路有木有清晰一些呢？