导读：

高尿酸血症(HUA)它是一种常见的代谢性疾病，是高血压、慢性肾病和冠状动脉疾病的独立危险因素。在过去的几十年里，随着生活水平的提高和寿命的延长，HUA患病率增加。代谢物被认为是个体生理和病理状况的最直接反映，并代表了潜在的候选标志物，从而对疾病表型提供了深刻的见解。此外，代谢组学作为一种分析生物体液和组织中代谢物的技术，是识别新生物标志物的有力工具，可以为代谢性疾病的发病机制和药物疗效的评价提供重要意见。在研究基于多代谢组学HUA血液、尿液和粪便分析表明，HUA代谢物谱发生了显著变化。黄芪(AM)苯溴马隆显著减少了血液和粪便中代谢物的变化，但在尿液中没有改善。HUA在大鼠中，一些关键的代谢途径，包括脂质代谢、脂质信号传输、激素合成、不饱和脂肪酸(UFAs)吸收和色氨酸代谢受到严重干扰。此外，AM对HUA的治疗效果优于苯溴马隆，并且额外补充UFAs和谐色氨酸也可能产生抗性HUA的疗效。

原名：Multi metabolomics-based analysis of application of Astragalus membranaceus in the treatment of hyperuricemia

译名：黄芪治疗高尿酸血症的多代谢组学分析

期刊：Frontiers in Pharmacology

IF：5.998

发表时间：2022.07

通讯作者：张加余

作者单位：滨州医学院

1. 高尿酸血症改变大鼠血浆、尿液和粪便的代谢物谱

我们建立了最小的二乘分析(PLS-DA)观察组间差异的大小。模型中点的接近表明代谢组成相似。图1A、B显示对照(C)组和模型(M)组是不同的，特别是在正模式下(图1A)。与其他组相比，高剂量黄芪超微粉(H)组更类似于C组，这表明高剂量的黄芪超微粉(AMUP)代谢组可以更有效地调节变化。如补充表S1.与正常大鼠相比，HUA大鼠血浆中43种代谢物的含量不同。这43种代谢物富含脂肪酸降解、嘧啶代谢、色氨酸代谢、类固醇激素生物合成和甘油磷脂代谢等5种方法 1)。HUA大鼠和正常大鼠的粪便代谢物谱有很大的不同(图 1C、D)。HUA大鼠和正常大鼠粪便中差异富集了17种代谢物，这些代谢物富集于亚麻酸代谢、不饱和脂肪酸生物合成、类固醇激素生物合成和初级胆汁酸生物合成途径中(表1和补充表S1)。在图1C,D中，B与苯溴马隆相比，组与M组重叠，AMUP对HUA更好地改善代谢组。图1E、F显示所有尿样，M在正离子或负离子模式下，组和C组显著区分。通道分析表明，尿液中30种代谢物富含苯丙氨酸代谢、核黄素代谢和维生素B代谢(表1和补充表)S1)。苯溴马隆组和AMUP组远离C组，说明代谢组的调节不是特别好。综上所述，HUA大鼠的血浆、尿液和粪便代谢谱发生了显著的变化，不同的药物治疗在不同程度上发挥了作用。

表1 在对照组和HUA组大鼠之间鉴定的差异代谢物的通路分析

原始p是从富集分析计算的原始p值;Holm p为Holm-Bonferroni方法调整后的p值;FDR p是使用错误发现率调整的p值。

图1 对照组(C)、HUA模型组(M)、阳性药物(苯溴马隆)组(B)、低剂量AMUP组(L)和高剂量AMUP组(H)所有样品的OPLS-DA

(A)正离子模式下血液样本的分数散点图。(B)负离子模式下血液样本的得分散点图。(C)正离子模式下粪便样本的得分散点图。(D)负离子模式下粪便样本的得分散点图。(E)正离子模式下尿液样本的得分散点图。(F)负离子模式下尿样的得分散点图。

2. 黄芪超微粉处理逆转高尿酸血症引起的脂质代谢严重紊乱

脂质代谢是一个重要而复杂的生理过程，涉及营养调节、激素调节和身体平衡。脂质代谢紊乱导致巨噬细胞吞噬脂质形成泡沫细胞，加速动脉粥样硬化斑块的形成。脂质被各种酶和胆汁盐消化成短链脂肪酸(LCFA)、甘油等代谢物。酰基肉碱(AC)通过肉碱穿梭促进长链脂肪酸进入线粒体 ?-氧化(图5B)。AC与肥胖、心律失常、心脏缺血和胰岛素抵抗有关的线粒体功能障碍。

图2 对照组(C)、HUA模型组(M)、阳性药物(苯溴马隆)组(B)、低剂量AMUP组(L)、高剂量AMUP组(H)HUA大鼠血浆中差异丰富的代谢物

(A) HUA大鼠血浆中差异丰富的代谢物的热图。每个单元格代表一种化合物。较深的蓝色代表较高的水平，较深的红色代表较低的水平。(B)五组中显著差异丰富的酰基肉碱的信号强度比较。*p < 0.05与C组相比。**与C组相比，p < 0.01;#p < 0.05与M组相比;##p < 0.01与M组相比。

在这项研究中，我们发现了许多肉碱LCFA酯的水平在HUA大鼠的血浆发生了显著变化(图2A)，包括棕榈酰肉碱、肉豆蔻酰肉碱、硬脂酰肉碱vaccenyl肉碱、十二烷基肉碱、亚油酸肉碱、己酰肉碱、3-羟基- 11Z-十八碳烯酰肉碱、十五碳酰肉碱、丁酰肉碱。如图2B如模型组大鼠血浆中10种酰基肉碱中9种水平所示HUA组明显低于C组，表明组明显低于C组HUA在大鼠线粒体中LCFAs的线粒体?-氧化被破坏。与HUA组相比，AM或者苯溴马隆单处理会增加这些代谢物的水平(图2)B)。与其他酰基肉碱不同，丁酰肉碱能抑制短链酰基辅酶A脱氢酶的活性，即线粒体中的脂肪酸-氧化过程中最脆弱的酶。HUA丁酰肉碱在大鼠血液中的升高会导致脂肪酸氧化紊乱。高剂量AMUP丁酰肉碱水平和苯溴马隆处理降低。抑制细胞LCFA氧化会导致血液LCFA甘油三酯水平升高，诱发高脂血症。这可能是60%HUA高脂血症的病因。

胆汁酸是吸收膳食脂肪和维生素所必需的，与调节胆固醇稳态所涉及的所有关键酶有关。胆汁酸可分为两类：1)游离胆汁酸，如胆酸、脱氧胆酸、鹅去氧胆酸、石胆酸等;2) 游离胆汁酸与甘氨酸或牛磺酸的结合物称为胆汁酸，如胆汁酸甘氨酸、甘氨酸鹅去氧胆酸、牛磺酸和牛磺酸鹅去氧胆酸。胆汁酸毒性强(如膜损伤)，体内胆汁酸水平高会造成器官损伤。胆酸及其中间体的水平HUA这些中间体有助于脂质脂肪分解，并在代谢稳态和先天免疫中发挥重要作用。胆酸被建议用作肝损伤的潜在生物标志物。此外，模型组大鼠肠道的胆酸水平高于对照组(图3)A)，表明HUA可引起肝损伤。

图3 HUA大鼠胆汁酸代谢物差异显著，HUA大鼠尿液中代谢物差异显著

(A) 对照组(C)、HUA模型组(M)、阳性药物(苯溴马隆)组(B)、低剂量AMUP组(L)、高剂量AMUP组(H)的显著差异富集胆汁酸代谢物的信号强度比较。(B) HUA大鼠尿液中差异富集代谢物的热图。每个单元格代表一种化合物。较深的蓝色代表较高的水平，较深的红色代表较低的水平。*p < 0.05与C组相比;**与C组相比，p < 0.01;#p < 0.05与M组相比;##p < 0.01与M组相比。

此外，M组大鼠肠道中7-酮脱氧胆酸和7a,12a-二羟基-3-氧代-4-胆酸(胆酸和鹅去氧胆酸结合物生物转化为未结合次级胆汁酸的中间体)的水平，也显著高于C组大鼠。胆酸和鹅去氧胆酸水平在用AMUP处理后恢复到与对照组相似的水平，但在用苯溴马隆处理后却没有。该结果表明，AMUP比苯溴马隆更有效地使胆汁酸代谢正常化。此外，HUA大鼠的硫代石胆酰甘氨酸和nutriacholic acid水平也显著改变。硫代石胆酰甘氨酸是一种次级胆汁酸，由结肠环境微生物菌群中的酶产生。与对照组相比，HUA大鼠血浆中硫代石胆酰甘氨酸的水平显著降低(图3A)，这表明肠道微生物群受到HUA的显著影响。与对照组大鼠相比，HUA大鼠尿液中nutriacholic acid (一种胆汁酸)的水平显著增加，而高剂量AMUP显示出下降的趋势(图3A)。这些结果表明，HUA导致胆汁酸代谢和脂肪酸降解严重紊乱(图 5A)，AMUP处理显著改善了HUA诱导的脂质代谢失调。

图4 对照组(C)、HUA模型组(M)、阳性药物(苯溴马隆)组(B)、低剂量AMUP组(L)、高剂量AMUP组(H)的HUA大鼠溶血磷脂和色氨酸代谢物含量差异显著

(A) HUA大鼠血液中许多不饱和LPC的水平显著高于正常大鼠。(B)模型组血浆中检测到的所有LPE均增加。(C) HUA大鼠血浆中显著差异富集色氨酸代谢物。*p < 0.05与C组相比;**与C组相比，p < 0.01;#p < 0.05与M组相比;##p < 0.01与M组相比。

3. 脂质信号分子可能是高尿酸血症的生物标志物

溶血磷脂(LPL)具有激素样信号传导特性，在很大程度上仅被视为介导磷脂合成和将蛋白质嵌入细胞膜所必需的膜成分。溶血磷脂在生理和病理生理过程中发挥重要作用，包括平滑肌收缩、增殖、疼痛、炎症、动脉粥样硬化、心肌损伤以及癌细胞的迁移和侵袭。溶血磷脂酰胆碱 (LPC) 和溶血磷脂酰乙醇胺 (LPE) 属于LPL家族。溶血磷脂酰胆碱是一种生物活性溶血磷脂，由磷脂酶 A2 (PLA2) 在Lands循环中水解磷脂酰胆碱而产生。根据酰基链长度和饱和度，溶血磷脂酰胆碱可分为短链LPC或饱和/不饱和LPC。饱和与不饱和LPCs的功能在不同细胞的疾病状态下存在显著差异。具体而言，LPC已被证明在动脉粥样硬化和其他心血管疾病中诱导促炎作用和血管功能障碍。LPC的水平可以通过分泌 PLA2 介导的代谢或通过在炎症条件下对脂蛋白磷脂的氧化修饰来增加。与C组相比，我们发现许多不饱和LPC的水平在HUA大鼠血液中显著升高(图4A)，包括18:1、18:2、18:3、20:2、20:4、20:5、22:4和22:6，(可促进释放炎性细胞因子(IL-6和IL-8)并诱导环氧合酶2表达)(图5B)。这些结果表明，炎症增加的HUA患者发生心血管疾病的风险可能更高。然而，除了LPC (20:1, 18:3)，AM 比苯溴马隆更大程度地逆转了HUA引起的不饱和LPC水平的变化，这表明AM可以为LPC引起的功能障碍提供更好的保护(图4A)。此外，异常的LPC水平已被证明可诱导神经细胞的炎症和凋亡并促进脱髓鞘，这可能会促进阿尔茨海默病(AD)的发展。我们发现AMUP将LPC恢复到与对照组的水平相似，这表明AM也可能是预防AD发展的候选药物。与LPC相比，模型组中检测到的所有 LPE(LPE 16:0、18:1、20:2、20:1)种类均增加(图4B)。LPEs水平升高与许多疾病有关，包括高脂血症和动脉粥样硬化。这些结果表明LPC和LPE可能是筛查HUA患者的潜在血液生物标志物。

图5 通路分析总结

(A) HUA引起的代谢异常途径。通过路径拓扑分析计算的路径影响值;小p值和大通路影响因子表明通路受到显著影响。(B) HUA大鼠异常代谢途径图。红色表示代谢物增加，绿色表示代谢物减少。

4. 高尿酸血症致色氨酸代谢障碍对药物处理有耐药性

色氨酸是一种必需氨基酸。不同组织内的色氨酸代谢与许多生理功能有关。犬尿氨酸、硫酸吲哚酚和色氨酸2-C-甘露糖苷等几种色氨酸代谢物的水平在HUA大鼠中显著改变，这表明HUA大鼠的色氨酸代谢受到干扰(图5A)。犬尿氨酸用于产生烟酸。烟酸(也称为“维生素 B3”或“维生素 PP”)包括两种维生素(烟酸和烟酰胺)，它们是辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD) 和磷酸酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADP)的前体。这些辅酶是对能量产生至关重要的氧化反应所必需的。此外，它们还是参与非氧化还原信号通路(NF-κB和MAPK)酶的底物，并有助于调节基因表达、细胞周期进程、DNA修复和细胞死亡等生物功能(图5B)。维生素B3长期以来被认为是中枢神经系统中神经元发育和存活的关键介质。在中风、癫痫、多发性硬化症、肌萎缩侧索硬化症、帕金森病、亨廷顿病和阿尔茨海默病中出现犬尿氨酸降解。在这项研究中，HUA 大鼠血浆和尿液中的犬尿氨酸水平显著低于正常大鼠(图 3B、4C)，并且无论是AM还是苯溴马隆处理都无法逆转这种下降，这表明药物很难恢复由HUA引起的色氨酸-犬尿氨酸代谢障碍。硫酸吲哚酚是一种循环尿毒症毒素，可诱导肾小球硬化和间质纤维化并增加肾功能衰竭的进展速度。在血浆中，硫酸吲哚酚是一种蛋白结合的尿毒症溶质，通过体外抑制内皮细胞增殖和迁移来诱导内皮功能障碍。硫酸吲哚酚可增加肾小管细胞中活性氧(ROS)的产生并增加内皮细胞中的NAD(P)H氧化酶活性(图5B)。在我们的研究中，与C组相比，HUA大鼠血浆和尿液中的硫酸吲哚酚水平显著增加(图 3B、4C和补充表 S1)。这种增加在用AM或苯溴马隆处理后被逆转，这表明AM可以防止由增加的硫酸吲哚酚引起的内皮细胞损伤(图4C)。先前的一项研究表明，患有肾病个体的色氨酸2-C-甘露糖苷水平显著高于没有慢性肾病的个体。与C组大鼠相比，HUA大鼠血浆和尿液中色氨酸2-C甘露糖苷水平升高，提示HUA可引起慢性肾损伤。HUA诱导的血浆中色氨酸2-C-甘露糖苷的增加，而在尿液中却没有增加，被AM或苯溴马隆处理后逆转(图4C)。由于色氨酸2-C-甘露糖苷不能在体内分解代谢，而是通过尿液排出，这些结果表明药物可以部分恢复肾功能，并通过尿液排出多余的色氨酸2-C-甘露糖苷。此外，自噬可以上调培养细胞中色氨酸2-C甘露糖苷的水平，尿液中色氨酸2-C-甘露糖苷仍然升高可能表明，即使在药物处理后，HUA诱导的细胞死亡可能仍在继续。

5. 黄芪超微粉可逆转高尿酸血症诱导的类固醇生物合成的变化

激素调节许多身体功能，包括生长发育、新陈代谢、电解质平衡和繁殖。HUA大鼠的皮质酮、二氢皮质醇和前列腺素G1水平显著改变。通路分析表明，HUA 大鼠的类固醇激素生物合成被破坏(图 5A)。肾上腺分泌的皮质酮和二氢皮质醇在许多生物过程中起着至关重要的作用。皮质酮是盐皮质激素醛固酮的前体分子，也是体内钠和钾水平的主要稳态调节剂。在许多物种中，包括两栖动物、爬行动物、啮齿动物和鸟类，皮质酮是主要的糖皮质激素，参与能量调节、免疫反应和应激反应。皮质酮的代谢作用严格依赖于剂量。二氢皮质醇是一种由肾上腺分泌的糖皮质激素，在调节水盐平衡、糖代谢和生长发育等方面发挥作用。此外，二氢皮质醇具有抗炎特性并抑制免疫反应。HUA大鼠血浆和粪便中皮质酮和二氢皮质醇水平显著升高，提示HUA可能损害肾上腺并可能诱发肾上腺皮质增生。低剂量的AM处理逆转了HUA诱导的皮质酮和二氢皮质醇的变化(图2A和补充表S1)。前列腺素G1是一种源自花生四烯酸的小分子促炎介质，在炎症、疼痛调节、过敏和骨形成中发挥作用。研究者在许多疾病中已经观察到前列腺素的绝对或相对缺乏。HUA大鼠血浆中前列腺素G1水平显著低于C、L和H组(图2A)。苯溴马隆处理进一步降低了HUA大鼠血液中前列腺素G1的水平，这表明苯溴马隆可能会加剧HUA相关的功能障碍。

6. 高尿酸血症大鼠不饱和脂肪酸吸收障碍

不饱和脂肪酸(UFAs)的健康益处已得到证实。具体来说，UFAs已被证明具有心脏保护、抗炎、抗癌和抗菌作用，并且可以对皮肤状况产生积极影响。有些不饱和脂肪酸是人体不能合成的，需要在饮食中补充。这些必需脂肪包括亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸。不饱和脂肪酸被小肠上皮细胞吸收并掺入具有抗动脉粥样硬化特性的高密度脂蛋白中。与正常大鼠相比，HUA大鼠中二十碳五烯酸 (EPA)、棕榈油酸、亚油酸及其代谢物的水平显著改变(图 2A)。二十碳五烯酸是一种必需的多不饱和脂肪，可作为前列腺素3和血栓素3家族的前体，并抑制花生四烯酸转化为血栓素2和前列腺素2家族以预防血栓形成。二十碳五烯酸及其代谢物可以发挥抗炎作用并降低人类和实验动物心血管疾病的发病率。我们发现，与正常大鼠相比，模型组大鼠血浆中EPA和EPA衍生的抗炎脂质介质 5,6-DiHETE的水平显著降低(图 2A)。此外，B组大鼠血浆中EPA和5,6-DiHETE的水平低于HUA大鼠(图2A)，这表明用苯溴马隆处理可能会导致心血管疾病和炎症的风险增加。相比之下，EPA增加了HUA大鼠血浆中EPA和5,6-DiHETE的水平，这表明AM可以减轻HUA大鼠的炎症并预防心血管疾病。棕榈油酸是一种omega-7单不饱和脂肪酸，是人体脂肪组织中甘油酯的丰富成分。与对照大鼠相比，HUA大鼠血液中的棕榈油酸水平显著降低。这种下降被AM部分逆转，但苯溴马隆却没有。此外，HUA大鼠血浆中三种亚油酸衍生脂质介质9,10,13-TriHOME、15,16-DiHODE和corchorifatty acid D的水平显著低于对照组大鼠(图 2A)。减少的 9,10,13-TriHOME 和 15,16-DiHODE 可能促进炎症，这可能有助于HUA大鼠产生更强烈的炎症反应。Corchorifatty acids A, B和C已被证明可以抑制脂多糖诱导的小鼠腹腔巨噬细胞一氧化氮的产生。corchorifatty acid D 的功能尚未确定。HUA诱导9,10,13-TriHOME、15,16-DiHODE和corchorifatty acid水平降低，但这一趋势被高剂量AMUP所逆转。在HUA大鼠的粪便中，具有抗炎作用的多不饱和脂肪酸衍生的二醇代谢物19,20-diHDPA的水平降低(补充表S1)。不饱和脂肪酸水平的变化表明，HUA大鼠可能对UFAs吸收不良，并可能增加患炎症和心血管疾病的风险(图5B)。相比于苯溴马隆，AMUP可通过改变HUA不饱和脂肪酸的水平，从而表现出更好的疗效。适当的膳食补充UFAs也可以减轻HUA。

7. 炎症相关代谢物的变化提示高尿酸血症大鼠发生慢性炎症

11,12,15-THETA，可激活K+通道以使主动脉平滑肌膜超极化并诱导松弛，是由内皮细胞从花生四烯酸产生。主动脉平滑肌膜松弛能力下降可能导致血管反应性降低，从而诱导心血管疾病。我们发现M组和B组大鼠血浆中 11,12,15-THETA 的水平显著低于C、L和H组(图 2A)，这表明是AM，而不是苯溴马隆，显著逆转了HUA引起的主动脉平滑肌膜松弛能力的变化。因此，AMUP降低了 HUA大鼠心血管疾病的风险。脂氧素A4 (LXA4)是活化白细胞中5-脂氧合酶活性的产物。脂氧素(LXs)由花生四烯酸通过脂氧合酶的连续作用产生。在一些动物模型系统中，脂氧素A4在体内发挥有效的抗炎和促分解作用。中性粒细胞可以杀死病原体并且是外周血中最丰富的白细胞类型。3,4- Methylenesebacic acid已被证明是中性粒细胞减少症的生物标志物。我们发现LXA4和3,4-Methylenesebacic acid水平在HUA大鼠的血浆和粪便中较低(补充表S1)，这表明HUA大鼠的抗炎能力受损。高剂量AM，而非低剂量AM或苯溴马隆，可使LXA4水平恢复到在正常大鼠中观察到的水平，这表明高剂量AM可通过增加LXA4水平发挥抗炎作用。B组较低的LXA4水平表明用苯溴马隆处理HUA可能会减弱宿主免疫应答。这些结果表明，HUA大鼠的炎症因子增加，AMUP处理可以减轻这种炎症。

代谢变化是蛋白质和酶活性变化的直接结果。因此，代谢组学可以提供相关信息HUA重要的生理过程、分子相互作用和代谢信息。许多潜在的生物标志物和治疗生物流体代谢物变化的整体指纹，确定了许多潜在的生物标志物和治疗目标。该研究发现，与正常大鼠相比，HUA大鼠的许多代谢物水平发生了显著变化，尿液中代谢物水平的变化对苯溴马隆或AMUP耐药处理。此外，HUA脂质代谢、脂质信号分子、激素合成、UFA吸收和色氨酸代谢的变化可能导致高脂血症、心脑血管疾病、慢性炎症或阿尔茨海默病。然而，苯溴马隆和苯溴马隆的使用AM经过处理后，这些途径的代谢物水平恢复正常。AM胆汁酸代谢，激素合成，UFA吸收等方法的疗效优于苯溴马隆。因此，AMUP对HUA治疗潜力巨大。另外，额外补充UFAs和色氨酸可以缓解高尿酸血症。

原文链接： https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35935868/