Lipidomika: nowy wgląd w chorobę nerek

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com

Ying-Yong Zhao, Nosratola D. Vaziri, Rui-Chao Lin

Abstrakcyjny

Ze względu na występowanie cukrzycy typu -2 i nadciśnienia, przewlekłenerkachoroba (PChN) stała się głównym problemem zdrowia publicznego na całym świecie. PChN prowadzi do przedwczesnej śmierci z powodu przyspieszonej choroby sercowo-naczyniowej i różnych innych powikłań. Wczesne wykrycie, dokładne monitorowanie czynności nerek oraz odpowiedź na interwencję terapeutyczną mają kluczowe znaczenie dla zapobiegania progresji PChN i jej powikłań. Niestety, tradycyjne biomarkery funkcji nerek są niewystarczająco czułe lub swoiste, aby wykryć wczesne stadia choroby, kiedy interwencja terapeutyczna jest najskuteczniejsza. Dlatego bardziej czułe biomarkerynerkachorobasą potrzebne do wczesnej diagnozy, monitorowania i skutecznego leczenia. CKD powoduje głębokie zmiany w metabolizmie lipidów i lipoprotein, które z kolei przyczyniają się do progresji PChN i jej powikłań sercowo-naczyniowych. Lipidy i metabolity pochodzące od lipidów odgrywają różnorodne i niezwykle ważne role w strukturze i funkcji komórek, tkanek i biopłynów. Lipidomika to gałąź metabolomiki, która obejmuje globalne badania lipidów i ich funkcji biologicznej w zdrowiu i chorobie, w tym identyfikację biomarkerów do diagnozowania, prognozowania, zapobiegania i odpowiedzi terapeutycznej w przypadku różnych chorób. Niniejszy przegląd podsumowuje najnowsze osiągnięcia w lipidomice i ich zastosowanie do różnychnerkachorobyw tym przewlekłe kłębuszkowe zapalenie nerek, nefropatia IgA, przewlekła niewydolność nerek, rak nerkowokomórkowy, nefropatia cukrzycowa i ostra niewydolność nerek w badaniach klinicznych i eksperymentalnych. Omówiono technologie analityczne, analizę danych, a także obecnie znane biomarkery metaboliczne chorób nerek. Omówiono perspektywy na przyszłość i potencjalne ograniczenia lipidomiki.

Cistanche deserticola zapobieganerkachoroba, kliknij tutaj, aby pobrać próbkę

1. WSTĘP

Ze względu na występowanie cukrzycy typu -2 i nadciśnienia, przewlekłenerkachoroba(CKD) stał się poważnym problemem zdrowia publicznego na całym świecie. PChN prowadzi do niepełnosprawności i przedwczesnej śmierci z powodu przyspieszonej choroby sercowo-naczyniowej i towarzyszących jej powikłań [1]. Liczne stany patologiczne obejmują zaburzenia genetyczne, metaboliczne, toksyczne, immunologiczne, zakaźne, hemodynamiczne, mechaniczne i inne, które prowadzą do rozwoju i progresjinerkachoroba. Wczesne wykrycie, dokładne monitorowanie czynności nerek oraz odpowiedź na interwencję terapeutyczną mają kluczowe znaczenie dla szybkiego rozpoznania i zapobiegania progresji PChN i jej powikłań. Niestety, tradycyjne markery czynności nerek są niewystarczająco czułe lub swoiste, aby wykryć CKD i jej powikłania sercowo-naczyniowe lub inne na wczesnym etapie, kiedy interwencja terapeutyczna jest najskuteczniejsza. Na przykład na najczęściej stosowane biomarkery, tj. klirens kreatyniny i mocznika w surowicy oraz klirens kreatyniny, duży wpływ mają czynniki niezależne od wewnętrznej funkcji i struktury nerek. W tym kontekście masa mięśniowa znacząco wpływa na kreatyninę, spożycie białka i bilans płynów modulują mocznik, a stosowanie inhibitorów konwertazy angiotensyny lub blokerów receptora angiotensyny, a także spożycie białka w diecie wpływa na klirens kreatyniny. Dlatego konieczne jest opracowanie czułych i swoistych biomarkerów do wczesnego wykrywania choroby nerek oraz monitorowania jej progresji i odpowiedzi na interwencję terapeutyczną. Wgląd w dynamiczne różnice w regulacji genetycznej, białkowej i metabolitowej, interakcji i funkcji w chorobach nerek może pomóc w identyfikacji nowych biomarkerów diagnostycznych i prognostycznych oraz celów terapeutycznych [2–4].

CKD powoduje głębokie zmiany w metabolizmie lipidów i lipoprotein [5–7]. Z kolei towarzyszące zaburzenia lipidowe przyczyniają się do progresji PChN i jej powikłań sercowo-naczyniowych i innych [8–10]. Lipidomika, globalne badanie lipidów w komórkach, tkankach i biopłynach, obejmuje analizę gatunków lipidów i ich obfitości w celu wyjaśnienia funkcji biologicznej, lokalizacji subkomórkowej i dystrybucji w tkankach. Lipidy o małej masie cząsteczkowej, takie jak kwasy tłuszczowe, glicerolipidy, glicerofosfolipidy (GP) i sfingolipidy pełnią różnorodne i złożone funkcje w zdrowiu i chorobie. Odgrywają ważną rolę w regulacji normalnejnerkafunkcja i patogenezanerkachoroba. Wcześniejsze badania wykazały znacznie zwiększoną ekspresję kłębuszkowej cyklooksygenazy-1 lub -2 w szpitalnych i zwierzęcych modelach kłębuszkowego zapalenia nerek [11–13] oraz zwiększenie ekspresji cyklooksygenazy kłębuszkowej-2 w szpitalnych i zwierzęcych modelach tocznia zapalenie nerek [13,14]. Wykazano, że hamowanie cyklooksygenazy łagodzi bierne zapalenie nerek Heymanna i toczniowe zapalenie nerek u zwierząt doświadczalnych [14-16]. Leukotrieny, związane z zapalnym uszkodzeniem kłębuszków nerkowych i produktem lipooksygenazy (kwas 12-hydroksyeikozatetraenowy), pośredniczyły w angiotensynie II i transformującym czynniku wzrostu - -indukowanym przez ekspansję mezangialną w nefropatii cukrzycowej (DN) [17]. 20-Kwasy hydroksyeikozatetraenowy i epoksyeikozatrienowy były zaangażowane w kilka form uszkodzenia nerek, w tym uszkodzenie nerek w zespole metabolicznym [18-20], a ceramidy odgrywają rolę w patogenezie ostrego uszkodzenia nerek. Podsumowując, istnieje coraz więcej dowodów potwierdzających rolę lipidów i ich metabolitów w patogenezie choroby nerek. Tak więc analiza kluczowych mediatorów lipidowych okazała się ważnym narzędziem w diagnozowaniu, prognozowaniu i leczeniu chorób nerek.

W tym artykule dokonano przeglądu ostatnich postępów w wykorzystaniu lipidomiki w wyjaśnianiu patogenezy i potencjałuleczenienerkachoroba.

2. CHOROBA NEREK

Biologia systemów umożliwia analizę w czasie sieci regulacyjnych i biologicznych w metabolizmie komórkowym [21–23]. Kompleksowa charakterystyka chorób nerek może dostarczyć ważnych i integrujących informacji, które pozwolą lepiej scharakteryzować zależności molekularne leżące u podstaw tej patofizjologii w celu opracowania bardziej wiarygodnych i swoistych markerów diagnozowania, prognozowania, profilaktyki i odpowiedzi terapeutycznej [2,24]. Rozwój biologii systemów oraz rozwój nowych narzędzi doświadczalnych i obliczeniowych umożliwiły połączenie mechanizmów regulacyjnych gen-komórka-narząd na wielu poziomach w celu zintegrowania biologii molekularnej i komórkowejnerkastruktura i funkcja [25–29]. Lipidy odgrywają różnorodne i ważne role w układach biologicznych, w tym dwuwarstwowej budowie błony, magazynowaniu energii, transdukcji sygnału, a także zapewniają funkcjonalne wsparcie dla białek błonowych i ich interakcji [30]. Na przykład kwas arachidonowy jest prekursorem eikozanoidów, które poprzez swoiste receptory działają jako cząsteczki sygnałowe prowadzące do procesów zapalnych [31]. Triacyloglicerydy służą jako magazyn energii komórkowej i odgrywają ważną rolę w metabolizmie i chorobie [32]. Niektóre rodzaje lipidów, tj. lizofosfatydylocholiny (LPC), glicerofosfoetanoloaminy (PE), fosfatydylocholiny (PC) i glicerofosfoinozytole (PI), wydają się być potencjalnenerkamarkery choroby [33]. Tutaj przedstawiamy przegląd podejścia lipidomicznego wnerkachoroba.

korzyść z cistanche: leczenie chorób nerek

3.LIPIDY I LIPIDOMIA

3.1.Definicja, klasyfikacja i funkcja biologiczna lipidów

Lipidy, podstawowe składniki błon biologicznych, są strukturalnie i funkcjonalnie zróżnicowaną klasą cząsteczek. W zależności od biosyntezy i budowy chemicznej lipidy określa się jako hydrofobowe lub amfifilowe. Lipidy amfifilowe występują w pęcherzykach, błonach lub liposomach w środowisku wodnym. Lipidy biologiczne tworzą dwa różne typy podjednostek biochemicznych: grupy izoprenowe i ketoacylowe [34]. Na podstawie tej definicji lipidy można podzielić na osiem kategorii: kwasy tłuszczowe, glicerolipidy, sfingolipidy, GP, sacharolipidy, lipidy sterolowe, lipidy prenolowe i poliketydy (ryc. 1) [34]. Kwasy tłuszczowe i glicerolipidy mają stosunkowo prostą budowę. Kwasy tłuszczowe to jedna z najważniejszych klas lipidów i podstawowe składniki wszystkich lipidów. Kwasy tłuszczowe mają nasycone lub nienasycone proste łańcuchy węglowe o długości 4–24 atomów węgla i 0–6 wiązań podwójnych. Kwasy tłuszczowe są prekursorami różnych bioaktywnych lipidów. Do eikozanoidów należą leukotrieny, prostaglandyny i tromboksany, które odgrywają ważną rolę w rozwoju procesów zapalnych [35]. Glicerolipidy składają się z mono-, di- i tri-podstawionych gliceroli różniących się zawartością kwasów tłuszczowych zestryfikowanych do grup hydroksylowych szkieletu glicerolowego [36]. Liczne badania wykazały, że zmieniona synteza i katabolizm triglicerydów odgrywają ważną rolę w występowaniu i rozwoju wielu chorób [37,38]. Lipidy sterolowe, w tym cholesterol i jego pochodne zbudowane ze skondensowanej czteropierścieniowej struktury rdzenia, są ważnymi składnikami lipidów błonowych. Lipidy sterolowe pełnią różne role biologiczne, takie jak funkcja regulacyjna sygnalizacji komórkowej i modulacja płynu komórkowego [39].

GP, znane również jako fosfolipidy, są z natury wszechobecne i są ważnymi składnikami dwuwarstw lipidowych i biorą udział w sygnalizacji komórkowej i metabolizmie. W oparciu o charakter polarnej grupy głowy w pozycji sn-3 szkieletu glicerolowego u eukariotów i eubakterii lub pozycji sn-1 w przypadku archebakterii [40], GP można podzielić na odrębne klasy obejmujące glicerofosfocholiny, kwasy glicerofosfatydowe, glicerofosfoglicerole (PG), glicerofosfoseryny (PS), PE i PI. Tkanka mózgowa zawiera stosunkowo wysokie G, a zmiany ich składu mają związek z zaburzeniami neurologicznymi [41]. Niektóre GP, takie jak LPC, PC, PE i PI, zostały zidentyfikowane jako potencjalne biomarkery raka, nerek i chorób układu krążenia [33,42,43]. Sfingolipidy składają się ze złożonej rodziny związków składających się z podstawowego szkieletu 1,3- dihydroksylu, 2-aminoalkanu lub alkenu (zasada sfingoidowa). Sfingomielina (SM) i sfingozyna są dwoma ważnymi sfingolipidami składającymi się z fosforylocholiny i kwasu tłuszczowego połączonych odpowiednio z 1-grupą hydroksylową i 2-grupą aminową łańcucha sfingoidowego. Wcześniejsze badania wykazały, że ceramidy należące do N-acylopochodnych sfingozyny są związane z PChN [44].

3.2.Lipidomika

Chociaż podfrakcja metabolomu, jego złożoność rodzajów lipidów, ich odmienne właściwości chemiczne i ważna aktywność biologiczna sprawiły, że lipidom stał się przedmiotem wielu badań. Metabolomika jest definiowana jako „ilościowy pomiar dynamicznej wieloparametrycznej odpowiedzi metabolicznej żywych systemów na bodźce patofizjologiczne lub modyfikację genetyczną” [45,46]. Metabolomika to niecelowana ilościowa analiza biopłynów i tkanek pod kątem endogennych metabolitów o małej masie cząsteczkowej. Lipidomika, jako gałąź metabolomiki, została po raz pierwszy wprowadzona przez Hana i Grossa w 2003 roku [47]. Lipidomika została zdefiniowana jako „pełna charakterystyka rodzajów cząsteczek lipidów i ich biologicznych ról w ekspresji białek zaangażowanych w metabolizm i funkcję lipidów, w tym regulację genów” [48]. Lipidomika reprezentuje przejście od indywidualnego badania lipidów do badania globalnych metabolitów lipidów w kontekście zintegrowanym z systemami w celu pełniejszego zrozumienia ich roli w procesach patofizjologicznych. W ciągu ostatnich 10 lat lipidomika stała się nową dziedziną biologii systemów i zwiększyła zainteresowanie diagnostyką chorób i odkrywaniem biomarkerów (otyłość, cukrzyca, choroby układu krążenia, choroba Alzheimera, rak trzustki itp.), odkryciami farmaceutycznymi i rozwojem badania żywności i żywienia [49–55]. To potężne podejście może ujawnić unikalne cechy metaboliczne normalnych, patologicznych lub specyficznych dla leczenia zdarzeń. Ostatnio opublikowano zwiększoną liczbę badań i przeglądów lipidomicznych z wykorzystaniem spektrometrii mas (MS), magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) i innych modalności spektroskopowych [56–61]. Technologie separacji, chromatografia gazowa (GC), chromatografia cieczowa (LC), chromatografia w płynie nadkrytycznym i elektroforeza kapilarna mają kluczowe znaczenie dla badania lipidomicznego złożonych próbek [62]. Aby uzyskać informacje o strukturze jonów molekularnych, najpierw stosuje się MS o niskiej energii zderzenia, a następnie warunki MS2 o wyższej energii zderzenia w celu uzyskania jonów fragmentacyjnych. Zazwyczaj wybiera się jon prekursorowy, a fragmentację monitoruje się za pomocą tandemowej spektrometrii masowej (MS/MS). Takie podejście zapewnia więcej informacji strukturalnych i wykrywanie poszczególnych rodzajów lipidów w złożonych próbkach biologicznych. Ponadto MS/MS jest coraz częściej wykorzystywane do opracowywania metod ilościowych dla ukierunkowanej lipidomiki [63]. Takie podejście wymaga jednak informacji na podstawie poprzedniego pełnego skanu MS. W 2005 roku Wrona i wsp.[64] wprowadzono technikę MSE, w której dwie funkcje skanowania są jednoczesne w celu gromadzenia danych. MSE zapewniło równoległe skany naprzemienne w celu akwizycji przy niskiej energii zderzenia dla informacji o jonach prekursorowych (MS) lub wysokiej energii zderzenia dla pełnych skanów dokładnych fragmentów masy, jonów prekursorowych i informacji o stratach neutralnych (MSE). Podejście to dostarczyło informacji podobnych do konwencjonalnych MS2 (MS/MS) w jednym przebiegu analitycznym oraz informacji strukturalnych wymaganych do identyfikacji nieznanych biomarkerów w analizach nieukierunkowanych [65–70]

korzyści zdrowotne cistanche

3.3.Metody analityczne dla lipidomiki

Tradycyjne metody analizy lipidów zwykle obejmują ekstrakcję rozpuszczalnikową próbek biologicznych (krwi, tkanki, komórki i organizmu), a następnie rozdzielanie lipidów za pomocą chromatografii cienkowarstwowej, ekstrakcji w fazie stałej lub LC w fazie normalnej i separacji poszczególnych klas lipidów na poszczególne rodzaje cząsteczek za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) - detektora ultrafioletu lub detektora rozpraszania światła przez odparowanie. Stosując te tradycyjne metody, można analizować pojedyncze cząsteczki wielu klas lipidów [71]. Chociaż GC była stosowana do oznaczania zawartości kwasów tłuszczowych w różnych lipidach metodą estrów metylowych, to podejście jest czasochłonne i obejmuje hydrolizę próbki i derywatyzację. Ogólnie rzecz biorąc, konwencjonalna analiza lipidów zazwyczaj wymaga dużej ilości próbki, ponieważ wiele biologicznie aktywnych gatunków jest obecnych w bardzo małych ilościach. Ze względu na ich nieodłączną złożoność, przygotowanie próbki może obejmować wielokrotne ekstrakcje, co dodatkowo obniża czułość i rozdzielczość. Ponadto metody te są pracochłonne i często wymagają derywatyzacji, co ogranicza przepustowość.

W przeciwieństwie do tego, w przypadku lipidomiki MS można zastosować bezpośrednią analizę próbki [72,73]. Technologie MS z bezpośrednim wlewem charakteryzują się dobrą odtwarzalnością, dokładnością i wysoką czułością oraz są mniej czasochłonne niż metody tradycyjne. Zazwyczaj jonizacja kwadrupolowa z elektrorozpylaniem w czasie przelotu (ESI-QTOF) i jonizacja z desorpcją laserową wspomaganą matrycą (MALDI) są najszerzej stosowanymi źródłami jonów w analizie MS z bezpośrednim wlewem [74, 75]. MS z bezpośrednim wlewem jest prosty i szybki. Jego głównym ograniczeniem jest tłumienie jonów, co utrudnia czułość i dokładność ilościową. Niestety, ta metoda nie jest w stanie zidentyfikować lipidów izobarycznych i izomerycznych, których masy są identyczne i często powodują podobne wzorce fragmentacji. Chociaż MS z bezpośrednim wlewem jest stosunkowo ograniczone w poszukiwaniu nowych i nieznanych związków z baz danych lipidów, może być przydatne do przeszukiwania szlaków biochemicznych w różnych chorobach w przyszłości. Opublikowano obszerne przeglądy dotyczące ESI/MS z bezpośredniego wlewu, ESI-QTOF/MS i MALDI/MS oraz ich zastosowań w lipidomice [74, 75].

MS jest powszechnie łączony z LC w lipidomice i dokonano przeglądu badań opartych na LC-MS w lipidomice [76]. Zazwyczaj zalety podejścia LC-MS to dobra powtarzalność, dokładność i wysoka czułość w identyfikacji znanych lub nowych lipidów. W ciągu ostatniej dekady HPLC-MS była szeroko stosowana zarówno do ukierunkowanych, jak i nieukierunkowanych analiz w metabolomice i lipidomice przy użyciu pojedynczych kwadrupolowych, hybrydowych i wysokorozdzielczych instrumentów. W przypadku profilowania globalnego popularne są kombinacje ultrasprawnej chromatografii cieczowej (UPLC) w połączeniu z QTOF/MS lub ruchliwością jonów tandemowych TOF/MS [77–80]. Zapewniają one szybką analizę za pomocą MS o wysokiej rozdzielczości. UPLC wykorzystuje cząstki o wielkości poniżej-2 μm i działa pod zwiększonym ciśnieniem (6000–15 000 psi), zapewniając w ten sposób wysoką rozdzielczość chromatograficzną w porównaniu z konwencjonalną HPLC z cząstkami 5 μm [81]. Zwiększona rozdzielczość wynika z lepszego stosunku sygnał/szum i wąskiej szerokości piku w porównaniu z konwencjonalną HPLC. Takie podejście jest korzystne dla profilowania metabolicznego, ponieważ w stężeniach fizjologicznych można wykryć ogromną liczbę metabolitów. Chociaż lipidy z różnych źródeł biologicznych można oddzielić za pomocą UPLC–MS [82], wpływ matrycy ma istotny wpływ na profile globalne [83]. Niestety, czułość zwykle nie jest tak wysoka, jak ukierunkowana lipidomika. Ponadto nie można zoptymalizować warunków doświadczalnych dla każdego wydzielonego związku. Typowo, potrójne kwadrupolowe MS jest używane do ukierunkowanych analiz za pomocą UPLC-MS z selektywnym monitorowaniem jonów. Metody ukierunkowane na lipidy mogą obejmować sterole i eikozanoidy, takie jak kwasy żółciowe i steroidy [84,85]. Metody oparte na GC są odpowiednie dla składników lotnych i nie mogą być stosowane dla większości lipidów. Co ciekawe, GC-MS jest najczęściej stosowaną metodą analizy wolnych kwasów tłuszczowych, estryfikowanych kwasów tłuszczowych i steroidów. Wolne kwasy tłuszczowe i steroidy wymagają derywatyzacji lub sililowania, podczas gdy zestryfikowane kwasy tłuszczowe są często analizowane jako estry metylowe [86]. Chromatografia w płynie w stanie nadkrytycznym to kolejna technika o wysokiej rozdzielczości, którą można stosować do rozdzielania różnych lipidów. Chromatografia w płynie w stanie nadkrytycznym MS może być stosowana do kompleksowego profilowania lipidów dużej liczby próbek [87].

MS ruchliwości jonów (IM-MS) i metodologie wielowymiarowe są uważane za nowe metodologie i są stosowane w lipidomice [88,89]. Izomery, konformery i enancjomery można szybko oddzielić za pomocą IM-MS i okazały się przydatne w analizie złożonych próbek biologicznych [78]. Rozwój obrazowania MS odegrał również ważną rolę w rozwoju obrazowania spektrometrii ruchliwości jonów za pomocą MS do analizy lipidów. Spektrometria ruchliwości jonów z MS w połączeniu z modelowaniem obliczeniowym dynamiki molekularnej może posłużyć do przyszłego scharakteryzowania struktury i stabilności kompleksów wbudowanych w lipidy. Ponadto kompleksowa wielowymiarowa LC-MS jest atrakcyjnym, pojawiającym się podejściem do kompleksowej charakterystyki lipidomicznej złożonych próbek biologicznych [90].

3.4.Analiza danych lipidomicznych

Lipidomika dostarcza ogromnych danych, a ich analiza odgrywa kluczową rolę, zwłaszcza w badaniach nieukierunkowanych. W związku z tym solidna bioinformatyka ma kluczowe znaczenie. Przed analizą statystyczną wymagane jest wstępne przetwarzanie danych, w tym przetwarzanie sygnału, normalizacja danych i transformacja, tak aby surowe dane były przekształcane do formatu zgodnego z analizą danych statystycznych [91,92]. Biorąc pod uwagę duży stopień zmienności lipidów, pierwszym krokiem nienadzorowanej i nadzorowanej analizy statystycznej jest redukcja danych. Można to osiągnąć wieloma metodami, w tym ortogonalną częściową analizą dyskryminacyjną najmniejszych kwadratów, analizą składowych głównych (PCA) i częściową analizą dyskryminacyjną najmniejszych kwadratów (PLS-DA). Można stosować zarówno metody nienadzorowane, jak i nadzorowane, w zależności od celu konkretnej analizy. W nienadzorowanej analizie danych nieznane informacje o różnych grupach są wykorzystywane przez PCA i hierarchiczną analizę skupień. W podejściu nadzorowanym każda próbka lub metabolit jest powiązany ze znanymi związkami, a te wcześniejsze informacje są następnie wykorzystywane do analizy za pomocą regresji głównych składowych i sieci neuronowych [91,92]. Inne metody regresji, w tym Elastic Net i Least Absolute Shrinkage and Selection Operator, są również dostępne do analizy zbiorów danych lipidomicznych w celu ustalenia związku między zmiennymi [93].

testosteron cistanche: poprawa funkcji nerek

4. ZASTOSOWANIA LIPIDOMIKÓW W CHORÓBACH NEREK

Fosfolipidy reprezentują klasę ważnych składników komórkowych, które uczestniczą w licznych procesach biologicznych i szlakach odzwierciedlających stan metaboliczny w zdrowiu i chorobie. Lipidomika jest odpowiednim narzędziem do odkrywania biomarkerów choroby w biologii systemów [94, 95]. Wszechstronne zrozumienie jego zastosowań jest niezwykle ważne dla lipidomiki. Wiele badań wykazało, że zaburzenia metaboliczne lub nieprawidłowości różnych lipidów prowadzą do choroby nerek [96–99]. Wykorzystując przewlekłą niewydolność nerek (CRF), raka nerkowokomórkowego (RCC), przewlekłe kłębuszkowe zapalenie nerek, nefropatię IgA i DN, omawiamy lipidomikę w chorobach nerek u ludzi i zwierząt oraz badania na modelach komórkowych.

4.1.Lipidomika w klinicznej chorobie nerek

4.1.1 Skutki przewlekłej choroby nerek i kłębuszkowego zapalenia nerek

Zaburzenia lipidowe są częste w chorobach nerek [100, 101] i przyczyniają się do wysokiej częstości występowania zaburzeń sercowo-naczyniowych w tej populacji. Profile lipidowe osocza i erytrocytów badano u pacjentów z CRF poddawanych hemodializie przez 30 miesięcy [102]. Zwiększone stężenie triglicerydów obserwowano w osoczu i błonach erytrocytów. W CRF zaobserwowano również zwiększone stężenie kwasów palmitynowych w osoczu i jednonienasyconych kwasów tłuszczowych oraz zmniejszone stężenie wielonienasyconych kwasów tłuszczowych w osoczu. Nieprawidłowości lipidowe były widoczne po 18 miesiącach i pogłębiały się po 30 miesiącach. Wzorce lipidowe w osoczu i błonie erytrocytów nie zmieniły się w okresie dializy. Pacjenci z CRF poddawani regularnej hemodializie wykazywali stopniowe pogorszenie profilu trójglicerydów i kwasów tłuszczowych. W innym badaniu do profilowania fosfolipidów w osoczu u pacjentów z przewlekłym kłębuszkowym zapaleniem nerek i CRF bez terapii nerkozastępczej zastosowano HPLC–MS [103]. Wyniki wykazały, że pierwotne przewlekłe kłębuszkowe zapalenie nerek i CRF miały nieprawidłowe profile metaboliczne fosfolipidów. Szereg fosfolipidów (n=19) zidentyfikowano jako potencjalne biomarkery. Możliwy mechanizm prowadzący do tej nieprawidłowości obejmował hydrolizę fosfatydyloinozytolu (PI) poprzez aktywację specyficznej dla PI fosfolipazy C, prowadzącą do produkcji dwusekundowych przekaźników, inozytolu (1,4,5)-trifosforanu (IP3) i diacyloglicerolu [104] , które uczestniczą w transdukcji sygnału samodzielnie. IP3 zwiększa cytoplazmatyczny Ca2 plus poprzez stymulację uwalniania Ca2 plus z retikulum sarkoplazmatycznego [105]. Kinaza białkowa C (PKC) jest aktywowana przez fosfatydyloserynę, Ca2plus i diacyloglicerol. Z kolei aktywacja wewnątrzkomórkowego systemu transdukcji sygnału PKC wyzwala szereg reakcji fizjologicznych i fizykochemicznych.

Na podstawie cech morfologicznych i genetycznych RCC dzieli się na różne podtypy. Rokowanie w RCC jest różne, a przerzutowy lub nawrotowy RCC wiąże się ze złym rokowaniem z rzadkim długoterminowym przeżyciem. Desorpcja ESI/MS została wykorzystana w trybie obrazowania do badania profilu lipidowego cienkich wycinków tkanki ludzkiego RCC brodawkowatego w porównaniu z przylegającą tkanką normalną (11 par próbek) i jasnokomórkowego RCC w porównaniu z przylegającą tkanką normalną (9 par próbek) [106]. W okolicy guza zaobserwowano zwiększone stężenie GP i wolnych kwasów tłuszczowych. PLS-DA odróżnił guza w brodawkowatym i jasnokomórkowym RCC oraz brodawkowatym od jasnokomórkowego RCC. Zmieniony skład tkanek GP występuje w raku [107] i wydaje się integralnie związany z transformacją nowotworową [108]. Micro-LC-QTOF/MS zastosowano do badania lipidów w moczu u chorych na RCC w porównaniu ze zdrowymi osobnikami. Wstępnie zidentyfikowano trzydzieści pięć rodzajów lipidów, w tym zmiany lipidomiczne w egzosomach moczu [109]. Tkankowe GP i ich enzymatyczne produkty uboczne wydają się być związane z transformacją nowotworową [110,111] i zaobserwowano znacznie zwiększony PI w transformowanych komórkach [112].

4.1.2 Wpływ DN

DN to poważny problem na całym świecie. Fosfolipidy i ich metabolity są ściśle związane z patogenezą i progresją DN. U pacjentów z DN przeprowadzono niecelowaną lipidomikę fosfolipidów surowicy przy użyciu LC-TOF/MS w fazie normalnej i pułapki jonowej-MS/MS [113]. Porównanie ze zdrowymi osobnikami ujawniło osiem lipidów w siedmiu klasach fosfolipidów jako potencjalne biomarkery DN. Dwa nowe biomarkery, w tym PI (18:0/22:6) i SM (d18:0/20:2) skutecznie dyskryminowały pacjentów z DN. Jak można było przewidzieć, ta sama klasa fosfolipidów ma podobny trend zmienności wraz z progresją DN. Odnotowano podwyższone LPC, PE, PG, SM, jeden PC i jeden PI oraz obniżone PE, PS i dwa PC. Szereg badań wykazało akumulację lipidów w nerkach zwierząt doświadczalnych z cukrzycą i ludzi oraz wpływ lipidów na patogenezę DN [114, 115]. Doniesiono, że fosfataza lipidowa promowała apoptozę podocytów prowadząc do DN, a fosfataza lipidowa była zwiększona przed zmianą histologiczną [116]. Dodatkowe dowody wykazały, że nieprawidłowy metabolizm lipidów i akumulacja lipidów w nerkach odgrywały ważną rolę w patogenezie DN [117-119], a utlenione gatunki PC były związane z dysfunkcją nerek [120]. Możliwe mechanizmy obejmują odkładanie lipidów w wyniku zwiększonego stężenia w surowicy, a także filtrację kłębuszkową związanych z białkami lipidów związanych z białkomoczem. Nagromadzone lipidy zwiększały ekspresję czynników wzrostu śródbłonka naczyniowego i transformowanego czynnika wzrostu, a także promowały białkomocz i stwardnienie kłębuszków nerkowych cukrzycowych [121]. Z drugiej strony obecność nieprawidłowych fosfolipidów może sprzyjać aktywacji szlaku sorbitolowego, stresowi oksydacyjnemu i aktywacji PKC [122–124]. W DN zmniejszenie PI było związane z aktywacją szlaku sorbitolowego prowadzącego do degradacji wewnątrzkomórkowego inozytolu, zmniejszenia mioinozytolu i zmniejszenia syntezy PI.

4.1.3 Skutki zabiegów nerkozastępczych

Powikłania kliniczne związane z dializą otrzewnową stają się coraz bardziej widoczne. Opracowano internetowy dwuwymiarowy LC-QTOF/MS do profilowania lipidów w osoczu u pacjentów dializowanych otrzewnowo [125]. To kompleksowe badanie obejmowało 10 klas lipidów i 190 gatunków lipidów. Zidentyfikowano trzydzieści biomarkerów, w tym PE i PC jako wskaźniki niedożywienia, zapalenia i zespołu miażdżycowego. W badaniu tym zbadano również różnice w profilach lipidowych w osoczu osób ze słabą kontrolą płynów i osób o dobrym stanie objętości. Znacząco podwyższony PC i PE (oraz podklasy plazmalogenu PC i PE) zaobserwowano u osób ze słabym stanem objętości. Co ciekawe, inne podobne badanie wykazało, że częstość występowania niedożywienia była związana z fosfolipidami plazmalogenu [126]. Wyniki te potwierdziły związek między objętością a stanem odżywienia w dializie otrzewnowej [127]. GC-MS zastosowano do ilościowego oznaczenia F2-izoprostanów u pacjentów hemodializowanych ze schyłkową niewydolnością nerek [128]. F2-izoprostany były zwiększone ~100-krotnie po stresie oksydacyjnym wywołanym żelazem/askorbinianem i 2-do 4-krotnie po napadach padaczkowych wywołanych pentylenotetrazolem u pacjentów poddawanych hemodializie. Zarówno badania na ludziach, jak i badania eksperymentalne potwierdzają związek między F2-izoprostanami a stanem zapalnym.

dawkowanie cistanche

4.2.Lipidomika w modelach zwierzęcych lub modelach komórkowych

4.2.1 Wpływ nefropatii IgA

Nefropatia IgA jest najczęstszą postacią kłębuszkowego zapalenia nerek i może prowadzić do schyłkowej niewydolności nerek. Do identyfikacji markerów progresji wykorzystano HPLC–MS z PCA i PLS-DA do oceny profili metabolizmu fosfolipidów w osoczu w doświadczalnym modelu myszy Balb/c [129]. Zidentyfikowano klasy lipidów PC, LPC, PI, PS, PE i SM, w tym 90 rodzajów lipidów. PS(18:0/18:0), PS(18:0/22:5) i PI(18:{{20}}/ 20:4) zidentyfikowano jako potencjalne biomarkery. Zbadano również związek między ekspresją fosfolipidów a międzykomórkową cząsteczką adhezyjną-1 (ICAM-1). Ta ostatnia jest silnie skorelowana z białkomoczem. Inne badanie zidentyfikowało ekspresję ICAM-1 jako wskaźnik progresji choroby i zasugerowało PS(18:0/18:0), PS(18:0/22:5) i PI(18:0 /20:4) jako możliwe biomarkery nefropatii IgA [130].

Obrazowanie lipidomiki MS jest przydatne do wizualizacji lokalizacji różnych lipidów w nerkach i innych tkankach [131,132]. Ostatnio analizowano rozkład molekularny lipidów u myszy z hiper-IgAnerkiprzy użyciu obrazowania MS opartego na MALDI-kwadrupolowej pułapce jonowej-TOF [133]. Dwa PC, PC(18:2/22:6) i PC(16:0/22:6) zostały pierwotnie znalezione w korze i dwa triacyloglicerole, TAG(18:1/18:2/18: 1) oraz TAG(16:0/18:2/18:1), znaleziono we wnęce. Jednak kilka innych lipidów zaobserwowano w nerkach z hiper-IgA, zwłaszcza w okolicy kanalików. Dwa hiper-IgA-specyficzne lipidy to O-PC, w tym PC(O-18:1/22:6) i PC(O-16:0/22:6). Doniesiono, że PC(O-18:1/22:6) i PC(O{{40}}:0/22:6) były analogami plazmalogenu i czynnika aktywującego płytki krwi, odpowiednio [134,135]. Badanie to wykazało również, że wszystkie hiper-IgA-specyficzne lipidy pochodziły z moczu i że stagnacja spowodowana jednostronną niedrożnością moczowodów spowodowała hiper-IgA-specyficzną dystrybucję lipidów w kanalikach nerkowych.

Możliwy mechanizm obejmował aktywację szlaku PKC prowadzącego do ekspansji macierzy zewnątrzkomórkowej i pogrubienia błony podstawnej kłębuszków [136]. W rzeczywistości wykazano, że aktywacja PKC zwiększa przepuszczalność monowarstwy śródbłonka dla albuminy [137]. Komórki nabłonka i błona podstawna z bariery naczyń włosowatych kłębuszków. Wykazano, że aktywacja PKC uszkadza kłębuszkową barierę naczyń włosowatych prowadząc do białkomoczu [138,139].

4.2.2 Wpływ DN

Wykazano, że rapamycyna zapobiega rozwojowi DN u szczurów z cukrzycą indukowaną streptozotocyną. MALDI-TOF/MS kory nerkowej ujawnił trzy klasy sfingolipidów, w tym ceramidy, SM i monoheksozy ceramidowe [140]. Jeden metabolit ceramidu uległ znacznemu zwiększeniu, podczas gdy trzy zniknęły. Skład sfingolipidów został znacznie zmieniony przez traktowanie rapamycyną. Zwiększony ceramid(d18:0/16:0), monoheksozyd ceramidu(d18:1/15:0), SM(d16:1/18:0 ) i SM(d18:1/18:0) zostały odwrócone przez rapamycynę. Poprzednie badanie wykazało, że wzrost ceramidu w nerkach chorych na cukrzycę i spadek po leczeniu rapamycyną oraz od dawna ustalony związek ceramidu i apoptozy przemawiają za tym, że ceramid jest rozsądnym kandydatem na biomarker [141]. Streptozotocyna znacząco zwiększyła syntezę wielu sfingolipidów, która była hamowana przez rapamycynę. Inne badania wykazały, że hamowanie ceramidów, poprzez blokowanie syntazy ceramidowej lub palmitoilotransferazy serynowej, skutecznie zmniejszało śmierć komórek spowodowaną niedotlenieniem-reoksygenacją, niedotlenieniem chemicznym i środkami kontrastowymi w komórkach nabłonka kanalików nerkowych [142–144].

4.2.3 Skutki ostrej niewydolności nerek

Stan zapalny odgrywa kluczową rolę w patogenezie ostrej niewydolności nerek [145,146]. Lipidomikę LC-MS wykorzystano do zbadania wpływu krótkoterminowych dietetycznych wielonienasyconych kwasów tłuszczowych ω-3 lub ω-6 na niedokrwienne uszkodzenie nerek i nerkowe obwody autakoidu lipidów [147]. Niedokrwienie nerek (30 min) skutkowało znacznie obniżoną czynnością nerek i znacznym wzrostem kreatyniny w surowicy u myszy karmionych dietą wzbogaconą w {-6, ale pozostało normalne u myszy karmionych dietą wzbogaconą w -3. Co więcej, przedłużenie niedokrwienia nerek (45 min) spowodowało 100-procentową śmiertelność u -6 myszy suplementowanych, ale brak śmierci w grupie -3. Ochronny wpływ ω-3 wielonienasyconych kwasów tłuszczowych przeciwko niedokrwiennemu uszkodzeniu nerek był związany ze zmniejszoną rekrutacją wielojądrzastych leukocytów, wytwarzaniem chemokiny i cytokin, zniesieniem tworzenia eikozanoidów pochodzących z lipooksygenazy i cyklooksygenazy oraz zwiększoną ekspresją protektyny D1 [148] . Leczenie ogólnoustrojowe protektyną D1 zmniejszało napływ leukocytów wielojądrzastych do nerek i zwiększało ekspresję białka i mRNA oksygenazy hemowej -1 u osób poszkodowanych i nieuszkodzonychnerki. Protectin D1 okazał się skuteczny w zapobieganiu ostrymnerkaoraz wpływ dietetycznych ω-3 i ω-6 wielonienasyconych kwasów tłuszczowych na powstawanie autakoidu w nerkach i wynik niedokrwiennego uszkodzenia nerek [149].

4.2.4Badania komórkowe

Lipomikę ESI/MS wykorzystano do identyfikacji zmian fosfolipidowych w nerkach embrionalnych człowieka (HEK293) inerkanowotwory (Caki{0}) śmierć komórki [150]. Znacznie obniżony PC(14:0/16:0) i PC(16:0/16:0) zaobserwowano w HEK293 i Cake poddanym działaniu cisplatyny{{ 12}} komórek. Traktowanie laktonem bromofenolowym przed ekspozycją na cisplatynę dodatkowo obniżyło PC(14:0/16:0), plazmenylocholinę (16:0/16:1) i plazmenylocholinę (16:{{ 41}}/18:1) w HEK293 i hamował indukowany cisplatyną wzrost plazmenylocholiny (16:1/22:6) u Caki-1. Leczenie laktonem bromofenolowym przed ekspozycją na cisplatynę również zwiększyło działanie kilku fosfolipidów zawierających arachidoniki, w tym PC(16:0/20:4), PC(18:1/20:4) i PC(18 :0/20:4) w porównaniu z leczeniem wyłącznie cisplatyną. Wyniki te wykazały, że hamowanie fosfolipazy A2 chroniło przed śmiercią komórkową wywołaną chemioterapią w wielu ludzkich liniach komórek nerkowych, a także zidentyfikowało fosfolipidy, które zostały specyficznie zmienione podczas śmierci komórkowej. Wyniki wykazały ponadto, że zmiany w tych fosfolipidach korelują z ochroną przed śmiercią komórkową w obecności inhibitorów fosfolipazy A2. Masood i współpracownicy wykorzystali LC-MS/MS z normalną i odwróconą fazą do ilościowego określenia wielu klas sfingolipidów w komórkach HEK293 [151]. Wyniki te pokazały, że ponad 75 procent ceramidów, monohekso sylceramidów i SM występuje jako d18:1–4 c16:0, d18:1–4 c24:1 i d18:1-4c24:0.

5. UWAGI KOŃCOWE I PERSPEKTYWY

Nowatorska lipidomika to nowa metodologia, która daje nadzieję na systematyczne i kompleksowe badanie lipidów i ich pochodnych w zdrowiu i chorobie. RóżnorodnynerkaChoroby są związane z istotnymi zmianami metabolizmu i stężenia lipidów i lipoprotein w osoczu, a także metabolitów lipidowych i szlaków metabolicznych. Zmiany te odgrywają ważną rolę w patogenezie zapalenia miejscowego i ogólnoustrojowego, upośledzeniu metabolizmu energetycznego i progresjinerkachoroba. Połączenie profilowania lipidów i statystyk wielowymiarowych jest przydatne do odkrywania potencjalnych biomarkerów i nowych modalności terapeutycznych, a także monitorowania odpowiedzi na interwencję terapeutyczną.

Ostatnie postępy w technologiach opartych na MS i szybkie ulepszenia w chromatografii, zwłaszcza UPLC-MS w połączeniu z bioinformatyką, poprawiły nasze zrozumienie roli metabolitów pochodzących z lipidów w patogenezie i progresjinerkachoroba. Chociaż obecnie dostępne narzędzia umożliwiają identyfikację struktury metabolitów pochodzących z lipidów z wysoką rozdzielczością, dalsze postępy w technikach analitycznych i przetwarzaniu danych są wyraźnie potrzebne do bardziej efektywnego wstępnego przetwarzania danych, eksploracji danych, analizy statystycznej, identyfikacji biomarkerów i interpretacji szlaków biochemicznych.

ekstrakt z cistanche: lepsza praca nerek

PODZIĘKOWANIE

Badanie było wspierane przez Program for New Century Excellent Talents in University (NCET-13-0954) i Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT1174) z Ministerstwa Edukacji Chin, National Natural Science Foundation of China (J1210063 , 81202909, 81274025, 81001622), projekt „Jako główny nowy lek do stworzenia ważnego krajowego programu naukowego i technologicznego” (2014ZX09304307- 002), China Postdoctoral Science Foundation (2012M521831, 2014T70984), National Innovation Training Plan Program (201310697004), Kluczowy Program dla Międzynarodowych Projektów Współpracy Naukowo-Technicznej Prowincji Shaanxi (2013KW31-01), Fundacja Nauk Przyrodniczych Wydziału Edukacji Prowincjonalnej Shaanxi (2013JK0811) oraz Administracji Tradycyjnej Medycyny Chińskiej w Shaanxi ({{17} }ZY006).

*Kluczowe Laboratorium Biologii Zasobów i Biotechnologii w Zachodnich Chinach, Ministerstwo Edukacji, The College of Life Sciences, Northwest University, Xi'an, Shaanxi, PR China

†Oddział Nefrologii i Nadciśnienia, School of Medicine, University of California, Irvine, California, USA

{Szkoła Chińskiej Materii Medica, Pekiński Uniwersytet Medycyny Chińskiej, Pekin, PR Chiny

BIBLIOGRAFIA

[1]A. Levin, NR Powe, J. Rosset i in., Przewlekła choroba nerek jako globalny problem zdrowia publicznego: podejścia i inicjatywy — stanowisko wydane przez Kidney Disease Improving Global Outcomes, Kidney Int. 72 (2007) 247-259.

[2]K. Makris, N. Kafkas, Lipokalina związana z żelatynazą neutrofilów w ostrym uszkodzeniu nerek, Adv. Clin. Chem. 58 (2012) 141–191.

[3] XB Ling, ED Mellins, KG Sylvester, HJ Cohen, Peptydomika moczu do odkrywania biomarkerów klinicznych, Adv. Clin. Chem. 51 (2010) 181–213.

[4]TK Sigdel, RB Klassen, MM Sarwal, Interpretacja proteomu i peptydomu w transplantacji, Adv. Clin. Chem. 47 (2009) 139-169.

[5]ND Vaziri, Dyslipidemia przewlekłej niewydolności nerek: natura, mechanizmy i potencjalne konsekwencje, Am. J. Physiol. Fizjol nerek. 290 (2006) 262–272.

[6]ND Vaziri, J. Yuan, Z. Ni, SB Nicholas, KC Norris, Niedoborowi lipazy lipoproteinowej w przewlekłej chorobie nerek towarzyszy zmniejszenie ekspresji śródbłonkowego GPIHBP1, Clin. Do potęgi. Nefrol. 16 (2012) 238-243.

[7]ND Vaziri, Molekularne mechanizmy zaburzeń lipidowych w zespole nerczycowym, Kidney Int. 63 (2003) 1964-1976.

[8]ND Vaziri, Lipotoksyczność i upośledzony transport cholesterolu/lipidów za pośrednictwem HDL w przewlekłej chorobie nerek, J. Ren. Nutr. 20 (2010) S35–S43.

[9]ND Vaziri, K. Norris, Zaburzenia lipidowe i ich znaczenie dla wyników w przewlekłej chorobie nerek, Blood Purif. 31 (2011) 189-196.

[10]ND Vaziri, Rola dyslipidemii w upośledzeniu metabolizmu energetycznego, stresie oksydacyjnym, zapaleniu i chorobie sercowo-naczyniowej w przewlekłej chorobie nerek, Clin. Do potęgi. Nefrol. 18 (2014) 265-268.

[11]C. Waldner, G. Heise, K. Schroer, P. Heering, hamowanie COX-2 i receptory prostaglandyn w doświadczalnym zapaleniu nerek, Eur. J. Clin. Inwestować. 33 (2003) 969-975.

[12]A. Hartner, A. Pahl, K. Brune, M. Goppelt-Strube, Regulacja w górę cyklooksygenazy -1 i receptora PGE2 EP2 w proliferacyjnym kłębuszkowym zapaleniu nerek szczura i człowieka, Inflamm. Res. 49 (2000) 345-354.

[13]S. Tomasoni, M. Noris, S. Zappella i in., Regulacja w górę cyklooksygenazy nerkowej i układowej -2 u pacjentów z aktywnym toczniowym zapaleniem nerek, J. Am. Soc. Nefrol. 9 (1998) 1202-1212.

[14]C. Zoja, A. Benigni, M. Noris i in., Mycophenolate mofetil w połączeniu z inhibitorem cyklooksygenazy-2 łagodzi mysie toczniowe zapalenie nerek, Kidney Int. 60 (2001) 653-663.

[15]T. Takano, AV Cybulsky, WA Cupples i in., Hamowanie cyklooksygenaz zmniejsza indukowane przez dopełniacz uszkodzenie komórek nabłonka kłębuszkowego i białkomocz w biernym zapaleniu nerek Heymanna, J. Pharmacol. Do potęgi. Tam. 305 (2003) 240-249.

[16]G. Heise, B. Grabensee, K. Schro€r, P. Heering, Różne działania flosulidu selektywnego inhibitora cyklooksygenazy 2 u szczurów z biernym zapaleniem nerek Heymanna, Nephron 80 (1998) 220-226.

[17]ZG Xu, SL Li, L. Lanting i wsp., Związek między 12/15-lipoksygenazą i COX-2 w komórkach mezangialnych: potencjalna rola w nefropatii cukrzycowej, Kidney Int. 69 (2006) 512-519.

[18]A. Dey, RS Williams, DM Pollock i wsp., Zmienione poziomy CYP2C w nerkach i cyklooksygenazy-2 są związane z albuminurią związaną z otyłością, Obes. Res. 12 (2004) 1278-1289.

[19]X. Zhao, JE Quigley, J. Yuan i in., fenofibrat aktywatora PPAR-alfa zwiększa syntezę eikozanoidów pochodzących z nerki CYP i poprawia funkcję rozszerzacza śródbłonka u otyłych szczurów Zucker, Am. J. Physiol. 290 (2006) H2187–H2195.

[20]T. Zhou, S. Lin, HH Chang i wsp., Różnice płci w syntezie eikozanoidów pochodzącej z nerki CYP u szczurów karmionych dietą wysokotłuszczową, Am. J. Nadciśnienie. 18 (2005) 530-537.