基于核磁共振的尿液代谢组学分析用于评估医护人员热应激相关新发肾损伤

《GeoHealth》：Nuclear Magnetic Resonance–Based Urinary Metabolic Profiling for Assessing Heat Stress–Related Incident Kidney Injury in Health-Care Workers

　　

在COVID-19大流行期间，热应激（HS）是穿着个人防护装备（PPE）的医护人员（HCWs）面临的严重职业风险，该装备限制散热并增加肾损伤风险。在这项探索性研究中，研究人员评估了在台湾移动COVID-19筛查单位工作的38名HCWs中与HS相关的尿液代谢物变化及其在新发肾损伤（IKI）中的可能作用。研究人员在班次前后收集尿液样本。采用基于核磁共振（NMR）的代谢组学测量与HS相关的尿液代谢扰动，并将这些发现随后与IKI的临床标志物相关联。通过多变量和单变量分析数据。研究人员发现，牛磺酸和氧化三甲胺（TMAO）水平的HS相关变化显示出与班后IKI相关的趋势。IKI人群班前尿液柠檬酸、丙酮和4-羟基苯甲酸水平往往高于非IKI人群。与非IKI人群相比，IKI人群表现出班后谷氨酸和缬氨酸水平较低，而班后柠檬酸、牛磺酸、TMAO和组氨酸水平较高的趋势。HS后水平发生改变的代谢物包括肌酸、甲基胍、甲酸盐、甲基丙二酸、4-羟基苯甲酸、腺嘌呤、马尿酸和色氨酸。初步发现表明，IKI人群中较高的班后尿液牛磺酸水平可能与氧化应激有关。相反，升高的TMAO水平可能表明肠道-肾脏轴紊乱影响肾脏健康。较高的基线尿液柠檬酸和丙酮可能提示对HS相关IKI的易感性增加。最后，非IKI人群中升高的尿液谷氨酸可能代表一种保护性代谢反应。

**论文解读文章**

**研究背景**
在COVID-19大流行期间，医护人员（HCWs）因长时间穿戴个人防护装备（PPE）而面临严重的热应激（HS）。HS限制机体散热，增加脱水、血肌酐升高及急性肾损伤（AKI）的风险。流行病学证据表明，极端高温显著增加职业损伤风险，且HS与心血管死亡和肾脏疾病相关。动物模型显示，HS导致线粒体功能障碍、肾小球滤过率下降及关键代谢通路（如糖异生和脂质代谢）紊乱。此前研究人员在台湾移动COVID-19筛查单位开展的纵向研究证实，穿戴PPE的HCWs在2小时班次后出现估算肾小球滤过率（eGFR）显著下降、血肌酐升高及蛋白尿风险增加，提示肾损伤风险升高。然而，HS相关肾损伤的潜在代谢扰动机制尚未明确。为此，本研究旨在通过尿液代谢组学探索热应激HCWs的代谢特征，并识别与HS相关新发肾损伤（IKI）的潜在代谢生物标志物。该研究成果发表在《GeoHealth》。

**主要技术方法（不超过250字）**
本研究采用自我对照重复测量设计，于2021年9月至10月从台湾北部移动COVID-19筛查单位招募38名HCWs（原39人，因1人尿液样本不足被排除）。班前与班后采集尿液样本及指尖血，IKI定义为血肌酐较基线升高>0.3 mg/dL或>1.5倍（依据KDIGO指南）。核心技术为基于600 MHz ¹H核磁共振（NMR）的代谢组学分析，使用Bruker Neo 600 MHz谱仪采集谱图，经相位校正、总谱面积归一化、对数转换及帕累托缩放后，通过主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）及Wilcoxon符号秩检验与Mann-Whitney U检验进行多变量和单变量统计分析，并采用Benjamini-Hochberg（BH）方法控制假发现率。

**研究结果**

**队列特征**
班后共有9名HCWs被诊断为IKI。IKI与非IKI人群在性别、年龄、BMI、吸烟、饮料摄入、PPE时长、液体摄入量及eGFR等方面无显著差异。但IKI人群班后体温（中位数36.8°C vs. 36.5°C，P=0.027）和血肌酐水平（1.2 mg/dL vs. 0.9 mg/dL，P<0.001）显著高于非IKI人群。

**全体HCWs的代谢变化**
通过PLS-DA分析，班前与班后尿液样本沿第一潜变量出现分离（R2Y=0.33，Q2=0.06）。班后全体HCWs（N=38）尿液中肌酸（P=0.006，BH校正P=0.025）、甲基胍（P=0.002，BH校正P=0.018）和TMAO（P=0.004，BH校正P=0.025）水平显著升高；而甲酸盐（P=0.01，BH校正P=0.033）、甲基丙二酸（P=0.001，BH校正P=0.013）、4-羟基苯甲酸（P=0.005，BH校正P=0.025）、腺嘌呤（P<0.001，BH校正P=0.006）、马尿酸（P<0.001，BH校正P=0.001）和色氨酸（P=0.008，BH校正P=0.030）水平显著降低。缬氨酸呈升高趋势（P=0.043，BH校正P≥0.05）。

**IKI与非IKI人群的比较**
班前水平：IKI人群尿液柠檬酸显著高于非IKI人群（P<0.001，BH校正P=0.008），4-羟基苯甲酸（P=0.009）和丙酮（P=0.01）呈升高趋势（BH校正P≥0.05）。班后水平：IKI人群尿液谷氨酸（P=0.012）、缬氨酸（P=0.034）呈降低趋势，而柠檬酸（P=0.006）、牛磺酸（P=0.011）、TMAO（P=0.028）和组氨酸（P=0.021）呈升高趋势（所有BH校正P≥0.05）。

**IKI与非IKI人群组内变化**
在IKI人群（n=9）中，班后尿液肌酸（P=0.011）和TMAO（P=0.011）呈升高趋势，而4-羟基苯甲酸（P=0.008）、腺嘌呤（P=0.015）、马尿酸（P=0.021）、色氨酸（P=0.008）和丙酮（P=0.021）呈降低趋势（BH校正P≥0.05）。在非IKI人群（n=29）中，班后马尿酸显著降低（P<0.001，BH校正P=0.018），甲酸盐（P=0.032）、甲基丙二酸（P=0.006）和腺嘌呤（P=0.013）呈降低趋势，甲基胍（P=0.009）呈升高趋势（BH校正P≥0.05）。

**讨论总结**
**4.1 牛磺酸与TMAO与HS及肾功能的关系**
研究人员发现，IKI人群班后尿液牛磺酸水平升高与血肌酐呈正相关（rs=0.717，P=0.030），但与血压无显著相关，提示牛磺酸升高更多与肾功能障碍相关，而非单纯血流动力学改变。牛磺酸可能通过清除活性氧（ROS）和稳定线粒体功能参与抗氧化应激；而TMAO作为肠道菌群代谢产物，其升高与肠道屏障破坏和系统性炎症相关，可能加重肾毒性。HS可能通过增加ROS和内质网应激，同时诱导肠道菌群失调，促进TMAO生成，从而共同影响肾损伤风险。

**4.2 柠檬酸、丙酮、4-羟基苯甲酸及谷氨酸水平**
IKI人群班前柠檬酸、丙酮和4-羟基苯甲酸水平较高，提示可能存在预先存在的代谢特征（如相对高碱性状态），增加对HS相关肾损伤的易感性。柠檬酸排泄增加可能与肾小管功能受损或酸碱稳态紊乱有关；酮体丙酮增高可能反映系统性碱化状态。非IKI人群班后谷氨酸水平升高，而IKI人群无此变化，提示谷氨酸可能源于赖氨酸代谢，后者在盐敏感性高血压模型中具有肾脏保护作用，谷氨酸升高可能反映一种保护性代谢适应。

**4.3 HS相关代谢变化**
IKI人群班后肌酸升高（提示碱性倾向）及TMAO、4-羟基苯甲酸、腺嘌呤、马尿酸、色氨酸、丙酮的变化，与HS相关的能量代谢和氧化应激通路紊乱一致。这些变化多为趋势性，可能由于样本量小及个体差异。非IKI人群的甲酸盐、甲基丙二酸降低更多反映对HS的适应性反应而非肾损伤。

**研究结论翻译**
研究人员调查了HCWs中与PPE使用相关的尿液代谢异常，识别出与HS相关IKI相关的潜在尿液代谢扰动。HS期间尿液TMAO水平的升高提供了描述性信号，表明TMAO可能与肾损伤风险增加相关。此外，IKI人群班后尿液牛磺酸水平呈升高趋势，提示牛磺酸可能反映对氧化损伤的生理反应。因此，进一步探索氧化应激可能为预防HS相关肾损伤的未来策略提供依据。研究人员还注意到，IKI人群基线尿液柠檬酸、丙酮和4-羟基苯甲酸水平相对较高，提示可能存在预先存在的碱性倾向及对环境暴露的潜在易感性。然而，非IKI人群班后谷氨酸水平高于IKI人群，可能反映非IKI人群中的适应性或保护性机制。由于这些发现为假设生成性，未来需要大规模研究或动物研究来验证这些观察并建立因果关系。改善HCWs在热环境下的工作条件，如优化PPE以改善散热，可能降低HS相关肾损伤风险。