Martin Winhart

• Die chronische Niereninsuffizienz (CKD) stellt weltweit ein immer größer werdendes Gesundheitsproblem dar [1, 2]. Hohe Prävalenz und Gesundheitskosten sowie eine verminderte Lebensqualität bei den Betroffenen, sind Faktoren, die eine Weiterentwicklung der Früherkennung der CKD zwingend erfordern [3–8]. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, mithilfe des Plasmaund Urinmetaboloms in explorativen Analysen Metabolite zu identifizieren die mit der Nierenfunktion assoziiert sind. In die Studie wurden die Daten von 920 Probanden, darunter 407 Männer und 513 Frauen, der Basisuntersuchung der populationsbasierten Study of Health in Pomerania-TREND (SHIPTREND) eingeschlossen. Die Probanden waren zwischen 20-79 Jahre alt und lebten in der Region Vorpommern. Die durchgeführten Untersuchungen fanden zwischen 2008 und 2012 statt. Alle eingeschlossenen Probanden waren nierengesund und hatten keinen selbstberichteten Diabetes Mellitus. Als Parameter zur Abschätzung der Nierenfunktion wurde die geschätzte glomeruläre Filtrationsrate (eGFR) basierend auf Cystatin C (eGFRcys) verwendet. Probanden mit einer eGFRcys > 60 ml/min/1,73m² wurden als nierengesund definiert. Das Plasma- sowie Urinmetabolom wurde mittels Flüssigchromatographie (liquid chromatography) kombiniert mit Tandem- Massenspektrometrie am Helmholtz Zentrum München gemessen. Anschließend wurden die Metaboliten durch einen kommerziellen Anbieter (Metabolon, Inc.) quantifiziert. Insgesamt konnten 474 Plasmametaboliten und 558 Urinmetaboliten quantifiziert werden, von denen 200 sowohl im Blut als auch im Urin vorkamen. Es erfolgten multivariable lineare Regressionsanalysen, bei der die abhängige Variable die eGFRcys darstellte. Unabhängige Variablen waren alle quantifizierten Plasma- und Urinmetaboliten, sowie die inter- und intra-fluid Ratios in allen möglichen Kombinationen. Die Regressionsanalysen wurden für Alter, Geschlecht, Taillenumfang, Triglyceride, Rauchen und Hypertonie adjustiert. Zur Vermeidung einer Kumulierung von Alphafehlern wurde zur Bestimmung des Signifikanzniveaus die Bonferroni-Korrektur verwendet. Intra- und inter-fluid Ratios mussten zusätzliche einen P-gain Schwellenwert überschreiten, der es ermöglicht die Assoziation eines Ratio mit der eGFRcys unabhängig von der Signifikanz eines Einzelmetaboliten zu bewerten. Insgesamt zeigten sich in den Analysen im Plasma 72, und im Urin 56 signifikant mit der eGFRcys assoziierte Metaboliten. Zusätzlich konnten 26 intra-fluid Ratios im Plasma, 34 intra-fluid Ratios im Urin und 150 inter-fluid Ratios detektiert werden, die signifikant mit der eGFRcys assoziiert waren. Aus der Vielzahl der detektierten Assoziationen stachen vier Plasmametaboliten hervor, die bisher in keiner anderen Studie im Zusammenhang mit der Nierenfunktion beschrieben wurden: Gamma-Butyrobetain, 3-Methylglutarylcarnitin, N4-Acetylcytidin und 1-Methyl-2-Piperidin-carboxylsäure. Andere Plasmametaboliten wie Pseudouridin und Kynurenin wurden bereits in vorherigen Studien [25–27] als signifikant mit der Nierenfunktion bzw. Nierenfunktions-einschränkungen assoziiert, beschrieben. Im Urinmetabolom zeigten sich vor allem N-acetylierte Aminosäuren und Metaboliten des AS-Stoffwechsels von Leucin, Isoleucin und Valin, die alle positiv mit der eGFRcys assoziiert waren. Zudem gab es vier invers assoziierte inter-fluid Ratios die denselben Metaboliten, sowohl im Plasma als auch im Urin beinhalteten: Beta-hydroxyisovalerat, 3-Indoxylsulfat, N1-Methyl-2- pyridon-5-carboxamid und ein unbekannter Metabolit. Die Einordnung der eigenen Ergebnisse in die Erkenntnisse aus vorherigen Studien trug zur Validierung der vorliegenden Resultate bei. Dabei wurden auch eigene Hypothesen zu pathophysiologischen Zusammenhängen zwischen den Metaboliten bzw. den Metabolitenratios und der eGFR aufgestellt. Jedoch können mit den vorgestellten querschnittlichen und explorativen Analysen keine kausalen Zusammenhänge detektiert werden. Es ist daher notwendig in zukünftigen prospektiven Studien sowie randomisierten Fall-Kontroll Ansätzen die herausgearbeiteten Metaboliten in Bezug auf ihre Bedeutung für die Nierenfunktion genauer zu beleuchten. Zudem sollte in experimentellen Ansätzen Grundlagenforschung zum Thema Nierenmetabolismus der detektierten Metaboliten betrieben werden um herauszufinden, ob einer oder mehrere dieser Stoffe als laborchemische Biomarker zur Detektion geringfügiger Nierenfunktionseinschränkungen geeignet sind. Die vorliegende, explorative Studie schafft somit einen Ausgangspunkt für weitere, zielgerichtete Forschung.
• Chronic kidney disease (CKD) represents an increasingly significant global health issue [1, 2]. High prevalence, healthcare costs, and reduced quality of life for affected individuals are factors that necessitate the further development of early CKD detection [3–8]. Therefore, the aim of this study was to identify metabolites associated with kidney function through exploratory analyses of the plasma and urine metabolomes. The study included data from 920 participants, including 407 men and 513 women, from the baseline examination of the population-based Study of Health in Pomerania-TREND (SHIP-TREND). The participants were aged between 20 and 79 years and lived in the region of Vorpommern. The examinations were conducted between 2008 and 2012. All included participants were kidney-healthy and had no self-reported diabetes mellitus. The estimated glomerular filtration rate (eGFR) based on cystatin C (eGFR cys) was used as a parameter for assessing kidney function. Participants with an eGFR cys > 60 ml/min/1.73m² were defined as kidney-healthy. The plasma and urine metabolomes were measured using liquid chromatography combined with tandem mass spectrometry at the Helmholtz Zentrum München. The metabolites were subsequently quantified by a commercial provider (Metabolon, Inc.). A total of 474 plasma metabolites and 558 urine metabolites were quantified, of which 200 were found in both blood and urine. Multivariable linear regression analyses were performed with the dependent variable being eGFR cys. Independent variables included all quantified plasma and urine metabolites, as well as the inter- and intra-fluid ratios in all possible combinations. The regression analyses were adjusted for age, sex, waist circumference, triglycerides, smoking, and hypertension. To avoid the accumulation of type I errors, the Bonferroni correction was used to determine the significance level. Intra- and inter-fluid ratios had to additionally exceed a P-gain threshold, allowing the evaluation of the association of a ratio with eGFR cys independent of the significance of a single metabolite. In total, 72 plasma metabolites and 56 urine metabolites were found to be significantly associated with eGFR cys. Additionally, 26 intra-fluid ratios in plasma, 34 intra-fluid ratios in urine, and 150 inter-fluid ratios were detected, which were significantly associated with eGFR cys. Among the many detected associations, four plasma metabolites stood out, which had not been previously described in relation to kidney function: Gamma-50Butyrobetain, 3-Methylglutarylcarnitine, N4-Acetylcytidine, and 1-Methyl-2-Piperidin-carboxylic acid. Other plasma metabolites, such as pseudouridine and kynurenine, had already been described in previous studies [25–27] as being significantly associated with kidney function or kidney function impairment. In the urine metabolome, N-acetylated amino acids and metabolites from the AS metabolism of leucine, isoleucine, and valine, all of which were positively associated with eGFR cys, were particularly notable. In addition, four inversely associated inter-fluid ratios were detected, which included the same metabolites in both plasma and urine: beta-hydroxyisovalerate, 3-Indoxyl sulfate, N1-Methyl-2-pyridon-5-carboxamide, and an unknown metabolite. The integration of our results with the findings from previous studies contributed to the validation of the present results. Hypotheses were also developed regarding the pathophysiological relationships between the metabolites or metabolite ratios and eGFR. However, causal relationships cannot be detected with the presented cross-sectional and exploratory analyses. Therefore, it is necessary to further investigate the identified metabolites in future prospective studies and randomized case-control approaches regarding their significance for kidney function. Additionally, experimental research should be conducted on the kidney metabolism of the detected metabolites to determine whether one or more of these substances can serve as laboratory biomarkers for detecting minor impairments in kidney function. This exploratory study thus provides a starting point for further, targeted research.