2型糖尿病中代謝標(biāo)志物的研究進(jìn)展

姚曉丹 萬(wàn)紫蘇 鄭紅梅 劉玉倩 王海濤

(河北師范大學(xué)體育學(xué)院人體運(yùn)動(dòng)生物信息測(cè)評(píng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050024)

糖尿病(DM)分為胰島素依賴(lài)型DM(T1DM)和2型DM(T2DM)，超過(guò)90%是T2DM〔1〕。據(jù)估計(jì)，2017年全世界成年T2DM患者約4.51億，而2045年將上升到6.93億〔2〕。T2DM因遺傳、環(huán)境、飲食、生活方式及其相互作用導(dǎo)致〔3〕，目前確切機(jī)制尚不清楚。本文綜述新的技術(shù)和方法探討T2DM的復(fù)雜機(jī)制。

1 代謝組學(xué)

代謝組學(xué)主要用于識(shí)別和測(cè)量由于內(nèi)部或外部環(huán)境刺激的整個(gè)機(jī)體代謝應(yīng)答反應(yīng)〔4〕，是一種診斷工具，用于生物體的代謝分類(lèi)，涉及定量、無(wú)創(chuàng)傷的分析體液，如尿液、血液和唾液等。代謝組學(xué)通過(guò)磁共振光譜(NMR)或質(zhì)譜(MS)技術(shù)分析生物體中大多數(shù)的代謝物〔5〕，并確定特定的潛在生物標(biāo)志物或代謝途徑。代謝組學(xué)包括綜合和系統(tǒng)的代謝物分析及因飲食、生活方式、環(huán)境、遺傳性、外源因素等導(dǎo)致的整個(gè)生物變化的分析。代謝組學(xué)可以測(cè)量基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)潛在變化表現(xiàn)出的結(jié)果，更能直接分析終端產(chǎn)物。因此，代謝組學(xué)用于診斷和評(píng)價(jià)T2DM比傳統(tǒng)的方法更具有優(yōu)勢(shì)。

2 代謝組學(xué)在T2DM中研究狀況

代謝組學(xué)能有效地將許多代謝性疾病的生物標(biāo)志物和風(fēng)險(xiǎn)因素建立起聯(lián)系。通過(guò)對(duì)生物體液、組織和細(xì)胞內(nèi)源性和外源性代謝物全面的分析，描繪出生物體表型圖，如T2DM、肥胖和癌癥等疾病。通過(guò)檢測(cè)生物體內(nèi)源性代謝物，捕捉T2DM的生化網(wǎng)絡(luò)和代謝途徑整體變化，以闡明T2DM代謝網(wǎng)的擾動(dòng)，確定T2DM的生物標(biāo)志物〔6〕。目前監(jiān)測(cè)早期階段指標(biāo)的代謝水平已成為檢測(cè)疾病的一個(gè)重要途徑〔7〕。T2DM在代謝組學(xué)多平臺(tái)研究中表明〔8～10〕，各調(diào)控途徑的代謝標(biāo)志物包括糖、脂肪、蛋白質(zhì)三大能源物質(zhì)的調(diào)控，都與T2DM的發(fā)生和發(fā)展有密切關(guān)系。進(jìn)而需要確定和定量目前T2DM代謝標(biāo)志物及調(diào)控途徑，以更好地研究T2DM代謝紊亂機(jī)制和預(yù)測(cè)疾病的發(fā)生。

2.1T2DM的糖代謝 糖代謝是調(diào)控機(jī)體能量生成的重要代謝途徑，糖酵解是其必要過(guò)程。在正常生理?xiàng)l件下，糖酵解的轉(zhuǎn)換是各自基因和負(fù)責(zé)調(diào)控代謝物酶的高度表達(dá)作用。在特殊情況的擾動(dòng)下，如胰島素缺乏、肥胖等，這些調(diào)控酶會(huì)出現(xiàn)缺陷。有研究用高脂飲食誘導(dǎo)胰島素抵抗的C57BL/6模型小鼠結(jié)果證明在此情況下，糖酵解酶如烯醇化酶的表達(dá)在外周組織中下調(diào)〔11〕。胰島素缺乏是一種常見(jiàn)的危險(xiǎn)因素，與DM前期發(fā)展密切相關(guān)，胰島素抵抗會(huì)導(dǎo)致某些外周組織細(xì)胞葡萄糖利用率改變和受損。由于線(xiàn)粒體抗氧化防御系統(tǒng)的損害，高血糖通過(guò)大量生產(chǎn)超氧化物分子誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，可能會(huì)導(dǎo)致糖代謝中許多生化調(diào)節(jié)途徑改變。線(xiàn)粒體是通過(guò)各種代謝途徑氧化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的中間場(chǎng)所，線(xiàn)粒體呼吸鏈系統(tǒng)中的缺陷可能會(huì)影響某些代謝物水平(丙酮酸、丙氨酸和乳酸)，損害系統(tǒng)可能減慢丙酮酸氧化為乙酰-CoA速率，丙酮酸在細(xì)胞溶質(zhì)積累前，會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的丙氨酸和乳酸。生理上，血液和尿液中乳酸水平的穩(wěn)態(tài)是通過(guò)細(xì)胞、組織和器官的代謝協(xié)調(diào)維持的，如骨骼肌、腦、紅細(xì)胞和脂肪組織。乳酸是發(fā)生糖異生的碳源之一，肥胖的T2DM患者血、尿和肝組織中乳酸的濃度都升高。在高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠中，尿和血清中的乳酸水平均高于正常飲食的小鼠；通過(guò)代謝分析，Zucker大鼠肝臟、尿液和血液中乳酸的異常積累是由于瘦素受體缺乏〔12〕。研究表明，血液中乳酸積累的主要來(lái)源之一是因?yàn)槠は轮境练e和較大的脂肪量，肥胖的T2DM患者與脂肪細(xì)胞的多少有密切關(guān)系〔13〕；通過(guò)代謝組學(xué)的方法檢測(cè)T1DM和T2DM患者，發(fā)現(xiàn)丙酮酸代謝濃度水平是正常對(duì)照組的9.4倍〔14〕。另外，用氫N(xiāo)MR(1H-NMR)分別分析了高脂飲食小鼠、大鼠的血漿和尿液〔12〕，也證明了整個(gè)系統(tǒng)生物體中丙酮酸異常積累。T2DM患者血漿丙酮酸水平突然增加也可能是線(xiàn)粒體中α-酮戊二酸轉(zhuǎn)氨作用通過(guò)丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶(ALT)對(duì)高脂飲食產(chǎn)生代謝反應(yīng)。T2DM患者血漿水平中ALT表達(dá)增強(qiáng)，隨后影響三羧酸(TCA)循環(huán)中體代謝和其他中央碳代謝，高血糖也可能加速葡萄糖氧化速率，進(jìn)而導(dǎo)致丙酮酸過(guò)量累積〔14〕。綜上，T2DM整個(gè)生物系統(tǒng)的代謝適應(yīng)與糖酵解途徑發(fā)展有密切相關(guān)。DM與大量糖代謝產(chǎn)物密切聯(lián)系，主要表現(xiàn)在代謝濃度的改變，包括葡萄糖、甘露糖、脫氧己糖(主要是脫氧葡萄糖)、糖醛酸、二糖(主要是麥芽糖)等，除了DM患者的葡萄糖和甘露糖高外，肝果糖代謝受損，破壞果糖的轉(zhuǎn)運(yùn)，多元醇通路的作用也可能有助于增加血清果糖濃度，進(jìn)而可能會(huì)誘發(fā)胰島素抵抗，影響葡萄糖代謝；糖基化蛋白的生物合成在DM組被提高了90%以上，可能導(dǎo)致血糖濃度的增加，包括含有N-乙酰氨基葡糖和唾液酸基團(tuán)；此外，DM組的1，5-脫水葡萄糖醇(1，5-AG)濃度相對(duì)于正常組降低，與血糖和糖化血紅蛋白呈負(fù)相關(guān)〔15〕。目前1，5-AG是一個(gè)監(jiān)測(cè)DM患者血糖很好的指標(biāo)〔16〕。

2.2T2DM的蛋白質(zhì)代謝 氨基酸是包含必需和非必需基團(tuán)重要的生物有機(jī)化合物，影響機(jī)體生理功能及正常代謝，并間接參與多種生物活性，如激素生物合成和神經(jīng)傳遞。研究證明支鏈氨基酸(BCAAs)代謝和DM有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性〔10〕。近幾年已經(jīng)應(yīng)用代謝組學(xué)研究各種氨基酸代謝途徑的變化，也分析了氨基酸代謝酶活性的缺陷，如BCAAs缺陷酶影響血液循環(huán)中BCAAs的平衡水平。文獻(xiàn)證明BCAAs在DM組的變化〔10，17〕。早期研究證明在T1DM和T2DM患者中，BCAAs(亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸)及γ-谷氨酰衍生物都明顯增加，表明短期代謝控制受損〔17〕。也有研究證明T2DM早期1～5 w大鼠血清代謝變化，除BCAAs濃度升高外，兩個(gè)芳香氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸)水平也升高，而氨基丙酸、蘇氨酸濃度降低〔18〕。代謝分析表明，在肥胖/超重受試者中，這些代謝物的濃度也會(huì)發(fā)生改變。在線(xiàn)粒體功能障礙時(shí)，會(huì)減弱氨基酸有關(guān)的幾個(gè)代謝途徑。已有研究發(fā)現(xiàn)，在肥胖Zucker大鼠和小鼠的周邊組織中，線(xiàn)粒體支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶(BCATm)和支鏈α-酮酸脫氫酶復(fù)合物(BCKDC)活性減弱；肥胖和T2DM患者中BCAAs和兩個(gè)芳香氨基酸相對(duì)濃度增加外，還有多種氨基酸如高瓜氨酸、丙氨酸和色氨酸的也增加〔16〕。

在細(xì)胞水平上，肥胖T2DM患者脂肪組織中的支鏈氨基酸氧化酶下調(diào)，用支鏈轉(zhuǎn)氨酶(BCAT)基因敲除的小鼠作為誘導(dǎo)胰島素抵抗模型進(jìn)一步報(bào)道表明，小鼠脂肪組織中的BCAAs代謝一并受損，從而導(dǎo)致血清中BCAAs水平的異常積累〔19〕。血漿中BCAAs濃度升高，是因?yàn)樵贒M狀況下，支鏈酮酸脫氫酶活性降低，肝外BCAAs降解減少導(dǎo)致血漿中濃度升高〔20〕。而B(niǎo)CAAs和兩個(gè)芳香氨基酸可被作為預(yù)測(cè)高血糖癥和T2DM的發(fā)展最佳臨床指標(biāo)〔21，22〕。

2.3T2DM的脂代謝 脂肪酸及其派生物是生命活動(dòng)能量的重要來(lái)源。研究發(fā)現(xiàn)脂肪酸代謝系統(tǒng)的損傷，骨骼肌和心肌中長(zhǎng)鏈脂肪酸積累引起氧化代謝缺陷，導(dǎo)致了胰島素信號(hào)通路的異常變化〔23〕。氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過(guò)氧化作用是加速T2DM并發(fā)癥發(fā)展最常見(jiàn)的不利因素。而氧化應(yīng)激對(duì)代謝性疾病病理生理特征起重要作用，特別是T2DM的分子機(jī)制，但目前有關(guān)的分子機(jī)制作用仍不明確。高代謝通量的游離脂肪酸進(jìn)入線(xiàn)粒體可能超越線(xiàn)粒體脂肪酸氧化能力，最終導(dǎo)致活性氧和脂質(zhì)中間體，造成組織損傷，即脂毒性。反過(guò)來(lái)，這些分子通過(guò)激活活性氧和炎癥信號(hào)途徑，影響胰島素信號(hào)途徑，從而給內(nèi)質(zhì)網(wǎng)帶來(lái)壓力〔24〕。代謝組學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)T2DM患者游離脂肪酸的相對(duì)濃度升高，一些飽和脂肪酸(SFA)、多不飽和脂肪酸(PUFA)和單不飽和脂肪酸(MUFA)的化學(xué)組成也有顯著變化〔25〕。也有研究發(fā)現(xiàn)在糖耐量受損(IGT)受試者中，大部分游離脂肪酸增加，SFA增加比MUFA和PUFA更明顯〔26〕。也有研究表明，DM使脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)改變，降低了中等長(zhǎng)鏈的脂肪酸和花生四烯酸(AA)，增加長(zhǎng)鏈脂肪酸和PUFA〔16〕。用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)檢測(cè)血漿酯化脂肪酸(EFA)和非EFA(NEFA)代謝譜，研究發(fā)現(xiàn)不同種類(lèi)的 AA尤其是C20類(lèi)的脂肪酸可能作為區(qū)分T2DM人群病理性異常的常用指標(biāo)〔27〕。胰島素功能損害或胰島素缺乏，導(dǎo)致脂肪分解和脂肪組織釋放游離脂肪酸〔24〕。胰島素抵抗增加脂肪酶的活性，使血脂異常，減弱了蛋白酶的活性及清除三酰甘油(TG)的作用力，使脂代謝異常和TG高血癥，脂質(zhì)代謝紊亂可誘導(dǎo)DM發(fā)生，而DM發(fā)展可加速脂質(zhì)紊亂，兩者是相互作用〔25〕。 磷脂作為一類(lèi)脂質(zhì)，以脂肪酰基的形式構(gòu)成，主要參與不同膜信號(hào)的生物學(xué)途徑的活動(dòng)。磷脂是構(gòu)成細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層的主要組成部分。不同類(lèi)型的脂蛋白和磷脂如溶血磷脂酰膽堿(LPC)、鞘磷脂和磷脂酰膽堿(PC)分別與T2DM相關(guān)聯(lián)。研究表明，PC種類(lèi)與高高密度脂蛋白(HDL)和總膽固醇(TC)有關(guān)〔28〕，而磷脂酰乙醇胺(PE)種類(lèi)與TG水平有關(guān)〔29〕，但有關(guān)T2DM與磷脂間的研究還不清楚。

3 代謝組學(xué)在T2DM的發(fā)展前景

目前已檢測(cè)出許多與T2DM相關(guān)的代謝標(biāo)志物，包括糖、脂肪、蛋白質(zhì)三大能源物質(zhì)。用代謝組學(xué)識(shí)別了與T2DM發(fā)展密切相關(guān)的大量新型潛在的生物標(biāo)志物，且隨著代謝組學(xué)平臺(tái)的靈敏度和特異性的提高而提高。然而，現(xiàn)在代謝組學(xué)中未解決的問(wèn)題之一是驗(yàn)證這些代謝標(biāo)志物是否在該疾病的發(fā)病機(jī)制中具有致病作用。在未來(lái)，各種疾病研究中采用多組學(xué)整合交叉分析技術(shù)，可以增加對(duì)生物標(biāo)志物的認(rèn)識(shí)，剖析疾病的生物學(xué)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)新的防治和治療靶點(diǎn)。

4 參考文獻(xiàn)

1中華醫(yī)學(xué)會(huì)DM學(xué)分會(huì).中國(guó)2型糖尿病防治指南(2013年版)〔J〕.中國(guó)糖尿病雜志，2014；22(8)：2-42.

2Cho NH, Shaw JE, Karuranga S,etal. IDF Diabetes Atlas: Global estimates of diabetes prevalence for 2017 and projections for 2045〔J〕. Diab Res Clin Pract, 2018;138:271-81.

3康繼宏，寧 光，吳家睿，等.中國(guó)糖尿病防治研究的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)〔J〕.轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究(電子版)，2012；2(3)：1-24.

4Theodoridis G，Gika HG，Wilson ID.LC-MS-based methodology for global metabolite profiling in metabonomics/metabolomics〔J〕.Trends Anal Chem，2008；27(3)：251-60.

5Tang HR，Wang YL.Metabonomics：a revolution in progress〔J〕.Prog Biochem Biophys，2006；33(5)：401-17.

6Arakaki AK，Skolnick J，McDonald JF.Marker metabolites can be therapeutic targets as well 〔J〕.Nature,2008；456(7221)：443.

7Wang X，Zhang A，Sun H.Future perspectives of Chinese medical formulae：chinmedomics as an effector 〔J〕.OMICS，2012；16(7-8)：414-21.

8Folli F，Corradi D，F(xiàn)anti P，etal.The role of oxidative stress in the pathogenesis of type 2 diabetes mellitus micro-and macrovascular complications：avenues for a mechanistic-based therapeutic approach 〔J〕.Curr Diab Rev，2011；7(5)：313-24.

9Hafizi Abu Bakar M，Kian Kai C，Wan Hassan WN，etal.Mitochondrial dysfunction as a central event for mechanisms underlying insulin resistance：the roles of long chain fatty acids〔J〕.Diab Metab Res Rev，2015；31(5)：453-75.

10Abu Bakar MH，Sarmidi MR，Cheng KK，etal.Metabolomics-the complementary field in systems biology：a review on obesity and type 2 diabetes 〔J〕.Mol Biosyst，2015；11(7)：1742-74.

11Schmid GM，Converset V，Walter N，etal.Effect of high-fat diet on the expression of proteins in muscle，adipose tissues，and liver of C57BL/6 mice〔J〕.Proteomics，2004；4(8)：2270-82.

12Kim SH，Yang SO，Kim HS，etal.1H-nuclear magnetic resonance spectroscopy-based metabolic assessment in a rat model of obesity induced by a high-fat diet 〔J〕.Choi Anal Bioanal Chem，2009；395:1117-24.

13Kulkarni SS，Salehzadeh F，F(xiàn)ritz T，etal.Mitochondrial regulators of fatty acid metabolism reflect metabolic dysfunction in type 2 diabetes mellitus〔J〕.Metabolism，2012；61：175-85.

14Lu J，Zhou J，Bao Y.Serum metabolic signatures of fulminant type 1 diabetes 〔J〕.J Proteome Res，2012；11(9)：4705-11.

15Xu F，Tavintharan S，Sum CF，etal.Metabolic signature shift in type 2 diabetes mellitus revealed by mass spectrometry-based metabolomics〔J〕.J Clin Endocrinol Metab，2013；98(6)：1060-5.

16Suhre K，Meisinger C，Doring A，etal.Metabolic footprint of diabetes：a multiplatform metabolomics study in an epidemiological setting 〔J〕.PLoS One，2010；5(11)：1-11.

17Vannini P，Marchesini G，F(xiàn)orlani G，etal.Branched-chain amino acids and alanine as indices of the metabolic control in type 1 (insulin-dependent) and type 2 (non-insulin-dependent) diabetic patients 〔J〕.Diabetologia，1982；22(3)：217-9.

18寧 萌，李田樂(lè)，段大為，等.2型DM早期大鼠血清代謝組學(xué)分析〔J〕.生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2016；20(2)：131-5.

19Herman MA，She P，Peroni OD，etal.Adipose tissue branched chain amino acid (BCAA) metabolism modulates circulating BCAA levels〔J〕.J Biolog Chem，2010；285(15)：11348-56.

20Wang SY，Xu R，Shen Z，etal.Significance of plasma acid changes in patients with type 2 diabetes mellitus〔J〕.Hebei Med J，2013；35(17)：2585-6.

21Stancáková A，Civelek M，Saleem NK，etal.Hyperglycemia and a common variant of GCKR are associated with the levels of eight amino acids in 9，369 Finnish men〔J〕.Diabetes，2012；61(7)：1895-902.

22Diao C，Zhao L，Guan M，etal.Systemic and characteristic metabolites in the serum of streptozotocin-induced diabetic rats at different stages as revealed by a1H-NMR based metabonomic approach 〔J〕.Mol Biosyst，2014；10(3)：686-93.

23Ururahy MA，de Souza KS，Oliveira YM，etal.Association of polymorphisms in IL6 gene promoter region with type 1 diabetes and increased albumin-to-creatinine ratio 〔J〕.Diab Metab Res Rev，2015；31(5)：500-6.

24Boyle KE，Canham JP，Consitt LA，etal.A high-fat diet elicits differential responses in genes coordinating oxidative metabolism in skeletal muscle of lean and obese individuals 〔J〕.J Clin Endocrinol Metab，2011;96(3)：775-81.

25Li X，Xu Z，Lu X，etal.Comprehensive two-dimensional gas chromatography/time-of-flight mass spectrometry for metabonomics：Biomarker discovery for diabetes mellitus〔J〕.Anal Chim Acta，2009；633(2)：257-62.

26Zhao XJ，F(xiàn)ritsche J，Wang JS，etal.Metabonomic fingerprints of fasting plasma and spot urine reveal human pre-diabetic metabolic traits〔J〕.Metabolomics，2010；6(3)：362-74.

27Han LD，Xia JF，Liang QL，etal.Plasma esterified and non-esterified fatty acids metabolic profiling using gas chromatography-mass spectrometry and its application in the study of diabetic mellitus and diabetic nephropathy〔J〕.Anal Chim Acta，2011；689(1)：85-91.

28劉雙梅，李桂林，湯曉麗，等.甲基蓮心堿對(duì)2型DM模型大鼠作用的代謝組學(xué)研究〔J〕.中國(guó)藥理學(xué)通報(bào)，2012；28(4)：490-5.

29van Doorn M，Vogels J，Tas A，etal.Evaluation of metabolite profiles as biomarkers for the pharmacological effects of thiazolidinediones in Type diabetes mellitus patients and healthy volunteers 〔J〕.Brit J Clin Pharmacol，2007；63(5)：562-74.