代謝組學(xué)在疾病診斷方面的研究進(jìn)展

劉玉峰，范笑熒，楊宏天，盧曉丹

(1.遼寧大學(xué) 藥學(xué)院，遼寧 沈陽 110036；2.沈陽市120中學(xué) 化學(xué)組，遼寧 沈陽 110036)

0 引言

代謝組學(xué)(metabonomics；metabolomics)是20世紀(jì) 90年代末發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，是研究關(guān)于生物體被擾動后(如基因的改變或環(huán)境變化后)其代謝產(chǎn)物(內(nèi)源性代謝物質(zhì))種類、數(shù)量及其變換規(guī)律的科學(xué)[1].代謝組學(xué)通過揭示內(nèi)在和外在因素影響下代謝整體的變化趨勢和規(guī)律來反映某種病理生理過程中所發(fā)生的一系列生物變化[2].目前代謝組學(xué)已廣泛應(yīng)用于病理闡述、藥物開發(fā)、藥物毒性研究、疾病診斷、微生物代謝研究等方面[3-13].

20世紀(jì)90年代末提出“代謝組學(xué)”后，以“代謝組學(xué)”為關(guān)鍵詞在CNKI網(wǎng)站中檢索中外文獻(xiàn)，國外在1999年即出現(xiàn)了相關(guān)論文，而國內(nèi)最早于2003年開始出現(xiàn).近年來，代謝組學(xué)在各研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用.圖1是2003年到2018年有關(guān)代謝組學(xué)的論文.可以看出，從代謝組學(xué)出現(xiàn)以來，有關(guān)代謝組學(xué)的研究總體上逐年上升，由2003年的78篇上升為2018年3 030篇.代謝組學(xué)的相關(guān)研究論文數(shù)目在15年內(nèi)上升了近40倍，代謝組學(xué)研究逐漸受到廣泛關(guān)注.

代謝組學(xué)通過對生物體或細(xì)胞內(nèi)所有代謝物進(jìn)行定量分析，來尋找代謝物與生理病理變化的相對關(guān)系[14].代謝組學(xué)的研究方向主要包括全代謝組研究，靶向代謝組研究，代謝輪廓分析，代謝指紋圖譜分析等[15]，其中全代謝組和靶向代謝組研究是目前代謝組研究的主要方向.機(jī)體發(fā)生病理變化，機(jī)體的代謝產(chǎn)物也會相應(yīng)地產(chǎn)生變化.對這些疾病引起的代謝產(chǎn)物對應(yīng)變化進(jìn)行代謝組學(xué)分析，能幫助人們探索病變過程以及機(jī)體內(nèi)代謝物質(zhì)代謝的變化，在代謝水平發(fā)現(xiàn)疾病的生物標(biāo)志物，用于輔助臨床診斷.

1 惡性腫瘤的診斷

惡性腫瘤前期癥狀表現(xiàn)不明顯，診斷較為困難.通過代謝組學(xué)研究可以嘗試研發(fā)出敏感性高、方便準(zhǔn)確的檢測手段.

1.1 腎細(xì)胞癌

腎細(xì)胞癌(RCC)是一種多相惡性腫瘤，常無癥狀發(fā)展和進(jìn)展.良性嗜酸細(xì)胞瘤在形態(tài)學(xué)上與惡性嫌色細(xì)胞癌相似，在橫斷面成像上區(qū)分這兩種類型比較困難.Falegan Oluyemi S等人采用1H-NMR對腎腫塊患者術(shù)前空腹尿液樣本進(jìn)行評估，證明糖酵解和三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物的失調(diào)可以以階段特異性的方式區(qū)分良性病變和腎細(xì)胞癌，提出了一種新的嗜酸細(xì)胞瘤代謝特征，可用于橫斷面成像前的診斷[16].

1.2 肺癌

Chen W[17]等通過采用體外高分辨率魔角旋轉(zhuǎn)1H-NMR和體外1H-NMR光譜技術(shù)分析34例肺癌患者的102個肺組織得出相關(guān)代謝組學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)與鄰近的非相關(guān)組織相比，已經(jīng)確定了脂質(zhì)和乳酸水平的顯著升高以及癌組織中肌醇和纈氨酸水平的顯著降低.于莉[18]等通過LC-MS/MS技術(shù)分析23名男性肺癌患者及等量男性對照組、14名女性肺癌患者及等量的女性對照組的干血斑，運(yùn)用多變量偏最小二乘法-判別分析(PLS-DA)發(fā)現(xiàn)5種代謝標(biāo)志物：谷氨酰胺，次黃嘌呤，嘌呤，磷脂和肉堿，能夠準(zhǔn)確區(qū)分小細(xì)胞肺癌患者和健康人，可能有助于小細(xì)胞肺癌的早期診斷和篩查.有研究用GC-MS技術(shù)分析了非小細(xì)胞肺癌和其他肺癌患者的血液樣本，發(fā)現(xiàn)了437種代謝標(biāo)志物，對比發(fā)現(xiàn)非小細(xì)胞肺癌患者的麥芽糖、棕櫚酸、甘油、乙醇胺谷氨酸和乳酸的水平升高，而色氨酸、組氨酸和賴氨酸的水平降低，由此可對小細(xì)胞癌和非小細(xì)胞癌進(jìn)行鑒別[19].

1.3 肝癌(HCC)

楊文濤等[20]通過收集49例HCC、29例乙型肝炎DNA陰性、26例乙型肝炎DNA陽性患者血清作為病例組，收集46例健康體檢者血清作為對照組，采用AvanceⅡ-600MHz核磁共振儀檢測血清中小分子代謝產(chǎn)物，通過聚類分析篩選出各組的特征代謝物發(fā)現(xiàn)肝癌組患者血清中有21種代謝物質(zhì)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，其中苯乙尿酸水平上升，其他代謝物下降.發(fā)現(xiàn)核磁共振氫譜可有效篩查出2型肝炎、HCC患者之間有顯著差異的血清代謝物，在無創(chuàng)診斷肝癌方面具有廣闊的應(yīng)用前景.

1.4 前列腺癌

前列腺癌是老年男性中一種常見腫瘤[21].Liang等[22]使用快速超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(FPLC-MS)技術(shù)對236例前列腺癌患者和233例健康人的尿液樣本進(jìn)行分析，利用OPLS-DA模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)與健康人相比，前列腺癌患者尿液中的甘氨膽酸、鵝去氧膽酸、馬尿酸濃度顯著升高，而5-羥基-L-色氨酸和?；悄懰釢舛蕊@著降低.ROC曲線分析顯示聯(lián)合甘氨膽酸、馬尿酸、5-羥基-L-色氨酸可作為前列腺癌的診斷物質(zhì).

2 消化系統(tǒng)疾病的診斷

2.1 藥物性肝損傷

王肖輝等人[23]研究發(fā)現(xiàn)比值法有利于降低樣本處理與檢測儀器等系統(tǒng)誤差，能較好地輔助臨床早期鑒別診斷有酒精性肝病的藥物性肝損傷，并指導(dǎo)臨床合理用藥.

2.2 膽石癥

膽石癥是一種較為常見的消化系統(tǒng)疾病，有研究檢測43例基線期膽石癥患者和43名年齡配對健康對照者的血漿代謝物，篩選出差異代謝物30個，由其中九個代謝物構(gòu)建的膽石癥預(yù)測模型ROC曲線下面積(AUC)為0.97，敏感性和特異性分別為95.4%和88.4%.膽石癥患者的血漿代謝譜變化中9個差異代謝物構(gòu)建的預(yù)測模型能較好地區(qū)分膽石癥患者與健康對照者[24]，可以為膽石癥的診斷提供參考.

2.3 肝硬化

衛(wèi)璐戈等[25]通過血清代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，慢性藥物性肝病(DILI)無肝硬化組(34例)與慢性DILI肝硬化組(15例)在代謝譜存在顯著差異，篩選出慢性DILI肝硬化組區(qū)別于未肝硬化組的特征差異代謝物35個.進(jìn)一步從差異代謝物中篩選到具有區(qū)分診斷能力的生物標(biāo)志物5個，ROC曲線下面積均大于0.6.其中磷脂酰膽堿與lysoPC(18：1(9Z))的峰面積比值具有更好的區(qū)分診斷效果，ROC曲線下面積達(dá)0.867.對早期發(fā)現(xiàn)慢性DILI肝硬化患者具有重要臨床意義.

3 代謝疾病的診斷

3.1 糖尿病

糖尿病是現(xiàn)代非常常見的一種代謝疾病，并發(fā)癥多，且目前沒有根治方法.李根霞[26]發(fā)現(xiàn)血栓烷素B2等36個差異代謝物可能成為妊娠期糖尿病的潛在生物標(biāo)志物.糖尿病腎病(DKD)早期診斷的生物標(biāo)志物主要有三大類：非酯化脂肪酸(non-esterified fatty acid，NEFAs)、磷脂以及氨基酸，Saulnier等[27]研究分析2型DKD患者尿液代謝產(chǎn)物與腎臟結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)尿液中短鏈NEFA(2-乙基-3羥基丙酸)與早期糖尿病腎臟內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞相關(guān).NEFAs與DKD患者腎損傷存在密切聯(lián)系，其水平的升高可能提示DKD早期病變.在DKD早期還可能出現(xiàn)支鏈氨基酸(亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸)代謝紊亂，血清支鏈氨基酸水平的升高能預(yù)測胰島素抵抗和糖尿病的發(fā)生[28].

3.2 高血脂癥

高血脂癥在當(dāng)今社會非常常見，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的心腦血管疾病.Qi Li等[29]發(fā)現(xiàn)高脂血癥患者血清中支鏈氨基酸和芳香族氨基酸通過蛋白質(zhì)代謝影響脂質(zhì)紊亂和胰島素抵抗，糖代謝紊亂的同時(shí)伴有氧化應(yīng)激和能量代謝代謝紊亂.Lee等[30]通過分析111例非肥胖和非糖尿病的輕度和中-重度高甘油三酯血癥患者與正常人血漿代謝物表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)高脂血癥患者血漿溶血磷脂酰膽堿、酰胺和棕櫚酰胺水平升高而二十二烷酰胺水平降低，可以作為區(qū)別正常人群和高甘油三酯血癥患者的依據(jù).由此可以通過檢測早期代謝改變，預(yù)防高甘油三酯血癥疾病進(jìn)展.

3.3 尿毒癥

有研究發(fā)現(xiàn)臨床尿毒癥尿樣的代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)尿毒癥患者和健康對照人群尿樣的代謝輪廓存在明顯差異，通過核磁共振氫譜鑒定出70種代謝物，其中20種具有顯著差異，這些代謝物涉及氨基酸代謝、能量代謝和脂質(zhì)代謝中的多條代謝途徑，可作為尿毒癥代謝影響的潛在的生物標(biāo)志物，有助于理解尿毒癥發(fā)病的生化機(jī)制[31].

4 其他疾病

4.1 動脈粥樣硬化

有研究發(fā)現(xiàn)尿液中包括脂肪酸、氨基酸、核苷及膽汁酸類等代謝物，可能作為動脈粥樣硬化相關(guān)疾病進(jìn)程研究的潛在生物標(biāo)志物[32].陳夏等[33]采用GC-MS分析冠心病心血瘀阻證患者、冠心病非心血瘀阻證患者及健康組3組尿液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葡萄糖、甘油、木糖醇、馬尿酸、油酸酰胺、丙酮可以作為冠心病心血瘀阻證患者尿液生物代謝產(chǎn)物譜.

4.2 阿爾茲海默癥(AD)

阿爾茲海默癥發(fā)病早期小鼠能量代謝、甲胺代謝等途徑已發(fā)生紊亂，這一結(jié)論有助于進(jìn)一步認(rèn)識AD的發(fā)病機(jī)制并對AD的臨床診斷有所幫助[34].

4.3 強(qiáng)直性脊柱炎(AS)

強(qiáng)直性脊柱炎屬于自身免疫病，目前沒有治愈方法，常見于20歲左右的青年.Qian等[35]探討了AS患者與健康對照者之間表達(dá)存在差異的血清微RNA(miRNAs)，并評價(jià)其作為生物標(biāo)志物的潛力，發(fā)現(xiàn)血清miRNA(mi R-146a和miR-155)可作為AS新的互補(bǔ)生物標(biāo)記物.有學(xué)者同樣采用ELISA法檢測34例AS活動期患者、24例AS非活動期患者及46例健康對照者血清中γ干擾素誘導(dǎo)蛋白-10(IP-10)、IL-17、IL-23和TNF-(水平，結(jié)果顯示，AS活動期患者IP-10水平高于非活動期患者，分析血清IP-10水平與AS各實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)血清IP-10是AS發(fā)生過程中重要的免疫學(xué)標(biāo)志，檢測IP-10有助于AS的診斷和病情評估[36].

5 展望

很多疾病前期表現(xiàn)不明顯，難以診斷，很多人因此耽誤了最佳治療時(shí)期，等到確診后可能已經(jīng)非常嚴(yán)重甚至威脅生命.如果能研發(fā)出便捷易操作，并且準(zhǔn)確率和靈敏度高的診斷方法，便可以大幅度減少因前期難以確診而造成的損失.而代謝組學(xué)研究可以在代謝水平發(fā)現(xiàn)疾病的標(biāo)志物，可以輔助疾病的早期診斷，為臨床診斷提供參考.

隨著代謝組學(xué)近年來越來越廣泛地應(yīng)用于研究的各個領(lǐng)域，這種研究方法的重要性也不言而喻.然而代謝組學(xué)方面的研究國內(nèi)還處于起步階段，雖然近年來這方面的研究一直呈上升趨勢，但相比國外還是略有差距.其研究方法，分析手段和數(shù)據(jù)處理等方面也亟待創(chuàng)新和發(fā)展.