引言

脓毒症相关急性肾损伤（S-AKI）是ICU里致死率极高的并发症，但至今缺乏特异性治疗手段。哈尔滨医科大学附属第一医院联合深圳市人民医院、大湾区大学等团队，利用空间多组学技术构建了S-AKI肾脏的时空分子图谱，并借助人源肾脏类器官（深圳华津生物提供技术支持）进行验证，首次系统揭示了精氨酸酶2（ARG2）通过抑制PPARγ、加剧肾小管脂质积累，从而推动S-AKI进展的机制。相关成果以 《Arginase 2 deficiency mitigates sepsis-associated acute kidney injury by alleviating lipid accumulation》（精氨酸酶2缺陷通过减轻脂质积累缓解脓毒症相关急性肾损伤）为题，发表于《Clinical and Translational Medicine》。

首先，研究团队建立了对照组、脓毒症组和S-AKI组三组小鼠模型，对肾脏切片同步进行空间代谢组学和空间蛋白质组学分析，并结合病理图像标注肾小球、近端小管、远端小管和集合管四个区域，构建了S-AKI肾脏的时空多组学图谱。差异分析显示，损伤相关代谢物和蛋白的变化主要集中在集合管，其次为远端小管和近端小管，且各肾区之间的差异分子重叠极少，说明不同肾段的损伤机制存在显著功能异质性。整合富集分析进一步确认了这种区域特异性，并发现精氨酸生物合成通路在四个肾区均持续失调。随后，研究利用LASSO方法为每个肾区构建基于代谢物和蛋白的机器学习分类模型，其中近端小管和集合管的模型拟合最佳，且基于蛋白的模型预测稳定性优于基于代谢物的模型。气泡图直观展示了各肾区中关键代谢物和蛋白的相对表达量及模型贡献。这张图谱锁定了精氨酸代谢为核心通路，为后续ARG2的发现奠定了基础。

图1. 通过空间多组学，揭示脓毒症向S-AKI进展过程中肾脏代谢和蛋白质组的区域异质性。

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随后，研究团队为了精确描绘肾脏代谢物在S-AKI发生发展中的时空动态，在造模后0、2、8、24小时四个时间点纵向采集小鼠肾脏组织和血液样本，并持续监测实时肾小球滤过率（RT-GFR），证实肾功能随时间进行性恶化。空间代谢组学分析显示，随时间推进，差异代谢物数量逐步增加，提示代谢紊乱和损伤范围不断扩大；这些差异代谢物涵盖氨基酸、脂肪酸、核苷酸等多种类别，其中氨基酸和脂肪酸占比最大，说明能量和脂质代谢发生了显著改变。通路富集分析进一步显示，精氨酸和脯氨酸代谢、精氨酸生物合成是受影响最突出的通路。时间序列聚类将代谢物分为递减型、急性峰值型和递增型三类，其中递减型以氨基酸及其代谢物为主，提示氨基酸代谢受到抑制。为锁定与肾功能直接相关的代谢物，研究将差异代谢物与RT-GFR进行相关性分析，并与空间分析结果取交集，发现精氨酸在三个肾区均显著失调，且其水平随S-AKI进展持续下降，与GFR呈显著正相关；同时，精氨酸在S-AKI小鼠的血清和尿液中显著降低，在脓毒症和AKI患者尿液样本中也得到验证。精氨酸由此被确立为贯穿空间、时间、物种和体液的关键分子，为后续锁定其分解酶ARG2提供了直接依据。

图2. 时空代谢组学揭示AKI进展过程中的动态代谢景观。

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接下来，研究团队聚焦于精氨酸代谢下游的关键酶ARG2。由于补充L-精氨酸并不能改善肾功能，研究转向精氨酸的分解途径。结果显示，ARG2在S-AKI中随时间进行性升高，免疫荧光和免疫组化确认其主要定位于肾外髓质，且与既往缺血再灌注、顺铂肾毒性模型不同，ARG2在S-AKI中主要表达于近端小管、远端小管和巨噬细胞，而非内皮细胞或集合管。随后，团队使用精氨酸酶抑制剂nor-NOHA进行干预，发现其可显著改善RT-GFR，降低血清肌酐和尿素氮水平，减少肾损伤标志物HAVCR1和LCN2的表达，并减轻肾细胞凋亡。ARG2在S-AKI中的致病作用由此得到确认，药理学抑制ARG2可有效缓解肾损伤，为后续机制探索和靶向验证提供了关键依据。

图3. S-AKI小鼠中ARG2表达升高，精氨酸酶抑制剂可有效缓解脓毒症急性肾损伤。

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接着，研究团队为探究nor-NOHA缓解S-AKI的潜在机制，将肾脏组织RNA-seq与血清代谢组学联合分析。结果显示，nor-NOHA干预后，脂肪酸代谢通路显著富集，KEGG分析中PPAR信号通路变化最为显著，其中PPARγ表达变化最大；血清代谢组学也显示血清脂质水平显著下降。进一步验证发现，S-AKI中肾小管出现明显脂质积累，PPARγ在近端和远端小管中表达下调，而nor-NOHA干预可显著逆转上述结果，恢复PPARγ表达，减少脂质沉积，减轻肾小管损伤和线粒体肿胀，并降低肾损伤标志物LCN2、HAVCR1和PLIN2的蛋白水平。此外，nor-NOHA还显著减轻了脓毒症导致的晚期肾纤维化。这一结果将ARG2与PPARγ及脂质代谢直接联系起来，揭示了nor-NOHA通过抑制ARG2、恢复PPARγ活性来减轻肾小管脂质积累和肾损伤的机制。

图4. 精氨酸酶抑制剂nor-NOHA通过激活PPARγ减轻肾小管脂质积累，从而缓解脓毒症诱导的急性肾损伤。

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随后，为排除nor-NOHA对ARG1及其他细胞类型中ARG2的脱靶效应，研究团队通过尾静脉注射肾小管特异性启动子（KSP-Cadherin）驱动的AAV9-shARG2，仅敲低肾小管中的ARG2。结果显示，肾小管ARG2表达被显著抑制，BUN水平下降，RT-GFR升高，肾损伤标志物HAVCR1和LCN2以及脂滴表面标志蛋白PLIN2表达均降低，同时PPARγ表达回升。免疫荧光和油红O染色进一步证实，肾小管特异性敲低ARG2可减少肾小管脂质积累。遗传学手段特异性靶向肾小管ARG2，确认了ARG2通过抑制PPARγ介导肾小管脂质积累和肾损伤，进一步夯实了ARG2作为治疗靶点的证据。

图5. 肾小管ARG2敲低减轻S-AKI中的脂质积累和肾损伤。

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进一步，研究团队在体外分离了野生型和ARG2全身敲除小鼠的原代肾小管上皮细胞（RPTCs），以验证ARG2在肾小管细胞中的直接作用。首先用棕榈酸模拟脂质积累，并用PPARγ抑制剂T007097处理，发现抑制PPARγ会显著加剧脂质滴积累，证实PPARγ在脂滴代谢中的关键作用。随后用LPS处理RPTCs，结果显示ARG2定位于线粒体，ARG2敲除可缓解LPS诱导的PPARγ下降，减少脂质滴积累，并降低损伤标志物表达。为弥补动物模型与人体试验之间的差距，研究团队进一步构建了人胚胎干细胞来源的肾脏类器官，LPS处理后ARG2表达显著升高且主要定位于肾小管，共染色确认ARG2位于肾小管线粒体外膜，PPARγ的表达模式与成人肾脏一致。体外原代细胞和人源肾脏类器官共同验证了ARG2对PPARγ和脂质积累的调控作用，为后续在人源类器官中进行ARG2基因敲除验证奠定了模型基础。

图6. ARG2敲除在体外减轻肾小管脂质积累和肾损伤。

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最后，研究团队利用CRISPR-Cas9技术构建了ARG2敲除的人胚胎干细胞系（H9），并验证其分化能力未受影响（OCT4、NANOG表达正常，未检测到ARG1蛋白）。随后将野生型和ARG2敲除的干细胞分化为肾脏类器官，发现ARG2敲除不影响类器官的形态和肾小球、肾小管结构。LPS处理后，ARG2敲除可恢复肾小管中PPARγ的表达，减少脂质滴标记物，并抑制肾损伤标志物HAVCR1的水平。人源肾脏类器官中的ARG2基因敲除功能验证，确认了ARG2通过抑制PPARγ驱动肾小管脂质积累和损伤，为靶向ARG2治疗S-AKI提供了最接近临床的遗传学证据。

图7. ARG2敲除减轻肾脏类器官脂质积累和肾损伤。

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这项研究通过时空多组学、遗传学干预和人源肾脏类器官验证，系统揭示了ARG2在脓毒症相关急性肾损伤中的核心致病作用。从图谱绘制到机制解析，再到靶点验证，研究形成了一条完整的证据链：精氨酸代谢紊乱是S-AKI的关键特征，ARG2上调通过抑制PPARγ导致肾小管脂质积累和损伤，而抑制ARG2可恢复PPARγ活性、减轻脂质沉积并缓解肾损伤。人源肾脏类器官的验证进一步提升了结论的临床转化价值。ARG2有望成为S-AKI治疗的新靶点，为这一长期缺乏特异性疗法的危重症提供新的干预方向。