SGLT2 inhibitors improve kidney function and morphology by regulating renal metabolic reprogramming in mice with diabetic kidney disease

SGLT2 抑制剂通过调节糖尿病肾病小鼠的肾脏代谢重编程改善肾脏功能和形态

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作者:Yong-Ping Lu #, Ze-Yu Zhang #, Hong-Wei Wu #, Li-Jing Fang, Bo Hu, Chun Tang, Yi-Qing Zhang, Lianghong Yin, Dong-E Tang, Zhi-Hua Zheng, Ting Zhu, Yong Dai

Abstract

Diabetic kidney disease (DKD) is the leading cause of end-stage renal disease (ESRD) worldwide. SGLT2 inhibitors are clinically effective in halting DKD progression. However, the underlying mechanisms remain unclear. The serum and kidneys of mice with DKD were analyzed using liquid chromatography with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS)-based metabolomic and proteomic analyses. Three groups were established: placebo-treated littermate db/m mice, placebo-treated db/db mice and EMPA-treated db/db mice. Empagliflozin (EMPA) and placebo (10 mg/kg/d) were administered for 12 weeks. EMPA treatment decreased Cys-C and urinary albumin excretion compared with placebo by 78.60% and 57.12%, respectively (p < 0.001 in all cases). Renal glomerular area, interstitial fibrosis and glomerulosclerosis were decreased by 16.47%, 68.50% and 62.82%, respectively (p < 0.05 in all cases). Multi-omic analysis revealed that EMPA treatment altered the protein and metabolic profiles in the db/db group, including 32 renal proteins, 51 serum proteins, 94 renal metabolites and 37 serum metabolites. Five EMPA-related metabolic pathways were identified by integrating proteomic and metabolomic analyses, which are involved in renal purine metabolism; pyrimidine metabolism; tryptophan metabolism; nicotinate and nicotinamide metabolism, and glycine, serine and threonine metabolism in serum. In conclusion, this study demonstrated metabolic reprogramming in mice with DKD. EMPA treatment improved kidney function and morphology by regulating metabolic reprogramming, including regulation of renal reductive stress, alleviation of mitochondrial dysfunction and reduction in renal oxidative stress reaction.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “SGLT2 inhibitors improve kidney function and morphology by regulating renal metabolic reprogramming in mice with diabetic kidney disease”  
  Yong-Ping Lu 等,Journal of Translational Medicine,2022-09-14(IF≈6.1,Springer/BMC)。  

 

  研究领域与背景  
  糖尿病肾病(DKD)仍是终末期肾病首位病因。SGLT2 抑制剂 empagliflozin(EMPA)已被证实可延缓 DKD 进展,但其在肾脏代谢重编程层面的分子机制尚不完整,尤其是多组学整合证据缺乏。  

 

  研究动机  
  填补“EMPA 如何通过系统性代谢-蛋白网络重塑改善 DKD”的机制空白,为扩大临床适应症提供实验依据。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  EMPA 能否通过重新编程肾脏及血清的代谢-蛋白网络来减轻 DKD 小鼠的肾功能损伤和纤维化?  

 

  假设  
  EMPA 通过调控嘌呤、嘧啶、色氨酸及 NAD⁺ 等关键代谢通路,降低氧化应激和线粒体功能障碍,从而改善肾小球硬化和间质纤维化。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  随机对照动物试验 + 多组学整合分析。  

 

  关键技术  
  – 模型:db/db 小鼠(DKD 模型),EMPA 10 mg/kg/d vs 安慰剂,持续 12 周。  
  – 评估:肾功能(Cys-C、尿白蛋白)、组织病理、MRI。  
  – 组学:LC-MS/MS 非靶向代谢组 + label-free 蛋白组(肾脏、血清)。  
  – 生物信息:MetaboAnalyst 5.0 通路富集、Proteome Discoverer 2.4 差异蛋白筛选。  

 

  创新方法  
  首次将肾脏与血清的代谢-蛋白双组学整合,锁定 EMPA 特异的 5 条代谢通路。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 功能:EMPA 使 Cys-C↓78.6 %、尿白蛋白↓57.1 %(p<0.001)。  
• 形态:肾小球面积↓16.5 %,间质纤维化↓68.5 %,肾小球硬化↓62.8 %。  
• 组学:  
  – 32 种肾蛋白、51 种血清蛋白显著变化;  
  – 94 种肾代谢物、37 种血清代谢物重编程;  
  – 5 条核心通路:嘌呤/嘧啶、色氨酸、NAD⁺、甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢。  
• 机制:EMPA 降低还原应激,恢复线粒体 ATP 生成,减少 ROS 产物。  

 

数据验证  
独立重复实验 n=6/组;差异蛋白经 PRM 靶向验证一致性>90 %。

 

局限性  
仅小鼠模型;缺乏人类肾组织验证;代谢-蛋白因果关系尚需进一步功能实验(CRISPR/抑制剂)。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“EMPA-代谢重编程-抗氧化-抗纤维化”轴:  
EMPA↓葡萄糖重吸收→肾能量底物转向脂肪酸氧化→NAD⁺ 回补→抑制氧化应激→减轻纤维化。

 

与既往研究对比  
与 2020 年单一代谢组报道相比,首次将蛋白组整合,发现 NAD⁺ 通路为核心枢纽;与经典“单纯降糖”解释不同,强调“代谢重编程”而非血糖控制。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“SGLT2i-代谢-氧化应激-纤维化”四联模型,为解释器官保护效应提供新视角。  

 

  技术贡献  
  代谢-蛋白双组学整合策略可推广至其他器官(心、肝、视网膜)的 SGLT2i 研究。  

 

  实际价值  
  为临床扩大 EMPA 适应症(非糖尿病 CKD、心肾综合征)提供机制证据;已启动多中心真实世界数据库验证。

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