《Archives of Biochemistry and Biophysics》：Assessment of Redox-Related Mitochondrial Variations in a Renal Ischemia Reperfusion Model Utilizing a Multimodal Approach
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本研究通过建立缺血再灌注（IR）大鼠模型，结合活体与离体肾脏组织DRS分析、血清及线粒体自荧光分子（NADH/FAD）检测，以及氧化应激标志物评估，揭示了IR早期肾损伤的代谢与分子机制。结果显示，IR组血清和线粒体中NADH/FAD水平显著升高，氧化应激标志物（MDA、L-OOH、dityrosine等）增加，且离体线粒体DRS信号显著减弱，证实DRS在监测线粒体功能障碍中的有效性。该研究为光学与生化整合诊断提供了新依据。
Gulsum Karduz | Merve Nur Ge?in | Muzaffer Utku Cakir | Serap Akta? Y?ld?r?m | Karolin Yanar | Faruk Kavak | Adem Soylam?? | Fevzi Toraman | Ugur Aksu
土耳其伊斯坦布尔大学理学院生物系
摘要
急性肾损伤（AKI）是一种严重的临床状况，其特征是肾功能突然丧失，并伴有复杂的代谢和结构变化。在本研究中，我们使用缺血-再灌注（IR）模型探讨了AKI的早期分子和代谢效应。本研究旨在评估总自荧光分子的水平，分析漫反射光谱（DRS）的结果，并了解氧化应激生物标志物和功能参数在肾脏IR中的作用。IR模型在大鼠中应用，通过光纤探针在体内测量肾脏和分离的线粒体的DRS数据。此外，还使用荧光光谱仪检测了血清和线粒体分离物中的NADH和FAD水平。分析了肾脏功能/损伤参数（肌酐、KIM-1、NGAL和L-FABP）以及氧化应激生物标志物（MDA、L-OOH、二酪氨酸和AOPP）。在IR组中，血清和线粒体分离物中的NADH和FAD水平均显著升高。氧化应激生物标志物如二酪氨酸和脂质过氧化物也在IR组中增加。对线粒体分离物的DRS分析显示IR组的光学信号显著降低，但在体内DRS分析中未检测到显著变化。血清和线粒体中的功能参数与氧化应激参数之间存在显著相关性。尽管在组织水平上不显著，但在线粒体水平上观察到的变化证明了DRS的有效性。本研究强调了整合光学和生化方法以阐明IR对线粒体相关代谢过程影响的重要性。
引言
缺血-再灌注（IR）损伤发生在器官的血流暂时中断后血流恢复时，这对器官功能至关重要。由于肾脏对氧气的需求较高，因此缺血性急性肾损伤（AKI）是最常见的AKI类型之一（Chen等人，2024年）。肾脏特别容易受到缺血引起的损伤。IR介导的AKI会触发损害肾小管细胞的过程，影响代谢功能，引发氧化应激和炎症，最终导致细胞死亡。尽管有许多研究，但IR引起的肾脏损伤所导致的生化和细胞过程的变化仍未完全了解（Lee等人，2018年；Y. Liao等人，2024年；N?rg?rd & Svenningsen，2023年；Xiong等人，2023年）。
从组织反射的光线包含了有关潜在生物结构的光吸收和散射特性的信息。因此，可以通过分析漫反射光谱（DRS）信号来监测吸收色素和散射体的状态。使用光学测量系统（如DRS）可以评估病理条件下活体组织的结构和功能变化。由于能够进行实时和重复测量，光谱数据可用于建立客观诊断（Bydlon等人，2015年；Nogueira等人，2021年；Takihata等人，2021年）。
细胞的自荧光特性提供了关于生物分子中内源性荧光团的见解。线粒体调节细胞能量代谢并维持器官功能。像烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）这样的分子是自荧光生物分子，可以指示线粒体状态，反映代谢反应、能量产生和细胞内氧气水平。病理过程预计会改变内源性荧光团的数量和分布，从而影响组织的自荧光特性（Nogueira等人，2021年；Sepehr等人，2012a）。IR期间的能量代谢变化可能导致蛋白质和脂质代谢受损，这归因于活性氧水平的升高。因此，了解各种内源性荧光团的光谱特性至关重要（Sepehr等人，2012b；Shrirao等人，2021年）。然而，目前尚缺乏有效解释氧化损伤的生化标志物与监测IR介导的肾脏代谢变化的光学方法之间关系的研究。
在本研究中，我们的目标是通过综合方法评估肾脏对IR损伤反应中的线粒体功能障碍和氧化损伤，重点关注组织内的光学、生化和代谢变化。我们的主要假设是，线粒体IR损伤，特别是脂质和蛋白质代谢中的氧化紊乱，会导致肾脏组织的光学特性发生可测量且显著的变化。为了验证这一假设，我们使用肾上腺主动脉阻断建立了肾脏IR模型，并对肾脏组织、分离的线粒体和血清样本进行了广泛分析。我们使用DRS分析了肾脏组织和线粒体的光学特性。此外，我们还研究了各种因素之间的关系，包括肾脏功能标志物（肌酐）、肾脏细胞损伤标志物（NGAL、KIM-1、L-FABP）、氧化应激标志物（MDA、L-OOH、AOPP、DT、KYN）以及线粒体功能参数（NADH、FAD）。我们的发现将有助于开发新的多参数诊断方法。
伦理声明
所有实验均按照欧洲议会和理事会2010年9月22日发布的2010/63/EU指令的ARRIVE指南和附件III中规定的伦理标准进行，该指令涉及用于科学目的的动物保护。Ac?badem大学动物实验本地伦理委员会审查并批准了实验方案（许可编号2023/10）。
动物
共购买了14只14-15周大的雄性Wistar大鼠，来自Ac?badem大学实验中心
结果
在体内实验设置中，对350-850 nm波长范围内的肾脏组织样本的漫反射强度进行检测时，发现对照组和IR组在基线期、缺血期和再灌注期之间的DRS信号没有显著差异（p > 0.05）（图1）。
在线粒体样本中，DRS分析显示IR组的最大强度（图2-B）和曲线下面积与对照组相比显著降低
讨论
本研究旨在使用漫反射光谱和荧光光谱测量，以及氧化应激参数，全面评估高灌注组织中IR引起的线粒体变化。我们的发现表明，分离的缺血性肾脏线粒体中漫反射强度的降低可能与NADH和FAD的荧光测量增加有关。此外，这些变化与可能导致损伤的过程相关
结论
总之，本研究通过分析自荧光信号、氧化应激生物标志物和DRS结果，研究了肾脏IR模型对细胞代谢过程的影响。目的是通过将DRS信号的变化与分子水平的线粒体功能障碍相关联，阐明肾脏损伤的生物学机制。研究结果提供了关于IR损伤的宝贵见解，突出了NADH和FAD水平的变化以及氧化应激的情况
作者贡献声明
Merve Nur Ge?in： 方法学
Serap Akta? Y?ld?r?m： 方法学
Muzaffer Utku Cakir： 写作 – 审稿与编辑、方法学、研究
Faruk Kavak： 方法学
Karolin Yanar： 方法学
Fevzi Toraman： 研究
Adem Soylam??： 方法学
Ugur Aksu： 写作 – 审稿与编辑、写作 – 原稿撰写、监督、项目管理、方法学、研究、资金获取、数据管理、概念化
Gulsum Karduz： 写作 – 审稿与编辑、写作 –
披露声明
作者声明没有需要披露的利益冲突。
致谢
本工作得到了伊斯坦布尔大学科学研究项目协调部门的支持（项目编号：FBA-2023-39811）。
