花青素通過調(diào)節(jié)氨基酸代謝改善糖尿病腎病的腎功能

代謝組學文獻分享-研究背景

目前超過40%的糖尿病(Diabetes mellitus, DM)患者中會存在糖尿病腎病(Diabetic kidney disease, DKD)，DKD是慢性腎臟疾病重要的病因之一?；ㄇ嗨?/span>(Antho-Cyanins, ANT)是存在于各種食物中的多酚類化合物，在改善高血糖和胰島素敏感性方面發(fā)揮著重要作用。然而，目前ANT在DKD中的作用還知之甚少。本研究對DKD小鼠的腎臟和血清樣本進行了Label free定量蛋白質(zhì)組學和非靶向代謝組學（百趣生物提供）的綜合分析，旨在評估ANT(cyanidin-3-O-glucoside [C3G])對DKD患者腎功能的影響，以及ANT的抗DKD作用是否與代謝途徑有關。

代謝組學文獻分享-技術路線

代謝組學文獻分享-研究結果

1.ANT降低DKD小鼠體重和血糖水平并改善腎小球病變和纖維化

本研究構建了3組小鼠實驗模型，分別為：CT組（對照組：12只db/m小鼠），DKD組（糖尿病腎病組：11只db/db小鼠）和ANT組（花青素處理組：11只db/db小鼠），然后作者研究了ANT對小鼠生化參數(shù)和腎組織病理學的影響。結果顯示，在第8~20周，DKD組小鼠的體重高于CT小鼠，而在第15周后，ANT組小鼠體重高于DKD組，在第8周后，DKD組小鼠空腹血糖水平明顯高于CT組，12周后，ANT可改善DKD組升高的空腹血糖水平。因此認為ANT可以降低DKD的體重和空腹血糖水平。

腎切片H&E染色(Hematoxylin-eosin staining)顯示DKD組小鼠腎小球腫大，腎間質(zhì)水腫，炎癥細胞充盈。與對照組相比，DKD組腎小球周長和面積增加。而ANT處理后，腎小球、腎間質(zhì)腫大、炎癥細胞充盈的情況得到緩解，腎小球周長減少。代謝組學文獻分享，PAS染色(Periodic acid-schiff stain)顯示DKD組腎小球細胞增多，系膜擴張。ANT治療后腎小球病變明顯緩解。腎組織馬松染色(Masson stain)顯示DKD組腎小球和腎間質(zhì)纖維化。然而，在ANT處理下，纖維化得到了改善。表明，ANT可以緩解DKD小鼠的腎小球病變和纖維化。

2.ANT對db/db小鼠蛋白表達譜的影響

基于Label free定量蛋白質(zhì)組學的方法，作者對CT組（6只小鼠），DKD組（6只小鼠）和ANT組（5只小鼠）的腎臟組織和血清樣本分別進行了檢測。

在組織樣本中，一共鑒定出6355個蛋白質(zhì)。代謝組學文獻分享，其中，DKDvsCT組和ANTvsDKD組分別鑒定出712和3642個差異表達蛋白(Differentially expressed proteins, DEPs)。為了確定ANT在腎臟中調(diào)控的靶蛋白，作者首先對CT、DKD和ANT組進行了STEM趨勢分析，并在樣例1、5、6、9、10和14中鑒定出了趨勢蛋白。ANT組中186個腎趨勢蛋白在DKDvsCT組和ANTvsDKD組中差異表達，而ANT治療后可被抵消。在這些蛋白中，Mbl2(Mannose-binding protein C)、Cst3(cystatin C)和Vav1(Proto-oncogene vav)表達水平的升高可能會增加糖尿病腎病的風險。通過me[x]tascape網(wǎng)站分析，ANT組腎臟趨勢蛋白主要富集在代謝途徑中，包括羧酸、α-氨基酸、含堿基小分子、甘氨酸、天門冬氨酸家族氨基酸、細胞修飾氨基酸和β-丙氨酸代謝。

在血清樣本中，一共檢測到1673種蛋白質(zhì)，其中在DKDvsCT組和ANTvsDKD組分別鑒定出260和594個DEPs。作者觀察到ANT組中36個血清趨勢蛋白在DKDvsCT組和ANTvsDKD組之間有差異表達，但在ANT治療后可以被抵消。代謝組學文獻分享，在這些蛋白中，Plvap(Plasmalemma vesicle-associated protein)、Itgb2(Integrin beta-2)和Rbp4(Retinol-binding protein 4)可能與糖尿病腎小球病變的嚴重程度增加有關。通過me[x]tascape網(wǎng)站分析，ANT血清趨勢蛋白在補體和凝血級聯(lián)、血漿脂蛋白顆粒組織、細胞外基質(zhì)組織、細胞-底物粘附調(diào)節(jié)、白細胞遷移調(diào)節(jié)和造血等方面均富集。

發(fā)現(xiàn)血清和腎臟樣本中共同檢測到31個DEPs，包括已知的糖尿病相關蛋白，如Serpina3k、Lpl、C1qb、Lgals3、Ctsd、Pdgfra、Apoc3、Apoc1、Lifr和Igfbp2，而在ANT組和DKD組血清和腎臟樣本中均檢測到178個DEPs。三組血清和腎臟中同時檢測到5個相同的DEPs(Capg、Pxdn、Mup20、Myh1和C8g)。相關性分析顯示，CT組、DKD組和ANT組中循環(huán)和腎組織蛋白之間無相關性，提示ANT對腎蛋白和循環(huán)蛋白的治療作用是相互獨立的。

3.Db/db小鼠腎臟和血清代謝組學特征研究

作者比較了CT組和DKD組的腎臟和血清代謝組學。在腎臟和血清中，OPLS-DA模型顯示CT組和DKD組的代謝物分布有差異。在CT組、DKD組腎臟和血清中分別鑒定出了228和171個DEMs。KEGG通路富集分析發(fā)現(xiàn)腎臟和血清中的DEMs分別有34條和23條通路富集，主要涉及5類代謝異常，包括氨基酸代謝、碳水化合物代謝、脂類代謝、輔助因子和維生素代謝、核苷酸代謝。進一步，對兩組之間的通路活性進行了GSVA分析。

結果發(fā)現(xiàn)，在腎臟中，花生四烯酸代謝被列為表達升高明顯的途徑，而脂肪酸生物合成活性下降。代謝組學文獻分享，此外，許多氨基酸代謝通路活性表達降低，包括組氨酸代謝、賴氨酸降解、精氨酸和脯氨酸代謝、色氨酸代謝和酪氨酸代謝。輔助因子和維生素代謝途徑表達也降低，包括煙酸鹽和煙酰胺代謝、維生素B6代謝、泛酸鹽和輔酶a生物合成。碳水化合物代謝途徑，包括肌醇磷酸鹽和β-丙氨酸代謝表達降低。血清中賴氨酸降解途徑表達升高，DKD組腎臟和血清中其他氨基酸代謝途徑活性下降。強調(diào)了DKD發(fā)病機制中不同生物實體中代謝物的不同改變。

4.ANT對db/db小鼠代謝表達譜的影響

作者在ANTvsDKD組腎臟和血清中分別鑒定出311個和282個DEMs。為了確定腎臟和血清中ANT調(diào)控的靶向代謝物，本研究對CT、DKD和ANT組代謝物進行了STEM分析，并將樣例1、5、6、9、10和14中的代謝物確定為趨勢代謝物。進一步分別對腎臟和血清中的46和47趨勢代謝物進行層次聚類分析。分別對腎臟中DKDvsCT、ANTvsDKD組以及趨勢代謝物中的228、311和46個DEMs進行了分類，觀察到“有機酸及其衍生物”類豐富，“苯”類稀少。代謝組學文獻分享，此外，分別對血清中171、282和47個DEMs進行了分類。發(fā)現(xiàn)在趨勢代謝物中，“有機雜環(huán)化合物”類豐富，“核苷類、核苷酸類及類似物”和“苯”類很少。

進一步對肝臟中的46種趨勢代謝物進行了GSVA分析，發(fā)現(xiàn)DKDvsCT組和ANTvsDKD組中，?；撬岷痛闻；撬岽x途徑均有改變，該通路在DKDvsCT組間表達下調(diào)，在ANTvsDKD間表達上調(diào)。此外，對血清中47種趨勢代謝物進行了GSVA分析。DKDvsCT組和ANTvsDKD組中磷脂酰膽堿和磷脂酰乙醇胺生物合成途徑改變。兩種通路在DKDvsCT之間表達上調(diào)，在ANT組和DKD組之間表達下調(diào)。代謝組學文獻分享，此外，DKDvsCT組和ANTvsDKD組中色氨酸和酪氨酸代謝途徑也改變。兩種通路在DKDvsCT之間下調(diào)，在ANTvsDKD組之間上調(diào)。作者觀察到ANT處理后色氨酸代謝途徑中，血清中l-色氨酸和L-kynurenine下調(diào)，5-甲氧基吲哚乙酸和吲哚-3-乙醛上調(diào)。在酪氨酸代謝方面，ANT處理后馬來酸和富馬酸下調(diào)，吲哚5,6-醌上調(diào)。

代謝組學文獻分享-結論

綜上所述，該研究揭示了ANT在DKD中的多重改善作用，包括抑制空腹血糖、改善腎功能和腎臟組織病理學改變。通過采用Label free非標記定量蛋白質(zhì)組學和非靶向代謝組學分析，探討了ANT減輕DKD腎臟損害的潛在機制。蛋白質(zhì)組學和代謝組學分析表明，ANT有效地改變了db/db小鼠腎臟和血清的蛋白質(zhì)組和代謝表型。檢測到了先前研究中報道的許多DKD相關血清和腎臟蛋白，驗證了本次的方法，同時觀察到ANT腎臟趨勢蛋白和代謝產(chǎn)物在氨基酸代謝中富集，主要在?；撬岷偷团；撬岽x中；ANT血清趨勢蛋白在補體和凝血級聯(lián)中富集，ANT血清的趨勢代謝產(chǎn)物在色氨酸和酪氨酸代謝中富集。通過本文的研究表明食物中的ANT可能是一種潛在的氨基酸代謝調(diào)節(jié)劑，可以改善腎功能和腎臟形態(tài)。揭示了飲食中使用ANT預防和治療DKD的潛在臨床效果。