メタボロミクスを利用して、糖尿病性腎疾患の進行の根底にある病態生理学を説明する
Mar 21, 2022
長谷川翔1,2＆稲城玲子1
概要
レビューの目的糖尿病肝臓疾患（DKD）、末期の主な原因肝臓疾患、代謝ネットワークの変化の結果です肝臓。 したがって、メタボロミクスは、その病態生理学を理解し、主要なバイオマーカーを見つけ、新しい治療戦略を開発するための効果的なツールです。 このレビューでは、DKD研究へのメタボロミクスの適用を要約します。
最近の発見トリカルボン酸回路とグルコース代謝物の蓄積を含む腎エネルギー代謝の変化は、DKDの初期段階で観察され、最終的には進行したDKDのミトコンドリア機能障害につながります。 ミトコンドリアの分裂-核融合の不均衡と調節不全の細胞小器官のクロストークがこのプロセスに寄与する可能性があります。 さらに、メタボロミクスは、DKDの進行を仲介する有望なバイオマーカーとして、硫酸フェニルやトリプトファン誘導体を含むいくつかの尿毒症毒素を特定しました。
まとめメタボロミクスの最近の進歩により、DKDの病態生理学における調節不全のエネルギー代謝と尿毒症毒素の役割が明らかになりました。 マルチオミクスデータの統合により、DKDの重要な推進要因を特定するための追加情報が提供されます。
キーワード糖尿病肝臓疾患。 メタボロミクス。 ミトコンドリア。 オルガネラクロストーク。 ウレミクトキシン。 バイオマーカー
コンタクト：joanna.jia@wecistanche.com
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序章
糖尿病肝臓疾患（DKD）は糖尿病の合併症であり、末期の主な原因の1つです肝臓疾患（ESKD）[1]。 DKDの病態生理は複雑で、多因子的で、不均一であるため、効果的な治療戦略を開発することは困難です。 近年、ナトリウム-グルコース共輸送体2（SGLT2）阻害剤は、いくつかの臨床研究でDKDの進行に対して強力な保護を示しました[2–6]。 SGLT2阻害薬は、ろ過されたブドウ糖の再吸収を防ぐことにより近位尿細管のエネルギー消費を減らし、肝臓DKDの進行に直接的な役割を果たす可能性があります。
メタボロームは、生物学的標本内に見られる小分子の完全なセットであり、生物学的活動の表現型を反映しています[7]。 代謝物の体系的な分析は、メタボロミクスと呼ばれます。 DKDは、代謝ネットワークの変化によって引き起こされます肝臓、メタボロミクスをその病態生理学を理解し、主要なバイオマーカーを見つけ、新しい治療戦略を開発するための効果的なツールにします[8]。 このレビューでは、DKDの進行における調節不全のエネルギー代謝と尿毒症毒素の役割に焦点を当ててメタボロミクスのアプリケーションを要約します。
DKDにおける調節不全のエネルギー代謝とミトコンドリア機能障害
ミトコンドリアはエネルギー生産の中心地です。 グルコース、アミノ酸、脂肪酸などのエネルギー基質は、トリカルボン酸（TCA）回路に入ります（図1）。 TCA回路は、電子伝達系にニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）とフラビンアデニンジヌクレオチド（FADH2）の還元型を供給します。 ミトコンドリア内膜の一連の電子伝達系（複合体I–IV）である電子伝達系は、NADHおよびFADH2から分子状酸素に電子を送ります。 このプロセス中に生成されるミトコンドリアマトリックスと膜間腔の間のプロトン勾配は、エネルギーを生成するためにアデノシン三リン酸（ATP）シンテターゼによって使用されます。 このプロセスは、ミトコンドリア呼吸または酸化的リン酸化（OXPHOS）と呼ばれます
ミトコンドリアは近位尿細管細胞に豊富に存在します腎臓ブドウ糖とナトリウムの再吸収に必要な大量のエネルギーのため。 高血糖と脂質異常症によって誘発される腎組織の代謝変化はDKDの進行に重要な役割を果たすため、メタボロミクスはミトコンドリアとエネルギー代謝のダイナミクスを包括的に理解するための効率的な戦略です。肝臓[7].
シャルマら。 進行したDKD患者の尿メタボロームを分析し、13の代謝物が健康な対照よりもDKD患者で有意に低いことを発見しました[9]。 13の代謝物の大部分はミトコンドリアに局在化または輸送されており、ミトコンドリアの機能障害がDKDの進行に関連していることを示唆しています。 実際、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体-ガンマコアクチベーター1（PGC1）とシトクロムcの発現は、DKD患者の腎組織で減少しました。 さらに、DKD患者から得られた尿エクソソーム中のミトコンドリアDNAは、健康な対照から得られたものよりも少なかった[9]。
ミトコンドリア機能障害は、慢性肝臓疾患（CKD）（図1）。 ヒトのトランスクリプトーム解析肝臓CKD患者からのサンプルは、欠陥のある酪酸酸化（FAO）が腎線維化の発症に重要な役割を果たしていることを明らかにしました[10]。 最近、マウス腎線維症モデルの単一細胞RNA配列決定により、近位尿細管の細胞分化不良と相まってエネルギー代謝障害（FAOおよびOXPHOS）が腎線維症の重要なドライバーであることが明らかになりました[11]。 対照的に、初期のDKDは、腎エネルギー代謝の点で高度なDKDとは異なります（図1）。 Lietal。 db / dbおよびコントロールマウスで6、8、10、12、および16週目に尿代謝物を分析しました[12]。 クエン酸回路やコハク酸回路などのTCA回路中間体の尿中濃度は、16週目の終わりに対照群よりもdb/dbマウスの方が低かった。
しかし、これらのTCA回路中間体は、6週目から12週目まで徐々に上昇し、TCA回路がDKDの初期段階で活発であったことを示唆しています。 さらに、同位体標識グルコース、ピルビン酸、および酪酸（パルミテート）を用いた代謝フラックス分析により、腎組織におけるTCA回路、解糖、およびFAOフラックスは、対照マウスよりもdb/dbマウスの方が高いことが明らかになりました[13]。
残っている問題は、糖尿病の初期段階での腎代謝フラックスの増加が、最終的に進行したDKDで観察されるミトコンドリア機能障害につながる時期と方法です。 いくつかの研究は、TCA回路と解糖中間体の蓄積が毒性であり、直接腎障害を引き起こすことを示唆しています。 たとえば、TCAサイクル中間体であるコハク酸塩はGタンパク質共役型受容体GPR 91のリガンドであり、血圧上昇[14–16]およびNADPHオキシダーゼ4（Nox4）誘発性ミトコンドリア損傷[17、18]に寄与します。レニン-アンギオテンシン-アルドステロン系の活性化。 さらに、別のTCA回路代謝物であるフマル酸塩は、小胞体（ER）ストレス、マトリックス遺伝子を刺激するフマル酸塩ヒドロキシラーゼ発現のNox 4-誘発性ダウンレギュレーションに一部起因して、F1秋田マウスの腎組織に蓄積することが示されています。腎臓における発現、および線維化促進シグナル伝達[19]。 さらに、グルコース代謝物であるソルビトール、メチルグリオキサール、およびジアシルグリセロールの蓄積は、腎臓病の進行を誘発する可能性があります。 糖尿病患者の糸球体に関するプロテオミクスデータによると、解糖関連酵素は、DKDの患者よりも糖尿病が長引くが腎臓病がない人の方が高かった[20]。 特に、解糖の最終段階を触媒するピルビン酸キナーゼM2（PKM2）の発現と活性は、これらの患者でアップレギュレーションされました。 動物実験では、糖尿病の有足細胞特異的Pkm2-ノックアウトマウスが重度の糸球体損傷を発症しました。 さらに、Pkm2の薬理学的活性化は、ミトコンドリア機能障害および糸球体損傷の予防とともに、高血糖によって誘発されるグルコース代謝物の上昇を逆転させました。
したがって、腎組織におけるTCA回路とグルコース代謝物の蓄積は、DKDの初期段階での治療標的となる可能性があります。 この仮説は、SGLT2阻害薬がTCA回路代謝物の蓄積を逆転させ、腎組織の酸化ストレスを減少させることを発見した、私たちのグループによるBTBR ob/obマウスのメタボローム分析によってさらに確認されました[21]。 この代謝効果は主に、SGLT2阻害薬がブドウ糖とナトリウムの再吸収を減らすことによって近位尿細管のエネルギー需要を減らすために発生します。
動物実験で観察されたDKDの初期段階でTCA回路フラックスを減らすことの潜在的な利点は、腎性貧血の新規治療薬である低酸素誘導因子プロリルヒドロキシラーゼ（HIF-PH）阻害剤による代謝再プログラミングが弱まる可能性があるという仮説を支持します[22]。初期のDKD患者における代謝負荷の有害な影響。 低酸素環境では、HIFが活性化され、TCA回路から解糖への代謝再プログラミングを誘発して、各細胞の酸素消費量を減らします。 HIFPH阻害剤は正常酸素環境でHIF活性化を誘発するため、代謝の再プログラミングによりTCA回路代謝物の蓄積が逆転する可能性があります。 私たちの動物実験では、腎臓組織のトランスクリプトームとメタボロームの分析により、
そのHIF-PH阻害剤は、DKDの初期段階で発生する腎代謝の変化を打ち消します。 TCA回路とグルコース代謝物の蓄積は、HIF-PH阻害剤の投与によって防止されました。 さらに、この代謝変化は、糸球体肥大や基底膜肥厚などの腎病理学的異常の改善と関連していた[23]。 HIF-PH阻害剤は腎性貧血に使用される治療薬であり、後期DKDの貧血患者にのみ投与されるため、臨床現場では結果を確認できません。 しかし、私たちの研究は、TCA回路とグルコース代謝物の蓄積を減らすための代謝の再プログラミングが、DKDの初期段階で調節不全の腎エネルギー代謝を標的とする潜在的な介入として役立つ可能性があることを示唆しています。
初期DKDの調節不全のエネルギー代謝が高度なDKDのミトコンドリア機能障害につながる正確なメカニズムを明らかにするには、さらなる研究が必要ですが、考えられるメカニズムの1つは、糖尿病状態でのミトコンドリアの分裂と融合の間の不均衡です（図1）。 ミトコンドリアは、ダイナミン関連タンパク質1（Drp1）、ミトコンドリア分裂1タンパク質（Fis1）、ミトフシン1（Mfn1）、ミトフシン2（Mfn2）、OPA1ミトコンドリアなどのさまざまな分子によって制御される核分裂と融合を繰り返すことによって形態を継続的に変化させますダイナミン様GTPase（OPA1）。 ミトコンドリア分裂の増加は、膜電位の低下、ATP産生の低下、および細胞アポトーシスに関連して、DKDの近位尿細管で観察されます[24]。 王ら。 ミトコンドリア分裂は、DKDの有足細胞のミトコンドリアへのDrp1の動員によって誘導されることを示しました。これは、Rho関連のコイルドコイル含有プロテインキナーゼ1（ROCK1）によって部分的に媒介されます。 有足細胞におけるROCK1の欠失は、ミトコンドリアの分裂とDKDの進行を抑制しました[25]。 しかし、ミトコンドリア分裂は、悪化要因であるだけでなく、糖尿病によって誘発される代謝ストレスへの適応反応でもある可能性があります。 王ら。 肝臓でのDrp1の欠失は、食餌誘発性肥満および代謝悪化からマウスを保護することを明らかにしました[26]。 したがって、ミトコンドリア分裂は代謝ストレスに対する代償反応と見なされ、代償が限界に達するとミトコンドリア機能障害が発生します。 糖尿病状態でのTCA回路とグルコース代謝の低下に向けた代謝の再プログラミングは、ミトコンドリアの負担を軽減し、ミトコンドリアの分裂を含む適応反応の必要性を軽減する可能性があります。
興味深いことに、ミトコンドリア融合タンパク質Mfn2は、ERとミトコンドリア[27]の間の、ミトコンドリア関連膜（MAM）と呼ばれるオルガネラ接触部位の形成に深く関与しています（図1）。 最近の研究では、MAMが小胞体とミトコンドリアの間の脂質輸送とカルシウムシグナル伝達を調節することによって細胞の恒常性を維持していることが明らかになっています[28]。 したがって、小胞体とミトコンドリアの間のオルガネラクロストークは、核分裂と融合のバランスを含むミトコンドリアの恒常性において重要な役割を果たしている可能性があります。 代謝ストレス、ミトコンドリアの恒常性、および細胞小器官のクロストークの間の相互作用を解明することは、初期のDKDの調節不全のエネルギー代謝が高度なDKDのミトコンドリアの機能不全にどのようにつながるかについての重要な洞察を提供します。
腎臓のためのシスタンチェ茎の利点
バイオマーカーおよび病理学的としての尿毒症毒素 DKDの要因
CKDの進行中、老廃物の尿中排泄は徐々に減少します。 人体に悪影響を与える老廃物は尿毒症毒素と呼ばれます。 ほとんどの尿毒症毒素は腸内細菌叢によって食事内容物から生成される代謝物であるため[29]、メタボロミクスは、DKDを含む腎臓病の過程における尿毒症毒素レベルの変化を理解するための強力な戦略です。 CKD。 p-クレゾール硫酸塩（アミノ酸誘導体）、シュードウリジン（ヌクレオチド誘導体）、およびミオイノシトール（炭水化物誘導体）を含むいくつかの血漿代謝物は、腎機能の調整後のESKDへの進行に関連する尿毒症溶質として同定されました。および血糖コントロール[30]。 さらに、彼らは1型糖尿病とCKDの患者の血清メタボロミクスプロファイルを分析しました。 トリプトファンおよびチロシン誘導体を含む7つの代謝物の血清レベルは、関連する臨床共変量とは無関係に、腎機能の低下およびESKDまでの時間と関連していた[31]。 尿毒症毒素の増加が原因であるか結果であるかを判断することは困難ですが、最近の研究では、チロシン誘導体の1つである硫酸フェニルが予測マーカーであり、DKDの進行も仲介することが示唆されています[32]。 フェニル硫酸塩レベルは、微量アルブミン尿症の糖尿病患者におけるアルブミン尿症の2-年の進行と有意な相関を示しました。 さらに、チロシンからフェノールを生成する細菌酵素であるチロシンフェノールリアーゼを阻害すると、動物実験で尿中アルブミンレベルが低下し、腸内細菌が治療標的になる可能性があることが示唆されました。
トリプトファン誘導体は、DKDの進行に対するもう1つの有望な治療標的と考えられています。 トリプトファンから産生されたキヌレニンの血清レベルは、DKDの明白なタンパク尿と関連していた[33]。 2型糖尿病患者の腎機能が低下するにつれて、血清キヌレニンレベルの上昇と血清トリプトファンレベルの低下が観察されました[34]。 Korstanjeetal。 キヌレニン3-モノオキシゲナーゼ（KMO）の糸球体発現が糖尿病患者で減少したことを示した[35]。 KMOは、キヌレニンのヒドロキシル化を触媒する酵素です。 したがって、KMOが失われると、キヌレニンとキヌレン酸が増加します。 KMOノックアウトマウスは足突起の消失とタンパク尿を示したため、キヌレニン経路は糖尿病患者の腎疾患の進行に重要な役割を果たしている可能性があります。
将来的には、患者のマルチオミクスデータを用いたネットワーク分析が重要になるでしょう。 齋藤ほか マウスの二重微小染色体2ホモログ（MDM2）を、尿中メタボロームデータを公開されているヒトタンパク質間相互作用データベースと統合することにより、DKD病態生理学の重要な要因として特定しました[36]。 実際、MDM2遺伝子の発現は、対照と比較してDKD患者の腎組織で有意に減少しました。 さらに、有足細胞特異的および尿細管特異的Mdm 2-ノックアウトマウスは、それぞれ重度の糸球体および尿細管機能障害を示した。 したがって、オミクス情報を統合することは、腎臓病の重大な要因を特定するための優れた戦略となる可能性があります。 理想的には、DKDの病態生理学を包括的に理解するために、同じ患者コホートからのマルチオミクスデータを収集する必要があります。
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結論
メタボロミクスの最近の進歩により、DKDの病態生理学における調節不全のエネルギー代謝と尿毒症毒素の役割が明らかになりました。 注目すべきことに、腎臓のエネルギー代謝状態は、初期および後期のDKD間で異なります。
DKD進行中のエネルギー代謝ダイナミクスをさらに理解するには、腎臓における代謝ストレス、ミトコンドリアの恒常性、および細胞小器官のクロストークの間の相互作用を解明する必要があります。 メタボロミクスは、DKDの進行を仲介する有望なバイオマーカーとして、硫酸フェニルやトリプトファン誘導体を含むいくつかの尿毒症毒素を特定しましたが、マルチオミクスデータを使用したネットワーク分析は、腎疾患の重要なドライバーを見つけるための追加情報を提供します。
資金調達東京大学CKD病態生理学部門は、協和キリンによって財政的に支援されています。 この作品は、日本学術振興会研究員（JSPS科研費助成金19J11928、SH）、早期キャリア科学者助成金（JSPS科研手助成金21K16159、SH）の助成を受けました。 、科学研究費補助金（B）（日本学術振興会KAKENHI助成金18H02727および21H02824 RI）、MSD生命科学財団（SH）、細胞科学研究財団（SH）、星状代謝障害研究財団（ RIへ）、京和キリン（RIへ）。
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