AJKD丨“甜蜜的负担”-哪些尿液代谢物可以预测糖尿病肾病进展？
过去的20年间，糖尿病占美国普通成年人慢性肾病(CKD)病例的近40%，糖尿病肾病(DKD)患者的住院、发病率和死亡率显著较高。
虽然蛋白尿水平等临床标志物是肾脏疾病进展的预后指标，但其存在较高的个体间差异性，患者甚至可能在蛋白尿发生前即发生进展性肾小球滤过率(GFR)下降。因此，迫切需要发现鉴别新型生物标记物，以更好地理解和预测DKD进展，并指导临床治疗。
而由于肾脏肩负着从人体浓缩和排泄各种代谢物的任务，尿液代谢组学为研究可能与肾功能障碍有关的生化途径提供了更为直接的见解。
既往的一项横断面研究发现，DKD患者13种尿液代谢物的DKD水平低于健康对照组，这些指标与DKD进展存在怎样的关系？哪些可以作为生物标记物来改善疾病管理？
本期Am J Kidney Dis杂志上，研究人员发表了一项前瞻性队列研究（Chronic Renal Insufficiency Cohort Study，CRIC研究），分析13种尿液代谢物、年龄、种族、性别、一生吸烟超过100支、BMI、糖化血红蛋白水平、血压、尿白蛋白、基线eGFR等因素对于年度eGFR下降斜率和接受肾脏替代治疗时间（KFRT）的影响。
结果显示，随访期间，平均eGFR斜率为−1.83±1.92(SD)mL/min/1.73m2/年；359名(36%)进展到肾脏替代治疗，中位发生时间为7.45年。
调整临床变量后，代谢产物3-羟基异丁酸(3-HIBA)和3-甲基克鲁酮甘氨酸的水平与eGFR下降斜率呈显著负相关，而柠檬酸和乌头酸与eGFR下降斜率呈正相关。
此外，3-HIBA和乌头酸水平分别与KFRT的高风险和低风险相关(HRs为2.34[95% CI,1.51-3.62]和0.70[95%CI,0.51-0.95])，该研究结果可能为DKD的进展提供了线索，或将指导改善相应的临床护理和针对性治疗。
研究方案与结果：
该研究纳入了1001名肾小球滤过率(eGFRs)在20-70ml/min/1.73m2之间的慢性肾功能患者，中位随访期8年(范围2-10年)，参与者基线的平均年龄为59.89±9.44 (SD)岁，44%为白人，44%为女性，57%的人一生中吸烟超过100支。平均体重指数为34.19±7.93kg/m2，血红蛋白A1c水平为7.57%±1.54%，eGFR为40.59±11.19mL/min/1.73m2。大部分患者有中度或重度蛋白尿(69%)和高血压(93%)。
研究的代谢物(及相关途径)为乌头酸；柠檬酸(核苷酸代谢：三羧酸循环)；尿嘧啶(核苷酸代谢:嘌呤)；3-羟基异丁酸(3-HIBA)、2-甲基乙酰乙酸、3-羟基异戊酸酯、2-乙基-3-羟基丙酸、3-甲基克鲁顿甘氨酸、替甘氨酸(氨基酸代谢：缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸)；高香草酸(氨基酸代谢：苯丙氨酸和酪氨酸)；乙醇酸，3-甲基二酸，3-羟基丙酸。
通过混合模型分析得出的eGFR斜率平均值为−1.83±1.92mL/min/1.73m2/年。在10年的随访中，KFRT的中位值为7.45(四分位范围，4.46-9.13)年，观察到359例KFRT事件(36%)；在KFRT之前有159人死亡(16%)，其中78人死于心血管疾病；28人(3%)退出或失去随访。
代谢产物与肾脏疾病进展
在单变量分析中，七个代谢物与eGFR斜率显著相关,5个与未经调整的KFRT相关，6个与临床变量调整后的KFRT相关。其中，3-羟基丙酸盐和3-HIBA是eGFR下降的重要危险因素。
未调整临床变量前，乌头酸，柠檬酸，和尿嘧啶与eGFR斜率和发生KFRT的HRs <1显著正相关，表明其与肾脏保护相关。校正临床变量后，这3种代谢物与KFRT事件的相关性减弱。
相反，2-甲基乙酰乙酸、乙醇酸、3-甲基克鲁糖基甘氨酸和3-甲基丙酮酸与发生KFRT的HRs>1显著相关。
2-甲基乙酰乙酸、乙醇酸、3-甲基克鲁糖基甘氨酸和3-甲基丙酮酸均与种族相关(点二列相关>0.15)，提示在未调整的模型中存在种族的混杂因素。
①模型预测表现
共评估了3种只有代谢物预测因子的模型(M-A、M-A、CM-L和M-S)及4种具有临床变量的模型(C、CM-A、CM-L和CM-S)后，选择CM-S模型作为最终的最佳预后模型。控制了所有其他变量后，临床变量种族、平均动脉压和尿白蛋白排泄与eGFR下降和KFRT发生率显著相关。
在未调整或临床调整模型中结果一致，较高的乌头和柠檬酸与较慢的eGFR下降有关，而高3-HIBA和3-甲基氯甲苯胺水平与eGFR快速下降相关。
当评估发生KFRT时，在调整临床变量后，这4种代谢物中有2种保留了显著的相关性:较高的乌头酸水平与较低的风险相关，较高的3-HIBA水平与较高的KFRT风险相关。
最后，标注为3-甲基克豆糖甘氨酸或地甘氨酸的2个代谢物特征是BCAA降解的代谢物，在糖尿病肾病中水平降低。
②代谢物生物途径
柠檬酸和乌头酸是三羧酸循环（TCA）的一部分。这两种代谢物在24小时尿液样本中的减少可能反映了由于线粒体功能或水平降低而引起的TCA循环活性的降低。
3-HIBA是支链氨基酸缬氨酸(BCAA)的分解代谢中间体，促进脂肪酸进入心脏内皮细胞的运输和摄取。此外，在内皮细胞中，3-HIBA水平的升高响应了转录共激活因子PGC1a诱导的通路，因此3-HIBA可能是PGC1a活性的生物标志物。血浆中BCAA和3-HIBA的升高已被证明与人类和啮齿动物的肥胖和2型糖尿病的发生有关。3-HIBA也与血管过度生成有关，这可能是进行性DKD的一个促进因素。另外，该研究中3-HIBA与2-羟基丁酸合并分析，而2-羟基丁酸与胰岛素抵抗和酮酸代谢有着众所周知的正相关关系。
最后，标注为3-甲基克豆糖甘氨酸或地甘氨酸的2个代谢物特征是BCAA降解的代谢物，在糖尿病肾病中水平降低。
总结
该研究是美国最大的糖尿病肾病样本之一，具有全面的临床因素、代谢物概况数据，以及随访和对肾功能的多项纵向评估。但仍存在一定的局限性，如尽管CRIC研究已经证实了eGFR斜率可作为肾脏疾病进展的标志物，但eGFR的下降可能并不总是线性的，后续研究中可能进一步检验其非线性轨迹。
该研究发现，3-羟基异丁酸(3-HIBA)和3-甲基克鲁酮甘氨酸的水平与eGFR下降较慢相关，而柠檬酸和乌头酸与eGFR下降较快相关。此外，3-HIBA和乌头酸水平分别与肾脏替代治疗的高风险和低风险相关。
该研究除发现了上述代谢物对于糖尿病肾病进展的预测作用外，确定了包括三羧酸循环和氨基酸代谢在内的关键途径，进一步表明线粒体功能是监测慢性器官功能障碍的关键参数，并与血管生成、胰岛素抵抗和酮症酸中毒相关。
如果该结论可以在其他研究中得到复制，这些代谢物和相关途径或可以揭示DKD的治疗靶点，并进而改善其临床管理。
参考文献：
Brian Kwan et al. Metabolomic Markers of Kidney Function Decline in Patients With Diabetes: Evidence From the Chronic Renal Insufficiency Cohort (CRIC) Study.[J]Am J Kidney Dis. 2020 Oct;76(4):511-520 .doi: 10.1053/j.ajkd.2020.01.019.
