代謝組學技術在藥物毒性評價中的應用

嚴妍 安柏松 房城 姜波

摘 要：代謝組學技術作為一種評估毒性的新的方法，已被廣泛應用于藥物的毒性預測、監(jiān)測及藥物的臨床前安全評價中，本文對代謝組學技術的研究概況、研究方法及應用進行簡單的論述。

關鍵詞：代謝組學；毒性評價；研究方法

1 代謝組學的研究概況

代謝組學是對生物系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的一個全面評估，也是讀取基因功能，酶活性，生理過程的一個所謂的“快照”。代謝組學也是對一系列不同方法整合的一個廣義術語，其一為代謝指紋或代謝軌跡的分析，即是運用較少的代謝物的定量分析而通過多元頻譜分析來衡量整個代謝輪廓，如建立在核磁共振光譜NMR或質(zhì)譜MS基礎上的主成分分析；其二為代謝標記物的代謝組學分析，在已知代謝物濃度的基礎上由傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法及多元分析方法建立代謝產(chǎn)物的鑒定分析方法和代謝物含量的定量分析模式；其三為基于特定標記物的靶向代謝組學分析，通過對某幾個選定的在某一特定的生化途徑中有貢獻的代謝標記物進行分析，來專注于研究整個代謝過程中的某一個階段。

由于不同性質(zhì)的化學品，代謝物和分子間的相互作用，代謝組學的分析需求造成了不同于基因組學和蛋白質(zhì)組學分析的極其困難的挑戰(zhàn)。先進的核磁共振波譜（NMR）和質(zhì)譜（MS）的分析方法，在過去的十年間為人類代謝組學的分析與研究取得了大規(guī)模的突破。這一研究理論喚醒了學者們對人類疾病中新陳代謝的重要性的關注度，尤其是對癌癥的重視程度。代謝組學具有對功能基因組學和蛋白質(zhì)組學的功能讀取作用，現(xiàn)在已被應用于許多疾病的診斷當中，主要是通過對代謝物譜的分析及對與代謝有關的生物標志物的發(fā)現(xiàn)，這在藥理研究和治療中亦應用廣泛。最新研究進展表明代謝組學的方法能夠通過人體內(nèi)的條塊代謝網(wǎng)絡明確地跟蹤某個單個原子，并有望以空前的速度破譯人類代謝組的復雜性。這一研究方向?qū)氐赘淖兾覀儗碗s的人類疾病、臨床診斷、以及個性化療法和藥物反應的重新理解和認識。

2 代謝組學的研究方法

代謝組學的數(shù)據(jù)分析可以在光譜數(shù)據(jù)集或定量代謝數(shù)據(jù)集上使用的化學分析方法，包括主成分分析（Principal Component Analysis， PCA）、偏最小二乘判別分析 （Partial Least Squares-Discriminant Analysis， PLS-DA）、配對偏最小二乘判別分析（Orthonal Partial Least Square-Discriminate Analysis， OPLS-DA）等?；瘜W光譜法只能給出光譜模式下的相關信息，而往往無法提供有關代謝標記物的鑒定或分類信息，但是光譜法結合代謝組學的多元統(tǒng)計分析手段（PCA、PLS-DA和OPLS-DA）依然是目前最常應用的手段，因為它在不需要對代謝物做出精確評價的情況下能夠?qū)Υ罅康拇x物數(shù)據(jù)集的結果做出解釋。通過這種方法，結合模式識別手段（Pattern Recognition）從特定疾病的角度來與對照組的代謝譜進行區(qū)分，過濾掉可能與疾病無關的代謝物的“噪音”，進而確定哪些特定的代謝標記物引起了模式的偏差。

在理想情況下，一個代謝組學研究應包括以下三個主要步驟：（1）數(shù)據(jù)采集。主要采集NMR譜圖或MS譜圖，以“正?！迸c“異常”來進行模式識別區(qū)分。（2）光譜分析和相應代謝產(chǎn)物的標識及鑒定，目的是找到標志性的反映組別差異的生物標記物。（3）特定代謝標記物的定量驗證。然而，方法中的第一步，即化學光譜分析一般情況下可以忽略不計，直接對代謝標記物進行識別和量化，然后應用多變量分析到大量的數(shù)據(jù)集中。模式識別方法包含了對代謝輪廓及代謝產(chǎn)物可能發(fā)生微妙的變化的分析，并始終隨著時間的推移對代謝標記物的水平變化進行實時監(jiān)測。除了識別多個特定的代謝標記物外，通過參考已知的內(nèi)源性代謝物數(shù)據(jù)庫[1]，找出引起疾病發(fā)生或?qū)е录膊〖又氐拇x物的變化或差異。隨著時間的推移，代謝標記物水平的變化有可能是對疾病的進展或藥物毒性的一個預測。隨后，這些與疾病或毒性相關的代謝標記物的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫被鏈接到相關的代謝通路，最終，相關的疾病作用機制的生成，將帶來藥物作用或毒性的一系列假說。

3 代謝組學在藥物毒性評價中的應用

作為一種評估毒性的新的方法，基于核磁共振的代謝組學被用于尿液樣本的分析實驗[2]，相比傳統(tǒng)的評價指標，如AST，ALT，CK等，代謝組學分析下的尿液代謝輪廓能夠清晰地區(qū)分治療前與治療后治療組與辛伐他汀組的毒性水平。通過多元統(tǒng)計分析鑒定了與毒性相關的毒性標志物。更重要的是，治療組被進一步歸類分為兩個亞組：低毒性組（WT）和高毒性組（HT），這兩個組別之間的差異亦被酶活性的改變和組織病理學檢查所證實。隨后的時間依賴性的實驗研究表明，10天的毒性通過代謝輪廓及代謝途徑，在6天內(nèi)就能夠被可靠地預測。Williams等利用高效液相串聯(lián)質(zhì)譜的分析方法從代謝組學的層面研究與D-絲氨酸引起的腎臟毒性相關的擾動規(guī)律，在正負離子模式下的尿液代謝輪廓分析中，發(fā)現(xiàn)色氨酸，苯丙氨酸和乳酸表達水平有所升高，而甲基琥珀酸和癸二酸的表達水平與對照組比較，有降低的跡象，說明絲氨酸對腎臟的毒性損傷與抑制色氨酸的分解代謝有關。趙劍宇[3]等利用代謝組學技術對關木通毒性大鼠的代謝改變及毒性靶器官腎臟毒性的作用機制進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)氧化三甲胺、?；撬?、檸檬酸、肌酐、2-酮戊二酸等代謝產(chǎn)物均有不同程度的下降，而乙酸、丙氨酸則出現(xiàn)顯著的升高，表明染毒大鼠出現(xiàn)了腎小管壞死，這一結論與報道的腎臟病理組織學檢查結果和血漿生化檢測結果相一致。王喜軍[4]等人采用UPLC-MS分析手段研究以CCL4誘導的肝損傷大鼠為實驗對象，研究肝毒性的代謝組學的變化，同時對茵陳蒿湯干預后的肝損傷大鼠的代謝軌跡的回調(diào)趨勢亦進行了相關研究，結果表明，與CCL4誘導的肝損傷相關聯(lián)的Glycocholate 等5個生物標記物在給予茵陳蒿湯后，代謝標記物的表達水平與對照組比較未見明顯的差異，說明茵陳蒿湯對CCL4誘導的肝損傷有一定的預防作用。李建新[5]等利用代謝組學方法中的模式識別技術和主成分分析法來探討雷公藤甲素對腎臟所致的毒性作用，結果發(fā)現(xiàn)雷公藤甲素給藥后，大鼠尿液樣品中的代謝產(chǎn)物甘氨酸、醋酸鹽、甜菜堿、丙酮的表達水平均有顯著的升高，說明雷公藤甲素對大鼠產(chǎn)生的毒性首先是對腎臟皮層S1段造成損傷，隨后是腎乳頭的損傷，最后是對腎臟皮層S3段的損傷。

參考文獻

[1]Lewis GD， Asnani A， Gerszten RE. Application of metabolomics to cardiovascular biomarker and pathway discovery[J].J Am Coll Cardiol.2008，52：117-123.

[2]吳澤明，孫暉，呂海濤，等.代謝物組學研究進展及其在中醫(yī)藥研究中的應用展望[J].世界科學技術-中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2007，9（2）：99-103.

[3]趙劍宇，顏賢忠，彭雙清.利用代謝組學技術研究中藥關木通的腎毒性作用[J].世界科學技術：中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2007，9（5）：54-59.

[4]王喜軍，王萍，孫暉，等.茵陳蒿湯對ANIT 誘導的急性肝損傷的保護作用[J].中醫(yī)藥學報，2007，35（4）：17-21.

[5]李建新，華嘉，何翠翠.中藥毒性的代謝組學研究雷公藤甲素的腎臟毒性[J].亞太傳統(tǒng)醫(yī)藥，2007，3（7）：41-45.