膳食甲硫氨酸剥夺通过调控葡萄糖氧化增强小鼠肾脏对缺血再灌注损伤的抵抗能力

《Communications Biology》：Dietary methionine deprivation enhances renal resilience against ischemia-reperfusion injury in mice through modulation of glucose oxidation

本研究针对急性肾损伤（AKI）缺乏有效干预策略的临床难题，揭示了血清S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为AKI诊断生物标志物的潜力。通过多组学分析和体内同位素示踪技术，研究人员发现短期甲硫氨酸剥夺（MF）饮食可通过激活丙酮酸脱氢酶（PDH）增强葡萄糖氧化，重塑肾脏能量代谢程序，从而显著提升肾脏对缺血再灌注损伤（IRI）的耐受性。该研究为AKI的代谢干预提供了新靶点。

　　

肾脏是人体的重要排泄器官，同时也具有极高的代谢需求。当肾脏血液供应突然中断后又恢复时，就会发生缺血再灌注损伤（IRI），这是导致急性肾损伤（AKI）的主要原因之一，尤其在肾移植过程中常见。AKI发病率高、死亡率高，但目前临床上缺乏有效的预防和治疗手段，主要依靠支持性治疗。因此，探索AKI发生发展的新机制，并寻找有效的干预策略，是肾脏病研究领域的迫切需求。

在这一背景下，彭晓峰、谢元浩等研究人员在《Communications Biology》上发表了一项研究，他们发现通过简单的饮食干预——短期剥夺甲硫氨酸的摄入，能够像给肾脏“预适应”一样，显著增强其抵抗IRI的能力。而背后的关键机制，竟与肾脏细胞如何高效利用葡萄糖产生能量密切相关。

为了开展这项研究，研究人员综合运用了多种关键技术方法。他们首先建立了小鼠肾脏IRI模型，并进行了转录组、蛋白质组和代谢组学的多组学整合分析，以系统揭示IRI引起的肾脏代谢紊乱。他们检测了临床患者（包括脓毒症和心脏手术相关的AKI队列）的血清样本，以验证动物实验中发现的关键代谢物变化在人类中的保守性。通过定制不同甲硫氨酸含量的饲料（正常、限制和完全剥夺），研究人员探究了膳食甲硫氨酸水平对肾脏保护作用的影响。他们还采用了先进的体内稳定同位素示踪技术，分别静脉输注[U-¹³C₆]葡萄糖和[U-¹³C₁₆]棕榈酸，动态追踪了肾脏中葡萄糖和脂肪酸的代谢流。此外，研究还使用了药理学方法，如利用乙莫克舍（etomoxir）抑制脂肪酸氧化，以及利用二氯乙酸盐（DCA）激活丙酮酸脱氢酶，以验证特定代谢通路在肾脏保护中的因果作用。组织病理学分析（如H&E染色、油红O染色、免疫组化）和透射电镜被用于评估肾脏损伤和脂质积累程度。

多组学分析揭示肾脏IRI应答中的系统性代谢改变

通过手术诱导小鼠肾脏IRI建立AKI模型后，多组学分析显示，IRI引起了肾脏转录组、蛋白质组和代谢组的广泛改变。整合网络分析突出显示S-腺苷甲硫氨酸（SAM）是一个核心节点分子。在IRI肾脏中，SAM及其前体甲硫氨酸的水平均显著升高，提示SAM代谢紊乱是AKI的一个关键特征。

肾脏是消耗SAM的器官

对血清代谢物的分析发现，IRI后血清甲硫氨酸水平下降，而SAM水平急剧升高超过7倍。在顺铂诱导的另一种AKI模型中也观察到类似现象。这表明健康的肾脏会消耗大量的SAM，而损伤后这种消耗能力受损，导致SAM在血液循环中累积，提示血清SAM可能作为AKI的诊断生物标志物。

AKI患者中SAM升高

在两个独立的人类AKI患者队列（脓毒症相关AKI和心脏手术相关AKI）中，研究人员证实血清SAM水平显著升高，这表明SAM升高是AKI中一个保守的代谢反应。

血清SAM升高不加剧肾功能障碍

为了探究SAM升高是原因还是结果，研究人员使用了全身性Pemt基因敲除（Pemt^-/-）小鼠，该小鼠模型基线血清SAM水平升高。然而，在遭受IRI后，Pemt^-/-小鼠与野生型小鼠的肾功能损伤程度相似。直接给小鼠外源性补充SAM使其血清水平升高20倍以上，也未能加剧IRI损伤。这些结果表明，SAM的积累是肾损伤导致的代谢紊乱的后果，而非致病因。值得注意的是，血清SAM在再灌注后30分钟内就迅速升高，其动力学早于传统肾功能指标BUN和sCr，并与肾小管损伤标志物NGAL/KIM1的上调同步，且与BUN和sCr水平呈强正相关，进一步支持了其作为早期AKI生物标志物的潜力。

MF饮食减轻IRI诱导的肾损伤

接下来，研究人员探索了通过限制膳食甲硫氨酸来降低SAM可用性是否能起到保护作用。小鼠在IRI手术前被喂食7天的正常甲硫氨酸（CD, 0.86%）、低甲硫氨酸（MR, 0.17%）或无甲硫氨酸（MF, 0%）饲料。结果发现，只有MF饮食能显著降低血清甲硫氨酸和肾脏SAM水平，并几乎完全阻止了IRI引起的BUN和sCr升高，显著减轻了肾小管坏死和损伤标志物（LCN2, KIM-1）的表达。而MR饮食的保护作用不明显。MF饮食引起的体重下降并未加重IRI后的肝功能障碍（通过ALT和AST评估），表明其保护作用具有肾脏特异性。

MF饮食减少IRI下的甘油三酯积累

由于AKI时脂肪酸氧化（FAO）常被抑制，导致脂质积聚和脂毒性，研究人员检查了肾脏的脂质代谢。油红O染色、脂质组学和透射电镜结果一致表明，IRI导致肾小管上皮细胞内甘油三酯（TAG）和脂滴显著增加，而MF饮食则有效抑制了这种脂质积聚。

MF饮食增强FAO，但对肾脏保护并非必需

通过体内[U-¹³C₁₆]棕榈酸同位素示踪，研究人员证实MF饮食确实增强了肾脏的FAO活性，表现为棕榈酰辅酶A、棕榈酰肉碱以及进入三羧酸（TCA）循环的¹³C标记代谢物（如富马酸、谷氨酸）的增加。然而，使用FAO抑制剂乙莫克舍阻断该通路后，并未逆转MF饮食对肾功能的保护作用，表明FAO的增强虽然是MF饮食诱导的一个代谢适应，但对于其保护效应并非必需。

体内同位素示踪揭示MF饮食小鼠肾脏葡萄糖利用增强

研究人员转而关注葡萄糖代谢。通过静脉输注[U-¹³C₆]葡萄糖，他们发现IRI和MF饮食都促进了全身和肾脏的葡萄糖利用。一个重要的观察是，在输注过程中，正常饮食的IRI小鼠死亡率很高，而MF饮食的IRI小鼠全部存活，提示MF饮食显著改善了小鼠在IRI应激下的整体代谢适应能力和生存率。

IRI导致糖酵解通量增加以支持乳酸发酵，且与饮食处理无关

对肾脏代谢物的分析显示，IRI后，源自¹³C-葡萄糖的m+3乳酸和m+3丙酮酸水平增加，乳酸/丙酮酸比值升高，这符合IRI诱导的缺氧环境下糖酵解增强的特征。MF饮食也增加了m+3乳酸和丙酮酸的水平，但IRI引起的乳酸/丙酮酸比值变化在两种饮食组间相似，表明MF饮食可能通过调控乳酸发酵之外的其他代谢过程来增强葡萄糖消耗。

IRI下葡萄糖经TCA循环的完全氧化受损，但被MF饮食有效恢复

葡萄糖完全氧化的关键步骤是丙酮酸通过丙酮酸脱氢酶（PDH）转化为乙酰辅酶A，进入TCA循环。研究发现，在正常饮食的IRI小鼠肾脏中，m+2乙酰辅酶A以及m+2 TCA循环中间产物（富马酸、苹果酸）的水平显著下降，表明葡萄糖氧化受损。然而，在MF饮食的IRI小鼠中，这些代谢物的水平得以维持甚至升高。此外，经过TCA循环第二轮标记产生的m+3谷氨酸、谷氨酰胺和苹果酸也在MF饮食组中显著增加。这些结果强有力地表明，MF饮食能够恢复IRI肾脏中受损的葡萄糖氧化能力，从而更有效地满足肾脏修复所需的能量需求。

化学激活丙酮酸氧化足以发挥对IRI的肾脏保护作用

蛋白质组学分析显示，MF饮食引起了糖酵解和TCA循环中多种酶水平的复杂变化，但并未逆转IRI导致的TCA循环酶的下调，提示其作用点可能更集中于调控糖酵解流向TCA循环的通量。研究人员假设激活PDH是关键。他们使用PDH激酶（PDK）的抑制剂二氯乙酸盐（DCA）来化学激活PDH。结果显示，为期7天的DCA饮水处理模拟了MF饮食的保护效果，显著改善了IRI后的肾功能和组织学损伤。这证明，增强丙酮酸氧化（即葡萄糖氧化）是MF饮食发挥肾脏保护作用的关键机制。

研究结论与意义

本研究通过多组学方法系统揭示了SAM代谢在AKI中的核心地位，并确立了血清SAM作为AKI早期诊断生物标志物的潜力。更重要的是，研究首次阐明短期膳食甲硫氨酸剥夺可通过代谢预适应，增强肾脏的葡萄糖氧化能力，从而显著提高其对IRI的抵抗能力。这一保护作用的关键在于激活了PDH，促进了丙酮酸向乙酰辅酶A的转化，保障了TCA循环的高效运转和能量供应。

该研究的发现具有重要的转化医学意义。首先，血清SAM作为早期、敏感的AKI生物标志物，有望用于临床风险评估和病情监测。其次，短期甲硫氨酸限制或模拟其代谢效应的药物（如DCA）为AKI的预防提供了新的策略，尤其适用于可预见的缺血性损伤场景，如器官移植、心血管手术等。此外，研究深化了对肾脏代谢可塑性的理解，表明通过饮食或药物干预优化能量代谢，是保护肾脏免受急性损伤的有效途径。未来研究将进一步探索甲硫氨酸剥夺增强葡萄糖氧化的深层分子机制，并评估其在人类患者中的可行性和有效性。