案例分享丨NAD和脂质代谢的变化驱动酸中毒型急性肾损伤

以下文章来源于KidneyCode ,作者ChenLab

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关注“上海拜谱多组学服务”了解更多行业干货,今天为大家带来医口相关的多组学应用文章。希望对大家了解组学有更多的帮助。具临床研究表明,代谢性酸中毒(MA)会加重 AKI 和 CKD 患者的肾小管损伤,但其机制尚不清楚。该文对水灌胃和酸灌胃的小鼠肾皮质样本进行脂质组学的检测,结果发现酸中毒导致近端小管(PTs)的脂质代谢下降,对理解AKI的肾小管生理与细胞机制具有潜在重要意义。


肾脏在维持正常血液pH值中起着重要作用。代谢性酸中毒(MA)在重症监护患者中发生率为5%,但死亡率大于50%,并且MA经常伴发急性肾损伤。然而,MA引起AKI的程度以及治疗MA是否对肾损伤有益尚不清楚。来自苏黎世大学的Andrew M. Hall研究团队于2021年1月在Journal of the American Society of Nephrology杂志上发表题为Changes in NAD and Lipid Metabolism Drive Acidosis-Induced Acute Kidney Injury的研究,提供了关于MA对肾脏的不良影响其背后的代谢变化以及如何逆转或预防这些变化的新见解。


案例分享丨NAD和脂质代谢的变化驱动酸中毒型急性肾损伤


首先,研究者观察了MA对线粒体功能的急性影响。对新鲜切片的小鼠肾皮质组织进行多光子成像,线粒体NAD(P)H的自身荧光信号可在特定的激发/发射条件下检测到,并提供氧化还原状态的读数。对新鲜切片进行不同酸碱程度的缓冲液处理,当pH值急剧(20分钟内)降低到6.5,会导致NAD(P)H信号的急性下降,意味着向氧化态的转变,并且这种改变仅在近端小管(PTs)内被观察到。而用氰化物处理(以抑制氧化呼吸链,阻止其氧化NAD),则观察到NAD(P)H信号的急剧增加(图1)。以上结果提示代谢性酸中毒可以诱导PTs中线粒体NAD氧化还原状态向着氧化态的改变。


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图1 酸中毒导致PTs的NAD氧化还原变化


进一步,研究者探究了MA影响线粒体功能的具体环节,在pH 6.5和7.4孵育的PTs中,没发现线粒体膜电位的任何差异,但在分离下来的近端小管细胞中,用0.1% HCl急性诱发酸中毒状态,虽然耗氧量(OCR)的基线水平无明显改变,但解耦剂FCCP可诱导获得的最大耗氧量显著降低,这意味着酸中毒状态下线粒体的呼吸能力下降。当在使用氧化呼吸链的复合体I的抑制剂后,则观察到在pH 6.5条件下的小管基线水平OCR显著降低(图2)。以上提示酸中毒可能是通过氧化呼吸链复合体I引起的线粒体呼吸能力异常。


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 图2 酸中毒通过氧化呼吸链复合物I影响线粒体功能


 在氯化铵诱导急性酸中毒的小鼠模型中,研究者观察到处理后的动物显示低血pH值和碳酸氢盐水平,且诱发的肾损伤体现在近端小管S2节段出现空泡。电镜显示,这些空泡为明显增大的多层脂质体(MLBs)结构,呈现旋涡状病理特征及MLB甲苯胺蓝染色阳性。油红染色也显示了酸中毒的小鼠PTs中脂质代谢发生变化。脂质组学测量显示,主要是磷脂和鞘脂含量增加,这两种物质都是MLBs的主要成分。 

    

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     图3 酸中毒引起PT脂质代谢的改变


接下来研究者探讨了酸中毒过程中NAD氧化还原状态和脂质代谢的变化是否与功能有关。通过应用丙酮酸盐或乳酸盐处理,可以调控组织切片中的PTs中的NAD氧化还原状态,分别将NAD池推至氧化或还原状态。在酸性条件下,丙酮酸盐处理(诱导氧化态),使PTs中NAD(P)H信号减低,出现大量空泡。相反,在酸中毒状态下,乳酸盐处理(诱导还原态)会产生更高的PTs NAD(P)H信号,空泡的出现几乎完全消失。而将pH逆转至7.4也会增加NAD(P)H信号,使空泡消失。综上所述,这些结果为MA过程中pH、NAD氧化还原状态和脂质代谢之间的功能联系提供了证据。


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      图4 酸中毒改变NAD氧化还原状态引起脂质代谢异常


最后,为了研究MA对PT功能的有害影响是否可逆,研究者在诱导MA动物2小时后静脉注射碳酸氢盐(420 mg/kg),使血液pH和碳酸氢盐浓度上升,恢复了近端小管对以右旋糖酐为代表的吸收能力,逆转了酸诱导的肾小管损伤。并且补充NAD前体烟酰胺(NAM)也具有预防酸中毒引起的肾脏损伤作用。


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     图5 碳酸氢盐与补充NAM可以逆转或预防酸中毒引起的AKI


综上,这项研究提供了代谢性酸中毒对肾脏有直接损害的证据。研究者发现NAD和脂质代谢的变化是这一过程的主要机制。静脉注射碳酸氢盐可提高血液pH值,将pH值逆转到正常生理范围,可以改善肾小管功能;并且NAD前体烟酰胺的预处理也具有高度保护作用。这些发现对理解肾小管生理学和AKI的发生机制具有潜在的重要意义,并为AKI的治疗与预防提供了理论依据。


原文链接:https://doi.org/10.1681/ASN.2020071003


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