Urine metabolome investigation in pediatric urology. Review

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

Metabolomics is the science of studying small molecules (50–5,000 Da) formed because of the implementation of metabolic pathways in cells and the maintenance of their vital functions. The study of urine metabolome is a promising direction for diagnosing early stages of damage to various cells of the urinary system in pediatric urology, allowing the study of biomarkers or their spectrum, which can improve the identification of existing disorders, and multivariate analysis will provide greater accuracy in making a diagnosis. This study aimed to summarize existing information on urine metabolome and its changes in cases of congenital malformations of the urinary system, accompanied by renal dysplasia, leading to acute kidney injury or chronic kidney disease. A literature search and review was conducted using PubMed, Embase, and Google Scholar. The review presents the possibilities of metabolomic analysis to provide a qualitatively new level of diagnosis and monitoring of damage to the structures of organs and tissues of the urinary system, identifying predictors of pathology progression, and personalized techniques for making medical decisions. However, this method is limited by the high cost of the equipment, need for training of highly qualified personnel, and difficulty in interpreting the results. The study of urine metabolome is very promising for the diagnosis and selection of a timely, rational treatment strategy for children with malformations of the urinary system.

Full Text

АКТУАЛЬНОСТЬ

Метаболом — это совокупность малых молекул (от 50 до 5000 Да), вырабатываемых клетками в процессе их жизнедеятельности, которые помогают в определении клеточного фенотипа [1]. Его исследование дает уникальное представление о физиологических и патологических процессах, происходящих в клетках, так как объединяет генетическую и фенотипическую информацию [2].

В детской урологии диагностика состояния почечной паренхимы остается до сих пор актуальной проблемой. На сегодняшний день для оценки функции почек используют показатели креатинина мочи, однако его значения изменяются уже на поздних стадиях заболевания, что ведет к запоздалой диагностике.

Метаболические биомаркеры, включая летучие и нелетучие органические соединения, обычно применяются в виде панелей соединений, а не отдельных веществ, что повышает достоверность диагностики. Группа биомаркеров или спектр, по сравнению с отдельными метаболитами, может лучше выявлять имеющиеся нарушения, а многомерный анализ обеспечивает большую точность при ранней постановке диагноза [3].

Таким образом, существует необходимость поиска надежных диагностических, прогностически важных маркеров, которые бы расширили возможности ранней диагностики и мониторинга повреждения почек у детей, определения стратегии персонифицированной терапии.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПРОБОПОДГОТОВКИ

Исследования метаболома мочи характеризуются простотой и неинвазивностью сбора биологического материала, наличием большого количества уже известных оцениваемых метаболитов и способностью отражать дисбаланс всех биохимических процессов в почках и организме в целом. Эти свойства обеспечивают возможность мониторинга заболевания и анализа эффективности лечения, не причиняя при этом дискомфорт пациенту [4, 5]. Ряд авторов подчеркивает преимущества этой методики в связи с более высокой концентрацией метаболитов в моче по сравнению с плазмой крови и более богатой матрицей для анализа [4]. Их концентрация переменна и зависит от возраста, что позволяет более точно диагностировать заболевание, ориентируясь на особенности и специфику его течения у пациентов разных возрастных групп [6].

Необходимо строго стандартизировать методологию сбора и хранения образцов, избегать попадания загрязняющих веществ, что может повлиять на результат теста. Поэтому у младенцев и детей раннего возраста целесообразно применение мочесборников, которые приклеивают к коже промежности [7].

Вопрос хранения и консервирования мочи для анализа весьма актуален. Единичные исследования подтверждают, что использование борной кислоты помогает замедлить размножение бактерий, но вызывает деструкцию метаболитов, что ограничивает его применение для оценки метаболома. В настоящее время известно о применении тимола в качестве консерванта. Но имеющиеся данные свидетельствуют, что на устойчивость метаболических соединений главным образом влияет не наличие/отсутствие консерванта, а температура хранения образцов мочи [8]. Полученные для анализа пробы сохраняют при комнатной температуре в течение 24 ч, а при 4 °C — в течение 48 ч, поэтому возможно недлительное хранение без консервантов.

Важную роль в оценке метаболома играет промежуток времени между забором проб и их анализом. Чтобы получить точные результаты, анализ должен быть проведен в течение 2 ч после сбора [9], что в настоящее время трудно реализуемо. В связи с этим собранную мочу рекомендуют немедленно замораживать для исключения нежелательной микробной контаминации и деградации [10]. Исследование W.B. Dunn и соавт. [11] показало, что в образце мочи, хранящемся при 4 °C, метаболомный состав остается неизменным в течение 24 ч. Далее необходима глубокая заморозка, при температуре –80 °C образцы могут храниться длительное время [12].

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАБОЛОМА МОЧИ

Для оценки метаболома используются различные по специфичности, чувствительности, доступности, простоте интерпретации результатов методики.

Нетаргетная масс-спектрометрия направлена на получение доступной метаболической информации, что позволяет выявить все метаболиты, присутствующие в биологическом образце, и является лидирующим по специфичности, чувствительности, доступности, простоте интерпретации результатов скрининговой методикой. Она дает возможность оценить работу определенного органа или системы, а также открыть новые, неизвестные ранее вещества [13, 14]. Информацию об известных и изученных метаболитах можно найти в таких базах данных, как HMDB [15] и Metlin [16], а о метаболитах мочи — в The Urine Metabolome Database [17].

Таргетные методики измеряют и количественно оценивают кластеры, классы и группы метаболических соединений, выбор которых зависит от экспериментальной задачи. Они применяются для мониторинга и выбора стратегии лечения.

В комплекс исследований для изучения метаболома входят различные виды спектроскопии: инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (ИКФС), рамановская спектроскопия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия). Они помогают быстро проанализировать метаболиты, в которых спектры поглощения при определенных длинах волн определяют структуру неизвестных метаболитов, а площадь под кривой спектров поглощения определяет их количество. Однако эти подходы не обладают достаточной чувствительностью и избирательностью. Кроме того, недостатком рамановской спектроскопии можно считать слабый сигнал комбинированного рассеивания, что делает процесс обнаружения метаболитов долгим [18].

Масс-спектрометрия (МС) может быть прямого ввода и с предварительной хроматографией, а также нетаргетной (без профилирования соединений, а определением всего спектра) и таргетной (с исследованием конкретных метаболитов) [18]. Для анализа летучих органических соединений мочи в МС прямого ввода успешно использовался времяпролетный масс-спектрометр «Рефлектрон» с лазерной ионизацией при атмосферном давлении без предварительной пробоподготовки [19]. Преимуществами данной методики являются сокращенное время анализа и большое количество каналов ионизации, что обеспечивает ионизацию соединений более широкого класса и минимальные потери при этом процессе. Однако технологические ограничения прибора связаны с низкой (5000 пиков) разрешающей способностью, что приводит к интерференции пиков и снижает объем различий между пробами. Тандемные приборы сочетают в себе сначала разделение веществ (хроматографию) различными методами (газовая, ГХ, или жидкостная, ЖХ), а затем — детекцию по соотношению масса/заряд. В исследовании метаболома мочи МС имеет наилучшую чувствительность, селективность и возможность идентификации для последующего анализа большинства мочевых метаболитов [4]. Однако данные МС тяжелее воспроизводить по сравнению с ЯМР-спектроскопией [18]. ЖХ-МС/МС И ГХ-МС наиболее чувствительны — нижние пределы обнаружения метаболитов в 10–100 раз выше по сравнению с другими методами [20]. Использование ЖХ-МС/МС способствует отделению метаболитов от компонентов матрицы, повышая чувствительность и уменьшая погрешности, а также улучшая специфичность за счет разделения изобарических соединений, которые невозможно различить только с помощью масс-спектрометра, но среди МС ЖХ-МС является наиболее дорогостоящей [18, 21].

Газовая хромато-масс-спектрометрия (ГХ-МС) подходит, как для таргетного, так и для нетаргетного определения малых молекулярных метаболитов, включая небольшие кислоты, спирты, гидроксикислоты, аминокислоты, сахара, жирные кислоты, стеролы, катехоламины, лекарства и токсины. Важным преимуществом этой методики является возможность идентифицировать и полуколичественно определить более 200 показателей метаболома мочи [22]. К недостаткам данной методики относят то, что вещества для анализа должны быть летучими или улетучивающимися путем дериватизации, очистка источника метаболитов требует специальной вентиляционной системы. Кроме того, анализ метаболома с помощью ГХ-МС занимает много времени [18].

Помимо перечисленных разрабатываются новые технологии на основе инверсионной вольтамперометрии для изучения метаболома мочи. Одна из таких разработок — «электронный нос» (E-NOSE), который имитирует обоняние. E. Jokiniitty и соавт. [23] выявили различия в метаболоме мочи с помощью E-NOSE между пациентами с нарушенной и нормальной функцией почек [23]. Перспективной методикой считается и «электронный язык» (E-TONGUE). Она содержит перекрестно-реактивные сенсорные матрицы, которые позволяют улавливать различные метаболиты, что способствует выявлению соединений, обладающих уникальным запахом и вкусом, что поможет диагностировать наличие и степень снижения функции почек еще до применения известных в настоящее время лабораторных тестов [23, 24].

Актуальность и перспективы исследования метаболомного состава мочи, особенно у пациентов раннего возраста, очевидны в связи с минимальной инвазивностью и простотой сбора. Однако определенные сложности связаны с высокой стоимостью оборудования и реактивов для проведения анализа, необходимостью подготовки высококвалифицированных специалистов. Требуется дальнейшее изучение различных подходов и методов исследования метаболитов, которые можно будет использовать непосредственно в клиниках, независимо от лаборатории, в виде экспресс-тестов у постели больного.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИНТЕРПРЕТАЦИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАБОЛОМА

Пол и возраст

Несмотря на то что исследование метаболома мочи обладает огромным потенциалом, у данного способа исследования есть свои недостатки, одним из которых является изменение концентрации большинства метаболитов с возрастом [25, 26], особенно на первом году жизни [6, 26]. Влияние оказывает множество факторов (время суток, характер вскармливания и др.), что требует дальнейших исследований с определением корреляции концентрации с возрастом ребенка. В первые пять лет жизни происходит основной рост и развитие организма, что также отражается на метаболических процессах. Например, при сравнении уровня триметиламина N-оксида (ТМАО) и бетаина в моче было обнаружено, что наибольшая их концентрация наблюдалась у здоровых детей в возрасте 6 мес., а концентрации глицина и глутамина в моче значительно снижались после полугода, вместе с компенсаторным увеличением содержания креатинина в моче. C.-Y. Chiu и соавт. [6] отмечают, что показатели концентрации аминокислот имеют значительные колебания в промежутке 6–12 мес., тогда как максимальные изменения метаболизма углеводов максимально различны в возрасте 2–3 лет [6].

X. Liu и соавт. [27] выявили наибольший уровень экспрессии показателей метаболитов, связанных с энергетическим обменом (биосинтез пантотената и КоА, метаболизм бета-аланина) в возрасте 1–6 лет. В 7–12 лет преобладали метаболиты, участвующие в метаболизме липидов, глюкозы и аминокислот, а в 13–18 лет особенности метаболизма имели гендерные различия. Так, например, биосинтез спермидина и спермина и метаболизм рибофлавина показали высокую активность у мальчиков. Кроме того, у девочек в этом возрасте активны процессы окисления и биосинтеза жирных кислот [27]. Концентрации простых соединений у взрослых и детей отличаются, поэтому их сравнение у ребенка и взрослого с одними и теми же референсными значениями некорректно, а педиатрические показатели на данный момент недостаточно изучены, особенно, при наличии патологии органов мочевой системы.

Гендерная принадлежность также влияет на метаболом [28]. Однако X. Liu и соавт. [27] выяснили, что корреляция между метаболомом мочи и полом наблюдается больше у взрослых, чем у детей, что свидетельствует о необходимости исследовать и разрабатывать стандарты для оценки метаболома мочи для каждой группы пациентов.

Характер питания

Более высокий уровень ТМАО и бетаина в моче у детей в возрасте 6 мес. связан с преобладанием грудного молока в качестве основного источника питания [6]. Уровень ТМАО может повышаться при употреблении таких продуктов, как молоко и яйца, которые содержат лецитин [29], красное мясо [30], что нужно учитывать у детей более старшего возраста. Повышенный уровень ТМАО в плазме крови свидетельствует о патологии сердечно-сосудистой системы и/или нарушении функции почек [29, 31]. Соответственно, при исследовании метаболома мочи также будет наблюдаться повышение уровня ТМАО. Для того чтобы снизить влияние характера питания на метаболические маркеры X. Liu и соавт. [32] предлагают собирать мочу после 12-часового ночного голодания, обычно между 7 и 10 ч утра, при этом на анализ брать вторую утреннюю порцию. Желательно, чтобы в течение предыдущего дня пациент придерживался вегетарианской пищи и пил только воду. Именно данная методика является предпочтительной для получения наиболее точных результатов, но трудно осуществима в педиатрии [32].

Лекарственные препараты

Применение лекарственных средств может влиять на метаболомный состав мочи. Так, при обструктивных уропатиях часто хирургическое лечение дополнено назначением антибактериальных и бактериостатических препаратов, что способствует изменению метаболома в биоматериалах человека. Например, в исследовании Z. Liu и соавт. [33] продемонстрировано, что метаболиты в моче изменяются при применении ванкомицина и ципрофлоксацина. Однако установлено, что пероральное применение ванкомицина существенно не изменяет метаболом мочи по сравнению с метаболомом кишечника [34]. Поэтому, несмотря на противоречивые данные, для точной диагностики заболевания необходимо собирать биопробы до старта антибиотикотерапии, до тех пор, пока не появятся новые исследования с большей выборкой, доказывающие влияние антибиотиков на изменение метаболома мочи у человека.

ИЗМЕНЕНИЯ МЕТАБОЛОМА МОЧИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМАХ ПАТОЛОГИИ ПОЧЕК

Врожденное повреждение паренхимы почек

Пороки развития мочевой системы, особенно обструктивные уропатии, наиболее часто сопровождаются повреждением паренхимы почек [35], сложность диагностики которой заключается в том, что она имеет минимум клинических и лабораторных проявлений до перехода в терминальную стадию хронической болезни почек (ХБП). На сегодняшний день ультразвуковое исследование в пре- и постнатальном периодах является скрининговым способом оценки степени выраженности обструкции мочевых путей и развивающихся на этом фоне вторичных изменений в почечной паренхиме. Их ранняя диагностика крайне важна для своевременного начала лечения и долгосрочного прогноза.

S. Macioszek и соавт. [36] исследовали и выявили пониженный уровень метигуанозина, 6-кето-деканоилкарнитина, додеканоилкарнитина, гидрокси-изовалерилкарнитина, гидрокси-деканоилкарнитина, гиппуровой кислоты, нонаноилкарнитина, тиглилкарнитина, бутирилкарнитина, триметиламин N-оксида, диметиларгинина, ксантина, индоксил сульфата, пара-крезол сульфата, глутамина, аконитовой кислоты, в то время как концентрации лимонной кислоты, пирослизевой кислоты, диметилгуанозина, бетаина, карнитина, мочевой кислоты, пальмитиновой кислоты, треоновой кислоты, глицериновой кислоты, арабитола, лактозы, молочной кислоты были повышены.

Обнаруженные изменения метаболитов мочи у детей с врожденными заболеваниями почек указывают на изменение окисления жирных кислот, метаболизма аминокислот и пуринов при этих состояниях (см. таблицу). Интеграция полученных метаболических данных с дальнейшими протеомными, геномными или транскриптомными исследованиями могут помочь раскрыть еще недостаточно изученные механизмы прогрессирования зачастую необратимых изменений почечной паренхимы.

Эта информация позволит оптимизировать лечебную тактику у пациентов с обструктивными уропатиями и тем самым повысит эффективность лечения за счет своевременного и адекватного выбора метода нефропротекции у детей.

Острое повреждение почек

Острое повреждение почек (ОПП) характеризуется неспособностью почек регулировать гомеостаз жидкости и электролитного состава и часто связано с развитием шока, септических состояний, врожденной урологической патологией, в том числе обструктивных уропатий, реже — с аномалиями сердечно-сосудистой системы и кардиохирургическими операциями [37].

Возраст, в котором чаще всего развивается ОПП, различен. Исследование X. Xu и соавт. [37] свидетельствует, что пациенты первого месяца жизни являются наиболее уязвимой группой по частоте развития ОПП (28 %), в то время как у подростков развивается лишь в 12 % наблюдений [38].

В настоящее время показатели, которые указывают на острое почечное повреждение — это повышение креатинина и азотистых продуктов обмена белков в сыворотке крови [39]. Они малонадежны и низкочувствительны при снижении функции почек на ранней стадии. Так, уровень креатинина может иметь нормальные значения до тех пор, пока не будет потеряно около 50 % функции почек.

Диагностика ОПП на ранней cтадии может помочь предотвратить его переход в хроническое заболевание почек [40, 41], тем более что ОПП может развиваться после хирургических вмешательств. R.D. Beger и соавт. [42] провели анализ метаболома мочи у детей до и после кардиохирургического вмешательства и выявили, что в течение 48–72 ч отмечалось повышение уровня cульфатагомованилиновой кислоты — метаболита допамина. Это помогало ускорить диагностику ОПП [42].

Исследование С. Muhle-Goll и соавт. [43] показало, что при ОПП изменялись уровни цитрата, желчной кислоты и других метаболитов в моче. Сравнение концентрации различных метаболитов позволит предположить этиологию ОПП, что в дальнейшем поможет создать персонифицированный подход в диагностике и определении тактики лечения конкретного пациента (табл. 1) [43].

 

Таблица. Ключевые метаболиты мочи и методики их определения

Table. Key urine metabolites and methods of their determination

Звено патогенеза

Вид метаболита

Изменения

Метод определения

Повреждения клеточной стенки

Метилгуанозин

Гиппуровая кислота

Диметилгуанозин

Карнитин

Диметиларгинин

Ксантин

Мочевая кислота

Индоксил сульфат

Гексадекановая кислота

Треоновая кислота

Глицериновая кислота

Арабитол

Сульфат гомованилиновой кислоты

Желчная кислота

N(α)-ацетилдиметиларгинин

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ЯМР-спектроскопия

ЖХ-МС/МС

Энергодефицит и повреждение митохондрий

6-кето-деканоилкарнитин

Додеканоилкарнитин

Гидрокси-изовалерилкарнитин

Гидрокси-деканоилкарнитин

Лимонная кислота

Бетаин

Нонаноилкарнитин

Тиглилкарнитин

Бутирилкарнитин

Аконитовая кислота

Цитрат

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

ЯМР-спектроскопия

Нарушение процессов гликолиза

Лактоза

Молочная кислота

ГХ-МС, ЖХ-МС

ГХ-МС, ЖХ-МС

 

Хроническая болезнь почек

Хроническая болезнь почек (ХБП) характеризуется деструкцией и склерозированием почечной паренхимы и потерей функциональных нефронов [44], возникает у детей с врожденными аномалиями развития почек и мочевых путей. Помимо этого, причинами ХБП являются стероидрезистентный нефротический синдром, хронические гломерулонефриты и кистозные цилиопатии [45–47]. Обструктивные уропатии в качестве причины ХБП преобладают у детей младшего возраста, у детей старше 12 лет чаще ключевую роль играют нефритические и нефротические синдромы [45].

Вследствие ненадежности методов диагностики заболевание часто устанавливается уже на поздней стадии, когда процесс повреждения паренхимы почек необратим. Изучение метаболома мочи поможет распознать патологию тогда, когда возможно остановить или замедлить патологический процесс.

Симметричный диметиларгинин — один из показателей почечной недостаточности, однако элиминируется он не только почками, что снижает точность результата анализа. J. Martens-Lobenhoffer и соавт. [48] предложили количественную оценку симметричного метаболита N(α)-ацетилдиметиларгинина с помощью ЖХ-МС. При данном методе точность исследования повышается на 8 %.

Показатели метаболитов мочи можно cравнивать с аналогичными показателями в плазме крови. В исследовании S. Benito и соавт. [49] концентрации глицина, цитруллина, креатинина, асимметричного диметиларгинина и cимметричного диметиларгинина повышаются в моче независимо от креатинина плазмы, а превышение уровня диметилглицина отмечается при уровне креатинина плазмы более 12 мкг/мл [49].

Дисфункция метаболизма липидов, углеводов, аминокислот, нуклеиновых кислот и цикла трикарбоновых кислот в моче является отражением прогрессирования ХБП. Например, исследование на мышах W. Zhang и соавт. [50] продемонстрировало, что применение йодметилхолина приводило к ингибированию бактериального фермента холин-ТМАО-лиазы и к резкому снижению концентрации ТМАО, параллельно с уменьшением концентрации креатинина плазмы, цистатина С, фактора роста фибробластов 23 (FGF23). Значительное снижение маркеров почечного повреждения приводит к замедлению развития ХБП, что проявляется уменьшением фиброза и снижением уровня микроальбуминурии [50].

Подобные комплексные исследования метаболитов и биомаркеров мочи позволят провести фундаментальную оценку механизмов патогенеза ХБП, установить точный диагноз и рассмотреть новые терапевтические стратегии [51].

Пузырно-мочеточниковый рефлюкс

Пузырно-мочеточниковый рефлюкс (ПМР) — врожденная аномалия развития мочевых путей, которая, как правило, диагностируется при наличии клинико-лабораторных проявлений воспаления мочевой системы. Наибольшие опасения при данной патологии вызывает формирование рефлюкс-нефропатии (РН) и развитие таких грозных ее осложнений, как ренальная артериальная гипертензия, протеинурия, нарушение концентрационной функции почек, гиперкалиемия, ацидоз и хроническая болезнь почек с прогрессирующей почечной недостаточностью [52]. Нередко при ПМР патологических изменений в общем и биохимическом анализах крови и мочи не наблюдается, что приводит к его позднему выявлению.

В настоящее время золотым стандартом диагностики считается микционная цистография, но использование ее для частого мониторирования рефлюкса вызывает физический и психологический дискомфорт и подвергает пациентов воздействию рентгеновского облучения [53], поэтому проводится активный поиск дополняющих ее ранних объективных методов.

D. Vitko и соавт. [54] исследовали образцы мочи 96 пациентов, из которых у 83 диагностирован ПМР, и выявили изменения в метаболических путях глутамата, триптофана и деградации гистидина и специфические изменения в метаболизме желчных кислот. Это исследование подтверждает, что уровень метаболитов в моче у детей контрольной группы и с ПМР достоверно различны. Эти показатели могут быть внедрены в диагностический алгоритм у пациентов с ПМР [54, 55].

Следует отметить, что наравне с метаболомом исследование протеома мочи также может быть полезно при постановке диагноза. Определено, что уровень трансформирующего фактора роста бета (TGF-β1) у пациентов с различной степенью рефлюкса был близок к контрольному во всех исследуемых группах, что делает невозможным по данному показателю определить интенсивность заброса мочи. Уровень фактора роста эндотелия сосудов (VEGF), наоборот, повышался с увеличением степени рефлюкcа, показатель моноцитарного хемотаксического протеина-1 (MCP-1) увеличился в группе пациентов с ПМР III–V степени, которым проведено хирургическое вмешательство, после неудачного эндоскопического лечения. Через 6 мес. после коррекции ПМР, несмотря на клиническое и лабораторное улучшение, уровни TGF-β1 и MCP-1 увеличились, в то время как VEGF снизился во всех возрастных группах по сравнению с изначальными значениями [56].

Исследований, посвященных изучению метаболома мочи при других видах обструктивных уропатий, в том числе при гидронефрозе и мегауретере, в отечественной и зарубежной литературе мы не встретили.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование метаболома мочи может быть перспективным, надежным, точным и специфичным в диагностике ранних этапов повреждения различных клеток мочевыделительной системы при обструктивных уропатиях, позволяющее исследовать группы биомаркеров или спектр, что может улучшить выявление имеющихся нарушений, а многомерный анализ обеспечит большую точность при постановке диагноза.

В данном обзоре проанализированы возможности метаболомного анализа для обеспечения качественно нового уровня диагностики и мониторирования повреждения структур мочевыделительной системы и выявления предикторов прогрессирования патологии, что позволит персонализировать тактику принятия врачебных решений.

Для внедрения в практику этого нового метода диагностики, применяемого в детской урологии, необходимо проведение большего количества исследований в зависимости от вида патологии мочевой системы, возраста, пола, диеты, применяемых хирургических методик. Несмотря на простоту сбора анализа мочи на исследование метаболического спектра, в настоящее время его проведение ограничено в связи с использованием дорогостоящего оборудования, сложностью подготовки высококвалифицированного персонала и интерпретации результатов.

Выделение ряда молекулярных маркеров может послужить созданию экспресс-тестов для максимального упрощения получения результата, которые позволят заместить сложные этапы сбора, подготовки, транспортировки и анализа биологического материала и избежать применения инвазивных стационарных методов исследования на доклиническом этапе. На сегодняшний день нет четкого понимания, какие конкретно метаболиты принимают участие в отражении урологических пороков, так как мультицентровых исследований на данную тему недостаточно, а когортные — не позволяют прочно утвердиться этому методу в диагностическом ряду. Важной проблемой также является малое количество патологий, при которых изучена метаболомика. Расширение их спектра позволит не только поставить правильный диагноз на ранней стадии, но и определить лечебную стратегию (консервативное наблюдение, вид хирургического вмешательства, сроки лечения), избежать осложнений и улучшить прогноз.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Вклад каждого автора: Г.И. Кузовлева — основная идея обзора, сбор и анализ литературных источников, подготовка, написание и редактирование текста статьи; Е.Ю. Власенко — сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи; Л.Д. Мальцева — редактирование статьи; О.Л. Морозова — основная идея обзора, постановка цели и задач, критерии отбора и анализа литературных источников, редактирование текста статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study. The contributions of each author: G.I. Kuzovleva — collection and analysis of sources, preparing and writing the text; E.Yu. Vlasenko — collection and analysis of sources, writing the text and editing the article; L.D. Maltseva — editing the article; O.L. Morozova — the main idea of the review, setting goals and objectives, criteria for selection and analysis of literary sources, editing the text of the article.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

×

About the authors

Galina I. Kuzovleva

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University); Speransky Children’s Hospital No. 9

Author for correspondence.
Email: dr.gala@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5957-7037
SPIN-code: 7990-4317

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow; Moscow

Ekaterina Yu. Vlasenko

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: vlasenko.ekaterina@icloud.com
ORCID iD: 0000-0002-3138-8314
SPIN-code: 8290-0356
Russian Federation, Moscow

Larisa D. Maltseva

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: lamapost@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4380-4522
SPIN-code: 7725-2499

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

Olga L. Morozova

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: morozova_ol@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-2453-1319
SPIN-code: 1567-4113

MD, Dr. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

References

  1. Patti GJ, Yanes O, Siuzdak G. Metabolomics: the apogee of the omictriology. Nat Rev Mol Cell Biol. 2012;13(4):263–269. doi: 10.1038/nrm3314
  2. Wishart DS. Metabolomics for investigating physiological and pathophysiological processes. Physiol Rev. 2019;99(4):1819–1875. doi: 10.1152/physrev.00035.2018
  3. Abbiss H, Maker GL, Trengove RD. Metabolomics approaches for the diagnosis and understanding of kidney diseases. Metabolites. 2019;9(2):34–55. doi: 10.3390/metabo9020034
  4. Khamis MM, Adamko DJ, El-Aneed A. Mass spectrometric based approaches in urine metabolomics and biomarker discovery. Mass Spectrom Rev. 2017;36(2):115–134. doi: 10.1002/mas.21455
  5. Zhang A, Sun H, Wu X, Wang X. Urine metabolomics. Clin Chim Acta. 2012;414:65–69. doi: 10.1016/j.cca.2012.08.016
  6. Chiu C-Y, Yeh K-W, Lin G, et al. Metabolomics reveals dynamic metabolic changes associated with age in early childhood. PLoS One. 2016;11(2):e0149823. doi: 10.1371/journal.pone.0149823
  7. Stankovic AK, DiLauri E. Quality improvements in the preanalytical phase: Focus on urine specimen workflow. Clin Lab Med. 2008;28(2):339–350. doi: 10.1016/j.cll.2007.12.011
  8. Wang X, Gu H, Palma-Duran SA, et al. Influence of storage conditions and preservatives on metabolite fingerprints in urine. Metabolites. 2019;9(10):203–215. doi: 10.3390/metabo9100203
  9. Delanghe J, Speeckaert M. Preanalytical requirements of urinalysis. Biochem Med (Zagreb). 2014;24(1):89–104. doi: 10.11613/BM.2014.011
  10. Rodríguez-Morató J, Pozo ÓJ, Marcos J. Targeting human urinary metabolome by LC-MS/MS: a review. Bioanalysis. 2018;10(7):489–516. doi: 10.4155/bio-2017-0285
  11. Dunn WB, Broadhurst D, Ellis DI, et al. A GC-TOF-MS study of the stability of serum and urine metabolomes during the UK Biobank sample collection and preparation protocols. Int J Epidemiol. 2008;37(S1):i23–i30. doi: 10.1093/ije/dym281
  12. Laparre J, Kaabia Z, Mooney M, et al. Impact of storage conditions on the urinary metabolomics fingerprint. Anal Chim Acta. 2017;951:99–107. doi: 10.1016/j.aca.2016.11.055
  13. Chaleckis R, Meister I, Zhang P, Wheelock CE. Challenges, progress and promises of metabolite annotation for LC-MS-based metabolomics. Curr Opin Biotechnol. 2019;55:44–50. doi: 10.1016/j.copbio.2018.07.010
  14. Bartel J, Krumsiek J, Theis FJ. Statistical methods for the analysis of high-throughput metabolomics data. Comput Struct Biotechnol J. 2013;4(5):e201301009. doi: 10.5936/csbj.201301009
  15. Wishart DS, Knox C, Guo AC, et al. HMDB: a knowledgebase for the human metabolome. Nucleic Acids Res. 2009;37(S1):D603–D610. doi: 10.1093/nar/gkn810
  16. Smith CA, O’Maille G, Want EJ, et al. METLIN: a metabolite mass spectral database. Ther Drug Monit. 2005;27(6):747–751. doi: 10.1097/01.ftd.0000179845.53213.39
  17. Bouatra S, Aziat F, Mandal R, et al. The human urine metabolome. PLoS One. 2013;8(9):e73076. doi: 10.1371/journal.pone.0073076
  18. Dai X, Shen L. Advances and trends in omics technology development. Front Med (Lausanne). 2022;9:911861. doi: 10.3389/fmed.2022.911861
  19. Bukharina AB, Fedulkina AO, Demidova KN, et al. Omics technologies in screening for kidney disease in children with congenital uropathy. Annals of the Russian academy of medical sciences. 2022;77(5):354–361. (In Russ.) doi: 10.15690/vramn2107
  20. Emwas A-H, Roy R, McKay RT, et al. NMR spectroscopy for metabolomics research. Metabolites. 2019;9(7):123. doi: 10.3390/metabo9070123
  21. Thomas SN, French D, Jannetto PJ, et al. Liquid chromatography–tandem mass spectrometry for clinical diagnostics. Nat Rev Methods Primers. 2022;2(1):96. doi: 10.1038/s43586-022-00175-x
  22. Fiehn O. Metabolomics by gas chromatography-mass spectrometry: combined targeted and untargeted profiling. Curr Protoc Mol Biol. 2016;114(1):30.4.1–30.4.32. doi: 10.1002/0471142727.mb3004s114
  23. Jokiniitty E, Hokkinen L, Kumpulainen P, et al. Urine headspace analysis with field asymmetric ion mobility spectrometry for detection of chronic kidney disease. Biomark Med. 2020;14(8):629–638. doi: 10.2217/bmm-2020-0085
  24. Fitzgerald J, Fenniri H. Cutting edge methods for non-invasive disease diagnosis using E-tongue and E-nose devices. Biosensors (Basel). 2017;7(4):59. doi: 10.3390/bios7040059
  25. Teruya T, Goga H, Yanagida M. Aging markers in human urine: A comprehensive, non-targeted LC-MS study. FASEB Bioadv. 2020;2(12):720–733. doi: 10.1096/fba.2020-00047
  26. Scalabre A, Jobard E, Demède D, et al. Evolution of newborns’ urinary metabolomic profiles according to age and growth. J Proteome Res. 2017;16(10):3732–3740. doi: 10.1021/acs.jproteome.7b00421
  27. Liu X, Tian X, Qinghong S, et al. Characterization of LC-MS based urine metabolomics in healthy children and adults. Peer J. 2022;10:e13545. doi: 10.7717/peerj.13545
  28. Reusch JEB, Kumar TR, Regensteiner JG, Zeitler PS. Conference participants. Identifying the critical gaps in research on sex differences in metabolism across the life span. Endocrinology. 2018;159(1):9–19. doi: 10.1210/en.2017-03019
  29. Tang WHW, Wang Z, Levison BS, et al. Intestinal microbial metabolism of phosphatidylcholine and cardiovascular risk. N Engl J Med. 2013;368(17):1575–1584. doi: 10.1056/NEJMoa1109400
  30. Koeth RA, Wang Z, Levison BS, et al. Intestinal microbiota metabolism of L-carnitine, a nutrient in red meat, promotes atherosclerosis. Nat Med. 2013;19(5):576–585. doi: 10.1038/nm.3145.
  31. Wilson Tang WH, Wang Z, Kennedy DJ, et al. Gut microbiota-dependent trimethylamine N-oxide (TMAO) pathway contributes to both development of renal insufficiency and mortality risk in chronic kidney disease. Circ Res. 2015;116(3):448–455. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.116.305360
  32. Liu X, Yin P, Shao Y, et al. Which is the urine sample material of choice for metabolomics-driven biomarker studies? Anal Chim Acta. 2020;1105:120–127. doi: 10.1016/j.aca.2020.01.028
  33. Liu Z, Xia B, Saric J, et al. Effects of vancomycin and ciprofloxacin on the NMRI mouse metabolism. J Proteome Res. 2018;17(10):3565–3573. doi: 10.1021/acs.jproteome.8b00583
  34. Kim AHJ, Lee Y, Kim E, et al. Assessment of oral vancomycin-induced alterations in gut bacterial microbiota and metabolome of healthy men. Front Cell Infect Microbiol. 2021;11:629438. doi: 10.3389/fcimb.2021.629438
  35. Rodriguez MM. Congenital anomalies of the kidney and the urinary tract (CAKUT). Fetal PediatrPathol. 2014;33(5-6):293–320. doi: 10.3109/15513815.2014.959678
  36. Macioszek S, Wawrzyniak R, Kranz A, et al. Comprehensive metabolic signature of renal dysplasia in children. A multiplatform metabolomics concept. Front Mol Biosci. 2021;8:665661. doi: 10.3389/fmolb.2021.665661
  37. Xu X, Nie S, Zhang A, et al. Acute kidney injury among hospitalized children in China. Clin J Am Soc Nephrol. 2018;13(12):1791–1800. doi: 10.2215/CJN.00800118
  38. Sutherland SM, Ji J, Sheikhi FH, et al. AKI in hospitalized children: Epidemiology and clinical associations in a national cohort. Clin J Am Soc Nephrol. 2013;8(10):1661–1669. doi: 10.2215/CJN.00270113
  39. Andreoli SP. Acute kidney injury in children. Pediatr Nephrol. 2009;24(2):253–263. doi: 10.1007/s00467-008-1074-9
  40. Cleto-Yamane TL, Gomes CLR, Suassuna JHR, Nogueira PK. Acute kidney injury epidemiology in pediatrics. J Bras Nefrol. 2019;41(2):275–283. doi: 10.1590/2175-8239-JBN-2018-0127
  41. Mammen C, Abbas AA, Skippen P, et al. Long-term risk of CKD in children surviving episodes of acute kidney injury in the intensive care unit: A prospective cohort study. Am J Kidney Dis. 2012;59(4):523–530. doi: 10.1053/j.ajkd.2011.10.048
  42. Beger RD, Holland RD, Sun J, et al. Metabonomics of acute kidney injury in children after cardiac surgery. Pediatr Nephrol. 2008;23(6):977–984. doi: 10.1007/s00467-008-0756-7
  43. Muhle-Goll C, Eisenmann P, Luy B, et al. Urinary NMR profiling in pediatric acute kidney injury — a pilot study. Int J Mol Sci. 2020;21(4):1187. doi: 10.3390/ijms21041187
  44. Viau A, El Karoui K, Laouari D, et al. Lipocalin 2 is essential for chronic kidney disease progression in mice and humans. J Clin Invest. 2010;120(11):4065–4076. doi: 10.1172/JCI42004
  45. Harambat J, van Stralen KJ, Kim JJ, Tizard EJ. Epidemiology of chronic kidney disease in children. Pediatr Nephrol. 2012;27(3):363–373. doi: 10.1007/s00467-011-1939-1
  46. Becherucci F, Roperto RM, Materassi M, Romagnani P. Chronic kidney disease in children. Clin Kidney J. 2016;9(4):583–591. doi: 10.1093/ckj/sfw047
  47. Vivante A, Hildebrandt F. Exploring the genetic basis of early-onset chronic kidney disease. Nat Rev Nephrol. 2016;12(3):133–146. doi: 10.1038/nrneph.2015.205
  48. Martens-Lobenhoffer J, Bode-Böger SM. Amino acid N-acetylation: Metabolic elimination of symmetric dimethylarginine as symmetric Nα-acetyldimethylarginine, determined in human plasma and urine by LC–MS/MS. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 2015;975:59–64. doi: 10.1016/j.jchromb.2014.11.009
  49. Benito S, Sánchez A, Unceta N, et al. LC-QTOF-MS-based targeted metabolomics of arginine-creatine metabolic pathway-related compounds in plasma: application to identify potential biomarkers in pediatric chronic kidney disease. Anal Bioanal Chem. 2016;408(3):747–760. doi: 10.1007/s00216-015-9153-9
  50. Zhang W, Miikeda A, Zuckerman J, et al. Inhibition of microbiota-dependent TMAO production attenuates chronic kidney disease in mice. Sci Rep. 2021;11(10):518. doi: 10.1038/s41598-020-80063-0
  51. Wang Y-N, Ma S-X, Chen Y-Y, et al. Chronic kidney disease: Biomarker diagnosis to therapeutic targets. Clin Chim Acta. 2019;499:54–63. doi: 10.1016/j.cca.2019.08.030
  52. Mattoo TK. Vesicoureteral reflux and reflux nephropathy, advances in chronic kidney disease. Adv Chronic Kidney Dis. 2011;18(5):348–354. doi: 10.1053/j.ackd.2011.07.006
  53. Läckgren G, Cooper CS, Neveus T, Kirsch AJ. Management of vesicoureteral reflux: What have we learned over the last 20 years? Front Pediatr. 2021;9:650326. doi: 10.3389/fped.2021.650326
  54. Vitko D, McQuaid JW, Gheinani AH, et al. Urinary tract infections in children with vesicoureteral reflux are accompanied by alterations in urinary microbiota and metabolome profiles. Eur Urol. 2022;81(2):151–154. doi: 10.1016/j.eururo.2021.08.022
  55. Riccio S, Valentino MS, Passaro AP, et al. New insights from metabolomics in pediatric renal diseases. Children (Basel). 2022;9(1):118. doi: 10.3390/children9010118
  56. Morozova O, Morozov D, Pervouchine D, et al. Urinary biomarkers of latent inflammation and fibrosis in children with vesicoureteral reflux. Int Urol Nephrol. 2020;52(4):603–610. doi: 10.1007/s11255-019-02357-1

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 - 81892 от 24.09.2021 г.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies