英文标题：Metabolomics- and proteomics-based multi-omics integration reveals early metabolite alterations in sepsis-associated acute kidney injury
中文标题：基于代谢组学和蛋白质组学的多组学整合研究揭示脓毒症相关急性肾损伤的早期代谢物改变
发表期刊：BMC Medicine
影响因子：8.3
研究背景
脓毒症是一种由感染引发的失控免疫反应导致的危及生命的器官功能障碍，约占全球总死亡人数的20%。在重症监护病房(ICU)中，约三分之一的脓毒症患者会发展为脓毒症相关急性肾损伤(SA-AKI)，其死亡率高达41%。与无肾损伤的患者相比，SA-AKI患者住院时间更长、医疗费用更高，因此早期识别SA-AKI对实施支持治疗和预防进一步损伤至关重要。
目前，临床诊断急性肾损伤(AKI)主要依赖血清肌酐和尿量，但肌酐水平存在显著个体差异，尿量也受液体量、心功能等多种因素影响，存在明显局限性。虽有研究探索血浆中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(NGAL)、肾损伤分子-1(Kim-1)等生物标志物，但NGAL的诊断价值存在争议，Kim-1在SA-AKI中的研究仍较匮乏。因此，亟需通过多组学整合分析等手段挖掘新的特异性早期诊断生物标志物。本研究通过整合生物技术、生物信息学和机器学习方法，构建了从动物模型到临床验证的完整研究框架（图1），旨在识别SA-AKI的早期代谢物生物标志物，为其早期诊断提供依据。
图1. 研究设计图
技术路线
研究结果
1、脓毒症相关急性肾损伤(SA-AKI)与脓毒症的代谢组学差异
为探究SA-AKI与脓毒症的代谢组学差异，首先构建了LPS诱导的SA-AKI和脓毒症小鼠模型。模型验证结果显示，SA-AKI小鼠的肾小球滤过率(GFR)显著低于脓毒症小鼠（图2a）。结合GFR、血尿素氮(BUN)及肌酐水平的检测结果，证实SA-AKI小鼠模型构建成功。代谢组学分析表明，SA-AKI小鼠与脓毒症小鼠的代谢活性存在显著差异（图2b），共鉴定出13种肾脏差异代谢物，其中11种呈上调趋势，2种呈下调趋势（图2c-e）。这些差异代谢物主要参与不饱和脂肪酸生物合成、亚油酸代谢及丁酸代谢等通路（图2f），且每种差异代谢物均与至少一项肾功能指标存在显著相关性（图2g），提示肾脏代谢变化与肾功能损伤之间可能存在潜在关联。上述结果不仅凸显了这些代谢物在SA-AKI小鼠中的重要作用，也为阐释肾脏损伤的潜在机制提供了线索。
图2. SA-AKI与脓毒症之间代谢活性差异的系统分析
2、蛋白质组学和代谢组学网络分析识别核心代谢物
蛋白质组学结果表明，与脓毒症小鼠相比，SA-AKI小鼠的肾蛋白显著失调（图3a-b），KEGG分析显示，这些差异蛋白主要涉及炎症通路、细胞死亡相关通路（图3c）。GO分析显示，生物学过程(BP)主要富集在活性氧生物合成过程、铁离子跨膜运输、巨噬细胞激活和脂质代谢过程调控；细胞组成(CC)富集在脂蛋白颗粒、高密度脂蛋白颗粒和脂滴中；分子功能(MF)过程富集在氧化还原酶活性、金属离子和脂质转运活性。
此外，研究发现3-羟基丁酸与Mphosph10之间存在一致的变化，3-羟甲基戊二酸、3-羟基丁酸、肌酸、肉豆蔻酸和肌苷被认为是SA-AKI的核心代谢物（图3d）；32种蛋白、5种核心代谢物和肾功能指标间具有显著的关联，突出了多组学在SA-AKI肾脏系统内的持续相互作用（图3e），28种上调和4种下调蛋白可能与核心代谢物的功能相关，涉及免疫反应的调控（图3f-g）。
图3. 小鼠肾脏代谢组学和蛋白质组学数据的综合分析
5种核心代谢物，连同112种差异肾脏蛋白质和13种差异肾脏代谢物，通过网络分析参与了肾功能变化的调节（图）。核心代谢物可能在脓毒症向SA-AKI的进展中发挥关键作用，这或许能为临床诊断提供潜在策略。
图4. SA-AKI的多组学网络分析
3、SA-AKI小鼠核心代谢物的血清时间序列研究
为了研究核心代谢物的触发时间，研究人员在不同时间节点对SA-AKI小鼠的血清进行了代谢组学分析（图5a），结果显示，3-羟基丁酸、肌酸、3-羟甲基戊二酸发生了显著变化（p<0.05，ANOVA检验），而肌苷和肉豆蔻酸则保持稳定（p>0.05，ANOVA检验）（图5b-f），研究人员进一步探讨了血清核心代谢物与BUN之间的动态趋势，结果发现3-羟基丁酸、肌酸和3-羟甲基戊二酸与BUN均呈现正相关（图5g-i）。
图5. SA-AKI小鼠血清代谢物的时间序列观察
4、通过靶标定量血清代谢组学构建IC3模型
为了验证IC3模型的诊断效能，研究人员对包含SA-AKI和脓毒症患者的独立队列(n=56)进行了靶标代谢组学检测。结果发现，SA-AKI患者的肌酐、尿素、总胆红素和直接胆红素水平均表现升高，SOFA评分和APACHE II评分也显著增加，与此同时舒张压降低、血小板也出现减少。靶标定量代谢组学检测到了3种核心代谢物，其中3-羟基丁酸和肌酸的水平升高，而肌苷水平在SA-AKI中降低（图6a）。此外，统计分析显示，与肌苷和肌酸相比（图6c），3-羟基丁酸对SA-AKI的诊断准确性更高。
当使用逻辑回归模型整合这3种代谢物时，其预测性能显著提高(AUC=0.90)（图6e-f），3-羟基丁酸、肌酸和肌苷的平均系数分别为0.87、0.92和-0.81（图6d）；研究人员使用IC3列线图对每个样本进行详细评估（图6g），结果发现，与低风险组相比，高风险组的SOFA评分和APACHE II评分显著更高（图6h），这表明IC3也是疾病严重程度的一个指标。
图6. IC3模型的构建与验证
研究结论
本研究通过肾脏多组学网络分析及SA-AKI小鼠血清时间序列研究，识别出3-羟基丁酸、肌酸、肌苷等核心代谢物，这些代谢物在脓毒症相关急性肾损伤(SA-AKI)早期阶段呈现显著变化。基于临床队列的血清定量代谢组学分析，研究团队进一步构建了整合上述3种核心代谢物的IC3诊断模型，该模型能有效区分SA-AKI患者与脓毒症患者(AUC=0.90)，为SA-AKI的早期检测提供了新工具。
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