糖尿病腎病作為糖尿病常見的并發癥，是導致終末期腎病的主要原因之一。由于其病程進展迅速，加之治療手段有限，因此，從早期實驗診斷入手尋找生物標志物對于糖尿病腎病的治療具有重要臨床意義。目前，早期診斷糖尿病腎病的方法有限；而代謝組學作為一種應用較廣泛的研究方法，可以檢測疾病中的代謝產物，為疾病的診斷和預后提供生物標志物。該文對糖尿病腎病患者血液或尿液內氨基酸、脂質、有機酸等代謝物質的變化進行了歸納總結。
引用本文： 葉彬彬, 楊愷, 杜艷. 代謝組學在糖尿病腎病早期診斷中的研究進展. 華西醫學, 2023, 38(4): 603-607. doi: 10.7507/1002-0179.202211039 復制
糖尿病腎病（diabetic kidney disease, DKD）是終末期腎臟病的最常見原因之一。據統計，目前大約 30% 的 1 型糖尿病（type 1 diabetes mellitus, T1DM）患者和 40% 的 2 型糖尿病（type 2 diabetes mellitus, T2DM）患者最終會發展為慢性腎臟病。DKD 通常經歷 3 個過程，即腎小球濾過屏障的超濾損傷、腎小球系膜擴張和氧化應激，這些過程的發展與血流動力學、代謝和免疫病理學等多因素有關[1]。DKD 典型的病理表現為腎小球肥大、腎小球基底膜均質性增厚、Kimmelstiel-Wilson 結節、微血管瘤形成以及透明樣變和纖維帽樣或腎小囊滴狀改變等[2]。腎臟病理學檢查是診斷 DKD 的金標準[3]，但由于腎臟穿刺是有創操作，不能用于存在禁忌證的患者，且受限于醫療條件，一些基層醫院不能進行腎穿刺活檢。目前，DKD 的診斷和分期主要是根據尿白蛋白/肌酐比值及估算腎小球濾過率（estimated glomerular filtration rate, eGFR）的檢測水平，但其存在局限[4]，過去認為白蛋白尿是 DKD 的標志和進展為終末期腎臟病的獨立危險因素，并先于腎功能不全出現，然而，較多研究證實許多 T1DM 或 T2DM 患者在沒有白蛋白尿的情況下已出現腎功能不全，因此，尿白蛋白/肌酐比值已不滿足 DKD 的早期診斷需求[5]。目前代謝組學已廣泛應用于 DKD 早期診斷、預后、藥物的作用機制等領域，但不同研究結果存在差異，且整體評價方面尚有不足，本文就目前 DKD 相關代謝組學生物標志物研究作一綜述，以期為 DKD 的早期診斷及鑒別診斷提供幫助。
1 氨基酸類標志物
1.1 芳香族氨基酸
氨基酸不僅是蛋白質的合成原料，還是調節代謝的活性信號分子。已有文獻報道血漿芳香族氨基酸可調節胰島素分泌或胰島素敏感性，其水平與 T2DM 中的胰島素抵抗密切相關；此外，血漿氨基酸水平受腎臟調節影響，腎臟在氨基酸的合成、降解、轉化和腎小管重吸收中具有重要作用，慢性腎功能衰竭可顯著影響血漿中的芳香族氨基酸水平[6]。色氨酸，作為芳香族氨基酸之一，是一種必需氨基酸，在人類健康和疾病中起著至關重要的作用。其主要通過犬尿氨酸途徑分解產生犬尿酸、黃尿酸和喹啉酸，該代謝途徑參與了免疫激活和炎癥調節，并與肥胖和胰島素抵抗有關[7]。有研究通過非靶向代謝組學，對比分析經腎活檢確診的糖尿病腎小球病變組與健康對照組的血清代謝物，發現氨基酸存在顯著差異，其中左旋色氨酸和 5-羥色胺在糖尿病腎小球病變組降低，且與 24 h 尿白蛋白和糖化血紅蛋白呈負相關，提示糖尿病腎小球病變可加速色氨酸的分解代謝[8]，導致犬尿氨酸生成增加，刺激白細胞活化、細胞因子生成、氧化應激和炎癥，尿白蛋白/肌酐比值也隨之升高。另外，也有文獻報道色氨酸下游代謝產物水平升高與 DKD 進展呈正相關，且與人體對血管緊張素受體抑制劑反應性存在關聯[9-10]。
1.2 支鏈氨基酸
支鏈氨基酸包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，主要在肝臟、心臟和肌肉分解代謝。支鏈氨基酸首先在支鏈氨基轉移酶的催化下通過轉氨化反應生成支鏈 α-酮酸，支鏈 α-酮酸通過支鏈 α-酮酸脫氫酶復合體進一步氧化脫羧生成酰基輔酶 A 衍生物和還原型輔酶Ⅰ，T2DM 可使與支鏈氨基酸氧化分解有關的酶失活，從而導致循環中支鏈氨基酸或支鏈 α-酮酸水平增加，另外，支鏈氨基酸分解代謝障礙會影響免疫細胞的代謝狀態，高濃度支鏈氨基酸可刺激外周血單核細胞釋放細胞因子，如白細胞介素-6、腫瘤壞死因子-α 和細胞間黏附分子-1 等[11]。有動物實驗研究表明，支鏈氨基酸可下調促進腎小球系膜增殖的轉化生長因子-β1 水平，同時上調具有減輕 DKD 腎小球和腎小管間質纖維化的骨形態發生蛋白-7 水平，在 DKD 早期具有保護作用[12]。Zhou 等[13]研究顯示，纈氨酸和半胱氨酸是 2 型 DKD 進展的潛在因素，腎功能下降的 2 型 DKD 患者的血漿組氨酸和纈氨酸水平顯著降低，可作為診斷 2 型 DKD 患者的重要代謝物。另有研究指出，在 T2DM 未進展為 DKD 的早期階段，亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的水平較正常人升高，而在 DKD 階段，支鏈氨基酸卻顯著降低，提示 T2DM 早期支鏈氨基酸反應性升高以對抗高糖毒性，在進展為 DKD 時，腎臟病理改變導致支鏈氨基酸水平降低，而支鏈氨基酸的缺乏進一步加重了 DKD 的進展[14]。
1.3 尿素循環相關氨基酸
鳥氨酸與氨、二氧化碳結合生成瓜氨酸，瓜氨酸再與氨結合生成精氨酸，精氨酸水解重新生成鳥氨酸，并產生尿素，此為著名的尿素循環[15]。糖尿病患者足細胞糖酵解受損會增強鳥氨酸的分解代謝，鳥氨酸的分解代謝物通過調節 Ras 同源蛋白基因（小鳥苷三磷酸酶超家族的成員）表達和足細胞中的細胞骨架重塑促進雷帕霉素靶蛋白（一種細胞生長和增殖的調節因子）信號傳導[16]。關于尿素循環相關氨基酸與 DKD 的關系尚有爭議。有 2 項獨立的橫斷面研究結果顯示：血漿瓜氨酸水平與 DKD 風險相關，而精氨酸、鳥氨酸及其比值與 DKD 風險無明顯相關性[17]。但是另有研究指出，鳥氨酸/精氨酸比值與 eGFR 呈負相關[15]。此外，Abdelsattar 等[18]的研究結果顯示，在 DKD 早期，精氨酸、瓜氨酸和鳥氨酸的血液水平呈上升趨勢，其中精氨酸的濃度升高最明顯。以上研究結果表明，DKD 患者尿素相關氨基酸血漿水平發生變化，但具體機制及關系有待進一步研究。
2 脂質及相關代謝物類標志物
2.1 脂肪酸及相關代謝物
腎臟是一個高度代謝的器官，需要大量的三磷酸腺苷來保證其濾過-重吸收功能，以維持人體的內環境穩定。脂代謝紊亂導致腎病的病因主要有脂質沉積和脂肪酸 β-氧化障礙，前者的機制主要與 CD36、脂肪酸轉運蛋白過表達以及肝臟-脂肪酸結合蛋白低表達相關；后者則與過氧化物酶體增殖物激活受體 α、腺苷酸活化蛋白激酶、沉默信息調節因子、低氧誘導因子-1 和轉化生長因子-β/Smad3 等信號通路的激活程度有關。線粒體脂肪酸 β-氧化是滿足腎臟功能需要的主要能量來源，而低效的脂肪酸 β-氧化是導致腎臟疾病的主要病因，DKD 存在脂肪酸氧化障礙，脂肪酸水平可在一定程度上反映其進展[19]，例如，亞油酸C18:2N6T和亞油酸C18:2N6C都屬于介導多種代謝作用的多不飽和脂肪酸，其主要依賴于炎癥和氧化應激對代謝產生影響，對 DKD 具有一定保護效應，且具有良好的預測能力。二十二碳六烯酸可通過抑制 DKD 患者腫瘤壞死因子-α 信號通路，從而降低趨化因子的表達和分泌，改善炎癥并減少氧化應激[20]。DKD 的發展常伴有脂肪酸水平的改變[21]。
2.1.1 花生四烯酸代謝物及相關介質
花生四烯酸是細胞膜磷脂的組成部分，類花生酸是花生四烯酸的分解產物。近年來，已經有研究表明脂質及其代謝物在腎臟的生理和病理過程中起重要作用，由于它們參與炎癥和氧化應激，因此可作為檢測急性腎損傷、腎毒性、腎小球腎炎和 DKD 早期階段的生物標志物[22]。Mota-Zamorano 等[23]將研究對象分為健康組、糖尿病組、非糖尿病腎病（non-diabetic renal disease, NDRD）組、DKD 組、正常白蛋白尿 DKD 組，使用代謝組學方法分析各組的血液和尿液，結果顯示：正常白蛋白尿入組者的尿 20-羥基二十碳四烯酸/肌酐比值（20-hydroxyeicosatetraenoic acids/creatinine, 20-HETE/Cr）明顯高于微量和大量白蛋白尿入組者（P=0.012），DKD 組血漿 14, 15-二羥基二十碳三烯酸（dihydroxyeicosatrienoic, DHET）、11, 12-DHET 和尿 20-HETE/Cr 顯著降低，此外，正常白蛋白尿 DKD 組的尿 20-HETE/Cr 高于白蛋白尿 DKD 組（P=0.020），并且，對于腎濾過功能受損的腎病患者，NDRD 組的 14, 15-DHET 和 11, 12-DHET 水平依然高于 DKD 組（P=0.002、P=0.006），提示尿 20-HETE/Cr 與白蛋白尿明顯相關，血漿 14, 15-DHET 和 11, 12-DHET 水平在 DKD 與 NDRD 之間具有一定鑒別能力。另外，Morita 等[24]的研究指出，花生四烯酸代謝產物四甲基前列腺素 E 的尿液中水平與白蛋白尿呈緊密正相關，促炎癥消退介質-1、白三烯 B4-乙醇酰胺與 eGFR 呈中度正相關，白三烯 B4-乙醇酰胺與尿白蛋白、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶和 α1-微球蛋白呈負相關，最終通過多組比較和正交偏最小二乘法判別分析驗證得出，尿四甲基前列腺素 E 測定有助于區分 DKD 和腎小球硬化，且能夠對 DKD 進行臨床分期，并在隨訪中發現尿四甲基前列腺素 E 水平可預測 DKD 的預后。
2.1.2 棕櫚酸
T2DM 患者的血漿游離脂肪酸濃度可能會升高至健康人的 4 倍，高濃度脂肪酸水平可促進其在足細胞的沉積以及細胞內活性氧的積累，導致足細胞損傷或死亡，而足細胞是終末分化的細胞，增殖能力有限，過多受損或死亡將導致腎小球濾過屏障的穩定性和完整性受到破壞，促進 DKD 進展；棕櫚酸作為血漿中含量最豐富的長鏈飽和脂肪酸，約占總脂肪酸的 25%，通過產生活性氧、下調 Bcl2（一種參與足細胞抗凋亡信號的蛋白質）誘導細胞損傷等機制在 DKD 的發病機制中發揮關鍵作用[25]。Zhang 等[20]通過代謝組學方法，研究結果顯示棕櫚酸在 DKD 患者中明顯升高，對 DKD 具有較好的預測能力。棕櫚酸作為飽和脂肪酸中的一員，廣泛存在于動植物中，上述研究表明其可作為 DKD 的潛在生物標志物。
2.2 磷脂
磷脂是細胞膜雙層脂質結構的主要組成部分，其分子結構一般由 2 個疏水脂肪酸尾部和 1 個親水頭部組成，大體上可分為甘油磷脂和鞘磷脂兩大類，已有大量研究證實磷脂在不同的生理過程中扮演重要角色。作為胰島素敏感性的關鍵調節劑，磷脂通過多種途徑發揮作用，如從胰島素分泌到介導胰島素作用于脂肪細胞，以及調節基因表達相關的葡萄糖攝取和控制線粒體動力學等[26]。磷脂代謝與糖尿病腎損害密切相關[27]，如甘油磷脂代謝途徑中，溶血卵磷脂（16:0）和（18:0）通過過氧化物酶體增殖物激活 δ 受體介導腎小管脂毒性，導致 DKD 患者腎功能急速下降（eGFR 每年下降 10%）；其尿液水平與腎小球濾過率（glomerular filtration rate, GFR）呈負相關，并在動物模型中得到證實[28]。在鞘磷脂代謝中，神經鞘氨醇-1-磷酸參與淋巴細胞發育、再循環以及多種生物刺激的調節作用，并可誘導白細胞介素-6、腫瘤壞死因子和單核細胞趨化蛋白 1 的表達，以及促進慢性炎癥、阻斷信號傳導，導致脂肪細胞功能障礙[27]。有縱向隊列研究結果顯示：在腎功能正常的糖尿病個體中，血清鞘磷脂（C18:1）和磷脂酰膽堿（C38:0）基線水平升高可預測 DKD 的發生，兩種磷脂與 GFR 呈負相關，且與血壓、膽固醇、甘油三酯、糖化血紅蛋白和尿白蛋白/肌酐比值無關，提示它們是 DKD 的獨立危險因素；該研究還建立了動物橫斷面研究模型，發現兩種代謝物與 DKD 分期相關，包括高濾過狀態的代償期，以及 GFR 下降的后期[29]。
3 酰基肉堿類標志物
酰基肉堿是脂肪酸和氨基酸氧化的中間產物，廣泛分布于組織和體液中，可使長鏈脂肪酸通過線粒體膜進行 β-氧化，而 DKD 患者線粒體功能障礙導致脂肪酸的 β-氧化紊亂，因此酰基肉堿可反映線粒體的功能，并在 DKD 的發病機制中起重要作用[30]。酰基肉堿血漿水平在 2 型 DKD 早期就已發生明顯改變[18]。Esmati 等[31]研究結果顯示，酰基肉堿（C2, C4, C5DC, C6, C8, C10, C14）血漿水平在 2 型 DKD 白蛋白尿期顯著升高。另有縱向研究顯示，隨著 2 型 DKD 進展，血漿長鏈酰基肉堿（C16-C20）水平逐漸降低[32]。在 DKD 早期，為防止腎臟損傷，酰基肉堿反應性升高，將體內飽和非酯化脂肪酸轉化為毒性較低的多不飽和甘油三酯，隨著病情進展，長鏈脂肪酸的不完全 β-氧化導致長鏈酰基肉堿血漿濃度降低；而中、短鏈酰基肉堿卻升高，并且短鏈酰基肉堿與尿白蛋白/肌酐比值水平獨立相關[30]。
4 有機酸及其復合物類標志物
隨著研究證實三羧酸循環和脂肪酸 β-氧化參與了 DKD 發展，有機酸作為糖、脂肪和蛋白質某些關鍵代謝途徑中的中間產物，也受到了更多關注[18]。有非靶向代謝組學研究顯示，三羧酸循環相關的有機物在尿液中減低，可作為早期診斷 DKD 的潛在標志物，如丙二酸甲酯、乙基丙二酸、檸檬酸鹽/異檸檬酸鹽[33]。另外 Tang 等[34]對 2 型早期 DKD 患者隨訪 5～6 年發現，隨著 DKD 進展，尿液 5-羥基己酸水平明顯降低，且較非進展組差異有統計學意義，綜合分析顯示尿 5-羥基己酸水平可預測 2 型 DKD 進展風險。
5 其他代謝物類標志物
8-羥化脫氧鳥苷是活性氧自由基攻擊 DNA 中的鳥嘌呤堿基而產生的化合物，可自由通過腎小球濾過屏障，并且不在腎小管分解代謝[35]。有隊列研究對 T1DM 患者進行了數年隨訪后發現：8-羥化脫氧鳥苷血漿濃度與 1 型 DKD 獨立相關，并可評估 DKD 的進展[36]。牛磺酸是為數不多的不生成蛋白質的氨基酸之一，具有調節腎臟血流量、清除腎小球中的活性氧、轉運腎近端小管中的鈉離子和調節腎髓質滲透壓的作用[37]。有研究通過建立動物模型證實了牛磺酸在 DKD 發生、發展中的重要作用[38]。另外 Tao 等[39]的研究顯示，與糖尿病相比，DKD 患者血漿牛磺酸水平降低，其可準確地將 DKD 與年齡、性別相匹配的糖尿病區分開來。
6 總結與展望
糖尿病是一種與代謝密切相關的疾病，DKD 作為其常見的并發癥，是目前導致終末期腎臟疾病最常見的原因。相較于單純的糖尿病患者，DKD 患者體內常伴隨著代謝物質顯著變化，目前已有較多研究通過代謝組學方法對不同分期 DKD 患者的血液、尿液進行差異代謝物分析，如氨基酸、脂質、有機酸等，其水平變化見表1。
表1
DKD 代謝物變化
代謝組學可作為疾病早期和癥狀前的有效診斷方法，并可提供個性化治療方案；相對于其他方法學，其優點顯著，如需要檢測的物資更少，更容易對數據進行處理、分析。近年來，盡管代謝組學在 DKD 早期診斷相關研究火熱，但也存在明顯不足，如大多數研究樣本量較小，不同性別、年齡、地區及民族結果差異明顯，且差異代謝物沒有進行有效驗證；當前一些代謝物質具有成為 DKD 早期診斷的代謝標志物的潛力，但要成熟地應用于臨床，仍存在許多需要解決的難題。未來的研究需要擴大樣本數量，建立不同性別、年齡、地區及民族的相關標準范圍及可靠的診斷模型，并進行驗證。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
糖尿病腎病（diabetic kidney disease, DKD）是終末期腎臟病的最常見原因之一。據統計，目前大約 30% 的 1 型糖尿病（type 1 diabetes mellitus, T1DM）患者和 40% 的 2 型糖尿病（type 2 diabetes mellitus, T2DM）患者最終會發展為慢性腎臟病。DKD 通常經歷 3 個過程，即腎小球濾過屏障的超濾損傷、腎小球系膜擴張和氧化應激，這些過程的發展與血流動力學、代謝和免疫病理學等多因素有關[1]。DKD 典型的病理表現為腎小球肥大、腎小球基底膜均質性增厚、Kimmelstiel-Wilson 結節、微血管瘤形成以及透明樣變和纖維帽樣或腎小囊滴狀改變等[2]。腎臟病理學檢查是診斷 DKD 的金標準[3]，但由于腎臟穿刺是有創操作，不能用于存在禁忌證的患者，且受限于醫療條件，一些基層醫院不能進行腎穿刺活檢。目前，DKD 的診斷和分期主要是根據尿白蛋白/肌酐比值及估算腎小球濾過率（estimated glomerular filtration rate, eGFR）的檢測水平，但其存在局限[4]，過去認為白蛋白尿是 DKD 的標志和進展為終末期腎臟病的獨立危險因素，并先于腎功能不全出現，然而，較多研究證實許多 T1DM 或 T2DM 患者在沒有白蛋白尿的情況下已出現腎功能不全，因此，尿白蛋白/肌酐比值已不滿足 DKD 的早期診斷需求[5]。目前代謝組學已廣泛應用于 DKD 早期診斷、預后、藥物的作用機制等領域，但不同研究結果存在差異，且整體評價方面尚有不足，本文就目前 DKD 相關代謝組學生物標志物研究作一綜述，以期為 DKD 的早期診斷及鑒別診斷提供幫助。
1 氨基酸類標志物
1.1 芳香族氨基酸
氨基酸不僅是蛋白質的合成原料，還是調節代謝的活性信號分子。已有文獻報道血漿芳香族氨基酸可調節胰島素分泌或胰島素敏感性，其水平與 T2DM 中的胰島素抵抗密切相關；此外，血漿氨基酸水平受腎臟調節影響，腎臟在氨基酸的合成、降解、轉化和腎小管重吸收中具有重要作用，慢性腎功能衰竭可顯著影響血漿中的芳香族氨基酸水平[6]。色氨酸，作為芳香族氨基酸之一，是一種必需氨基酸，在人類健康和疾病中起著至關重要的作用。其主要通過犬尿氨酸途徑分解產生犬尿酸、黃尿酸和喹啉酸，該代謝途徑參與了免疫激活和炎癥調節，并與肥胖和胰島素抵抗有關[7]。有研究通過非靶向代謝組學，對比分析經腎活檢確診的糖尿病腎小球病變組與健康對照組的血清代謝物，發現氨基酸存在顯著差異，其中左旋色氨酸和 5-羥色胺在糖尿病腎小球病變組降低，且與 24 h 尿白蛋白和糖化血紅蛋白呈負相關，提示糖尿病腎小球病變可加速色氨酸的分解代謝[8]，導致犬尿氨酸生成增加，刺激白細胞活化、細胞因子生成、氧化應激和炎癥，尿白蛋白/肌酐比值也隨之升高。另外，也有文獻報道色氨酸下游代謝產物水平升高與 DKD 進展呈正相關，且與人體對血管緊張素受體抑制劑反應性存在關聯[9-10]。
1.2 支鏈氨基酸
支鏈氨基酸包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，主要在肝臟、心臟和肌肉分解代謝。支鏈氨基酸首先在支鏈氨基轉移酶的催化下通過轉氨化反應生成支鏈 α-酮酸，支鏈 α-酮酸通過支鏈 α-酮酸脫氫酶復合體進一步氧化脫羧生成酰基輔酶 A 衍生物和還原型輔酶Ⅰ，T2DM 可使與支鏈氨基酸氧化分解有關的酶失活，從而導致循環中支鏈氨基酸或支鏈 α-酮酸水平增加，另外，支鏈氨基酸分解代謝障礙會影響免疫細胞的代謝狀態，高濃度支鏈氨基酸可刺激外周血單核細胞釋放細胞因子，如白細胞介素-6、腫瘤壞死因子-α 和細胞間黏附分子-1 等[11]。有動物實驗研究表明，支鏈氨基酸可下調促進腎小球系膜增殖的轉化生長因子-β1 水平，同時上調具有減輕 DKD 腎小球和腎小管間質纖維化的骨形態發生蛋白-7 水平，在 DKD 早期具有保護作用[12]。Zhou 等[13]研究顯示，纈氨酸和半胱氨酸是 2 型 DKD 進展的潛在因素，腎功能下降的 2 型 DKD 患者的血漿組氨酸和纈氨酸水平顯著降低，可作為診斷 2 型 DKD 患者的重要代謝物。另有研究指出，在 T2DM 未進展為 DKD 的早期階段，亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的水平較正常人升高，而在 DKD 階段，支鏈氨基酸卻顯著降低，提示 T2DM 早期支鏈氨基酸反應性升高以對抗高糖毒性，在進展為 DKD 時，腎臟病理改變導致支鏈氨基酸水平降低，而支鏈氨基酸的缺乏進一步加重了 DKD 的進展[14]。
1.3 尿素循環相關氨基酸
鳥氨酸與氨、二氧化碳結合生成瓜氨酸，瓜氨酸再與氨結合生成精氨酸，精氨酸水解重新生成鳥氨酸，并產生尿素，此為著名的尿素循環[15]。糖尿病患者足細胞糖酵解受損會增強鳥氨酸的分解代謝，鳥氨酸的分解代謝物通過調節 Ras 同源蛋白基因（小鳥苷三磷酸酶超家族的成員）表達和足細胞中的細胞骨架重塑促進雷帕霉素靶蛋白（一種細胞生長和增殖的調節因子）信號傳導[16]。關于尿素循環相關氨基酸與 DKD 的關系尚有爭議。有 2 項獨立的橫斷面研究結果顯示：血漿瓜氨酸水平與 DKD 風險相關，而精氨酸、鳥氨酸及其比值與 DKD 風險無明顯相關性[17]。但是另有研究指出，鳥氨酸/精氨酸比值與 eGFR 呈負相關[15]。此外，Abdelsattar 等[18]的研究結果顯示，在 DKD 早期，精氨酸、瓜氨酸和鳥氨酸的血液水平呈上升趨勢，其中精氨酸的濃度升高最明顯。以上研究結果表明，DKD 患者尿素相關氨基酸血漿水平發生變化，但具體機制及關系有待進一步研究。
2 脂質及相關代謝物類標志物
2.1 脂肪酸及相關代謝物
腎臟是一個高度代謝的器官，需要大量的三磷酸腺苷來保證其濾過-重吸收功能，以維持人體的內環境穩定。脂代謝紊亂導致腎病的病因主要有脂質沉積和脂肪酸 β-氧化障礙，前者的機制主要與 CD36、脂肪酸轉運蛋白過表達以及肝臟-脂肪酸結合蛋白低表達相關；后者則與過氧化物酶體增殖物激活受體 α、腺苷酸活化蛋白激酶、沉默信息調節因子、低氧誘導因子-1 和轉化生長因子-β/Smad3 等信號通路的激活程度有關。線粒體脂肪酸 β-氧化是滿足腎臟功能需要的主要能量來源，而低效的脂肪酸 β-氧化是導致腎臟疾病的主要病因，DKD 存在脂肪酸氧化障礙，脂肪酸水平可在一定程度上反映其進展[19]，例如，亞油酸C18:2N6T和亞油酸C18:2N6C都屬于介導多種代謝作用的多不飽和脂肪酸，其主要依賴于炎癥和氧化應激對代謝產生影響，對 DKD 具有一定保護效應，且具有良好的預測能力。二十二碳六烯酸可通過抑制 DKD 患者腫瘤壞死因子-α 信號通路，從而降低趨化因子的表達和分泌，改善炎癥并減少氧化應激[20]。DKD 的發展常伴有脂肪酸水平的改變[21]。
2.1.1 花生四烯酸代謝物及相關介質
花生四烯酸是細胞膜磷脂的組成部分，類花生酸是花生四烯酸的分解產物。近年來，已經有研究表明脂質及其代謝物在腎臟的生理和病理過程中起重要作用，由于它們參與炎癥和氧化應激，因此可作為檢測急性腎損傷、腎毒性、腎小球腎炎和 DKD 早期階段的生物標志物[22]。Mota-Zamorano 等[23]將研究對象分為健康組、糖尿病組、非糖尿病腎病（non-diabetic renal disease, NDRD）組、DKD 組、正常白蛋白尿 DKD 組，使用代謝組學方法分析各組的血液和尿液，結果顯示：正常白蛋白尿入組者的尿 20-羥基二十碳四烯酸/肌酐比值（20-hydroxyeicosatetraenoic acids/creatinine, 20-HETE/Cr）明顯高于微量和大量白蛋白尿入組者（P=0.012），DKD 組血漿 14, 15-二羥基二十碳三烯酸（dihydroxyeicosatrienoic, DHET）、11, 12-DHET 和尿 20-HETE/Cr 顯著降低，此外，正常白蛋白尿 DKD 組的尿 20-HETE/Cr 高于白蛋白尿 DKD 組（P=0.020），并且，對于腎濾過功能受損的腎病患者，NDRD 組的 14, 15-DHET 和 11, 12-DHET 水平依然高于 DKD 組（P=0.002、P=0.006），提示尿 20-HETE/Cr 與白蛋白尿明顯相關，血漿 14, 15-DHET 和 11, 12-DHET 水平在 DKD 與 NDRD 之間具有一定鑒別能力。另外，Morita 等[24]的研究指出，花生四烯酸代謝產物四甲基前列腺素 E 的尿液中水平與白蛋白尿呈緊密正相關，促炎癥消退介質-1、白三烯 B4-乙醇酰胺與 eGFR 呈中度正相關，白三烯 B4-乙醇酰胺與尿白蛋白、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶和 α1-微球蛋白呈負相關，最終通過多組比較和正交偏最小二乘法判別分析驗證得出，尿四甲基前列腺素 E 測定有助于區分 DKD 和腎小球硬化，且能夠對 DKD 進行臨床分期，并在隨訪中發現尿四甲基前列腺素 E 水平可預測 DKD 的預后。
2.1.2 棕櫚酸
T2DM 患者的血漿游離脂肪酸濃度可能會升高至健康人的 4 倍，高濃度脂肪酸水平可促進其在足細胞的沉積以及細胞內活性氧的積累，導致足細胞損傷或死亡，而足細胞是終末分化的細胞，增殖能力有限，過多受損或死亡將導致腎小球濾過屏障的穩定性和完整性受到破壞，促進 DKD 進展；棕櫚酸作為血漿中含量最豐富的長鏈飽和脂肪酸，約占總脂肪酸的 25%，通過產生活性氧、下調 Bcl2（一種參與足細胞抗凋亡信號的蛋白質）誘導細胞損傷等機制在 DKD 的發病機制中發揮關鍵作用[25]。Zhang 等[20]通過代謝組學方法，研究結果顯示棕櫚酸在 DKD 患者中明顯升高，對 DKD 具有較好的預測能力。棕櫚酸作為飽和脂肪酸中的一員，廣泛存在于動植物中，上述研究表明其可作為 DKD 的潛在生物標志物。
2.2 磷脂
磷脂是細胞膜雙層脂質結構的主要組成部分，其分子結構一般由 2 個疏水脂肪酸尾部和 1 個親水頭部組成，大體上可分為甘油磷脂和鞘磷脂兩大類，已有大量研究證實磷脂在不同的生理過程中扮演重要角色。作為胰島素敏感性的關鍵調節劑，磷脂通過多種途徑發揮作用，如從胰島素分泌到介導胰島素作用于脂肪細胞，以及調節基因表達相關的葡萄糖攝取和控制線粒體動力學等[26]。磷脂代謝與糖尿病腎損害密切相關[27]，如甘油磷脂代謝途徑中，溶血卵磷脂（16:0）和（18:0）通過過氧化物酶體增殖物激活 δ 受體介導腎小管脂毒性，導致 DKD 患者腎功能急速下降（eGFR 每年下降 10%）；其尿液水平與腎小球濾過率（glomerular filtration rate, GFR）呈負相關，并在動物模型中得到證實[28]。在鞘磷脂代謝中，神經鞘氨醇-1-磷酸參與淋巴細胞發育、再循環以及多種生物刺激的調節作用，并可誘導白細胞介素-6、腫瘤壞死因子和單核細胞趨化蛋白 1 的表達，以及促進慢性炎癥、阻斷信號傳導，導致脂肪細胞功能障礙[27]。有縱向隊列研究結果顯示：在腎功能正常的糖尿病個體中，血清鞘磷脂（C18:1）和磷脂酰膽堿（C38:0）基線水平升高可預測 DKD 的發生，兩種磷脂與 GFR 呈負相關，且與血壓、膽固醇、甘油三酯、糖化血紅蛋白和尿白蛋白/肌酐比值無關，提示它們是 DKD 的獨立危險因素；該研究還建立了動物橫斷面研究模型，發現兩種代謝物與 DKD 分期相關，包括高濾過狀態的代償期，以及 GFR 下降的后期[29]。
3 酰基肉堿類標志物
酰基肉堿是脂肪酸和氨基酸氧化的中間產物，廣泛分布于組織和體液中，可使長鏈脂肪酸通過線粒體膜進行 β-氧化，而 DKD 患者線粒體功能障礙導致脂肪酸的 β-氧化紊亂，因此酰基肉堿可反映線粒體的功能，并在 DKD 的發病機制中起重要作用[30]。酰基肉堿血漿水平在 2 型 DKD 早期就已發生明顯改變[18]。Esmati 等[31]研究結果顯示，酰基肉堿（C2, C4, C5DC, C6, C8, C10, C14）血漿水平在 2 型 DKD 白蛋白尿期顯著升高。另有縱向研究顯示，隨著 2 型 DKD 進展，血漿長鏈酰基肉堿（C16-C20）水平逐漸降低[32]。在 DKD 早期，為防止腎臟損傷，酰基肉堿反應性升高，將體內飽和非酯化脂肪酸轉化為毒性較低的多不飽和甘油三酯，隨著病情進展，長鏈脂肪酸的不完全 β-氧化導致長鏈酰基肉堿血漿濃度降低；而中、短鏈酰基肉堿卻升高，并且短鏈酰基肉堿與尿白蛋白/肌酐比值水平獨立相關[30]。
4 有機酸及其復合物類標志物
隨著研究證實三羧酸循環和脂肪酸 β-氧化參與了 DKD 發展，有機酸作為糖、脂肪和蛋白質某些關鍵代謝途徑中的中間產物，也受到了更多關注[18]。有非靶向代謝組學研究顯示，三羧酸循環相關的有機物在尿液中減低，可作為早期診斷 DKD 的潛在標志物，如丙二酸甲酯、乙基丙二酸、檸檬酸鹽/異檸檬酸鹽[33]。另外 Tang 等[34]對 2 型早期 DKD 患者隨訪 5～6 年發現，隨著 DKD 進展，尿液 5-羥基己酸水平明顯降低，且較非進展組差異有統計學意義，綜合分析顯示尿 5-羥基己酸水平可預測 2 型 DKD 進展風險。
5 其他代謝物類標志物
8-羥化脫氧鳥苷是活性氧自由基攻擊 DNA 中的鳥嘌呤堿基而產生的化合物，可自由通過腎小球濾過屏障，并且不在腎小管分解代謝[35]。有隊列研究對 T1DM 患者進行了數年隨訪后發現：8-羥化脫氧鳥苷血漿濃度與 1 型 DKD 獨立相關，并可評估 DKD 的進展[36]。牛磺酸是為數不多的不生成蛋白質的氨基酸之一，具有調節腎臟血流量、清除腎小球中的活性氧、轉運腎近端小管中的鈉離子和調節腎髓質滲透壓的作用[37]。有研究通過建立動物模型證實了牛磺酸在 DKD 發生、發展中的重要作用[38]。另外 Tao 等[39]的研究顯示，與糖尿病相比，DKD 患者血漿牛磺酸水平降低，其可準確地將 DKD 與年齡、性別相匹配的糖尿病區分開來。
6 總結與展望
糖尿病是一種與代謝密切相關的疾病，DKD 作為其常見的并發癥，是目前導致終末期腎臟疾病最常見的原因。相較于單純的糖尿病患者，DKD 患者體內常伴隨著代謝物質顯著變化，目前已有較多研究通過代謝組學方法對不同分期 DKD 患者的血液、尿液進行差異代謝物分析，如氨基酸、脂質、有機酸等，其水平變化見表1。
表1
DKD 代謝物變化
代謝組學可作為疾病早期和癥狀前的有效診斷方法，并可提供個性化治療方案；相對于其他方法學，其優點顯著，如需要檢測的物資更少，更容易對數據進行處理、分析。近年來，盡管代謝組學在 DKD 早期診斷相關研究火熱，但也存在明顯不足，如大多數研究樣本量較小，不同性別、年齡、地區及民族結果差異明顯，且差異代謝物沒有進行有效驗證；當前一些代謝物質具有成為 DKD 早期診斷的代謝標志物的潛力，但要成熟地應用于臨床，仍存在許多需要解決的難題。未來的研究需要擴大樣本數量，建立不同性別、年齡、地區及民族的相關標準范圍及可靠的診斷模型，并進行驗證。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
