《iScience》：Kidney dysfunction under cardiometabolic stress promotes calorie-intake-independent wasting and frailty-like muscle phenotypes
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尽管年龄相关的肌肉衰减症（sarcopenia）和衰弱（frailty）与代谢灵活性受损及能量稳态紊乱相关，但该框架能否解释慢性肾脏病（chronic kidney disease, CKD）相关的消耗仍不清楚。研究人员证明，叠加的肾单位丢失将心肾代谢应激从肥
尽管年龄相关的肌肉衰减症（sarcopenia）和衰弱（frailty）与代谢灵活性受损及能量稳态紊乱相关，但该框架能否解释慢性肾脏病（chronic kidney disease, CKD）相关的消耗仍不清楚。研究人员证明，叠加的肾单位丢失将心肾代谢应激从肥胖和葡萄糖不耐受转向不依赖热量摄入的消耗，并伴有肌肉衰减症和躯体衰弱特征。这一转变伴随着骨骼肌葡萄糖利用程序受损、对糖异生底物的升糖反应迟钝，以及肝肾糖异生程序的改变。整合多组学分析揭示了骨骼肌中葡萄糖程序受抑制、脂肪酸利用相关代偿受损以及氨基酸分解代谢特征。类似特征亦出现于衰老叠加肾单位丢失的模型，以及肾小管磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1（phosphoenolpyruvate carboxykinase 1, PCK1）表达降低的老年人类CKD肾脏中。基于玉米淀粉的营养调节改善了运动能力、肌肉质量和血清白蛋白水平，提示缓释碳水化合物调节可能是一个潜在的治疗切入点。这些发现支持一个模型，即肾功能障碍通过限制全身代谢储备和骨骼肌代谢灵活性促进消耗，尽管热量摄入得以维持。
论文解读：肾功能障碍驱动不依赖热量摄入的消耗及衰弱样肌表型的代谢机制
一、研究背景与科学问题
代谢灵活性（metabolic flexibility）是指机体根据营养可利用性和能量需求变化调整燃料利用的能力，日益被认为是代谢健康和衰老相关疾病的关键特征。代谢灵活性的丧失与能量稳态受损、应激耐受性下降以及年龄相关的骨骼肌功能衰退密切相关。因此，肌肉衰减症（sarcopenia）和衰弱（frailty）可能不仅反映局部肌肉功能障碍，更反映全身系统性代谢适应的损害。
慢性肾脏病（chronic kidney disease, CKD）在老年人群中高度流行，并与肌肉衰减症、衰弱、残疾和死亡率密切相关。传统上，CKD相关的肌肉消耗被归因于体力活动减少、炎症、代谢性酸中毒、尿毒症毒素、营养不良和内分泌异常等因素，但肾功能障碍促进肌肉质量和功能进行性丧失的机制仍不完全清楚。特别值得关注的是，CKD是否通过改变全身能量代谢和器官间燃料适应，从而 predispose 肌肉衰减症和躯体衰弱的发生。
研究CKD相关全身能量代谢变化具有挑战性，因为CKD很少作为孤立的代谢疾病出现。在临床人群中，CKD常在衰老背景下发生，并与高血压、血管功能障碍、肥胖、糖尿病、血脂异常和心力衰竭共存，这一疾病聚集日益被概念化为心血管-肾脏-代谢（cardiovascular-kidney-metabolic, CKM）综合征框架。这些重叠的疾病状态可限制全身代谢灵活性、器官间代谢适应和肌肉稳态，但肾功能障碍在此背景下如何改变组织维持仍知之甚少。
流行病学研究一致将CKD与肌肉衰减症和衰弱联系起来，但这些关联多在伴有大量心肾代谢合并症的老年人中观察到。相反，单纯的实验性肾单位丢失（包括5/6肾切除）并不总能重现明显的肌肉衰减症表型。这些观察提示，CKD可能作为允许性或放大性因素发挥作用，明显的消耗主要在肾功能障碍叠加于衰老相关脆弱性或额外心肾代谢应激时才显现。
衰老、心肾代谢合并症和肾单位丢失的汇聚提示，CKD相关的肌肉衰减症可能至少部分源于全身燃料适应的损害，而非孤立的肌肉病理。全身燃料适应的核心组成部分是肝-肌底物循环：骨骼肌消耗葡萄糖并在禁食或应激期间提供乳酸、丙氨酸和谷氨酰胺等糖异生底物，而肝脏利用这些底物维持全身葡萄糖可用性。肾脏也参与内源性葡萄糖生成，但肾代谢储备的丧失是否破坏肝-肾-肌燃料适应并促成CKD相关消耗，仍未得到充分探索。
二、研究设计与核心发现
基于上述框架，研究人员探讨了心肾代谢应激下肾功能障碍是否破坏葡萄糖相关的器官间代谢适应，并在热量摄入保持不变的情况下促进组织消耗。为模拟这一相互作用，研究人员将5/6肾切除与高脂饮食（high-fat diet, HFD）和一氧化氮合酶抑制剂L-NAME（Nω-Nitro-L-arginine methyl ester）处理相结合，这一实验方法结合了脂质过载和一氧化氮合酶抑制介导的血管应激，重现了射血分数保留型心力衰竭（heart failure with preserved ejection fraction, HFpEF）心肾代谢功能障碍的特征。研究人员还检测了衰老叠加肾单位丢失的小鼠模型，以及人类肾活检标本中的肾脏PCK1表达，以确定相关的肾单位丢失相关代谢脆弱性是否也在生理性衰老中观察到。整合代谢组学和转录组学分析以及基于玉米淀粉的营养调节进一步用于定义与该表型相关的代谢程序及其营养可修饰性。
研究结果显示，肾单位丢失可将心肾代谢应激的代谢后果从葡萄糖不耐受和体重增加转向不依赖热量摄入的消耗，并伴有肌肉衰减症和躯体衰弱特征。这一表型转变伴随着骨骼肌代谢适应不良和适应性葡萄糖稳态受损，与葡萄糖相关器官间代谢适应被破坏相一致。综合来看，这些发现支持一个工作模型：叠加的肾功能障碍限制全身代谢储备和骨骼肌代谢灵活性，从而在热量摄入得以维持的情况下促进组织消耗。
三、关键技术方法
研究人员主要采用了以下关键技术方法：其一，建立小鼠疾病模型，包括心肾代谢应激模型（高脂饮食联合L-NAME处理叠加5/6肾切除）和衰老叠加肾单位丢失模型（74–82周龄老年小鼠行5/6肾切除），使用C57BL/6J和C57BL/6N雄性小鼠；其二，整合多组学分析，包括骨骼肌、肝脏的RNA测序（RNA-sequencing）和血清、骨骼肌、肝脏的毛细管电泳-飞行时间质谱（capillary electrophoresis–time-of-flight mass spectrometry, CE-TOFMS）非靶向代谢组学分析；其三，功能性代谢评估，包括腹腔葡萄糖耐量试验（intraperitoneal glucose tolerance test, IPGTT）和乳酸-丙酮酸耐量试验（lactate-pyruvate tolerance test, LPTT）；其四，表型评估，包括握力测试、跑步机运动耐力测试、组织学肌纤维横截面积分析；其五，人类肾活检标本的PCK1免疫组织化学分析，样本来源于名古屋大学医院2018–2025年间诊断为肾硬化的210例患者中筛选出的30例（14例≤50岁年轻患者和16例≥75岁老年患者）。
四、研究结果
心肾代谢应激下肾功能障碍与不依赖热量摄入的消耗和衰弱样肌表型相关。 研究人员将肾单位丢失与高脂饮食和L-NAME处理相结合，设置对照组（C）、肾切除组（N）、高脂+L-NAME组（HL）和高脂+L-NAME+肾切除组（HLN）四组。HL小鼠在观察期间体重显著增加，而HLN小鼠尽管热量摄入与HL小鼠相当，却未能增重且处死时体重较低。HLN小鼠表现出握力降低、跑步机耐力受损、腓肠肌重量减少、肌纤维横截面积减小和血清白蛋白水平降低。心血管应激和全身炎症指标不能解释HLN特异性的衰弱表型。值得注意的是，HLN小鼠暴露于高脂喂养（血清总胆固醇升高）但未发展出HL小鼠的肥胖倾向和肝脏脂肪变性表型，而是转向体重增加受损、骨骼肌消耗和低白蛋白血症。通过比较N、LN（肾切除+L-NAME）、HN（肾切除+高脂）和HLN组，研究人员确认完整的HLN表型仅在肾单位丢失与高脂喂养和L-NAME处理三者结合时出现。
叠加的肾单位丢失减弱心肾代谢应激诱导的葡萄糖不耐受和高胰岛素血症。 腹腔葡萄糖耐量试验显示，HL小鼠表现出明显的葡萄糖不耐受，而HLN小鼠的血糖波动相对于HL小鼠减弱，其曲线下面积（area under the curve, AUC）与对照组无显著差异。空腹胰岛素水平仅在HL小鼠中显著升高，而HLN小鼠与对照组相当。空腹胰高血糖素水平各组间无显著差异，但HLN小鼠的胰高血糖素/胰岛素比值升高，表明其激素谱与HL小鼠的空腹高胰岛素血症截然不同。因此，HLN小鼠的消耗表型并未伴随HL小鼠所观察到的明显葡萄糖不耐受或空腹高胰岛素血症。
HLN小鼠表现出骨骼肌代谢重塑，但无典型萎缩基因的持续诱导。 禁食12小时后，N和HLN小鼠的骨骼肌糖原含量降低。维恩图分析鉴定出8个在HLN骨骼肌中相对于C、N和HL组均一致下调的基因，包括己糖激酶2（hexokinase 2, Hk2）和碳水化合物反应元件结合蛋白（carbohydrate-responsive element-binding protein, ChREBP，由Mlxipl编码），且未检测到一致上调的基因。Hk2和Mlxipl在禁食条件下在HLN小鼠中表达降低，而进食条件下差异不明显，表明禁食选择性揭示HLN骨骼肌中葡萄糖相关转录程序的抑制。基因热图显示，HLN骨骼肌中葡萄糖感知、葡萄糖转运和糖酵解相关基因（包括Mlxipl、Slc2a4和Hk2）表达降低，同时糖酵解中间代谢物积累。HL小鼠表现出脂肪酸氧化和脂质代谢相关基因的上调，而这一HL相关的诱导在HLN小鼠中未观察到，提示HLN骨骼肌在高脂喂养下未能启动脂质利用基因程序。经典萎缩相关基因（Mstn、Fbxo32、Trim63）在HLN小鼠中未增加，表明持续的典型转录萎缩程序并不明显。然而，代谢组学特征（包括3-甲基组氨酸增加和氨基酸比值改变）与氨基酸分解代谢和氮代谢重塑一致。
HLN小鼠对糖异生底物的升糖反应受损并伴有肝脏代谢重塑。 乳酸-丙酮酸耐量试验显示，N和HL小鼠在乳酸-丙酮酸给药后血糖波动大于对照组，而HLN小鼠表现出迟钝的升糖反应，Δ葡萄糖AUC显著降低。肝脏中，Pck1和G6pc表达在HL小鼠中显著降低，而两者在HLN小鼠中相对于HL小鼠部分恢复但未达到对照组水平。肾脏中，Pck1表达在HL条件下趋于增加。肝脏代谢组学的主成分分析显示，HL和HLN小鼠的肝脏代谢谱 largely 重叠并与C和N小鼠明显分离，表明肝脏代谢重塑的主要成分与HFD+L-NAME诱导的心肾代谢应激相关而非肾单位丢失单独所致。HL和HLN小鼠相对于C和N小鼠均出现糖异生相关底物和中间代谢物积累。HLN肝脏相对于N小鼠的代谢物富集分析将磷酸戊糖途径鉴定为最显著富集的通路，其次是糖异生相关通路。RNA测序进一步显示，HLN肝脏中包括Pck1、G6pc、Fbp1和Pcx在内的糖异生相关基因程序协调下调。因此，HFD+L-NAME诱导的心肾代谢应激在HL和HLN小鼠中均伴随肝脏葡萄糖相关代谢重塑，但仅HLN小鼠表现出对乳酸-丙酮酸挑战的迟钝升糖反应，提示叠加的肾单位丢失损害心肾代谢应激下的适应性葡萄糖稳态。
衰老和肾单位丢失与衰弱样肌表型和升糖反应受损相关。 研究人员分析了年轻和老年小鼠伴或不伴肾切除，设置年轻对照（YC）、年轻肾切除（YN）、老年对照（AC）和老年肾切除（AN）四组。年轻肾切除小鼠在观察期间未表现出明显的衰弱样肌表型。相比之下，老年肾切除小鼠在肾单位丢失后表现出持续的体重下降且未能恢复。握力随衰老降低，而跑步机耐力在衰老叠加肾单位丢失时显著受损。腓肠肌重量仅在老年肾切除小鼠中降低，肌纤维横截面积随衰老减小并在肾切除后进一步降低。乳酸-丙酮酸耐量试验显示，老年对照小鼠相对于年轻对照小鼠升糖反应迟钝，肾单位丢失进一步加重了老年小鼠的这一损害，而在年轻小鼠中作用有限。肝脏和肾脏中Pck1和G6pc表达在老年小鼠中相对于年轻对照降低。老年肾切除小鼠的肝脏Pck1表达相对于老年对照增加但仍低于年轻小鼠，与肾质量减少背景下肝脏Pck1表达的适应性增加一致。血清胰岛素和胰高血糖素水平未因衰老或肾切除而显著改变。
老年CKD患者肾小管PCK1表达降低。 研究人员分析了2018–2025年间诊断为肾硬化的210例患者的肾活检标本，筛选血清肌酐≤2.0 mg/dL、排除糖尿病（HbA1c≥7.0%）和皮质组织不足的标本后，30例纳入最终分析，包括14例≤50岁年轻患者和16例≥75岁老年患者。两组间年龄差异显著，而估算肾小球滤过率（estimated glomerular filtration rate, eGFR）、体重指数、蛋白尿、血清白蛋白和血糖指标相当。免疫组织化学分析显示，老年患者的肾活检标本中许多肾小管PCK1染色弱或不可检测，PCK1阳性肾小管面积在老年患者中显著低于年轻患者，与人类CKD中肾小管PCK1表达的年龄相关降低一致。
基于玉米淀粉的营养调节改善HLN小鼠的衰弱样肌表型。 鉴于HLN小鼠表现出禁食相关的骨骼肌葡萄糖相关代谢程序抑制和糖异生底物升糖反应迟钝，研究人员测试了基于玉米淀粉的营养调节。玉米淀粉喂养在禁食8小时后增加血糖水平，而禁食12小时后差异不再明显，肾功能未显著改变。玉米淀粉喂养的HLN小鼠处死时体重低于蔗糖喂养的HLN小鼠，但这一体重降低伴随腓肠肌质量增加和附睾及皮下脂肪组织重量减少，表明身体组成转变而非普遍性体重增加。玉米淀粉喂养的HLN小鼠表现出跑步机耐力改善、肌纤维横截面积增加和血清白蛋白水平升高。玉米淀粉喂养还部分恢复了禁食条件下包括Hk2在内的选定葡萄糖相关基因表达，而Mlxipl未显著增加。此外，尽管CKD组肉碱水平降低，肉碱补充未改善肌肉功能或质量且恶化了葡萄糖耐量，表明提供替代的脂肪酸相关底物不足以拯救HLN肌肉表型。
五、讨论与结论
本研究的核心发现是，叠加的肾功能障碍可将心肾代谢应激的代谢后果从体重增加和葡萄糖不耐受转向不依赖热量摄入的消耗，并伴有肌肉衰减症和躯体衰弱特征。这一表型转变伴随着骨骼肌、肝脏和肾脏中葡萄糖相关器官间代谢适应受损的代谢重塑。HLN模型捕获了肌肉衰减症的多个核心领域，包括骨骼肌质量减少、肌纤维变小、握力受损和运动耐力降低，这在实验性CKD相关肌肉消耗模型中具有重要意义。
值得注意的是，HLN表型不能轻易用CKD相关肌肉衰减症中经典引用的机制来解释。HLN小鼠在缺乏HL小鼠所观察到的葡萄糖不耐受和高胰岛素血症表型的情况下发展出肌肉衰减症和躯体衰弱特征。热量摄入得以维持，肾功能障碍和TNFα升高在N和HLN小鼠之间相当，而仅HLN小鼠在多个领域发展出肌肉衰减症表型。这些发现指向热量摄入与组织维持之间的不匹配，不能仅用传统机制解释。
骨骼肌分析揭示，HLN肌肉表现出包括Hk2和Mlxipl在内的下调转录组特征、禁食相关的葡萄糖相关基因降低、糖原含量减少、更广泛的葡萄糖相关基因程序抑制和糖酵解代谢物积累。此外，HL小鼠中高脂喂养诱导的脂质利用基因程序在HLN小鼠中未被诱导，氨基酸分解代谢特征增加而无典型转录萎缩程序的持续激活。因此，HLN骨骼肌似乎进入一种以代谢灵活性受损为特征的代谢适应不良消耗状态，而非简单的降解驱动萎缩程序。
肝脏和肾脏的发现进一步表明，全身血糖适应改变伴随这一骨骼肌表型。HL和HLN小鼠的肝脏代谢谱 largely 重叠，表明心肾代谢应激驱动了肝脏代谢重塑的主要成分，但仅HLN小鼠表现出对乳酸-丙酮酸挑战的迟钝升糖反应。LPTT期间的升糖反应反映葡萄糖出现与消失之间的净平衡，HLN小鼠的迟钝反应可能源于糖异生葡萄糖生成减少、葡萄糖清除加速或两者兼有。衰老叠加肾单位丢失模型重现了HLN小鼠的关键特征，包括对乳酸-丙酮酸挑战的升糖反应受损和肝肾糖异生基因表达降低，表明HLN模型中分离的心肾代谢应激成分可能代表衰老相关脆弱性的一个代谢相关维度。老年CKD患者肾小管PCK1表达降低进一步支持年龄相关的肾葡萄糖相关代谢机制损害可能先于肾功能晚期丧失。
玉米淀粉干预表明HLN表型的关键肌肉衰减症和躯体衰弱特征是可修饰的。用缓释玉米淀粉替代膳食蔗糖在不禁逆转肾功能障碍的情况下增加了禁食8小时后的血糖水平，并改善了跑步机耐力、腓肠肌质量、肌纤维大小和血清白蛋白，尽管体重较低且脂肪组织质量减少。肉碱补充缺乏改善进一步表明提供替代的脂肪酸相关底物不足以拯救HLN肌肉表型。
研究结论指出，肾功能障碍可将心肾代谢应激的代谢后果从葡萄糖不耐受和体重增加转向不依赖热量摄入的消耗，并伴有肌肉衰减症和躯体衰弱特征。这一转变与适应性葡萄糖稳态受损和骨骼肌代谢适应不良相关，而非食物摄入减少、单独肾功能障碍、炎症或HL样葡萄糖不耐受表型。玉米淀粉营养调节的部分拯救进一步表明该表型的关键特征是可修饰的。这些发现支持一个框架，即CKD相关肌肉衰减症和躯体衰弱的一个亚群反映器官间代谢适应受损，并为未来研究衰老和CKD中肝-肾-肌葡萄糖通量提供了理论基础。
