代謝組學(xué)在器官移植中的應(yīng)用

李恩有 王常松 董冉

代謝組學(xué)是20世紀(jì)90年代中期繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。它是關(guān)于生物體系內(nèi)源性代謝物質(zhì)種類(lèi)、數(shù)量及其變化規(guī)律的科學(xué)，研究生物整體、系統(tǒng)或器官的內(nèi)源性代謝物質(zhì)及其所受的內(nèi)在或外在因素影響。基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分別從基因和蛋白質(zhì)層面探尋生命的活動(dòng)，實(shí)際上細(xì)胞內(nèi)許多生命活動(dòng)是發(fā)生在代謝物層面的，如細(xì)胞信號(hào)釋放、能量傳遞、細(xì)胞間通信等都是受代謝物調(diào)控的。因此代謝組學(xué)研究可定位為基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的下游研究，代謝組學(xué)的變化是機(jī)體對(duì)遺傳、疾病和環(huán)境影響的最終應(yīng)答反應(yīng)。代謝組學(xué)研究對(duì)象大都是相對(duì)分子質(zhì)量1000以?xún)?nèi)的小分子物質(zhì)。先進(jìn)的分析檢測(cè)技術(shù)結(jié)合模式識(shí)別和專(zhuān)家系統(tǒng)等計(jì)算分析方法是代謝組學(xué)研究的基本方法?；瘜W(xué)分析技術(shù)中最常用的是1H核磁共振、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用［1-4］。

在器官移植中代謝組學(xué)能從移植器官再灌注損傷和器官功能兩方面監(jiān)測(cè)器官的生理狀態(tài)。大多數(shù)器官移植相關(guān)代謝產(chǎn)物分析是在體外進(jìn)行的，主要通過(guò)分析尿液、血漿和膽汁等體液而獲得結(jié)果。最近，采用核磁共振化學(xué)位移成像技術(shù)，已經(jīng)能在體內(nèi)進(jìn)行代謝組學(xué)分析，這一技術(shù)主要是分析無(wú)機(jī)磷或腺苷三磷酸、腺苷二磷酸和磷酸肌酸等磷酸化的代謝產(chǎn)物。本文就代謝組學(xué)在肝移植、心臟移植和腎移植后移植物功能和排斥反應(yīng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況作一簡(jiǎn)介。

1 代謝組學(xué)在肝移植中的應(yīng)用

肝移植是治療終末期肝病的有效治療手段。新的免疫抑制劑的應(yīng)用和手術(shù)技術(shù)方面的進(jìn)展使肝移植受者存活率不斷提高。但是，術(shù)后仍然面臨肝功能衰竭、排斥反應(yīng)等問(wèn)題。及時(shí)了解移植肝狀態(tài)，并正確治療能顯著提高受者移植后存活率［5］。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)移植后肝損傷的方法是檢查肝功能測(cè)定轉(zhuǎn)氨酶和白蛋白水平，這種方法缺乏敏感性和特異性，且不能及時(shí)反映急性期狀態(tài)。病理學(xué)檢查是監(jiān)測(cè)肝損傷的“金標(biāo)準(zhǔn)”［6］，但有時(shí)也不能正確或及時(shí)反映移植肝狀態(tài)，尤其使用免疫抑制劑后［7］。肝是體內(nèi)代謝及排泄的主要器官，是全身代謝和物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要場(chǎng)所［8］。如果能夠監(jiān)測(cè)特異性的代謝物變化并找到它們與移植肝功能變化的相關(guān)性將是非常有意義的。肝是尿素循環(huán)代謝的主要器官，許多重要的生物標(biāo)志物實(shí)際上是尿素、谷氨酰胺和精氨酸的代謝產(chǎn)物。例如，如果在供體肝內(nèi)存在大量的甲基化的精氨酸衍生物就能強(qiáng)烈地預(yù)示最終的移植后排斥反應(yīng)［9］。同樣，細(xì)胞外精氨酸水平恢復(fù)的數(shù)量和比例能夠很好地預(yù)測(cè)移植后24 h內(nèi)的臟器功能［10］。Serkova等［11］的研究發(fā)現(xiàn)在肝移植后早期(2 h)血中能夠檢測(cè)到6種代謝標(biāo)志物(乳酸、尿酸、脂肪酸、谷氨酰胺、甲硫氨酸和檸檬酸)，該6種代謝物為早期移植肝無(wú)功能的標(biāo)志物，而此時(shí)常規(guī)檢查尚無(wú)任何有意義的結(jié)果。說(shuō)明通過(guò)檢測(cè)肝內(nèi)合成和利用的小分子代謝物質(zhì)反映移植肝狀態(tài)這一領(lǐng)域研究具有很大潛力。

2 代謝組學(xué)在心臟移植中的應(yīng)用

心臟移植已經(jīng)成為越來(lái)越多終末期心臟疾病的治療手段。雖然免疫抑制治療發(fā)展迅速，但是心臟移植后受者10年存活率仍?xún)H為50%。移植后排斥反應(yīng)是影響受者術(shù)后生存的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。早期診斷和及時(shí)調(diào)整免疫抑制治療方案十分重要。目前，心內(nèi)膜心肌活組織檢查仍是最特異、最敏感的診斷指標(biāo)。但心內(nèi)膜心肌活組織檢查為有創(chuàng)操作，會(huì)導(dǎo)致較多的并發(fā)癥。Sobotka等［12］在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，呼出氣中戊烷濃度可以為心臟移植術(shù)后急性排斥反應(yīng)提供診斷參考。該實(shí)驗(yàn)調(diào)查了37例心臟移植受者的心臟功能，使用氣相色譜分析這些患者呼出氣戊烷濃度，與病理學(xué)檢查結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)排斥反應(yīng)患者呼出氣戊烷濃度增高，提示呼出氣戊烷可以作為心臟移植排斥反應(yīng)的一種敏感的無(wú)創(chuàng)性監(jiān)測(cè)指標(biāo)。Phillips等［13］采集了539例心臟移植受者1061個(gè)呼出氣氣樣，與心內(nèi)膜心肌活組織檢查結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)于3級(jí)以上的排斥反應(yīng)患者，呼出氣中C4-C20烷烴類(lèi)物質(zhì)濃度增高，其敏感度較病理醫(yī)師診斷的活組織檢查結(jié)果更高;通過(guò)呼出氣測(cè)試可以有效地監(jiān)測(cè)低風(fēng)險(xiǎn)心臟移植受者的3級(jí)排斥反應(yīng)，減少心內(nèi)膜心肌活組織檢查的次數(shù)。

除呼出氣分析外，有學(xué)者還嘗試著從尿液、血漿或心肌組織中找出炎癥指示因子或炎癥過(guò)程的小分子代謝產(chǎn)物。這些小分子物質(zhì)包括硝酸鹽類(lèi)、血栓烷A2或B2以及新喋呤［14-15］。當(dāng)患者存在排斥反應(yīng)時(shí)這些免疫相關(guān)的代謝產(chǎn)物的水平會(huì)有非常明顯的升高。另外一些研究通過(guò)分析血漿或血清的成分來(lái)檢測(cè)或監(jiān)測(cè)心臟的排斥反應(yīng)。其中一項(xiàng)研究利用1H核磁共振選擇性地分析心臟移植受者脂質(zhì)或脂蛋白的譜寬以診斷急性排斥反應(yīng)，其結(jié)果特異性和敏感性均大于90%［16］。

3 代謝組學(xué)在腎移植中的應(yīng)用

在臨床腎移植中，F(xiàn)oxall等［17］通過(guò)1H核磁共振質(zhì)譜快速多成分分析尿素中低分子量化合物，發(fā)現(xiàn)代謝產(chǎn)物改變與早期移植腎功能障礙相關(guān)。監(jiān)測(cè)腎移植代謝物改變可以更好地理解腎臟病理生理學(xué)。由于腎能產(chǎn)生豐富的代謝產(chǎn)物和大量尿液，所以有關(guān)器官移植和器官功能的代謝組學(xué)研究多集中于腎。事實(shí)上，在過(guò)去的十幾年里，報(bào)道了多個(gè)與活體腎移植供者損害、移植腎功能、腎功能衰竭、急性排斥反應(yīng)有關(guān)的生物標(biāo)志物研究［18-23］。在這些狀態(tài)下尿液和血清中氮氧三甲胺增高3～4倍。除了氮氧三甲胺水平和其他一些氨基酸水平升高以外，也發(fā)現(xiàn)一些炎癥細(xì)胞和硝酸鹽、亞硝酸鹽的代謝產(chǎn)物。進(jìn)一步檢查結(jié)果顯示，腎受損時(shí)似乎血清和尿中的乳酸、醋酸、琥珀酸、乙醇、尿素這些標(biāo)志物含量也迅速升高。

大多數(shù)研究描述了血清、血漿或尿的代謝產(chǎn)物的變化，也有一些代謝組學(xué)的研究不能確定特定化合物，但可發(fā)現(xiàn)特征的圖譜。臨床上可利用這些特定的圖譜來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

4 小結(jié)

代謝組學(xué)在器官移植中的應(yīng)用可為我們了解整個(gè)生物系統(tǒng)狀態(tài)提供獨(dú)特的視角。相關(guān)研究尚處于起步階段，但已提示可以鑒定出尿液、血漿及呼出氣中有相當(dāng)數(shù)量的代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物能準(zhǔn)確地為我們提供有關(guān)器官功能、損傷及排斥反應(yīng)的信息?？梢灶A(yù)見(jiàn)在不遠(yuǎn)的將來(lái)，將會(huì)有更多的代謝物被鑒定出來(lái)，更多的特征圖譜被發(fā)現(xiàn)，而這些成果將為我們監(jiān)測(cè)移植物功能和排斥反應(yīng)帶來(lái)更直接的證據(jù)。

1 Wang Y，Tao Y，Lin Y，et al.Integrated analysis of serum and liver metabonome in liver transplanted rats by gas chromatography coupled with mass spectrometry［J］.Anal Chim Acta，2009，633(1):65-70.

2 Saude EJ，Lacy P，Musat-Marcu S，et al.NMR analysis of neutrophil activation in sputum samples from patients with cystic fibrosis［J］.Magn Reson Med，2004，52(4):807-814.

3 Hauet T，Baumert H，Gibelin H，et al.Noninvasive monitoring of citrate，acetate，lactate，and renal medullary osmolyte excretion in urine as biomarkers of exposure to ischemic reperfusion injury［J］.Cryobiology，2000，41(4):280-291.

4 Li Q，Zhang Q，Xu G，et al.Metabonomics study of intestinal transplantation using ultrahigh-performance liquid chromatography time-offlight mass spectrometry［J］.Digestion，2008，77(2):122-130.

5 Varotti G，Grazi GL，Vetrone G，et al.Causes of early acute graft failure after liver transplantation:analysis of a 17-year single-centre experience［J］.Clin Transplant，2005，19(4):492-500.

6 Bartlett AS，Ramadas R，F(xiàn)urness S，et al.The natural history of acute histologic rejection without biochemical graft dysfunction in orthotopic liver transplantation:a systematic review［J］.Liver Transpl，2002，8(12):1147-1153.

7 Anthony JD，Kenneth PB，Amar PD，et al.Banff schema for grading liver allograft rejection:an international consensus document［J］.Hepatology，1997，25(3):658-663.

8 Wishart DS.Metabolomics:the principles and potential applications to transplantation［J］.Am J Transplant，2005，5(12):2814-2820.

9 Martín-Sanz P，Olmedilla L，Dulin E，et al.Presence of methylated arginine derivatives in orthotopic human liver transplantation:relevance for liver function［J］.Liver Transpl，2003，9(1):40-48.

10 Silva MA，Richards DA，Bramhall SR，et al.A study of the metabolites of ischemia-reperfusion injury and selected amino acids in the liver using microdialysis during transplantation［J］.Transplantation，2005，79(7):828-835.

11 Serkova NJ，Zhang Y，Coatney JL，et al.Early detection of graft failure using the blood metabolic profile of a liver recipient［J］.Transplantation，2007，83(4):517-521.

12 Sobotka PA，Gupta DK，Lansky DM，et al.Breath pentane is a marker of acute cardiac allograft rejection［J］.J Heart Lung Transplant，1994，13(2):224-229.

13 Phillips M，Boehmer JP，Cataneo RN，et al.Heart allograft rejection:detection with breath alkanes in low levels(the HARDBALL study)［J］.J Heart Lung Transplant，2004，23(6):701-708.

14 Zhao Y，Katz NM，Lefrak EA，et al.Urinary thromboxane B2 in cardiac transplant patients as a screening method of rejection［J］.Prostaglandins，1997，54(6):881-889.

15 Mügge A，Kurucay S，B?ger RH，et al.Urinary nitrate excretion is increased in cardiac transplanted patients with acute graft rejection［J］.Clin Transplant，1996，10(3):298-305.

16 Eugene M，Le Moyec L，de Certaines J，et al.Lipoproteins in heart transplantation:proton magnetic resonance spectroscopy of plasma［J］.Magn Reson Med，1991，18(1):93-101.

17 Foxall PJ，Mellotte GJ，Bending MR，et al.NMR spectroscopy as a novel approach to the monitoring of renal transplant function［J］.Kidney Int，1993，43(1):234-245.

18 Feng J，Li X，Pei F，et al.1H NMR analysis for metabolites in serum and urine from rats administrated chronically with La(NO3)3［J］.Anal Biochem，2002，301(1):1-7.

19 Hauet T，Baumert H，Gibelin H，et al.Noninvasive monitoring of citrate，acetate，lactate，and renal medullary osmolyte excretion in urine as biomarkers of exposure to ischemic reperfusion injury［J］.Cryobiology，2000，41(4):280-291.

20 Serkova N，F(xiàn)uller TF，Klawitter J，et al.H-NMR-based metabolic signatures of mild and severe ischemia/reperfusion injury in rat kidney transplants［J］.Kidney Int，2005，67(3):1142-1151.

21 Le Moyec L，Pruna A，Eugène M，et al.Proton nuclear magnetic resonance spectroscopy of urine and plasma in renal transplantation follow-up［J］.Nephron，1993，65(3):433-439.

22 Al Banchaabouchi M，Marescau B，D'Hooge R，et al.Consequences of renal mass reduction on amino acid and biogenic amine levels in nephrectomized mice［J］.Amino Acids，2000，18(3):265-277.

23 Al Banchaabouchi M，Marescau B，D'Hooge R，et al.Biochemical and histopathological changes in nephrectomized mice［J］.Metabolism，1998，47(3):355-361.