《Diabetes, Metabolic Syndrome and Obesity》：New Insights into the Role of Mitochondrial Dysfunction in Diabetic Kidney Disease in the Omics Era
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糖尿病肾病（DKD）是糖尿病的主要微血管并发症，也是全球终末期肾病的主要原因。越来越多的证据表明，线粒体功能障碍通过连接代谢重编程、氧化应激和炎症反应，成为DKD进展的核心驱动因素。空间组学、基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和微生物组分析的最新进展，使
糖尿病肾病（DKD）是糖尿病的主要微血管并发症，也是全球终末期肾病的主要原因。越来越多的证据表明，线粒体功能障碍通过连接代谢重编程、氧化应激和炎症反应，成为DKD进展的核心驱动因素。空间组学、基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和微生物组分析的最新进展，使得能够表征线粒体功能的细胞特异性和动态改变及其与肾脏微环境的相互作用。跨这些分子层面的整合分析揭示了涉及线粒体质量控制、代谢重编程和炎症信号传导的关键机制，同时识别出潜在的生物标志物和治疗靶点。此外，这些方法为常规疗法和中药活性化合物的肾脏保护作用提供了机制性见解。本整合性综述综合了现有证据，以阐明线粒体功能障碍在DKD发病机制中的作用，并讨论了生物标志物发现和精准治疗的新兴机遇。
The Pathobiology of Mitochondrial Dysfunction is Incompletely Understood in DKD
高血糖诱导的线粒体功能障碍是DKD进展的关键驱动因素。过量的葡萄糖和脂质底物会增加电子供体（包括NADH和黄素腺嘌呤二核苷酸）的产生，压倒线粒体电子传递链，促进过度的活性氧（ROS）生成。这些ROS会损伤线粒体内膜上的线粒体DNA（mtDNA），损害呼吸链功能。此外，ROS通过抑制内皮型一氧化氮合酶降低一氧化氮的生物利用度，从而加剧氧化应激。氧化性线粒体损伤还会促进损伤相关分子模式（DAMPs）的释放，激活炎症通路，导致进行性肾损伤。氧化应激与肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）过度激活之间的恶性循环加速了DKD中的肾损伤。血管紧张素II通过AT1受体诱导线粒体功能障碍（增加超氧化物，激活UCP2）并抑制eNOS。同时，RAAS上调盐皮质激素受体，促进进一步的氧化应激和纤维化。反之，氧化应激通过ROS诱导的mtDNA损伤和DAMP释放刺激Ang II的产生，从而助长RAAS。这种双向串扰持续存在线粒体功能障碍和肾损伤。线粒体质量控制缺陷是DKD的另一个标志。受损的自噬减少了对受损线粒体的清除，导致功能失调的细胞器积累和持续的DAMP释放。这一过程维持了炎症反应并进一步加重了氧化应激。此外，促纤维化和衰老相关因子，如转化生长因子-β（TGF-β），可以进一步抑制自噬，形成一个自我延续的线粒体损伤和炎症循环。线粒体动力学对于维持细胞能量稳态至关重要。在生理条件下，线粒体融合、分裂和自噬协同作用，通过消除受损线粒体和维持线粒体质量来保持线粒体完整性。在DKD中，高血糖破坏了这一平衡：倾向于分裂，损害自噬，导致线粒体碎片化、ATP减少和功能障碍。功能失调线粒体的积累进一步放大了氧化应激和炎症反应，从而加重肾损伤。代谢重编程是DKD中线粒体功能障碍的另一个标志。近端肾小管细胞（PTCs）具有高能量需求，主要依赖线粒体脂肪酸β-氧化产生ATP。然而，线粒体功能障碍抑制脂肪酸β-氧化并促进向糖酵解的代谢转变，导致能量产生减少和ROS生成增加。持续的氧化应激和能量缺乏随后激活衰老相关通路，从而促进肾小管细胞过早衰老并加速DKD进展。尽管这些机制已被广泛研究，但其空间分布、细胞类型特异性异质性以及在疾病进展过程中的动态变化仍不完全清楚。最近空间组学的进展为在其天然组织环境中表征线粒体功能障碍提供了新的机会，从而能够更全面地理解DKD的分子景观。
Spatialomics
空间组学技术已成为剖析驱动DKD进展的区室特异性线粒体功能破坏的有力工具。这些方法，包括空间转录组学、空间代谢组学和空间蛋白质组学，共同阐明了线粒体生物学、脂质代谢和炎症信号传导的空间受限改变如何在空间上汇聚以促进区域特异性肾损伤。空间转录组学揭示了DKD中线粒体功能障碍显著的细胞类型和区域特异性异质性。单细胞多组学和空间图谱鉴定出损伤的近端肾小管（iPT）细胞，特别是iPT_VCAM1+亚型，作为纤维化微环境（FMEs）的关键组分，其特征是脂肪酸氧化（FAO）受损、糖酵解增强以及SPP1/CXCL12介导的促纤维化信号增加。空间代谢组学分析已识别出与DKD中线粒体功能障碍相关的不同区域代谢特征。神经酰胺合酶6（CerS6）介导的神经酰胺积累促进了VDAC依赖性线粒体损伤和cGAS-STING通路的激活，而三羧酸（TCA）循环中间体的消耗表明肾小管线粒体氧化代谢受损。空间蛋白质组学通过证明促炎蛋白（CD45、CD68）与线粒体损伤的共定位以及硬化肾小球中糖酵解相关蛋白的富集，进一步在蛋白质水平验证了区室特异性线粒体异常，证实了空间转录组学鉴定的代谢重编程。
Transcriptomics
转录组学方法，包括批量RNA测序（RNA-seq）和单细胞或单核RNA测序（sc/snRNA-seq），通过实现基因表达和调控网络的细胞类型特异性表征，极大地推进了我们对DKD中线粒体功能障碍的理解。与传统的转录组学分析相比，单细胞技术在识别不同肾细胞群内的细胞异质性和线粒体改变方面提供了更高的分辨率。转录组学研究一致表明，线粒体质量控制（MQC）的破坏是DKD的一个核心特征。参与线粒体生物发生、自噬和氧化应激调节的基因表达改变，包括PGC-1α、TFAM、PINK1和Parkin，表明糖尿病肾脏中线粒体维持受损。此外，恢复DNMT1表达或激活CDX2/CFTR信号通路已被证明能改善线粒体质量控制和减轻肾纤维化，表明这些通路是潜在的治疗靶点。在单细胞水平上，转录组学分析进一步揭示了将线粒体功能障碍与炎症联系起来的细胞特异性机制。足细胞中CerS6的富集促进线粒体DNA泄漏和cGAS-STING激活，而PVT1-TRIM56-AMPKα轴的失调增强了线粒体分裂和NF-κB介导的炎症反应。转录组学分析还一致表明，氧化磷酸化和脂肪酸氧化受到抑制，而糖酵解程序增强，这是由HIF-1α、SIRT3和PGC-1α/PPARα轴的改变所介导的。这些转录异常可被SGLT2抑制部分逆转，提示了DKD干预的潜在代谢靶点。
Genomics
基因组学方法通过识别与疾病进展相关的易感性变异、线粒体DNA（mtDNA）改变和核编码线粒体基因（NEMG），为DKD中线粒体功能障碍的遗传基础提供了重要见解。与捕捉疾病相关表达变化的转录组学方法不同，基因组学侧重于遗传变异，并为DKD进展背后的遗传易感性和潜在因果关系提供证据。基因组学研究一致表明，mtDNA变异和NEMGs都导致线粒体功能障碍和DKD易感性。mtDNA的变异，连同诸如TBC1D32、SURF1和AGXT2等NEMGs，会损害线粒体氧化磷酸化和能量代谢，从而增加糖尿病患者肾损伤的易感性。通过孟德尔随机化（MR）和使用遗传工具（顺式SNPs）的共定位分析，发现线粒体相关基因如TUFM和ISCA2具有因基因组扰动而与糖尿病肾病因果相关的风险变异。除了遗传变异，基因组学分析还鉴定了参与线粒体稳态的调控分子。miR-379的表达增加抑制了与自噬和线粒体质量控制相关的基因，导致线粒体功能受损、氧化应激以及肾纤维化和蛋白尿的进展。此外，单核转录组学分析鉴定了一个保护性的KLF6-ApoJ-CaMK1D信号轴，该轴介导足细胞到肾小管的通讯并在DKD进展过程中维持线粒体功能。
Proteomic
线粒体损伤是一个关键汇聚机制，驱动DKD中的能量缺乏、氧化应激和肾小管损伤。蛋白质组学方法通过直接评估无法被基因组或转录组学分析完全捕获的线粒体蛋白丰度、功能改变和翻译后修饰，提供了补充性见解。最近的蛋白质组学技术进步有助于阐明线粒体功能障碍在DKD发病机制中的核心作用。尿α-1-微球蛋白/bikunin前体（AMBP）已被证明可以保护线粒体功能并保护近端肾小管上皮细胞免受氧化应激，表明其作为肾小管损伤生物标志物的潜力。此外，线粒体蛋白质组学分析鉴定了多个失调的线粒体蛋白，包括SLC25A16、ALDH3A2、NUDT19和NDUFA4L2，表明在DKD进展过程中线粒体转运、代谢和能量稳态的广泛破坏。蛋白质组学进一步证明，ACSL4的上调通过激活C/EBPα-ACSL4途径促进线粒体损伤和铁死亡，从而加速肾损伤。此外，CPT1a的高度乙酰化通过SIRT3-CPT1a通路的失调损害线粒体脂肪酸β-氧化，导致脂质积累和肾小管损伤。蛋白质组学还表明，糖基化衍生的蛋白如CML下调线粒体CPT2，从而损害β-氧化并促进DKD中的肾小管纤维化。
Metabolomics
代谢组学和脂质组学通过直接捕获与疾病进展相关的代谢物和脂质种类的改变，提供了对线粒体功能障碍的功能性见解。与转录组学和蛋白质组学方法相比，这些平台更密切地反映了线粒体损伤和代谢重塑的生化后果，为DKD提供了有价值的生物标志物和治疗靶点。代谢组学研究表明，DKD中的线粒体功能障碍以关键代谢物的改变为标志。改变的酰基肉碱谱表明线粒体脂肪酸β-氧化受损，而三羧酸（TCA）循环中间体、糖酵解代谢物和己二酰肉碱的变化反映了线粒体能量代谢的破坏。此外，尿素循环代谢物（包括鸟氨酸和瓜氨酸）的改变与线粒体精氨酸酶2（ARG2）相关，表明失调的线粒体生物发生、ROS产生和线粒体动力学促进了DKD进展。脂质组学分析进一步证明，磷脂重塑是DKD中线粒体功能障碍的标志。心磷脂水平降低以及乳糖基神经酰胺增加损害了心磷脂依赖性自噬并损害了线粒体膜完整性。此外，ChREBP-Gnpat通路的激活通过增加缩醛磷脂合成促进线粒体分裂，而ALCAT1介导的心磷脂重塑抑制AMPK信号，增强脂质过氧化，并加重足细胞损伤。
Gut Microbiome
越来越多的证据表明，肠道微生物组通过肠-肾轴是DKD中线粒体功能障碍的重要调节因子。DKD通过三个方面的连锁反应破坏肠道菌群平衡：微环境、代谢状况和免疫状态，其特征是有益菌如双歧杆菌、乳酸杆菌和普雷沃氏菌丰度降低，致病菌如肠杆菌科和克雷伯氏菌比例增加，以及厌氧菌减少。微生物组相关的代谢组学研究已经鉴定了几种调节DKD中线粒体功能的肠道菌群衍生代谢物。短链脂肪酸（SCFAs）通过激活G蛋白偶联受体（GPR41/43）和调节HDAC/NF-κB信号通路发挥肾脏保护作用，从而改善线粒体功能和抑制炎症。相反，有害的微生物代谢物，包括咪唑丙酸、己二酰肉碱和苯硫酸酯，会损害线粒体脂肪酸β-氧化和氧化磷酸化，激活炎症通路，并促进蛋白尿和肾小球损伤。宏基因组学和代谢组学分析进一步证明，产丁酸盐细菌的耗竭和吲哚-3-丙酸（IPA）产生的减少通过抑制SIRT1/PGC-1α通路损害线粒体生物发生和抗氧化防御，从而加重DKD进展。苯硫酸酯（PS），另一种肠道菌群衍生代谢物，抑制足细胞中的线粒体氧化磷酸化并促进蛋白尿和肾小球损伤。靶向肠道菌群已成为维持线粒体稳态的一种有前景的治疗策略。有益菌的恢复通过胆汁酸介导的TGR5信号激活增强线粒体功能，而肾茶等干预措施通过重塑肠道菌群、抑制铁死亡和恢复线粒体稳态来减轻线粒体损伤。
Multi-Omics
多组学平台已成为强大的方法论，使研究人员能够深入且高分辨率地研究DKD复杂的分子基础。通过全面整合不同的数据集，可以识别复杂的相互作用，这进而加深了我们对一组组学因素如何共同扰乱生物通路并对疾病发病机制产生影响的理解。这些综合分析不仅识别了新的生物标志物和病理机制，还揭示了细胞、蛋白质、代谢分子和转录因子之间错综复杂的串扰。这种洞察增强了我们对DKD进展的理解，并为开发靶向治疗策略奠定了基础。整合的多组学研究一致认为线粒体代谢重编程是DKD进展的核心事件。遗传易感位点，如ELMO1，与线粒体脂肪酸β-氧化蛋白（包括CPT1A和ACADM）表达降低相关，伴随着酰基肉碱和TCA循环中间体的积累，表明氧化代谢受损和脂毒性。此外，使用转录组学、代谢组学和蛋白质相互作用网络的整合分析已经鉴定了线粒体调节因子如MDM2，其下调破坏了柠檬酸代谢和TCA循环活性，从而促进足细胞损伤和肾小管损伤。多组学整合也提供了对DKD期间代谢重编程的机制性见解。通过多组学方法，包括转录组学、代谢组学和空间代谢组学，该研究表明DKD中的线粒体代谢重编程的特征是糖酵解增强、脂肪酸氧化受抑和氨基酸代谢失调。这些代谢改变与PKM2、AMPK-SIRT1-PGC-1α和PINK1/Parkin通路的失调有关，最终导致氧化应激、炎症、纤维化和进行性肾功能障碍。多组学方法的另一个主要优势是能够在多个分子层面识别疾病相关的生物标志物。结合转录组学、基因组学和scRNA-seq的整合分析已经鉴定了线粒体功能障碍相关基因，包括ACTN1，它们参与AGE-RAGE信号传导、炎症反应和细胞骨架重塑。同样，整合的蛋白质组学和代谢组学研究表明，糖基化诱导的线粒体功能障碍通过AGE/RAGE和PPARα/Wnt通路破坏脂质代谢，从而加速纤维化和DKD进展。此外，联合转录组学和蛋白质组学分析揭示，胰岛素抵抗诱导电子传递链蛋白的转录后下调，导致氧化磷酸化受损、ATP耗竭和向糖酵解的代谢重编程。新兴的多组学方法进一步整合空间组学和微生物组衍生的代谢组学，以表征肾脏微环境中的线粒体功能障碍。这些研究表明，过量的线粒体ROS产生、线粒体相关膜重塑和改变的肠道菌群衍生代谢物通过包括Nrf2/PINK1、mTOR和TXNIP在内的通路共同促进免疫激活、纤维化和线粒体损伤。多组学技术仍有许多挑战需要解决。目前，大多数研究只整合了两到三个组学层次，并且主要是横断面研究，这限制了对DKD病程中线粒体功能障碍随时间演变的分析。此外，标准化的分析流程和独立的外部验证机制仍不完善，限制了候选生物标志物的临床应用。未来的研究应整合空间组学、单细胞测序、代谢组学和纵向临床队列数据。
Treatment
多组学技术的进步进一步加深了我们对当前DKD治疗方法机制的理解。除了其既定的降糖或血流动力学效应外，整合的转录组学、蛋白质组学、代谢组学和空间组学分析表明，多种药物还通过恢复线粒体生物合成、脂肪酸β-氧化、氧化磷酸化、线粒体自噬和氧化还原稳态来调节线粒体功能障碍。肾素-血管紧张素-醛固酮系统抑制剂（RAASi）已在多项研究中被一致证明能显著减轻糖尿病患者的肾脏功能和结构损伤。RENAAL试验（氯沙坦）、合作研究组试验（卡托普利）、MICRO-HOPE子研究（雷米普利）和IDNT试验（厄贝沙坦）证明，ARB和ACEi通过减缓肾功能下降和不良肾脏结局风险，显著延缓DKD进展。此外，一项研究表明，氯沙坦治疗调节肾小管细胞中的关键线粒体过程，从而有助于改善DKD。SGLT2i在DKD中显示出肾脏保护作用，这些肾脏保护作用是通过受体依赖和非受体依赖两种机制介导的。多组学研究一致表明，SGLT2抑制剂通过缓解线粒体碎片化、恢复线粒体生物发生和自噬、增强氧化磷酸化以及通过AMPK/mTOR、Nrf2/HO-1和一氧化氮信号通路抑制氧化应激来改善线粒体完整性。这些线粒体保护作用现在被认为是其超越降糖作用的肾脏保护益处的重要贡献者。非甾体选择性MRA属于一类提供心肾保护的新型药物。代谢组学分析揭示，非甾体MRA非奈利酮通过相同的PI3K/Akt/eNOS通路减轻线粒体功能障碍、氧化应激、凋亡、线粒体生物发生并改善肾小管损伤，从而改善DKD。这些发现为DKD患者观察到的临床疗效提供了机制支持。GLP-1受体激动剂在治疗DKD方面显示出巨大潜力。其治疗益处通过多种机制实现，包括增强血糖管理、促进体重减轻、减少炎症和调节肾脏血流量。空间代谢组学和单细胞转录组学研究表明，GLP-1激动剂通过激活PI3K/AKT信号通路和上调PPAR-α及CPT1表达来调节脂质代谢，促进脂肪酸氧化，减少脂质积累，并减轻DKD中的线粒体功能障碍和肾损伤。FLOW试验（司美格鲁肽）和LEADER试验（利拉鲁肽）证明，这些GLP-1受体激动剂通过减缓肾功能下降和降低主要心血管事件风险，为糖尿病肾病提供了显著益处。
Active Ingredients of Traditional Chinese Medicine
为了充分利用草药的整体性质，多组学方法对于解码其活性成分的协同和网络治疗效应至关重要。这通过研究黄芪甲苷IV、牛蒡子苷元、小檗碱和茯苓酸A等化合物得到了有力例证，为其干预DKD提供了整体理解。其中的活性成分是治疗DKD的关键组分。这项真实世界研究分析了86,960名总体DKD患者和2844名晚期DKD患者的数据，发现中药提供了时间依赖性的肾脏和生存获益。黄芪是DKD最常用的草药之一，其主要生物活性成分黄芪甲苷IV（AS-IV）显示出显著的肾脏保护作用。整合分子对接和功能基因组学揭示，黄芪甲苷IV通过激活Nrf2/TFAM信号通路减轻DKD中的线粒体功能障碍和足细胞凋亡。蛋白质组学揭示，黄芪甲苷IV通过调节线粒体质量控制网络，抑制Drp-1和PINK1/Parkin信号来改善DKD。此外，整合的蛋白质组学和脂质组学分析表明，AS-IV抑制HIF-1α/HMOX1信号通路，通过增加GPX4表达和调节ACSL4来抑制铁死亡并恢复线粒体代谢稳态。牛蒡子在传统上被认为具有疏风散热、增强解毒和缓解咽喉痛症状的作用，而实验室研究证明其具有一系列药理特性，包括抗氧化、抗菌和抗真菌、降血糖、调血脂、抗炎、镇痛、抗病毒和抗癌特性。牛蒡子苷元（ATG）是牛蒡子的主要成分，通过整合转录组学和蛋白质组学分析发现，ATG能结合并激活蛋白磷酸酶2A（PP2A）。这种激活抑制了NF-κB介导的炎症信号传导，并通过促进drebrin-1（DBN1）的去磷酸化稳定足细胞骨架，同时通过AMPK激活改善线粒体功能和减少氧化应激，从而改善DKD。小檗碱是从黄连中分离的主要生物碱，已被广泛研究作为一种线粒体靶向治疗剂。代谢组学研究表明，小檗碱激活AMPK/PGC-1α信号通路，增强线粒体脂肪酸β-氧化，减少脂质积累和ROS产生，并恢复足细胞能量代谢。整合的转录组学分析表明，小檗碱对EZH2表现出强结合亲和力和稳定性，并提示小檗碱可能通过抑制SLC7A11通路调节DKD中的铁死亡，从而减轻脂质过氧化并可能缓解线粒体功能障碍。茯苓因其利尿、祛湿、健脾和安神的功效而在传统应用中久负盛名。茯苓酸A（PAA）是茯苓皮层中发现的主要三萜类成分，被认为是其肾脏保护作用的核心生物活性成分。代谢组学分析表明，PAA通过恢复自噬和调节线粒体动力学来减轻足细胞损伤和肾纤维化，部分是通过抑制FUNDC1介导的线粒体应激通路实现的。
