Aplicação da metabolômica na urolitíase: a descoberta e o uso do succinato

Transdução de sinal e terapia direcionada volume 8, número do artigo: 41 (2023) Cite este artigo

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O cálculo urinário é conceituado como um distúrbio metabólico crônico pontuado por eventos calculosos sintomáticos. Foi demonstrado que a ocorrência de oxalato de cálcio monohidratado (COM) durante a formação de cálculos é regulada por modificadores de crescimento de cristais. Embora os inibidores da cristalização sejam reconhecidos como uma modalidade terapêutica há décadas, um progresso limitado foi feito na descoberta de modificadores eficazes para intervir na doença calculosa. Neste estudo, usamos tecnologias metabolômicas, uma abordagem poderosa para identificar biomarcadores por meio da triagem dos componentes urinários da progressão dinâmica em um modelo de pedra na bexiga. Por meio de mineração e análise aprofundadas de dados metabolômicos, selecionamos cinco metabólitos diferenciais. Através de estudos de teoria funcional de densidade e cristalização em massa, descobrimos que três deles (ácido salicílico, ácido gentísico e succinato) poderiam efetivamente inibir a nucleação in vitro. Assim, avaliamos o impacto dos inibidores com um modelo de rato induzido por EG para cálculos renais. Notavelmente, o succinato, um elemento-chave no ciclo do ácido tricarboxílico, pode diminuir a deposição e lesão renal de cálcio no modelo. A análise transcriptômica mostrou ainda que o efeito protetor do succinato foi principalmente através da anti-inflamação, inibição da adesão celular e diferenciação osteogênica. Esses achados indicaram que o succinato pode fornecer uma nova opção terapêutica para cálculos urinários.

A urolitíase é um distúrbio urológico relativamente típico cuja prevalência mundial tem aumentado continuamente durante as últimas décadas.1 É também uma doença com uma taxa de recaída de 5 anos de até 50%.2 A etiologia da urolitíase é complexa e pode ser influenciada por obesidade, diabetes, hipertensão e síndromes metabólicas.3 Os cálculos de oxalato de cálcio (CaOx) representam mais de 75% dos cálculos urinários, seguidos pelos tipos de ácido úrico, fosfato de cálcio, estruvita e cistina.4 A urolitíase é um processo de várias etapas envolvendo nucleação, crescimento e agregação de cristais, embora o mecanismo subjacente ainda não seja totalmente compreendido.5 Como inibir a urolitíase e prever seu risco subjacente permaneceu um grande desafio.6

A heterogeneidade dos tipos de cálculos entre os pacientes exige um tratamento personalizado, que pode incluir regulação da dieta/ingestão de água, administração de vários tipos de medicamentos aprovados pela FDA e procedimento cirúrgico para remover os cálculos.7 Atualmente, os problemas sobre a recorrência da urolitíase e prevalência ainda despertou grande atenção socioeconômica. Portanto, buscar novos tratamentos é necessário.8

Juntamente com a busca de medicamentos para a prevenção e tratamento de cálculos, os modificadores que podem influenciar a cristalização têm atraído cada vez mais atenção.9 Os modificadores mais eficientes das pedras de cálcio são compostos de ácido carboxílico, grupos de função sulfato que podem interagir com a superfície do cristal e/ou complexo com íons livres na urina.10 Muitas espécies naturais e sintéticas podem inibir seu crescimento. Mas ainda é muito difícil unir as evidências in vitro e in vivo. A combinação de estudos experimentais, estudos em animais e ensaios clínicos pode facilitar nossa cognição sobre a modificação do crescimento de cristais e sua função na cristalização. inibem a cristalização de CaOx reduzindo a deposição renal de CaOx.

A patogênese da urolitíase está associada a muitos fatores metabólicos e externos. Embora o mecanismo ainda não seja totalmente compreendido, é indubitável que ele é influenciado pela composição da urina.4 A urina é uma espécie de mistura complexa de espécies moleculares abundantes, incluindo inibidores e promotores do desenvolvimento de cálculos renais.12 A nefrolitíase tem um alto ocorrência em pacientes com espinha bífida que sofreram cálculos vesicais após o aumento.13 O distúrbio metabólico está intimamente relacionado com cálculos não infecciosos.14 Avaliar o(s) efeito(s) único(s) dos inibidores é muito difícil para a complexidade da urina, que inclui ~3100 metabólitos de moléculas pequenas e metade das quais não foi identificada. A urina contém cerca de 1823 proteínas, entre as quais 671 são constituintes recentemente identificados.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>