腹膜透析代谢组学研究进展

叶明君 戴勇 汤冬娥 李强 尹良红

1暨南大学附属第一医院肾内科（广州510632）；2暨南大学第二临床医学院/广东省深圳市人民医院临床医学研究中心（广东深圳518000）；3东莞市中医院（广东东莞523000）

慢性肾脏病（chronic kidney disease，CKD）近几年来发病率呈现上升的趋势，成为危害人类健康的一大疾病［1］。全球范围内，2017年可归因于CKD的死亡人数约为1 200万，全球患病率为9.1%，全球CKD 病例约为697 500 万，几乎三分之一的CKD 患者生活在两个国家，中国132 300 万例和印度115 100万例［2］。对于终末期肾病（end stage renal disease，ESRD），目前最主要的是肾脏替代治疗，大体可分为血液透析（hematodialysis，HD）、腹膜透析（peritoneal dialysis，PD）和肾移植。本文主要讨论腹膜透析，腹膜透析利用自身腹膜作为生物透析膜，在其中发生水和溶质的交换，但长期的腹膜透析会导致腹膜功能的下降，不可避免地使腹膜逐渐转化［3］，在腹膜透析的1 ～2年内，50%～80%的患者中检测到腹膜纤维化的迹象［4］。进行性腹膜纤维化会影响接受腹膜透析患者的疗效，引发和维持腹膜纤维化的机制仍未完全阐明。利用透析充分性评估的指标每周尿素清除指数Kt/V、腹膜平衡试验、透析龄、葡萄糖累积用量、残余肾功能来评估腹膜功能。通过实施各种代谢组学方法来鉴定与腹膜透析相关的代谢物和代谢途径，关注与腹膜透析相关的生物标志物，对于慢性肾脏病患者的诊断、评估疾病进展、预后和疗效具有重要的临床价值和意义。

1 代谢组学的概述

代谢组定义为生物系统中代谢物的定量收集。生物化学物质（基因、转录本、蛋白质和代谢物）与生物系统中环境的定量收集和相互作用定义了该系统的表型。代谢组是细胞或生物学标本中的小分子的全部集合，代谢组还包括饮食、环境和微生物组的直接投入［5］。但数十年来生物化学和代谢研究已经概述了许多代谢物与代谢途径之间的关系，为解释代谢组学数据提供了框架［6］。代谢组学是新兴的组学领域之一，它使研究人员能够利用半定量和定量代谢物水平来补充疾病的基因组和蛋白质水平分析，这是构成给定表型的化学介质。代谢组学是生物流体，细胞和组织中代谢产物的分析，通常用作发现生物标志物的工具。由于信息学和分析技术的创新发展以及正交生物学方法的整合，现在有可能扩展代谢组学分析以了解代谢物在系统水平上的作用。此外，由于代谢组学的内在敏感性，可以检测到生物途径中的细微变化，以洞察各种生理条件和异常过程的潜在机制［7］。

十多年来，针对靶向（特定分析物的定量）和非靶向代谢组学（生物标记物发现和整体代谢物谱）的方法仍在发展。液相色谱-质谱联用（LC-MS）已成为无目标代谢组学的首选，因为这些仪器的代谢物覆盖范围广泛且灵敏度高。在生物样品中解析和分析具有不同化学性质的数百至数千种代谢物提出了独特的挑战。基于气相色谱-质谱（GC-MS）的代谢组学是鉴定和定量小分子代谢物（＜650 道尔顿）的理想选择，包括醇、羟基酸、氨基酸、糖、脂肪酸、固醇、儿茶酚胺、药物和毒素，通常化学衍生作用使这些化合物具有足够的挥发性，以进行气相色谱分析［8］。随着平台的进一步发展，通过发现疾病的新型诊断和治疗标志物进一步使临床受益。

2 代谢组学在慢性肾脏病的早期诊断中的应用

腹膜透析作为终末期肾病患者的治疗方式之一，早期发现和治疗慢性肾脏病是延缓其发展为终末期肾脏病最关键的一步。目前以国际通用的指标eGFR 来对慢性肾脏病进行分期，但有大量研究表明在肌酐和eGFR 不适合检测疾病的早期阶段并监测肾功能［9］，因此对于慢性肾脏病早期诊断仍需找到更敏感的“标志物”。

代谢组学是一门新兴学科，差异代谢物可作为生物标志物在临床疾病的诊断、发病机制、治疗、预后等方面有着广泛的应用前景，通过使用这项技术，有望能在肾功能可以逆转时更早地诊断出肾脏疾病，以帮助指导治疗和预后，并预测药物的疗效。此外代谢组学方法在肾脏病学研究中有积极的应用前景，因为肾脏对循环代谢物水平有着广泛的影响，而且代谢物本身可能在CKD 发病机制及其并发症中发挥功能作用［10］，精氨酸代谢物、瓜氨酸和鸟氨酸已被描述为CKD 进展和eGFR下降的血浆代谢组学标志物［11］。CHEN 等［12］利用非靶向代谢组学的方法测定了CKD 患者的血清，提出色氨酸代谢物5-甲氧基色氨酸（5-MTP）是检测早期CKD 的最有前途的生物标志物代谢物，且5-MTP 水平随着CKD 的进展而降低，同时该研究还发现用5-MTP 处理可改善肾间质纤维化。在此基础上研究者继续推论催化5-甲氧基色氨酸合成的酶：色氨酸羟化酶-1（TPH-1）的过表达，会通过减轻肾脏炎症和纤维化的程度来减少肾脏的损害。5-MTP 是进行性CKD 中鉴定出的代谢产物之一，与eGFR 密切相关［12-13］。5-MTP 在减轻动脉剥脱导致的内膜增生、控制巨噬细胞的转运和活化、防御炎症介导的组织损伤及预防肾纤维化等方面均有重要的作用［14-16］。且5-甲氧色氨酸、高半胱氨酸和瓜氨酸与eGFR 和肌酐均具有良好的相关性［12］。代谢组学方法作为一种有应用前景的工具，不仅适用于基础和转化研究，而且最终也将适用于临床实践。对于CKD 的早期诊断的靶标，代谢组学的研究具有积极的提示作用。

3 代谢组学与腹膜透析患者腹膜纤维化的发生机制

长期行腹膜透析的患者易出现腹膜功能的减退，影响腹膜功能的因素有：年龄、糖尿病、残余肾功能（RRF）、葡萄糖降解产物、腹膜炎、慢性炎症和心血管疾病（cardiovascular disease，CVD）［17］。SI 等［18］使用基因表达谱分析和代谢组学分析，证明糖酵解过多是造成间皮向间充质转变（MMT）和腹膜纤维形成的原因，并且可以通过调节腹膜中的microRNA 纠正这种异常的代谢状态。这些结果可以提供腹膜纤维化的治疗策略，抑制间皮细胞过度糖酵解可以预防腹膜过度纤维化。腹膜透析引起的慢性腹膜损伤的特征是间皮下纤维化和新血管生成，腹膜长期暴露于透析液导致间皮细胞上皮-间充质转换、纤维化和血管生成，从而导致腹膜功能下降，超滤失败［19-20］。此外CA125、IL-6、纤溶酶原激活物抑制剂1（PAI-1）、VEGF 和MMP2 是诊断腹膜纤维化有“前途”的生物标志物［21］。有研究表明血清1-磷酸鞘氨醇、铁代谢水平诊断在腹膜透析相关性腹膜炎发生中具有积极的价值，CRP、S1P、SF 是腹膜透析相关性腹膜炎发生的独立危险因素（P＜0.05）［22］。引发和维持腹膜纤维化的机制仍未完全阐明，腹膜纤维化与腹膜功能下降密切相关，最终导致膜衰竭。

4 代谢组学在腹膜透析患者治疗中的应用

得益于代谢组学的进展，发现了腹膜透析患者血清中氨基酸、炎症因子等小分子代谢物的变化，为进一步了解这种复杂疾病的临床治疗策略提供了新的信息和见解。先前有关于腹膜透析患者腹膜透析液代谢组学的相关分析，观察到四种代谢物的变化，氨基酸、乙醇胺、糖和短链有机酸，与对照组相比，在包裹性腹膜硬化症（encapsulating peritoneal sclerosis，EPS）组的腹膜透析液流出物发现相对浓度较高的六种氨基酸，分别为亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、丙氨酸和蛋氨酸［23］。EPS 患者的腹膜透析液流出物中发现较高水平的IL-6 和较低水平的CA125，这两项指标被认为是反映腹膜间皮质量的指标，与腹膜功能降低有关［24］。在透析患者血液中尿素、肌酐、肌醇、三甲胺-N-氧化物（TMAO）和二甲胺等代谢物浓度升高，腹膜透析与葡萄糖代谢和三羧酸循环有关的乳酸、葡萄糖、麦芽糖、丙酮酸、琥珀酸、丙氨酸和谷氨酸水平升高有关［25］。此外，在接受腹膜透析治疗的男性患者中，较高的血清三甲胺N-氧化物（TMAO）水平与全因死亡率和心血管死亡率相关［26］。前期研究证实，氨基酸水平和肾脏损伤程度密切相关，多种氨基酸代谢途径（精氨酸代谢、苯丙氨酸代谢和色氨酸代谢等）改变能够灵敏表征病理状态下小分子的变化，可作为肾脏疾病的潜在生物标志物。先前报道的一项随机对照交叉试验结果显示，添加了丙氨酰谷氨酰胺的腹膜透析液与标准腹膜透析液相比，有关氧化应激的代谢组学标志物指标水平降低，表明添加的丙氨酰谷氨酰胺可能具有抗氧化作用［27］。

YILMAZ 等［28］通过使用UPLC-MS/MS 方法测定接受腹膜透析、血液透析和肾脏移植（KT）的患者的血清吲哚胺2，3 双加氧酶和色氨酸和犬尿氨酸的比率，研究发现与对照组相比，腹膜透析、血液透析和KT 组的吲哚胺2，3-二加氧酶（IDO）水平升高。腹膜透析组中犬尿氨酸的浓度显著增加，犬尿氨酸/色氨酸比率增加。同时IDO 作为一种免疫抑制分子，可能与慢性肾脏病患者免疫功能紊乱与失调有关。CKD 患者的IDO 和色氨酸-tRNA合成酶（TTS）血清水平高于健康对照组，且表现出较低的色氨酸血清水平和较高的犬尿氨酸血清水平［29］。且IDO 和TTS 可能在CKD 的免疫发病机制中起关键作用，IDO的活性与CKD的疾病严重程度相关［29］。尽管代谢组学研究的样本量有限且具有变异性，但某些代谢物（如三甲胺N-氧化物，犬尿氨酸和瓜氨酸）仍是CKD 中潜在的生物标志物［30］。代谢组学研究在慢性肾脏病的治疗以及腹透患者腹透液氨基酸成分的添加等方面具有积极的应用价值。另外SAHATHEVAN等［31］在2018年的一项研究中提出，对于营养不良性腹膜透析患者，补充乳清蛋白分离物具有可行性及临床疗效，并将标准化蛋白质分解代谢速率（nPCR）水平作为膳食蛋白质摄入量的量度，实验表明乳清蛋白补充剂（WPS）的使用改善了营养不良性持续非卧床性腹膜透析（continuous ambulatory peritoneal dialysis，CAPD）患者的营养状况，以解决机体负氮平衡并实现针对CAPD 患者的高膳食蛋白摄入量建议，改善腹膜透析患者的营养状况有益于治疗效果。此外对于腹膜纤维化的患者，目前的治疗进展可概括为改变传统腹透液成分、抗炎及免疫调节、抑制上皮细胞-间充质转化过程、细胞疗法以及目的基因转录水平和转录后水平修饰的调节等方面［32］。在腹膜透析治疗方面，代谢组学相关生物标志物可作为“工具”来评估腹膜透析相关并发症风险较高的患者，并指导改善患者临床结局的个性化干预［33］。

5 代谢组学相关代谢物与腹膜透析患者的预后

5.1 血清白蛋白及炎症因子与腹膜透析患者的预后利用代谢组学相关生物标记物对腹膜透析患者腹膜透析充分性进行监测以及对疾病预后进行评估，将有助于加强对接受腹膜透析治疗的终末期肾病患者的临床管理。在CKD 患者中，炎症和营养不良通常被一起考虑，因为血清白蛋白水平低是营养不良的标志，换言之，炎症在一定程度上会导致低蛋白血症，而炎症和营养不良是导致透析患者不良预后的重要因素。腹膜透析患者的预后不良与高死亡率与非传统性心血管危险因素（例如营养不良）的存在有关，有研究表明腹膜透析患者的低白蛋白血症可能具有性别依赖性，女性和男性腹膜透析患者中血清白蛋白浓度的调节机制也可能不同［34］，因此性别也可考虑作为腹膜透析患者预后的一项影响因素。MILAN MANANI等［35］研究了促炎细胞因子与血清白蛋白和C 反应蛋白（CRP）之间的可能关系，该研究表明腹膜透析患者血清IL-6 水平与hs-CRP 水平呈正相关，与血清白蛋白浓度呈负相关，Kt/V 较低的患者中IL-6似乎较高。炎症生物标记物可能可以应用于临床腹膜透析充分性监测，同时炎症会引起腹膜运输速率的增加和残余肾功能的下降，或者残余肾功能的下降和腹膜运输速率的增加可能引起或加重炎症［36］。过高的血清白蛋白漂移速率对残存肾功能有不良影响［37］。

ZHANG 等［38］第一次提出了腹膜透析患者血清标志物和透析充分性与肺功能的关系，并且得出结论，透析指数Kt/V 值≥1.7 的患者的MMEF 和MVV%高于Kt/V 值＜1.7 的患者，且DLCO%与血清白蛋白水平呈正相关。众多研究已表明，血清白蛋白是CAPD 患者重要的预后指标。透析充分性和低蛋白血症可能在某种程度上影响着腹透患者的肺功能，对患者的预后有着重要的提示作用。此外有研究探索了腹膜蛋白清除率和炎症以及腹膜透析患者生存率之间的关系。腹膜蛋白清除率反映的是局部炎症的膜区域炎症，与合并症和生存的关系主要是由其与低白蛋白血症的逆相关性解释。而全身炎症和合并症可预测腹膜透析患者的生存率［39］。血浆IL-6、年龄、残余肾功能、合并症、炎症和血清白蛋白浓度都是评估腹膜透析患者生存率及预后的重要指标。

5.2 血脂代谢与腹膜透析患者的预后代谢组学可以定性和定量分析生物机体包括细胞、组织、器官和系统的各种代谢物水平变化［5］。大量研究表明促动脉粥样硬化性脂质分布对腹膜透析患者心血管疾病的发生有影响，此外STEPANOVA 等［40］分析了血脂异常与腹膜透析技术生存率的关系，提示动脉粥样硬化血脂异常的存在与腹膜透析患者发生技术失败的风险较高相关。且发现VLDL 和HDL 以及AIP 等水平与腹膜透析治疗的持续时间显著相关，腹膜透析患者的每周总Kt/V 与血浆动脉粥样硬化指数呈负相关，与HDL 呈正相关。随着腹膜透析持续时间的增加，腹膜透析患者血清总胆固醇、低密度脂蛋白、总甘油三酯、载脂蛋白B 和载脂蛋白E 水平较高，而高密度脂蛋白水平显著降低［41-43］。另外有研究表明总胆固醇水平与透析患者的死亡率成反比，而透析患者又是心血管疾病的高风险人群，接受腹膜透析治疗的终末期肾脏病患者的心血管疾病发病率和死亡率比一般人群高10 ～30 倍［44］。这种悖论可以用全身性炎症和或营养不良来解释，透析患者中总胆固醇水平与死亡率的负相关可能是由于全身性炎症营养不良所致的降低胆固醇的作用，而不是由于高胆固醇浓度的保护作用［45］。炎症和或营养不良对透析患者的血脂有着一定的影响，对于胆固醇浓度与透析患者死亡率的关系还需要考虑其他影响因素，这对于透析患者的调脂治疗有着指导意义。此外对于接受腹膜透析的终末期肾病患者，血清载脂蛋白B 与左室扩张显著且呈负相关，而与常规脂质和其他CV 危险因素无关［46］。这表明低的血清载脂蛋白B 水平可能是偏心的左心室构型重塑的有力危险标志，并且有可能被用于临床对腹膜透析患者进行危险分层。代谢组学生物标志物可用于监测肾脏疾病进展及分期，还可反映CKD后期肾小球滤过、肾小管功能的丧失以及肾脏代谢和内分泌功能的下降［47］。在疾病发展为终末期之前，利用非侵入手段做出早期诊断对于改善患者的预后显得尤为重要。此外，在药物的开发和临床研究方面仍需敏感的生物标志物，从而体现潜在和现有疗法的功效和安全性［47］。

6 小结与展望

总而言之，腹膜透析作为终末期肾脏病的治疗方式之一，腹膜功能稳定性决定了腹膜透析患者的腹透周期长短，以及进入血液透析的时间。在终末期肾病患者中，众所周知的传统危险因素有例如年龄、性别、种族、高血压、高脂血症、糖尿病、吸烟和缺乏运动等。通过利用非靶向及靶向代谢组学的方法筛选出腹膜透析患者血清差异代谢物，对于腹膜透析的终末期肾脏病患者的早期诊断、发病机制、治疗、预后有着积极意义。目前导致腹膜透析患者腹膜纤维化的机制仍未完全阐明，代谢组学研究有望发现与疾病过程相关的途径。因技术水平的受限及人体机体的复杂性，代谢组学分析技术仍需进一步的提高灵敏度和精确度，且所有生物标志物、生物学原理与相关临床结果的关联仍有待在前瞻性、独立的临床研究中进行严格验证。代谢组学是一个不断发展的研究领域，使用质谱法测量接受腹膜透析的终末期肾病患者血液中的代谢产物，并研究这些代谢物与腹膜功能间的关系，为将来慢性肾脏病的早期诊断提供新的有效手段，以及为腹膜透析患者透析液的使用成分提供新的选择，并可能确定新的治疗策略和靶标。