Applicazione della metabolomica nell'urolitiasi: la scoperta e l'uso del succinato

Trasduzione del segnale e terapia mirata, volume 8, numero articolo: 41 (2023) Citare questo articolo

1691 Accessi

1 Citazioni

11 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

I calcoli urinari sono concettualizzati come un disturbo metabolico cronico punteggiato da eventi sintomatici di calcoli. È stato dimostrato che la presenza di ossalato di calcio monoidrato (COM) durante la formazione dei calcoli è regolata da modificatori della crescita dei cristalli. Sebbene gli inibitori della cristallizzazione siano riconosciuti come modalità terapeutica da decenni, sono stati compiuti progressi limitati nella scoperta di modificatori efficaci per intervenire sulla malattia dei calcoli. In questo studio abbiamo utilizzato le tecnologie metabolomiche, un potente approccio per identificare i biomarcatori analizzando i componenti urinari della progressione dinamica in un modello di calcoli vescicali. Attraverso l'estrazione e l'analisi approfondita dei dati metabolomici, abbiamo esaminato cinque metaboliti differenziali. Attraverso studi sulla teoria del funzionale della densità e sulla cristallizzazione in massa, abbiamo scoperto che tre di essi (acido salicilurico, acido gentisico e succinato) potrebbero inibire efficacemente la nucleazione in vitro. Abbiamo quindi valutato l'impatto degli inibitori con un modello di ratto indotto da EG per i calcoli renali. In particolare, il succinato, un attore chiave nel ciclo dell’acido tricarbossilico, potrebbe ridurre la deposizione di calcio nei reni e le lesioni nel modello. L'analisi trascrittomica ha inoltre dimostrato che l'effetto protettivo del succinato era principalmente attraverso l'antinfiammatorio, l'inibizione dell'adesione cellulare e la differenziazione osteogenica. Questi risultati hanno indicato che il succinato può fornire una nuova opzione terapeutica per i calcoli urinari.

L'urolitiasi è una malattia urologica relativamente tipica la cui prevalenza a livello mondiale è aumentata costantemente negli ultimi decenni.1 È anche una malattia con un tasso di recidiva a 5 anni pari al 50%.2 L'eziologia dell'urolitiasi è complessa e può essere influenzata da obesità, diabete, ipertensione e sindromi metaboliche.3 I calcoli di ossalato di calcio (CaOx) rappresentano oltre il 75% dei calcoli urinari, seguiti dai tipi di acido urico, fosfato di calcio, struvite e cistina.4 L'urolitiasi è un processo in più fasi che coinvolgono la nucleazione, la crescita e l'aggregazione dei cristalli, sebbene il meccanismo sottostante non sia ancora completamente compreso.5 Come inibire l'urolitiasi e prevederne il rischio sottostante rimane una grande sfida.6

L'eterogeneità dei tipi di calcoli tra i pazienti crea la necessità di una gestione personalizzata del trattamento, che può includere la regolazione della dieta/l'assunzione di acqua, la somministrazione di diversi tipi di farmaci approvati dalla FDA e la procedura chirurgica per rimuovere i calcoli.7 Al giorno d'oggi, i problemi relativi alla recidiva dell'urolitiasi e alla la prevalenza suscitava ancora grande attenzione socioeconomica. Pertanto, è necessario cercare nuovi trattamenti.8

Insieme alla ricerca di farmaci per la prevenzione e il trattamento dei calcoli, i modificatori che possono influenzare la cristallizzazione hanno attirato maggiore attenzione.9 I modificatori più efficaci dei calcoli di calcio sono composti da acido carbossilico, gruppi funzionali solfato che possono interagire con la superficie del cristallo e/o complesso con ioni liberi nelle urine.10 Molte specie naturali e sintetiche possono inibirne la crescita. Ma è ancora molto difficile collegare le prove in vitro e quelle in vivo. La combinazione di studi sperimentali, studi sugli animali e studi clinici può facilitare la nostra conoscenza sulla modificazione della crescita dei cristalli e sulla sua funzione nella cristallizzazione.5 Ad oggi, solo due molecole, cioè l'acido poliacrilico e una molecola di inositolo fosfato bivalente,10,11 hanno dimostrato di inibire la cristallizzazione di CaOx riducendo la deposizione renale di CaOx.

La patogenesi dell'urolitiasi è associata a molti fattori metabolici ed esterni. Sebbene il meccanismo non sia ancora del tutto chiaro, è indubbio che esso è influenzato dalla composizione dell’urina.4 L’urina è una sorta di miscela complessa di abbondanti specie molecolari che comprendono sia inibitori che promotori dello sviluppo di calcoli renali.12 La nefrolitiasi ha un elevato verificarsi in pazienti con bifida spinale che hanno sofferto di calcoli alla vescica dopo l'aumento.13 Il disturbo metabolico è strettamente correlato ai calcoli non infettivi.14 Valutare gli effetti unici degli inibitori è molto difficile per la complessità delle urine, che includono circa 3100 metaboliti di piccole molecole e la metà dei quali non è stata identificata. L'urina contiene circa 1823 proteine, di cui 671 costituenti recentemente identificati.15

salicyluric > succinic acid > suberic acid > taurine. The binding energies of the modifiers on the COM (021) surface were in keeping with those of the COM (100) surface except for salicyluric and suberic acid (Supplementary Table 2). Compared with other modifiers, the strength of binding between gentisic acid with the COM (100) and (021) surface (Fig. 3b, c) was greater. To quantify the strength of modifiers bound to COM (100) and (021) surfaces, we have calculated the mean displacement δ of atoms (Supplementary Table 3). The result revealed that all modifiers adsorption on the (100) surface has resulted in a higher strain compared with the (021) surface. The binding of gentisic acid with the COM surface has led to the highest strain (100 δ = 0.418 Å; 021 δ = 0.206 Å). By contrast, taurine has the lowest strain (100 δ = 0.211 Å; 021 δ = 0.099 Å). It has been previously demonstrated that under constant tensile stress, the strain of the crystal could reduce its growth rate. This also suggested that the effect of gentisic acid on preventing crystal growth is better than that of taurine.22,33/p> salicyluric > succinate > suberic acid > taurine with the same trend as DFT calculations. Considering the diversity of inhibitory effects of the modifiers, we need further demonstrated the inhibitory effect of the modifiers through in vitro and in vivo experiments./p>37% of COD nucleation compared with the normal control (13% ± 2%), which confirmed their inhibitory effect on COM nucleation. FTIR experiments (Fig. 4f) also revealed a shift from mostly-COM to mostly-COD crystallization with succinate, salicyric and gentisic acid in the bulk crystallization system. The absorption peak at 660 cm−1 in fingerprint region indicated that the bulk of crystal phase was COM. In addition, 914 and 780 cm−1 were absorption peaks of COD. The FTIR spectra of the taurine groups were similar, with the characteristic absorption peaks at 660 cm−1 indicating that the bulk of crystal phase of the CaOx crystal was COM. After adding salicyluric, suberic acid, gentisic acid and succinate, the absorption peaks of the crystal solution have shifted from 1617 and 1322 cm−1 to 1643 and 1330 cm−1, which indicated that the addition of modifiers has led to increased COD, which was consistent with characterization of the crystal morphology.36 CaOx crystals have two common forms: COM and COD. COD is less bound with instability, and whilst COM is more easily attached to renal epithelial cells and can aggregate to form stones.37 Thus, a method to suppress stone formation may be to screen modifiers which can target the CaOx crystallization as well as induce the formation of COD. Compared with the control, the increased instability of the COD crystals with the addition of succinate, salicyluric acid and gentisic acid has suggested a potential role for the treatment of kidney stones./p>50%. In pattern recognition, SIMCA-P 14.1 software is applied, and Pareto scaling method is used to preprocess the data, and then statistical analysis is carried out, mainly including PCA and PLS-DA analysis. The PLS-DA method is mainly used to determine R2 and Q2 quality, as well as variable importance (VIP). VIP mainly describes the changes of pathological stimulus reactions explained by specific metabolites. When judging the metabolite with significant difference, the set judgment criteria were set as VIP > 1 and P < 0.05. Differentially expressed metabolites were normalized to obtain clusters with similar expression patterns. Heat map was derived by clustering differentially expressed metabolites based on R software. The KEGG analysis was carried out on hypergeometric test, the pathways with P < 0.05 were considered as significant./p>