NMR-based metabolomics profiling for identifying diagnostic and prognostic markers in chronic kidney disease

Abstract

Chronic kidney disease (CKD) is a major global public health problem and is caused by multiple factors, such as diabetes, hypertension, and glomerular disease. Current biomarkers, including serum creatinine and albuminuria, have limitations in early diagnostic or prognostic prediction. Metabolomics analysis is a powerful tool for evaluating systemic metabolic processes and is very useful for investigating disease metabolism. This study aims to investigate urinary metabolic profiles during kidney diseases, identify better biomarkers, and predict the risk of disease progression. Diabetic kidney disease (DKD) is the leading cause of end-stage kidney disease, which requires kidney replacement therapy. In PART 1, I demonstrated that phase-specific alterations in metabolite levels were observed during progression of DKD in a mouse model. Furthermore, changes in metabolites in the early and/or late stages of DKD were observed to be associated with glucose and tricarboxylic acid cycle intermediates and metabolic pathways related to amino acids, ketone bodies, and fatty acids. These metabolites were also correlated with urinary albumin levels. Membranous nephropathy (MN) is an autoimmune glomerular disease associated with the phospholipase A2 receptor (PLA2R) that leads to podocyte injury. In PART 2, I performed urinary metabolomics analysis to identify prognostic markers for PLA2R-associated MN (P-MN) by comparing the metabolic differences between P-MN and minimal change disease (MCD) patients. Urinary fumarate levels were increased in patients with P-MN compared with those with MCD or healthy controls. Additionally, urinary fumarate levels were associated with composite kidney outcomes or remission. Focal segmental glomerulosclerosis (FSGS) and MCD have similar initial histological findings but different prognoses. Therefore, distinguishing FSGS from MCD early in the disease progression is important to predict the therapeutic response and prognosis. In PART 3, I performed metabolic profiling analysis to investigate the urinary metabolic differences between FSGS and MCD patients. The levels of urinary myo-inositol were significantly higher in patients with FSGS than in healthy controls or patients with MCD. Additionally, the levels of urinary myo-inositol were correlated with the initial estimated glomerular filtration rate and plasma levels of soluble urokinase-type plasminogen activator receptor. Altogether, these data suggest that nuclear magnetic resonance spectroscopy-based metabolic profiling is a useful tool for identifying metabolic changes in kidney diseases and predicting the risk of disease progression, thereby contributing to the discovery of novel therapeutic targets. In this study, I found the following. First, metabolites changes in DKD provided potential diagnostic and prognostic markers for early detection and disease progression. Second, urinary fumarate provided a marker for diagnosis and prognostic prediction and was a potential therapeutic target in P-MN. Third, urinary myo-inositol improved the diagnosis and prognostic prediction in FSGS.;만성 신장 질환은 주요한 세계적인 공중 보건 문제로 당뇨병, 고혈압, 사구체 질환 등 여러 가지 요인에 의해 발생한다. 혈청 크레아티닌과 알부민뇨를 포함하는 기존의 바이오마커들은 조기 진단이나 예후 예측에 한계점을 가지고 있다. 대사체 (metabolomics) 분석은 전신 대사 과정을 평가하는 강력한 도구이며, 질병의 대사를 조사하는데 매우 유용하다. 본 연구는 신장 질환 중 소변 내 대사 프로파일을 조사하고, 더 나은 바이오마커를 발굴하고, 질병 진행의 위험을 예측하는 것을 목적으로 하였다. 당뇨병성 신장 질환은 신장 대체 요법이 필요한 말기 신장 질환의 주요 원인이다. 파트 1에서는 마우스 모델에서 당뇨병성 신장 질환이 진행하는 동안 대사체 농도의 진행 시기별 특이적 변화가 관찰되었다. 게다가, 당뇨병성 신장 질환의 초기 및/또는 말기에서 대사체들의 변화는 포도당과 TCA 회로 (tricarboxylic acid cycle), 아미노산, 케톤체, 지방산과 관련된 대사 경로와 관련 있는 것으로 관찰되었다. 또한 이 대사물들은 알부민뇨와 높은 상관관계가 있었다. 막성사구체 신염은 인지질 A2 수용체 (phospholipase A2 receptor; PLA2R)와 연관된 자가면역성 사구체 질환으로, 발세포를 손상시킨다. 파트 2에서는 PLA2R와 연관된 막성사구체 신염 환자와 미세 변화 증후군 환자들의 대사 차이를 비교하여 PLA2R와 연관된 막성사구체 신염에 대한 예후 예측 마커를 식별하기 위해 소변 내 대사물 분석을 수행했다. PLA2R와 연관된 막성사구체 신염 환자는 미세 변화 증후군 환자들이나 건강한 대조군에 비해 소변 내 푸마르산염 수치가 증가했다. 또한, 소변 내 푸마르산염 수치는 복합적인 신장 손상의 결과들 또는 회복과 관련이 있었다. 국소 분절 사구체 경화증과 미세 변화 증후군은 초기 조직학적 소견은 유사하지만 예후는 다르다. 따라서 질병 진행 초기에 국소 분절 사구체 경화증과 미세 변화 증후군을 구분하는 것이 치료 반응과 예후를 예측하는 데 중요하다. 파트 3에서는 국소 분절 사구체 경화증 환자와 미세 변화 증후군 환자의 소변 내 대사의 차이를 조사하기 위해 대사 프로파일 분석을 수행했다. 소변 내 미오-이노시톨의 수치는 국소 분절 사구체 경화증 환자가 건강한 대조군이나 미세 변화 증후군 환자보다 훨씬 높았다. 또한, 소변 내 미오-이노시톨의 수준은 혈청 내 수용성 우로키나아제형 플라스미노겐 활성제 수용체 (soluble urokinase-type plasminogen activator receptor) 및 초기 추정된 사구체 여과율과 높은 상관관계가 있었다. 이러한 결과들을 종합하면 핵자기 공명 분광법 기반의 대사 프로파일링이 신장 질환의 대사 변화를 파악하고 질병 진행의 위험을 예측하는 데 유용한 도구로서 새로운 치료 대상을 발견하는 데 기여하고 있음을 시사한다. 이 연구를 통해, 나는 첫째, 당뇨병성 신증의 대사물 변화가 조기 발견과 질병 진행을 위한 잠재적 진단 및 예측 마커를 제공한다는 것을 발견했다. 둘째, 소변 내 푸마르산염은 PLA2R와 연관된 막성사구체 신염에서 진단과 예후 예측을 제공하고, 잠재적 치료 대상이라는 것을 발견했다. 셋째, 소변 내 미오-이노시톨은 국소 분절 사구체 경화증에서 진단 및 예후 예측을 향상시킨다는 것을 발견했다.