多组学研究揭示，陈脱氧胆酸通过作用于过氧化氢酶（catalase），促进了草酸钙肾结石的形成

《The Journal of Nutritional Biochemistry》：Multi-omics reveals that chenodeoxycholic acid promotes calcium oxalate kidney stone formation by targeting catalase

本研究通过多组学分析揭示胆酸代谢紊乱中CDCA抑制催化酶（CAT）促进钙草酸肾结石形成的新机制，为靶向治疗提供依据。

　　

梁英春|司淑新|高瑞成|林博涵|魏勇|吴忠|黄金北|周子健

福建医科大学附属第一医院泌尿外科，泌尿研究所

摘要

本研究旨在利用多组学方法探讨草酸钙（CaOx）肾结石形成过程中的关键胆汁酸代谢物及其作用靶点。通过1%乙二醇（EG）在Sprague-Dawley（SD）大鼠中建立了CaOx肾结石模型。在CaOx肾结石模型中，靶向代谢组学分析发现血清中有4种差异表达的胆汁酸，肾脏中有11种差异表达的胆汁酸，并确定 Chenodeoxycholic acid（CDCA）是CaOx肾结石形成的关键代谢物。大鼠肾脏的转录组学分析显示对照组和CaOx组之间存在2584个差异表达基因（DEGs），蛋白质组学分析显示有1372个差异表达蛋白（DEPs）。通过结合转录组学、蛋白质组学和网络药理学分析，我们确定过氧化氢酶（CAT）是CDCA的关键靶点，其在CaOx组中的表达和活性显著低于对照组。此外，CDCA与CAT之间的分子对接分析显示其结合能为-8.764 kcal/mol，且在经草酸和CDCA处理的HK-2和NRK-52E细胞中，CAT的mRNA和酶活性均降低，表明CDCA可能通过抑制CAT促进肾结石的形成。本研究揭示了CDCA通过靶向CAT促进CaOx肾结石形成的新机制，为预防和治疗CaOx肾结石提供了新的视角和潜在靶点。

引言

草酸钙（CaOx）肾结石是肾结石的主要类型，其发病率每年都在上升[1]。近年来，研究表明，体内的代谢紊乱（包括血脂异常、游离脂肪酸代谢紊乱以及棕榈酸上调）可能通过加剧全身氧化应激和炎症反应导致CaOx肾结石的形成[[2],[3],[4]]。同时，多项研究指出多种代谢物在CaOx肾结石的形成中起重要作用，例如氨基酸、短链脂肪酸（SCFAs）等。例如，Lan等人[5]发现甘氨酸可通过下调Slc26a6的表达来减少尿液中的草酸含量，从而降低CaOx肾结石的形成。SCFAs作为最丰富的代谢物之一，在多项研究中被确认为CaOx肾结石形成的关键因素[[6],[7],[8],[9]]。Jin等人[10]发现SCFAs可通过调节免疫细胞亚群和炎症来减少结石形成。然而，关于胆汁酸与肾结石关联的研究相对较少。胆汁酸在肝脏中合成，对脂肪消化和吸收过程至关重要[11]。全身胆汁酸水平升高可能诱发肾脏内的炎症反应和氧化应激，从而加重肾内皮细胞的损伤[12]，表明其在CaOx肾结石中可能发挥重要作用。进一步研究胆汁酸与肾结石之间的关系对于制定治疗策略至关重要。

代谢组学主要研究组织 and 细胞中的小分子物质，这些物质与生物体的健康密切相关[13]。在肾结石研究中，对肾结石患者的代谢变化进行代谢组学分析有助于揭示肾结石形成的代谢途径和机制，并发现新的生物标志物[14,15]。Zhang等人通过代谢组学筛查在尿液结石动物模型中发现了差异代谢物水杨尿酸、龙胆酸和琥珀酸，并验证了它们对结石形成的有效抑制作用[16]。Wang等人对CaOx肾结石患者的尿液进行了代谢组学研究，鉴定出18种显著差异代谢物，如咖啡因、苯丙氨酸、半乳糖和酪氨酸[17]。然而，目前的研究仅限于尿液的代谢组学分析。血液或肾脏中的代谢物同样对肾结石疾病至关重要，因为它们可能直接影响肾脏中的结晶过程和结石形成[18]。此外，代谢组学研究中的临床样本因遗传和环境差异而存在变异性，这使得生物标志物的识别和疾病机制的理解变得复杂。因此，需要在常见的CaOx肾结石动物模型中进行肾脏代谢组学研究，以识别更可靠和有效的生物标志物。

我们之前的工作通过非靶向代谢组学分析发现CaOx肾结石大鼠模型中胆汁酸代谢途径存在显著变化[19]。因此，我们继续在大鼠血清和肾脏中进行靶向胆汁酸代谢组学研究，并确定了关键差异代谢物Chenodeoxycholic acid（CDCA）。此外，通过转录组学、蛋白质组学、网络药理学和公共数据库分析，我们确定过氧化氢酶（CAT）是CDCA的关键靶点，并在体外验证了这一发现，希望能为肾结石的预防和治疗提供新的见解。

部分内容

在大鼠中建立CaOx肾结石模型

基于以往经验，我们使用EG诱导法建立了肾结石模型。我们使用5-6周大的Sprague-Dawley大鼠（雄性）建立CaOx肾结石模型。最初，10只大鼠被随机分为两组：对照组和CaOx组。对照组可以自由饮用无菌自来水，而CaOx组则饮用添加了1% EG的饮用水。4周后，收集了血清、肾脏组织和尿液。

构建由EG诱导的CaOx肾结石大鼠模型

为了评估Sprague-Dawley（SD）大鼠模型中EG诱导的CaOx肾结石，我们对大鼠的体重、肾脏重量、尿液中的钙含量以及CaOx晶体沉积情况进行了评估。结果显示CaOx组大鼠的体重下降（图1A），肾脏重量显著增加（图1B），尿液中的钙含量升高（图1C），这些差异均具有统计学意义（P<0.05）。组织学染色显示存在CaOx晶体。

讨论

本研究通过多组学分析方法揭示了CaOx肾结石的发病机制。首先，我们通过靶向代谢组学发现CaOx组中CDCA的含量显著增加。随后，通过整合多组学数据，发现CAT可能是CaOx肾结石中CDCA的下游靶基因。我们还观察到CaOx肾结石大鼠、细胞及相关组织中CAT的表达和活性显著降低。

结论

总之，我们利用靶向胆汁酸代谢组学确定了CaOx肾结石中的关键代谢物CDCA。通过综合多组学分析，我们发现CAT是CaOx肾结石中CDCA的下游靶基因。这一发现有助于识别新的靶点，以降低CaOx肾结石的风险。

研究批准

本研究的所有程序均符合《赫尔辛基宣言》的原则，并得到了福建医科大学附属第一医院伦理委员会的批准。

数据获取

支持本研究结果的数据可向通讯作者索取。由于隐私或伦理限制，这些数据不对外公开。

作者贡献

ZZ、ZW、YL和JH提出了研究概念和实验设计；YL、SS、RG和BL完成了所有动物实验和细胞实验；YL负责数据解读和论文撰写；YW参与了研究监督。

作者贡献声明

梁英春：撰写初稿、项目管理、方法学、资金申请、数据分析、概念构建。司淑新：数据可视化、方法学、实验设计、数据管理。高瑞成：数据可视化、验证、研究监督、软件使用、项目管理、概念构建。林博涵：验证、研究监督、概念构建。魏勇：方法学、实验设计、数据分析、概念构建。吴忠：论文撰写与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号82400782和82500928）、2023年福建省人才引进项目（项目编号YJRC4114）以及科技创新联合资助计划（项目编号2024Y915）的支持。感谢武汉Metware生物技术有限公司（中国武汉）在靶向代谢组学和蛋白质组学分析方面的支持，同时感谢上海Bioprofile生物技术有限公司在RNA-Seq分析方面的支持。