《Clinical and Translational Medicine》：Arginase 2 deficiency mitigates sepsis-associated acute kidney injury by alleviating lipid accumulation
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背景：脓毒症相关急性肾损伤（sepsis-associated acute kidney injury，S-AKI）在危重症人群中造成沉重的发病率和死亡率负担。本研究旨在利用空间代谢组学和蛋白质组学构建S-AKI小鼠模型肾脏的时空多组学图谱，并探索S-AKI的
背景：脓毒症相关急性肾损伤（sepsis-associated acute kidney injury，S-AKI）在危重症人群中造成沉重的发病率和死亡率负担。本研究旨在利用空间代谢组学和蛋白质组学构建S-AKI小鼠模型肾脏的时空多组学图谱，并探索S-AKI的潜在治疗靶点。
方法：利用空间代谢组学和蛋白质组学构建S-AKI小鼠肾脏的时空多组学图谱。通过L-精氨酸补充评估精氨酸代谢。通过Nω-羟基-nor-L-精氨酸（nor-NOHA）或肾小管特异性敲低抑制精氨酸酶2（arginase 2，ARG2）。通过组织病理学、实时肾小球滤过率（real-time glomerular filtration rate，RT-GFR）、血清尿素氮（serum urea nitrogen，BUN）和损伤标志物评估肾损伤。RNA测序（RNA-seq）和血清代谢组学阐明nor-NOHA的作用机制，并进行通路激活和脂质减少的体内验证。体外研究使用ARG2敲除（knockout，KO）肾原代肾小管上皮细胞（renal primary tubular epithelial cells，RPTCs）和肾脏类器官。
结果：精氨酸代谢发挥关键作用，但L-精氨酸补充并未改善肾功能。ARG2在肾外髓质近端和远端肾小管及巨噬细胞中显著上调。使用精氨酸酶抑制剂nor-NOHA或肾小管中敲低ARG2可显著减轻肾损伤，表现为肾小管损伤减少、RT-GFR升高、BUN降低和损伤标志物减少。RNA-seq和血清代谢组学显示，nor-NOHA显著减少肾小管和血清中的脂质蓄积，并以过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARγ）为中心的过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR）通路显著富集。体内实验证实了通路激活和脂质蓄积的减轻。使用ARG2敲除小鼠RPTCs和人肾脏类器官模型的体外实验显示，ARG2敲除恢复PPARγ表达并减少肾小管脂质蓄积。
结论：在S-AKI期间抑制肾小管ARG2可能通过激活PPARγ减轻脂质蓄积和肾损伤，提供一种新的治疗策略。
脓毒症相关急性肾损伤（S-AKI）是危重症患者中常见的严重并发症，病死率和致残率高，其发病机制涉及代谢重编程、免疫炎症反应和微循环障碍等，但目前仍缺乏特异性靶向治疗。脂肪酸β氧化（fatty acid β-oxidation，FAO）缺陷导致的肾小管脂质蓄积和脂毒性是肾损伤的重要环节，而过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）在调节脂质代谢、抗炎和细胞保护中发挥关键作用。精氨酸酶2（ARG2）是肾脏线粒体蛋白，在多种病因所致的急性肾损伤中异常上调，但其究竟是致病因子还是保护因子仍存在争议。研究人员通过空间多组学构建S-AKI肾脏分子图谱，明确ARG2在S-AKI中的表达定位和致病机制，并探索其作为治疗靶点的潜力。
研究人员建立了对照（CTRL）、脓毒症无AKI（S-NAKI）和S-AKI小鼠模型，利用空间代谢组学和空间蛋白质组学构建了S-AKI肾脏的时空多组学图谱，共鉴定到1042种代谢物和4524种蛋白质。研究发现，精氨酸代谢在S-AKI发病中发挥关键作用，但L-精氨酸补充并不能改善肾功能。ARG2在肾外髓质近端小管、远端小管和巨噬细胞中显著上调。使用精氨酸酶抑制剂nor-NOHA或肾小管特异性敲低ARG2均可显著减轻肾损伤，减少肾小管和血清脂质蓄积，并激活以PPARγ为中心的PPAR通路。体外ARG2敲除小鼠原代肾小管上皮细胞（RPTCs）和人胚胎干细胞来源肾脏类器官实验进一步证实，ARG2敲除可恢复PPARγ表达并减少肾小管脂质蓄积。
在关键技术方法上，研究人员基于C57BL/6小鼠和ARG2基因敲除小鼠建立S-AKI模型，并利用人类脓毒症和S-AKI患者尿液样本进行临床验证。主要技术包括空间代谢组学与空间蛋白质组学、实时肾小球滤过率（RT-GFR）监测、RNA-seq与血清代谢组学、肾小管特异性腺相关病毒（AAV9-Ksp-shARG2）介导的ARG2敲低、基于CRISPR-Cas9的ARG2敲除人胚胎干细胞（H9）分化肾脏类器官模型，以及体外PPARγ抑制实验。
2.1 脓毒症诱导急性肾损伤的时空多组学图谱构建
通过空间代谢组学和蛋白质组学分析发现，S-AKI中差异表达代谢物和蛋白质数量最多的区域是集合管，其次为远端小管和近端小管；不同肾区室之间的差异分子重叠显著低于随机水平，表明各肾区室损伤机制存在功能异质性。整合富集分析显示，精氨酸生物合成失调在所有四个肾区室中均一致存在，提示精氨酸代谢在S-AKI发病中具有潜在核心作用。
2.2 S-AKI进展过程中肾脏代谢改变的时空调控与精氨酸下降
纵向时间点分析显示，RT-GFR随时间进行性下降，差异代谢物数量逐渐增加，氨基酸和脂肪酸代谢改变最为显著。时序聚类鉴定出下降型、急性峰值型和上升型三类代谢物表达模式。精氨酸水平在S-AKI进展中持续下降，并与GFR显著正相关；S-AKI小鼠尿和血清精氨酸水平均降低，S-AKI患者尿液精氨酸也显著减少。
2.3 S-AKI小鼠ARG2表达增加且精氨酸酶抑制剂有效抑制脓毒症急性肾损伤
S-AKI小鼠肾组织中ARG2蛋白和mRNA表达随时间增加，免疫荧光和免疫组化显示其主要定位于肾外髓质近端小管、远端小管和巨噬细胞，而非内皮细胞或集合管。L-精氨酸补充未显著改善RT-GFR。nor-NOHA干预显著改善RT-GFR，降低血清肌酐、BUN、HAVCR1和LCN2水平，并减轻肾小管细胞凋亡。
2.4 精氨酸酶抑制剂nor-NOHA通过激活PPARγ减轻肾小管脂质蓄积
RNA-seq显示nor-NOHA干预后PPAR通路变化最显著，血清代谢组学显示血清脂质水平显著下降。体内验证发现，nor-NOHA逆转了S-AKI中PPARγ的下调，减少了近端和远端肾小管的脂质蓄积，改善了肾小管损伤和线粒体肿胀，并在第15天显著减轻脓毒症相关肾纤维化。
2.5 肾小管ARG2敲低减轻S-AKI中的脂质蓄积和肾损伤
通过尾静脉注射肾小管特异性启动子KSP驱动的AAV9-shARG2敲低肾小管ARG2后，小鼠BUN水平降低，RT-GFR升高，肾损伤标志物HAVCR1、LCN2和脂滴标志物PLIN2表达下降，而PPARγ表达升高，证实ARG2通过PPARγ参与肾小管脂质蓄积和损伤。
2.6 ARG2敲除在体外减轻肾小管脂质蓄积和肾损伤
从野生型和ARG2全敲除小鼠分离RPTCs后，体外实验显示PPARγ抑制可导致脂滴清除障碍；ARG2敲除可减轻LPS诱导的PPARγ下降、脂滴蓄积和损伤标志物表达。人胚胎干细胞来源肾脏类器官经LPS处理后ARG2表达显著增加，主要定位于肾小管，并与线粒体外膜标志物TOM20共定位。
2.7 ARG2敲除减轻肾脏类器官脂质蓄积和肾损伤
利用CRISPR-Cas9构建ARG2敲除人胚胎干细胞系，其分化能力未受明显影响，仍可形成具有肾小球和肾小管结构的肾脏类器官。在LPS处理的ARG2敲除肾脏类器官中，ARG2敲除恢复肾小管PPARγ表达，降低脂滴标志物PLIN2和肾损伤标志物HAVCR1水平。
讨论部分指出，既往关于ARG2在缺血再灌注和顺铂肾损伤模型中的作用存在矛盾，而本研究发现S-AKI中ARG2主要在肾小管和巨噬细胞中表达；通过肾小管特异性敲低排除了巨噬细胞浸润的干扰，提示ARG2可能通过调控PPARγ影响脂质代谢。研究局限性包括主要基于细胞和小鼠模型、肾脏类器官缺乏血管化和免疫成分、nor-NOHA不能完全排除ARG1抑制的影响等。研究结论为：在S-AKI期间抑制肾小管ARG2表达可能通过激活PPARγ减轻肾小管脂质蓄积和肾损伤，为S-AKI治疗提供了一种新的潜在策略。
