甲基苯丙胺毒性損傷和成癮的組學(xué)研究進展

張翠，趙旭，王慧君，岳霞

南方醫(yī)科大學(xué)法醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州510515

毒品濫用是影響人類生存的嚴重社會問題和醫(yī)學(xué)問題，也是全球性的健康災(zāi)難和社會危機。甲基苯丙胺（methamphetamine，METH）又名“甲基安非他明”“去氧麻黃堿”，俗稱“冰毒”，是全世界范圍內(nèi)濫用最廣泛的精神類藥物之一。METH 對全身器官、組織均具有毒性作用，特別是腦、心毒性，嚴重威脅著人類的生命及健康。近年來，隨著高通量組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對METH 損傷和成癮的研究進入了新的階段，通過此類技術(shù)篩選出了多種差異表達的關(guān)鍵分子，涵蓋了基因水平、核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）水平、蛋白質(zhì)水平以及代謝水平。但是目前基于組學(xué)技術(shù)的METH 毒性損傷和成癮機制的研究尚淺，尤其是聯(lián)合各組學(xué)的系統(tǒng)生物學(xué)研究，導(dǎo)致現(xiàn)有相關(guān)研究在法醫(yī)學(xué)鑒定及臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用等方面存在困難。本文主要通過對組學(xué)技術(shù)在METH 損傷和成癮機制等方面的研究進行歸納總結(jié)，分析多組學(xué)技術(shù)聯(lián)合在METH毒性損傷和成癮機制研究中的策略和優(yōu)勢，以期系統(tǒng)地認識METH 的毒理作用機制，為METH 中毒的法醫(yī)學(xué)鑒定及其臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供參考。

1 METH 相關(guān)基因組學(xué)研究進展

人類基因組計劃（human genome project，HGP）的完成是基因組學(xué)發(fā)展的先決條件，而精準醫(yī)療的提出迫切需要臨床等相關(guān)領(lǐng)域充分利用高通量測序技術(shù)以及生物信息學(xué)分析對個人基因組圖譜進行繪制和功能分析，篩選疾病突變位點，以確定致病基因并進行靶向治療，提高疾病治療的安全性和有效性[1]。研究[2]發(fā)現(xiàn)，哺乳動物攝取METH 具有高風(fēng)險和低風(fēng)險之分且耐受性不同，這也證明了METH 具有基因易感性的特點。如METH 吸食量敏感性基因——異質(zhì)性核糖核蛋白H1（heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H1，hnRNP H1）[3]，其5′非翻譯區(qū)（5′-untranslated region，5′-UTR）的突變與METH 中毒小鼠的運動能力增強密切相關(guān)[4]，這對人類理解METH 成癮的遺傳基礎(chǔ)以及預(yù)防、治療物質(zhì)濫用提供了新的啟示。此外，具有METH 吸食史的肺動脈高壓患者全外顯子測序結(jié)果表明，羧酸酯酶1 基因突變促進了肺動脈高壓的發(fā)生發(fā)展。METH 濫用遺傳易感性Meta 分析[5]發(fā)現(xiàn)了76 個與METH 濫用結(jié)局相關(guān)的基因，其中以脂肪酸酰胺水解酶和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子最具相關(guān)性，但是該結(jié)論仍然需要在更廣泛的人群中深入研究?；诟咄繙y序技術(shù)的發(fā)展，基因修飾水平也逐漸引起了學(xué)者們的注意，最新研究[6]表明，METH 單次提前注射可刺激大鼠自身給藥，并阻止自身給藥行為誘導(dǎo)的大鼠伏隔核中DNA 的甲基化和鉀通道相關(guān)信使RNA（messenger RNA，mRNA）改變，為METH 等毒品的表觀遺傳學(xué)研究及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)繪制的基因圖譜有助于從基因角度認識不同人群吸食METH 出現(xiàn)不同表型的原因，而功能基因組學(xué)分析則在前者的基礎(chǔ)上，利用組學(xué)技術(shù)，在系統(tǒng)水平將基因序列與基因功能（包括基因網(wǎng)絡(luò)）以及表型有機地聯(lián)系起來，最終揭示METH 吸食者毒性損傷和行為異常的分子病理學(xué)本質(zhì)[7]。目前，國內(nèi)外研究仍以動物模型研究為主，尚未充分利用和挖掘METH 吸食人群的生物學(xué)樣本建立METH 成癮人群基因組學(xué)數(shù)據(jù)。盡管利用單一組學(xué)技術(shù)得到了大量研究成果，但是忽視了結(jié)構(gòu)基因組學(xué)與功能基因組學(xué)的有機結(jié)合。此外，動物模型也不能完全反映人類METH 的多層次病理發(fā)展情況，導(dǎo)致大量研究結(jié)果不能進行METH 的預(yù)防、診斷和治療等臨床轉(zhuǎn)化。而通過對基因組的分析（包括DNA 修飾），可以對METH成癮易感人群進行篩選，確定METH 成癮的分子病理學(xué)診斷標(biāo)志物，在吸食METH 前進行預(yù)防和診斷。目前，METH 的化學(xué)診斷方法主要依靠血液、尿液等體液樣本，但由于METH 的半衰期較短，導(dǎo)致其檢測時間窗較短[8]。雖然毛發(fā)樣本在一定程度上彌補了檢測時間窗上的不足，但仍然受到其他因素的影響，如染發(fā)、吸食方式[9]等。此外，METH 誘導(dǎo)機體產(chǎn)生的分子病理學(xué)變化能夠記錄其吸食史，如DNA 甲基化水平[10]等。因此，通過分子病理學(xué)方法彌補化學(xué)方法的不足進行評估和診斷顯得尤為重要，通過功能基因組學(xué)進行分子病理機制研究，可為METH 損傷和成癮的治療提供理論依據(jù)。

2 METH 相關(guān)轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究進展

轉(zhuǎn)錄組學(xué)（transcriptomics）是在基因組學(xué)之后新興的一門學(xué)科，即研究特定細胞在某一功能狀態(tài)下所能轉(zhuǎn)錄出來的所有RNA（包括mRNA 和非編碼RNA）的類型與拷貝數(shù)，是功能基因組學(xué)的重要組成部分，而轉(zhuǎn)錄組中以mRNA 的發(fā)現(xiàn)和研究較早，隨著人們對RNA 認識的深入，相繼發(fā)現(xiàn)了微小核糖核酸（microRNA，miRNA）、長鏈非編碼RNA（long noncoding RNA，lncRNA）以及環(huán)狀RNA（circular RNA，circRNA）等非編碼RNA，并衍生出競爭性內(nèi)源RNA（competing endogenous RNA，ceRNA）相關(guān)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，包括circRNA-miRNA-mRNA 分析或lncRNA-miRNAmRNA 分析等，為METH 損傷和成癮等相關(guān)機制的研究提供了新的方向。

2.1 METH 相關(guān)mRNA 轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究

隨著二代測序技術(shù)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，mRNA 轉(zhuǎn)錄組學(xué)一度成為研究的熱點，METH 損傷和成癮相關(guān)mRNA 轉(zhuǎn)錄組應(yīng)運而生。目前，科研人員已經(jīng)在大鼠、小鼠及食蟹猴等高等生物模型的不同組織中獲得相應(yīng)的mRNA表達譜。2018 年，CHOI 等[11]結(jié)合磁共振成像技術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)研究了雌性食蟹猴急性和長期METH 攝入后海馬體積及其基因表達譜的變化，發(fā)現(xiàn)與細胞骨架、吞噬、突觸傳遞、神經(jīng)元分化調(diào)節(jié)和神經(jīng)發(fā)生相關(guān)的基因表達下調(diào)。而大鼠METH中毒主要表現(xiàn)為小腦區(qū)域浦肯野神經(jīng)元數(shù)量減少、星形膠質(zhì)細胞增多和運動過度，結(jié)合小腦轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，METH 主要與免疫反應(yīng)、神經(jīng)傳遞、細胞生長和死亡密切相關(guān)[12]。KAYS 等[13]發(fā)現(xiàn)METH 暴露大鼠紋狀體和前額葉皮層炎癥處于激活狀態(tài)，以小膠質(zhì)細胞和巨噬細胞中炎癥相關(guān)mRNA 差異表達顯著。此外，不同METH 暴露時間以及不同吸食方式下，相關(guān)轉(zhuǎn)錄組中腦組織mRNA 表達譜也不盡相同[14-15]。但是由于大腦神經(jīng)細胞及其環(huán)路的復(fù)雜性，單一研究METH暴露的某個腦區(qū)中的mRNA表達譜遠遠不夠，亟須將大腦作為一個有機整體進行聯(lián)合研究。2019 年，HITZEMANN 等[2]以小鼠為模型，對與METH 成癮相關(guān)的伏隔核、前額葉皮層和腹側(cè)中腦3 個大腦獎賞環(huán)路進行了聯(lián)合研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，METH 對腹側(cè)中腦的影響更為顯著。由此可見，腦區(qū)之間的聯(lián)合研究已經(jīng)引起了學(xué)者們的注意，綜合研究在未來將不斷完善。此外，由于METH 的成癮性這一顯著特點，學(xué)者們把研究焦點放在了大腦，而對心、肝及其他器官的相關(guān)性研究則較少。為了探索METH 導(dǎo)致的全身性作用，也有學(xué)者利用血液等體液進行研究，如BREEN 等[16]發(fā)現(xiàn)METH 相關(guān)性精神病患者血液中參與RNA 降解、晝夜節(jié)律以及泛素介導(dǎo)的蛋白水解的相關(guān)基因差異表達顯著，如果糖-1，6-雙磷酸酶1、鋅指蛋白821 等，提示上述mRNA 分子具有作為METH 相關(guān)性精神病生物標(biāo)志物的潛能。

2.2 METH相關(guān)miRNA轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究

由于miRNA 在細胞分化、生物發(fā)育及疾病發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮巨大作用，故引起研究人員越來越多的關(guān)注[17]。與其他組織相比，大腦中miRNA 的種類和豐度更高，在調(diào)節(jié)大腦的發(fā)育和可塑性方面具有突出的優(yōu)勢，也成為METH 損傷和成癮相關(guān)機制和標(biāo)志物研究的熱點[18-20]。ZHU 等[21-24]在慢性METH 中毒小鼠伏隔核中鑒定出45 個與METH 敏感性相關(guān)的已知miRNA，包含2 個新型miRNA，而生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)這些miRNA 可能與細胞自噬、代謝和免疫反應(yīng)等相關(guān)，其中miR-29c 和miR-128 與小鼠行為敏化直接相關(guān)，miR-496-3p與小鼠記憶相關(guān)。長期和急性使用METH 的大鼠伏隔核中miRNA 種類和數(shù)量存在明顯的差異[20]。在METH 暴露大鼠的伏隔核及其腹側(cè)被蓋區(qū)中也發(fā)現(xiàn)miRNA譜差異表達顯著，如BOSCH 等[25]在接受METH 自身給藥訓(xùn)練并戒斷14 d 的大鼠腹側(cè)被蓋區(qū)鑒定出78 種差異顯著的miRNA，并對miRNAmRNA 進行了聯(lián)合分析，繪制出METH 成癮相關(guān)的大腦關(guān)鍵區(qū)域miRNA 表達譜，為miRNA 在METH 相關(guān)損傷和成癮機制的后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。此外，隨著生物標(biāo)志物這一概念的提出，越來越多的學(xué)者試圖通過簡單的miRNA 轉(zhuǎn)錄組學(xué)篩選METH 相關(guān)miRNA 分子。目前已有文獻[26-27]報道了在METH 相關(guān)性精神障礙患者血漿中循環(huán)miR-181a、miR-15b、miR-let-7e和miR-let-7d 下調(diào)顯著，可作為METH 相關(guān)性精神障礙的新興候選標(biāo)志物。GU 等[28]在METH 濫用者血清中發(fā)現(xiàn)miR-9-3p 顯著增加，具有作為監(jiān)測METH 濫用血清學(xué)指標(biāo)的潛能。雖然miRNA 與METH 損傷和成癮相關(guān)研究層出不窮，遺憾的是均未能進行反復(fù)樣本驗證，且目前仍未發(fā)現(xiàn)可用于METH 吸食診斷的miRNA 分子。究其原因，一是由于METH 常規(guī)檢測方便快捷，二是由于現(xiàn)有研究中損傷和成癮機制的研究遠遠弱于標(biāo)志物的篩選研究。但只有在發(fā)現(xiàn)METH相關(guān)miRNA 分子的同時完善機制性研究，才能更好地服務(wù)于METH 診斷和治療。

2.3 METH 相關(guān)lncRNA 研究

lncRNA 是繼mRNA 和miRNA 之后被廣泛關(guān)注的一類非編碼RNA，曾一度被認為是沒有生物學(xué)功能的“轉(zhuǎn)錄噪聲”。但隨著研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)lncRNA 在轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平及表觀遺傳水平均能夠調(diào)控基因表達，與miRNA 之間存在調(diào)控關(guān)系（互為ceRNA 關(guān)系），在生命活動進程中發(fā)揮著重要作用[29]。越來越多的證據(jù)表明，lncRNA 在藥物誘導(dǎo)的損傷或者成癮中發(fā)揮了重要作用[30-31]。ZHU 等[32]在小鼠伏隔核中發(fā)現(xiàn)METH 通過誘導(dǎo)基因選擇性剪接改變了lncRNA 表達譜，并且揭示了METH 成癮相關(guān)的lncRNA-mRNA 相互作用網(wǎng)絡(luò)，而這些差異表達的lncRNA 與突觸可塑性、線粒體能量代謝和免疫反應(yīng)關(guān)系密切。METH 誘導(dǎo)神經(jīng)元自噬和凋亡被認為是大腦不可逆損傷的重要環(huán)節(jié)，相關(guān)研究[33-34]表明，lncRNA 生長阻滯特異性轉(zhuǎn)錄本5（growth arrestspecific transcript 5，GAS5）促進了METH 誘導(dǎo)的神經(jīng)元凋亡的發(fā)生。此外，LI 等[35]發(fā)現(xiàn)，精神分裂癥小鼠模型中l(wèi)ncRNA 心肌梗死相關(guān)轉(zhuǎn)錄本（myocardial infarction associated transcript，MIAT）和肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄本1（metastasis associated lung adenocarcinoma transcript 1，MALAT1 或NEAT2）顯著下調(diào)，認為其可能是精神分裂癥的重要調(diào)節(jié)因子?？上У氖?，目前尚未見就lncRNA差異表達譜大樣本量的驗證，也缺乏差異lncRNA 功能的詳實機制研究，導(dǎo)致lncRNA還不能應(yīng)用于METH 損傷和成癮相關(guān)的法醫(yī)學(xué)鑒定。究其原因，一方面可能是由于lncRNA 研究策略的限制；另一方面，lncRNA 也存在自身的科學(xué)研究局限性，如命名方式不統(tǒng)一、不同種屬的保守性不高、動物模型反映信息少、除人和小鼠之外的其他物種lncRNA的鑒定和注釋較少、少量lncRNA 具有編碼能力等問題。目前l(fā)ncRNA 與METH 誘導(dǎo)的損傷和成癮中的有關(guān)研究只是冰山一角，仍有許多未知的lncRNA 亟須被注釋、鑒定并進行相關(guān)功能的研究。未來，充分揭示lncRNA 的本質(zhì)將能夠豐富METH 在損傷和成癮研究領(lǐng)域的表觀遺傳學(xué)機制。

2.4 METH相關(guān)circRNA研究

circRNA是近幾年新出現(xiàn)的明星分子[36]。circRNA主要由初級轉(zhuǎn)錄物通過可變剪接加工產(chǎn)生，廣泛存在于真核生物中，并且具有非常高的穩(wěn)定性，已成為RNA研究領(lǐng)域特別是生物標(biāo)志物研究方面的熱點[37]。研究[38-39]表明，circRNA 在不同種屬中具有較高的保守性，且具有組織特異性。哺乳動物大腦中的circRNA豐度較高，在突觸小體中高度富集，大腦不同區(qū)域神經(jīng)元的數(shù)量與circRNA 含量具有一定的正相關(guān)性。circRNA 具有miRNA 分子海綿、蛋白分子海綿功能，并且能夠在轉(zhuǎn)錄過程中與初級轉(zhuǎn)錄物發(fā)生競爭性的切割和剪接，在藥物毒理作用中發(fā)揮重要功能[40]。LI等[41-42]首次在METH 誘導(dǎo)的小鼠原代皮層神經(jīng)元中鑒定出2 458 個circRNA，確定了2 個與METH 成癮高度相關(guān)的分子（circHomer1 和circTlk1），其中circHomer1 抑制B 細胞淋巴瘤/白血病-2（B cell lymphoma/leukemia-2，BCL-2）結(jié)合組分3（BCL-2 binding component 3，Bbc3）與METH 誘導(dǎo)的神經(jīng)元凋亡相關(guān)，并建立了circRNA-miRNA-mRNA 共表達網(wǎng)絡(luò)，展示了三者之間的潛在關(guān)聯(lián)，為進一步研究METH 神經(jīng)毒性和成癮的機制奠定了良好的基礎(chǔ)。最新研究[43]表明，大鼠小腦circRNA 差異表達譜揭示了其在METH 誘導(dǎo)的運動障礙中的重要作用。此外，體內(nèi)circRNA 可作為miRNA 海綿調(diào)節(jié)miRNA 及其靶基因表達參與生命活動，如circHIPK2作為內(nèi)源性miRNA-124 海綿參與METH 誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細胞活化[44]。但METH 導(dǎo)致的大腦不可逆損傷和成癮以及與ciRNA 的關(guān)系仍有很多未解之謎，更是缺乏其他器官的數(shù)據(jù)。分析其原因，主要在于該研究仍處于起步階段，關(guān)于其分子形成、降解機制、生物學(xué)功能以及不同物種circRNA 數(shù)據(jù)庫等均需要進一步完善。盡管目前circRNA 在METH 等毒品相關(guān)研究中剛剛嶄露頭角，但已經(jīng)揭示了其在METH 研究中具有不可替代的作用，引起了學(xué)者們的重視。隨著策略及方法的不斷完善，相信circRNA 將為METH 等毒品損傷和成癮機制研究開啟一扇新的大門。

2.5 RNA 轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合單細胞測序技術(shù)在METH 損傷和成癮中的應(yīng)用前景

最新的單細胞測序技術(shù)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)能夠利用基因表達的時空特異性對不同部位的不同細胞進行監(jiān)控，進而找出最關(guān)鍵的部位及相關(guān)分子，已成為臨床疾病表型和機制研究的新熱點[45]。2021 年，DANG 等[46]首先利用單細胞RNA 測序，在人類腦三維模型中研究了METH 產(chǎn)前暴露對胎兒大腦發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)炎癥和細胞因子相關(guān)基因差異表達顯著，鑒定出新的星型膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞的亞群，繪制了星形膠質(zhì)細胞特異性基因表達譜，并初步描繪了METH 暴露大腦發(fā)育過程中星型膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞基因表達譜，解釋了METH 誘導(dǎo)的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷的分子機制，揭開了新技術(shù)在METH 研究中的序幕，將METH 相關(guān)研究縱向深入到更深的層次以揭示其本質(zhì)。盡管研究尚未涉及METH 相關(guān)神經(jīng)細胞的損傷機制，但是建立的腦三維模型為METH 損傷和成癮機制的后續(xù)研究提供了有力的模型支持。NIU 等[47]通過恒河猴大腦小膠質(zhì)細胞的單細胞測序，揭示了METH 和人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的雙重損害機制。技術(shù)的創(chuàng)新開辟了METH 毒性機制研究的新方向，在深入了解METH 毒性機制中舉足輕重。

雖然高通量測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)了大量編碼和非編碼RNA 的差異變化，但是對于繪制METH 毒性損傷和成癮的完整RNA 圖譜還遠遠不夠，而且目前大多數(shù)研究在轉(zhuǎn)錄組水平淺嘗輒止，未進行更深層次的挖掘。此外，基因的表達不僅具有時空特異性，而且具有組織特異性，以circRNA 和miRNA 為著，因此，單一的某種編碼或者非編碼RNA研究顯得不夠系統(tǒng)。而ceRNA的提出將編碼和非編碼RNA 聯(lián)系在一起，作為一種全新的基因表達調(diào)控模式[48-49]，是近年來研究的一大熱點，也是RNA 系統(tǒng)研究的趨勢。越來越多的證據(jù)支持ceRNA 網(wǎng)絡(luò)與神經(jīng)系統(tǒng)等相關(guān)基因的表達有關(guān)[50]。構(gòu)建ceRNA 網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠從基因調(diào)控方面全面認識METH 病理生理機制[51]，也能夠用于新型生物標(biāo)志物的研究[52]。因此，以ceRNA網(wǎng)絡(luò)為突破口，確定ceRNA與METH 等毒品毒理之間的關(guān)系，將為毒品相關(guān)研究帶來新的機遇，有助于研究者對METH 損傷和成癮機制的進一步理解和認識。

3 METH 相關(guān)蛋白質(zhì)組學(xué)研究進展

隨著人類及多種模式生物基因組全序列測定工作的完成，蛋白質(zhì)組學(xué)在后基因組時代迅速興起。蛋白質(zhì)組學(xué)反映生物體內(nèi)所有蛋白質(zhì)的種類、表達水平和修飾狀態(tài)，揭示蛋白質(zhì)功能與生命活動的規(guī)律。最初的蛋白質(zhì)組學(xué)主要用于定性分析，定量分析主要包括雙向凝膠電泳和質(zhì)譜，而高精度生物質(zhì)譜技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，使質(zhì)譜成為蛋白質(zhì)組學(xué)定量的主流分析手段。研究主要聚焦在蛋白質(zhì)種類、表達水平的變化和磷酸化。

METH 相關(guān)蛋白質(zhì)組學(xué)最早開始于雙向凝膠電泳的應(yīng)用[53]，在蛋白質(zhì)質(zhì)譜的基礎(chǔ)上使用動物模型主要研究了METH 對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響。IWAZAKI等[54-55]在METH 低劑量大鼠模型及其行為敏化模型中分別發(fā)現(xiàn)了39 和42 種差異蛋白質(zhì)，與線粒體功能異常、氧化損傷、溶酶體降解以及神經(jīng)元修飾、細胞骨架修飾和突觸功能等有關(guān)。METH 致敏大鼠杏仁核蛋白質(zhì)表達譜也顯示差異表達蛋白質(zhì)與突觸、細胞骨架、氧化應(yīng)激、細胞凋亡以及線粒體有關(guān)[56]。LI 等[57]用蛋白質(zhì)組學(xué)繪制了急性METH 中毒大鼠模型海馬、紋狀體和額葉皮層共3 個區(qū)域的蛋白質(zhì)表達譜，分別發(fā)現(xiàn)了12、14 和4 種差異表達蛋白質(zhì)，這些差異蛋白質(zhì)與氧化應(yīng)激、變性和凋亡、線粒體和能量代謝等相關(guān)，且不同腦區(qū)中的METH 神經(jīng)毒性機制可能相同。METH 暴露大鼠額葉皮層蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果顯示，差異表達蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)降解、氧化還原調(diào)節(jié)、能量代謝、細胞生長、細胞骨架修飾和突觸功能有關(guān)[58]。YANG等[59]在大鼠成癮模型中比較了伏隔核、紋狀體、前額葉皮層、扣帶回皮層和海馬中的蛋白質(zhì)譜，鑒定出27 種差異蛋白質(zhì)，包括與細胞骨架、轉(zhuǎn)運和胞吞或胞吐作用以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的蛋白質(zhì)。ZHANG 等[60]結(jié)合細胞培養(yǎng)穩(wěn)定同位素標(biāo)記方法解析了二甲基精氨酸二甲胺水解酶1/非對稱性二甲基精氨酸/一氧化氮合酶（dimethylarginine dimethylaminohydrolase 1/asymmetric dimethylarginine/nitric oxide synthase，DDAH1/ADMA/NOS）途徑在急性METH 誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性中的作用。此外，除了以不同腦區(qū)組織為樣本，ALASMARI等[61]在METH 相關(guān)性神經(jīng)障礙患者血清中發(fā)現(xiàn)71 種蛋白上調(diào)和7 種蛋白下調(diào)，參與神經(jīng)系統(tǒng)炎癥和細胞損傷過程。但是雙向凝膠電泳分析技術(shù)仍存在一些不足，如不能實現(xiàn)對蛋白質(zhì)的絕對分離，難以有效檢測出具有極端等電點的、分子質(zhì)量太大或太小以及低豐度的蛋白質(zhì)和膜蛋白，因而逐漸被基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)標(biāo)記和非標(biāo)記定量技術(shù)代替。PENDYALA等[62]率先在恒河猴突觸小體中使用同位素標(biāo)記在蛋白質(zhì)水平解析了HIV 和METH 在神經(jīng)系統(tǒng)毒性中的相互作用，明確了神經(jīng)元特異性Na+/K+-ATP 酶異構(gòu)體3 在神經(jīng)認知障礙中的關(guān)鍵作用。同時，在METH 濫用的HIV 感染者中發(fā)現(xiàn)了28 種差異顯著蛋白質(zhì)，這些蛋白與補體、凝血途徑和氧化應(yīng)激有關(guān)，而與HIV 本身無關(guān)[63-64]。BOSCH 等[65]利用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在METH 自身給藥30 d 和戒斷14 d 的大鼠紋狀體的突觸小體中發(fā)現(xiàn)了84 種差異蛋白質(zhì)，在神經(jīng)保護、神經(jīng)可塑性、細胞骨架、能量調(diào)節(jié)和突觸小泡中具有關(guān)鍵作用。ZHU 等[66]在長期METH 暴露的大鼠海馬和嗅球中分別發(fā)現(xiàn)11 和7 種與細胞死亡、炎癥、氧化等過程相關(guān)的蛋白質(zhì)。METH 行為敏化大鼠大腦前額葉皮層蛋白質(zhì)組學(xué)分析結(jié)果顯示，有96 種與突觸調(diào)節(jié)、蛋白磷酸酶信號傳導(dǎo)、線粒體功能和抑制性γ-氨基丁酸能信號有關(guān)的差異蛋白質(zhì)，其中20%與前額葉皮層相關(guān)性精神分裂癥的神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)，為精神病患者常見的認知和行為功能障礙提供了理論支撐[67]。2021 年，SHEN 等[68]基于IonStar 的定量蛋白質(zhì)組學(xué)，揭示了METH 在顱腦損傷中的神經(jīng)保護分子機制。

在蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)展之前，大多數(shù)的研究是在轉(zhuǎn)錄組基礎(chǔ)上結(jié)合生物信息學(xué)和分子生物學(xué)獲得METH相關(guān)差異表達蛋白質(zhì)，包括細胞自噬和凋亡、免疫和炎癥相關(guān)蛋白等[69-71]，具有一定的盲目性和不完整性。而蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展為同時研究大量目標(biāo)蛋白質(zhì)提供了便利，在METH 毒理研究領(lǐng)域的優(yōu)勢越來越明顯[67]。目前，基于蛋白質(zhì)組學(xué)方法的METH 損傷和成癮研究層出不窮，特別是在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的大量差異表達蛋白質(zhì)，彌補了之前研究方法的不足，為METH的治療以及診斷和預(yù)后生物標(biāo)志物的研究奠定了基礎(chǔ)，也為了解METH 毒性的潛在病因提供了重要信息。但目前其他系統(tǒng)的METH 毒性損傷研究仍主要集中在組織病理學(xué)和臨床表型的統(tǒng)計和描述[72]，迫切需要相關(guān)機制的研究和創(chuàng)新。筆者認為，蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展為構(gòu)建METH 全身毒性損傷相關(guān)的蛋白質(zhì)表達譜帶來了機遇，但同時還需要結(jié)合不同的分析技術(shù)以及分析方法進行更精準的檢測。

4 METH 相關(guān)代謝組學(xué)研究進展

與前兩者相比，代謝組學(xué)與生命活動聯(lián)系更為緊密。代謝組學(xué)是對生物或細胞在特定生理病理時期全部代謝產(chǎn)物同時進行定性和定量分析的一門新興學(xué)科，反映代謝產(chǎn)物在內(nèi)外刺激下動態(tài)改變的科學(xué)[73]。其優(yōu)勢在于：（1）代謝產(chǎn)物能夠?qū)⒒蚝偷鞍椎奈⑿∽兓糯蟛Ⅲw現(xiàn)；（2）代謝產(chǎn)物的種類遠少于基因和蛋白的數(shù)目；（3）代謝產(chǎn)物的改變能直接體現(xiàn)個體的生理病理狀態(tài)。對照組和實驗組的代謝產(chǎn)物差異也被稱為代謝“指紋”[74]，近幾年才被應(yīng)用于METH 誘導(dǎo)的代謝紊亂以及損傷和成癮生物標(biāo)志物等研究。實際工作中，動物模型的建立以及METH 吸食時間、劑量、戒斷等都伴隨著各自的代謝“指紋”改變[75-76]，因此，破譯METH 代謝“指紋”，不僅能夠促進METH 診斷新方法的誕生，而且能對METH 誘導(dǎo)的損傷和成癮的治療以及預(yù)后提供理論依據(jù)。

METH 成癮會影響細胞能量代謝、氨基酸代謝和磷脂代謝等[77]，其中能量代謝異常被認為是METH 毒性損傷和成癮的生化基礎(chǔ)[78-79]。研究[80]表明，METH 濫用人群的血液和腦脊液等其他體液樣本中葡萄糖水平明顯降低。彭素芳等[81]發(fā)現(xiàn)METH 給藥大鼠血清能量代謝增強。ZHENG 等[82]用代謝組學(xué)的方法證實METH 能量代謝增強主要表現(xiàn)為支鏈氨基酸明顯消耗，三羧酸循環(huán)和脂質(zhì)代謝加速，血清中3-羥基丁酸酯、興奮性氨基酸谷氨酸和天冬氨酸以及尿液中的甘油升高，而血清中甘油酸-3-磷酸、丙氨酸和甘氨酸則顯著下降，與神經(jīng)活動增強密切相關(guān)。此外，METH戒斷2 d 后，除血清肌酸酐、檸檬酸鹽、2-酮戊二酸鹽和尿乳酸鹽等少數(shù)代謝產(chǎn)物外，其他代謝產(chǎn)物均恢復(fù)至基線。而大腦樣本能量代謝既有升高，也有下降，這些差異可能來源于藥物處理的劑量、頻率及持續(xù)時間的不同。如METH 成癮人群腦組織代謝譜顯示，半乳糖代謝、果糖和甘露糖代謝以及糖酵解等途經(jīng)與正常人明顯不同，包括左島葉、左中央前回和前扣帶回皮質(zhì)中的葡萄糖代謝明顯降低，與阿爾茨海默病、帕金森病和亨廷頓病等許多神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)[83-84]。LIN 等[85]也發(fā)現(xiàn)了15 種代謝產(chǎn)物與METH 直接相關(guān)，并且利用大鼠成癮模型研究了其中14 種代謝產(chǎn)物在大腦伏隔核、背側(cè)海馬和腹側(cè)海馬的相對定量和分布，結(jié)果表明，伏隔核和背側(cè)海馬中代謝產(chǎn)物變化趨勢幾乎相同，而背側(cè)海馬和腹側(cè)海馬之間則相反。因此，學(xué)者們認為可以將這些差異代謝產(chǎn)物作為METH 使用的潛在標(biāo)志物用于METH 濫用的診斷。

除此之外，METH 暴露對脂質(zhì)、氨基酸、礦物質(zhì)（骨代謝）等代謝產(chǎn)物也有明顯的影響。脂質(zhì)是細胞膜的主要成分，并且在血漿中含量豐富，其代謝組能準確并全面地提供生物樣品在不同條件下的全脂信息圖譜；氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)大分子的基礎(chǔ)物質(zhì)，在物質(zhì)代謝和免疫功能調(diào)控等方面亦發(fā)揮重要作用；礦物質(zhì)是構(gòu)成人體組織的重要成分，主要依靠膳食補充，在維持滲透壓、酸堿平衡、神經(jīng)肌肉興奮性等方面發(fā)揮了不可替代的作用。METH 致敏小鼠模型的全腦脂肪?；慕M成發(fā)生改變，以海馬、前額葉皮層以及紋狀體的改變顯著，表現(xiàn)為磷脂、鞘脂和甘油脂質(zhì)的代謝明顯異常[86]。METH 誘導(dǎo)的致敏行為與腦代謝產(chǎn)物的關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，高肌肽、泛酸、4-胍基丁酸和肌醇的含量與小鼠行為敏化程度具有強關(guān)聯(lián)性[76]。研究[87]表明，METH 成癮者的頭發(fā)能夠較好地揭示其脂質(zhì)代謝模式，更適合用于評估METH成癮。CHOI等[88]在頭發(fā)中檢出了脂肪酸酰胺、肉堿和脫氧皮質(zhì)酮等功能性代謝產(chǎn)物。KIM 等[89-90]在METH 成癮者頭發(fā)中發(fā)現(xiàn)32 種代謝產(chǎn)物嚴重失調(diào)，與多種脂質(zhì)（如鞘糖脂、鞘脂、甘油磷脂和醚脂質(zhì)）以及氨基酸（甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、半胱氨酸和甲硫氨酸）的生物合成和代謝相關(guān)，并且在大鼠METH 自身給藥和戒斷模型中揭示了氨基酸生物合成和代謝的動態(tài)變化。ZHENG 等[82，91]也在大鼠模型中發(fā)現(xiàn)了上述氨基酸代謝異常。此外，METH 濫用還與礦物質(zhì)代謝異常有關(guān)，研究[92]發(fā)現(xiàn)，METH 濫用者腰椎平均骨礦物質(zhì)密度值降低，伴隨大量骨礦物質(zhì)流失。動物實驗[93]也表明METH 暴露對骨轉(zhuǎn)換具有明顯的劑量依賴作用，與骨質(zhì)疏松結(jié)局相關(guān)。

代謝組學(xué)作為一種新興組學(xué)技術(shù)，幫助我們明確了METH 損傷和成癮導(dǎo)致的代謝產(chǎn)物改變。通過代謝產(chǎn)物直接反映生理病理狀態(tài)，是研究人類對藥物暴露和治療個性化反應(yīng)的理想方法。與轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相比，代謝組學(xué)利用人群樣本更為容易，而且樣本相對容易獲得。因此，系統(tǒng)研究METH 吸食各種模型的代謝模式將具有更大的意義，不僅能夠篩選潛在的生物標(biāo)志物應(yīng)用于臨床評估，而且對其機制的探索能夠幫助METH 的治療[94-96]。但是代謝組學(xué)技術(shù)也存在一定的不足之處，如現(xiàn)有相關(guān)研究未能充分將代謝產(chǎn)物與功能富集分析等生物信息學(xué)方法結(jié)合，未能在組學(xué)基礎(chǔ)上逆向追蹤其上游分子靶點進而拓展機制研究。再如實際檢案中METH 的吸食時間、吸食劑量導(dǎo)致的毒性和癥狀（包括藥物依賴和戒斷）等均有一定的差異，更重要的是動物研究中提出的METH 潛在生物標(biāo)志物需要在臨床環(huán)境中進行驗證，導(dǎo)致目前并未建立系統(tǒng)完善的METH 代謝“指紋”數(shù)據(jù)庫。此外，因為體內(nèi)物質(zhì)代謝容易受到各種因素影響而樣本量需求較大，并且研究結(jié)果需要在隊列中進行驗證，因此，未來需要科研工作者突破技術(shù)瓶頸，多角度、多層次、系統(tǒng)地研究METH 代謝模式的改變，找出其內(nèi)在規(guī)律，豐富METH 毒性損傷理論。

5 多組學(xué)在METH 損傷和成癮研究中的應(yīng)用及展望

當(dāng)前，生命科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)全面進入一個多組學(xué)時代，精準醫(yī)學(xué)使人們逐漸意識到“組學(xué)（-omics）”研究在生命科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮的重要作用，如借助各種組學(xué)技術(shù)及組學(xué)聯(lián)用技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于臨床疾病相關(guān)生物標(biāo)志物的篩選，為臨床診斷提供基礎(chǔ)，以及借助多組學(xué)數(shù)據(jù)聯(lián)合分析并研究疾病的病理機制[97-100]。越來越多的證據(jù)表明，METH 損傷和成癮的發(fā)生是多個基因遺傳變異、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后修飾及其之間復(fù)雜調(diào)控關(guān)系的紊亂，以及生活環(huán)境等共同作用的結(jié)果。與單一組學(xué)相比，多組學(xué)為我們提供了了解METH 基礎(chǔ)信息流的機會，為完善METH 相關(guān)損傷和成癮機制研究提供了新的視角。

METH 作為一種合成毒品，最大的特點是在成癮的同時造成全身多器官損傷[101]。目前對其損傷和成癮等生物標(biāo)志物的篩選及相關(guān)機制的研究遠遠不夠，距法醫(yī)學(xué)及臨床應(yīng)用還有很長的距離。長期吸食METH，不僅中樞神經(jīng)系統(tǒng)在分子、細胞、神經(jīng)環(huán)路功能和腦結(jié)構(gòu)等不同層次發(fā)生了復(fù)雜的生理病理變化導(dǎo)致成癮，而且也導(dǎo)致細胞、組織以及器官的損傷，使得吸食者生活質(zhì)量發(fā)生不同程度的下降[102]。由于人群個體差異以及生命活動的復(fù)雜性，多數(shù)情況下單一組學(xué)具有局限性，因為不同蛋白質(zhì)之間、基因之間、基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物和代謝產(chǎn)物之間存在復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，四者相互獨立并相互影響。目前，國內(nèi)外已有利用多組學(xué)研究METH 毒性的文章。如2015 年，ASTARITA等[103]利用功能性脂質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，METH 自身給藥大鼠的大腦（前額葉皮質(zhì)、海馬以及腹側(cè)和背側(cè)紋狀體）、小腦、骨骼肌、心、肝、腎、皮膚、脾和胰腺中脂質(zhì)代謝紊亂，同時發(fā)現(xiàn)METH 可通過刺激第二信使神經(jīng)酰胺的產(chǎn)生來加速細胞衰老并激活參與細胞周期控制和炎癥的基因轉(zhuǎn)錄。2020 年，HERLAND 等[104]借助蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，與星形膠質(zhì)細胞和周細胞相比，METH 對大腦微血管內(nèi)皮細胞和神經(jīng)細胞的作用更顯著。

單一組學(xué)已經(jīng)篩選出大量的分子標(biāo)志物，但其數(shù)據(jù)識別效率和精度偏低導(dǎo)致大多數(shù)分子仍然不能用于METH 的評估和治療等，也難以滿足面向全基因組、跨數(shù)據(jù)庫以及跨學(xué)科的需求。而且單一組學(xué)只能反映生物級聯(lián)的一小部分，不能幫助我們系統(tǒng)地理解METH 毒性，要想從整體上研究復(fù)雜的生物學(xué)過程，必須采取綜合方法，而多組學(xué)的優(yōu)勢顯而易見[105]。通過對多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析，有利于系統(tǒng)性地研究METH 毒性機制、確認相關(guān)靶點、發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物并進行臨床評估，從而指導(dǎo)個體化治療和用藥[106]。就METH相關(guān)損傷和成癮而言，充分利用技術(shù)的發(fā)展、整理和計算海量的信息以及在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，將豐富我們對METH 損傷和成癮的認識和理解。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，綜合利用以代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及功能基因組學(xué)等為核心的系統(tǒng)生物學(xué)，結(jié)合METH 損傷和成癮可視化證據(jù)（如行為學(xué)和MRI 異常改變等）完善METH 相關(guān)分子以及病理數(shù)據(jù)庫，聯(lián)合機器學(xué)習(xí)（深度學(xué)習(xí)），開發(fā)使用人工智能（artificial intelligence，AI）對METH 等毒品濫用進行多模式分析的平臺以及制定METH 毒性損傷和成癮識別的新策略將成為毒品研究領(lǐng)域的重大突破，但是由于數(shù)據(jù)量的龐大以及分析方法的不足使得多組學(xué)聯(lián)合分析也面臨著相應(yīng)的挑戰(zhàn)[107-108]。