Chem Biol Interact | 代谢组学揭示乙二醇诱导草酸钙肾结石大鼠的代谢物变化

草酸钙(CaOx)肾结石是泌尿系统最常见的疾病之一,其病变原因可能涉及代谢紊乱。代谢物是宿主与微生物之间交流的主要形式,其在草酸钙肾结石中的作用不容忽视。饮用水中乙二醇致大鼠肾结石模型是成熟且研究广泛的临床模型。适当浓度的乙二醇会导致草酸钙在肾小管细胞表面积累,但其诱导肾结石的机制尚不清楚。

2023年5月25日,华山医院泌尿外科吴忠教授、周子健博士Chemico-Biological Interactions(IF=5.168)上发表题为“Untargeted and targeted metabolomics reveal bile acid profile changes in rats with ethylene glycol-induced calcium oxalate nephrolithiasis”的研究文章。研究人员利用代谢组学方法发现了269种差异代谢物在大鼠Control(对照组)和CaOx(草酸钙组)之间存在差异表达,进一步研究发现了胆汁酸是潜在的生物标志物。该研究为胆汁酸作为草酸钙肾结石潜在生物标志物的临床研究提供了诊断基础。该研究成果中拜谱生物为其提供了非靶向代谢组学检测服务与分析,发现的差异代谢物有助于拓展对乙二醇诱导草酸钙肾结石机制的认识。


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文章名称:Untargeted and targeted metabolomics reveal bile acid profile changes in rats with ethylene glycol-induced calcium oxalate nephrolithiasis(Chem Biol Interact.,IF=5.168,2023.05)

客户单位:华山医院

研究材料:大鼠粪便

分组信息:Control(对照组)、CaOx(草酸钙组)

拜谱提供技术:非靶代谢组






思路流程图


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研究结果

研究人员采用1%乙二醇给药建立CaOx肾结石大鼠模型,并使用组织学染色和免疫荧光等方法证明CaOx模型建立成功。为探究Control和CaOx组之间差异代谢物的影响,研究人员利用非靶向代谢组学进行分析,发现Control和CaOx组的PLS-DA评分呈现出明显分离(图1A)。排列分析验证了PLS-DA模型,正离子模式R2 Y = 0.998, Q2 = 0.936,负离子模式R2 Y = 0.999, Q2 = 0.960(图1B)。此外,OPLS-DA分析也显示对照组和CaOx组之间存在明显的分离,表明非靶向代谢组学谱存在明显差异(图1C)。排列分析验证了OPLS-DA模型,正离子模式R2 Y = 0.998, Q2 = 0.834,负离子模式R2 Y = 0.999, Q2 = 0.836(图1D)。结果表明,该模型具有良好的拟合度和预测能力。

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图1| 正负离子模式下Control和CaOx组非靶代谢组学结果比较

(图源:Zijian Zhou., et al., Chem Biol Interact., 2023)


差异表达分析显示,Control与CaOx组之间存在269个显著差异代谢物(DEMs),其中正离子模式下有176个,负离子模式下有93个(VIP >1.0、P < 0.05)(图2A)。主要差异代谢物通过KEGG进行分类,包含生物碱(24.56%)、氨基酸相关化合物(1.75%)、脂肪酰基(3.51%)、G蛋白偶联受体(1.75%)、激素和递质(1.75%)、脂质(1.75%)、肽(5.26%)等(图2B)。火山图结果显示CaOx组在正离子模式下有60个DEMs上调,116个下调,而在负离子模式下有36个DEMs上调,57个下调(图2C)。热图结果展示了Control与CaOx组在混合离子模式下的前50个DEMs(图2D)。聚类分析显示CaOx组代谢物水平显著升高,代谢物包括甘氨酸-酪氨酸、胆酸、甲酯石胆酸、哌替啶等。

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图2| Control和CaOx组代谢组差异代谢物

(图源:Zijian Zhou., et al., Chem Biol Interact., 2023)


混合离子模式中VIP评分排名前30位的DEMs如图3A所示,结果显示它们有可能将CaOx组与Control组区分开来。为探究CaOx肾结石的潜在机制,研究人员通过KEGG分析揭示了这30个DEMs的相关通路和生物学功能(图3B)。前30个DEMs主要富集在胆汁分泌、胆固醇代谢、色氨酸代谢、牛磺酸和次牛磺酸代谢、铁沉淀、维生素消化吸收、初级胆汁酸生物合成、赖氨酸降解等途径。此外,胆汁分泌途径是最重要的代谢途径,表明胆汁酸代谢可能在CaOx肾结石中起关键作用。信号通路相互作用网络说明了胆汁分泌、胆固醇代谢、牛磺酸和次牛磺酸代谢以及初级胆汁酸生物合成四种途径之间的相互作用(图3C)。

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图3| 非靶代谢组学的差异代谢物KEGG分析

(图源:Zijian Zhou., et al., Chem Biol Interact., 2023)


研究人员通过靶向代谢组学共检测到30种胆汁酸。OPLS-DA分析(图4A)和排列分析(图4B)显示两组之间存在明显的分离,表明胆汁酸代谢组学谱存在明显差异。根据VIP值> 1.0,P < 0.05和log2 |fold change| > 1阈值筛选,两组间存在5个显著的DEMs,包括猪去氧胆酸(HDCA)、甘氨猪去氧胆酸(GHDCA)、去甲脱氧胆酸(Nor-DCA)、ω-鼠胆酸(omega-MCA)和去甲脱氧胆酸(Nor-DCA)。在这五个DEMs中,HDCA(VIP = 1.74)和GHDCA(VIP = 1.78)的VIP评分最高(图4D)。CaOx组HDCA、GHDCA和Nor-DCA上调,而omega-MCA和TLCA下调(图4E)。同时,根据ROC分析来评估潜在生物标志物的性能,图4F显示HDCA和GHDCA的预测准确度最高,这表明HDCA和GHDCA可能在CaOx肾结石中起关键作用。

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图4| 基于靶向组学Control和CaOx组胆汁酸代谢谱

(图源:Zijian Zhou., et al., Chem Biol Interact., 2023)


为探究HDCA和GHDCA在CaOx肾结石中的潜在功能,研究人员利用网络药理学进行分析。从PubChem数据库中获取的HDCA和GHDCA的二维分子结构如图5A和5B所示。为了找到HDCA和GHDCA对CaOx肾结石的关键靶点,将PharmMapper中HDCA和GHDCA的靶基因,CTD和GeneCards中CaOx肾结石相关基因的交集,得到了一个Venn图。最终,筛选到HDCA和GHDCA抗CaOx肾结石的四个潜在靶基因(NR1I3、GSR、CASP3和AKT1)(图5C)。随后,研究人员利用GeneMANIA数据库生成PPI网络,得到了排名前20位的基因(APPL1、GSTO2、PHLPP1、ACIN1、PHLPP2等)(图5D)。此外,通过GO和KEGG分析揭示了HDCA和GHDCA四个靶基因在CaOx肾结石中的相关通路和生物学功能(图5E)。KEGG分析表明这些靶基因聚集在TNF信号通路、凋亡和MAPK信号通路中。综上所述,这些基因参与氧化应激、细胞凋亡和细胞粘附等肾结石形成机制中至关重要的途径。

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图5| CaOx肾结石中HDCA和GHDCA的靶基因及通路预测

(图源:Zijian Zhou., et al., Chem Biol Interact., 2023)




拜谱小结

本文通过代谢组学分析了乙二醇诱导的CaOx肾结石大鼠的肠道代谢物谱,确定了CaOx肾结石的主要代谢途径——胆汁分泌,发现了潜在的生物标志物——胆汁酸,尤其是HDCA和GHDCA。这些发现揭示了胆汁酸代谢物在CaOx肾结石中的作用和潜在机制,有助于CaOx肾结石的诊断和治疗。这一过程中拜谱生物提供了代谢组学技术服务,拜谱生物可提供成熟完整的转录组学、蛋白组学、代谢组学以及多组学联合产品技术服务,欢迎致电咨询!



参考文献:Zhou Z, Feng D, Shi D, Gao P, Wang L, Wu Z. Untargeted and targeted metabolomics reveal bile acid profile changes in rats with ethylene glycol-induced calcium oxalate nephrolithiasis. Chem Biol Interact. 2023 Aug 25; doi: 10.1016/j.cbi.2023.110570.




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