代謝組學(xué)技術(shù)在兒科學(xué)的應(yīng)用

周　麗(綜述)，張萬巧，封志純(審校)

(北京軍區(qū)總醫(yī)院附屬八一兒童醫(yī)院代謝遺傳實驗室，北京100700)

代謝組學(xué)技術(shù)在兒科學(xué)的應(yīng)用

周麗(綜述)，張萬巧，封志純※(審校)

(北京軍區(qū)總醫(yī)院附屬八一兒童醫(yī)院代謝遺傳實驗室，北京100700)

摘要：代謝組學(xué)是將生物體(包括細(xì)胞、器官或個體)在不同條件下所產(chǎn)生的小分子代謝產(chǎn)物作為研究對象，是系統(tǒng)生物學(xué)研究的終端。作為生命科學(xué)研究的有力工具，其研究理念及相關(guān)技術(shù)已在生理學(xué)、診斷學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)、營養(yǎng)學(xué)等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著代謝組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究者將其應(yīng)用于兒科學(xué)的研究。該文就代謝組學(xué)在兒科疾病病因探索、診斷、藥物監(jiān)測及兒童保健等方面的研究應(yīng)用進(jìn)行綜述，探討該技術(shù)在兒科學(xué)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：代謝組學(xué)技術(shù)；兒科學(xué)；應(yīng)用

代謝組學(xué)最早由Nicholson等[1]在1999年提出。隨著系統(tǒng)生物研究的深入，人們逐漸認(rèn)識到基因和蛋白質(zhì)的變化不一定會在生物體表型上反映出來，而小分子代謝物的產(chǎn)生和變化作為基因表達(dá)的最終結(jié)果能更直接、更準(zhǔn)確地反映生物體的生理病理狀態(tài)。代謝組學(xué)技術(shù)較傳統(tǒng)檢驗方法而言，樣本易得，且具有精確、快速、靈敏度高、特異性好、損傷小等優(yōu)勢，越來越多的研究者將其應(yīng)用到兒科學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的研究?，F(xiàn)對代謝組學(xué)技術(shù)在兒科學(xué)的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

1代謝組學(xué)的分析技術(shù)

由于代謝組學(xué)的研究對象是復(fù)雜的代謝產(chǎn)物，這就需要有有效的分析平臺來獲取盡可能多的數(shù)據(jù)，但目前尚無一種代謝組學(xué)分析技術(shù)能檢測出所有的代謝產(chǎn)物。為盡可能多地獲得研究信息，研究者們開發(fā)出多種聯(lián)用技術(shù)，如傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR)、核磁共振-1H/13C(1H/13C nuclear magnetic resonance，1H/13C-NMR)同位素檢測技術(shù)、高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(high performance liquid chromatography-mass spectrometry，HPLC-MS)以及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)技術(shù)等[2-5]。這些技術(shù)各有特點，F(xiàn)T-IR分辨能力是普通紅外分光光度計的千倍，掃描速度較一般分光光度計高數(shù)百倍，高通量輻射的優(yōu)點使其特別適用于弱信號光譜的檢測，其靈敏度高，研究光譜范圍寬，一次可以檢測多種物質(zhì)，且所需標(biāo)本量很少，聯(lián)用基質(zhì)分離紅外技術(shù)僅需要幾皮克(10-12g)的樣品[5]。同位素檢測技術(shù)可以實現(xiàn)無創(chuàng)、無偏向樣品檢測，其重現(xiàn)性和客觀性良好，樣品處理簡單，具有較高的通量和較低的單位樣品檢測成本，1H/13C-NMR對含氫和(或)碳的化合物均有響應(yīng)，能完成樣品中大多數(shù)化合物的檢測，其缺點是檢測靈敏度相對較低、動態(tài)范圍有限，很難同時測定生物體系中共存的濃度相差較大的代謝產(chǎn)物[6]。色譜法具有高分離能力、高靈敏度及高分析速度等特點，其具有很強的結(jié)構(gòu)鑒定能力，但不具備分離能力。液相/氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用 (liquid/gas chromatography-mass spectrometry，LC/GC-MS)技術(shù)具有較高的分離和鑒定能力，LC-MS檢測的靈敏度高、結(jié)構(gòu)定性能力強、分析范圍廣，可以用于熱穩(wěn)定性差的樣品的分離鑒定，樣品前處理方法穩(wěn)定，但LC-MS 系統(tǒng)穩(wěn)定性差，易受樣品基質(zhì)的干擾，而代謝組學(xué)研究樣品的背景一般都比較復(fù)雜，且缺乏完備的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫[7-8]。GC-MS技術(shù)只能分析易揮發(fā)性物質(zhì)，但其靈敏度高，能檢測痕量物質(zhì)，并且具有商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫，從而能對代謝產(chǎn)物進(jìn)行快速鑒定，樣品經(jīng)衍生化后轉(zhuǎn)化為與其化學(xué)結(jié)構(gòu)相似,但易于分析的物質(zhì)，便于量化和分離，極大地擴展了GC-MS技術(shù)的使用范圍，越來越多的研究者選用該技術(shù)進(jìn)行代謝組學(xué)研究[9]。研究者也可根據(jù)自身研究需要，選用不同的研究技術(shù)。

2代謝組學(xué)技術(shù)在兒科學(xué)的應(yīng)用

2.1病因探索及預(yù)防方面的應(yīng)用新陳代謝是有機體基本特性之一，動態(tài)平衡是其特點。當(dāng)有機體將要發(fā)生或處于疾病狀態(tài)時，動態(tài)平衡可能會被打破，體內(nèi)代謝物的水平發(fā)生變化，故檢測代謝物變化可用于某些疾病病因的探索，進(jìn)而采取有效措施預(yù)防疾病的發(fā)生。Rau等[10]使用GC-MS技術(shù)分析急性血液惡性腫瘤患兒骨髓中殺蟲劑的含量發(fā)現(xiàn)，研究組患兒骨髓殺蟲劑的含量明顯高于對照組，且骨髓殺蟲劑含量升高的患兒主要來自于殺蟲劑暴露地區(qū)，提示殺蟲劑是兒童惡性血液腫瘤的危險因子之一，有關(guān)部門需做好相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測。Sellitto等[11]分別在早期和晚期(12個月后)給予具有乳糜瀉基因易患性嬰兒谷蛋白飲食，使用NMR技術(shù)分析嬰兒大便的代謝物圖譜發(fā)現(xiàn)，腸道微生態(tài)在自身免疫性乳糜瀉的發(fā)生中具有關(guān)鍵作用，并指出，對于此類嬰兒，早期谷蛋白暴露比晚期暴露更易患病，建議推遲此類嬰兒谷蛋白攝入時間。李建國等[12]使用GC-MS技術(shù)分析甲基丙二酸尿癥并發(fā)腎損傷患兒尿中的代謝產(chǎn)物，并結(jié)合患兒病歷資料指出，患兒存在不明原因的血尿、蛋白尿或腎衰竭等時應(yīng)盡早使用該技術(shù)篩查以明確診斷，及早治療以改善預(yù)后。

代謝組學(xué)技術(shù)為疾病的病理生理學(xué)研究提供了新的思路，對于預(yù)防、早期發(fā)現(xiàn)某些疾病、降低疾病的發(fā)生或阻斷疾病的進(jìn)展具有重要意義。

2.2代謝組學(xué)在疾病診斷中的應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)采用高分辨、高通量、高靈敏度的分析手段，定性或定量研究樣本中的代謝產(chǎn)物，揭示人體組織器官的生理病理狀態(tài)，近年來，代謝組學(xué)技術(shù)在兒科疾病診斷方面的應(yīng)用越來越多。Issaq等[13]應(yīng)用NMR技術(shù)檢測患兒尿液中尿黑酸的含量，篩查尿黑酸病。Loots[14]使用GC-MS分析異丙酸血癥患兒尿液中的代謝產(chǎn)物，并結(jié)合體外試驗發(fā)現(xiàn)了三羧酸循環(huán)異常在該病發(fā)病中的作用，解釋了該病的部分臨床癥狀，并指出該方法可用于其他先天性代謝疾病的診斷及指導(dǎo)臨床調(diào)整治療方案。在代謝組學(xué)技術(shù)出現(xiàn)前，此類遺傳代謝疾病的診斷難度較大，尤其是一些維生素缺陷所致的輔酶功能障礙的代謝病，在危象發(fā)作時明確診斷，并予以相應(yīng)的維生素能獲成功救治，長期治療可改善預(yù)后，甚至可完全緩解臨床癥狀[15]。代謝組學(xué)用于兒科學(xué)診斷的研究還很多，Carraro等[16]使用NMR技術(shù)分析呼出氣冷凝水，建立了可以區(qū)分哮喘與非哮喘的代謝物判別式，并闡述了乙?；赡茉诒静〉陌l(fā)病過程中具有重要作用。Wolak等[17]使用代謝組學(xué)技術(shù)分析支氣管肺泡灌洗液中的代謝物，發(fā)現(xiàn)了肺泡囊性變的生物標(biāo)志物，并為該病的分級提供了依據(jù)。

雖然代謝組學(xué)技術(shù)在疾病的診斷方面尚處于起步階段，但其與生俱來的系統(tǒng)性使其在疾病的診斷上發(fā)揮著不可替代的作用。隨著代謝產(chǎn)物檢測分析技術(shù)的不斷改進(jìn)以及代謝產(chǎn)物通路的建立，代謝組學(xué)技術(shù)日趨成熟，必將成為臨床疾病診斷的新途徑。

2.3藥物使用及監(jiān)測方面隨著人類對疾病認(rèn)識的不斷深入，個體化給藥是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的目標(biāo)之一。借助代謝組學(xué)技術(shù)可以研究藥物在體內(nèi)的代謝途徑、作用靶點以及藥物的療效。代謝組學(xué)具有研究成本相對較低、標(biāo)本易獲得、對機體損傷小等優(yōu)點，使其在藥物監(jiān)測中發(fā)揮日益重要的作用。Lowry和Garg[18]采用GC-MS技術(shù)分析3例四氫唑啉使用過量,且臨床表現(xiàn)各異的兒童血漿四氫唑啉的水平，并計算出其中1例患者的四氫唑啉半衰期為4.4 h，彌補了該藥缺乏兒童藥動學(xué)研究的空缺，進(jìn)一步證實了兒童個體間代謝差異大，很難使用固定標(biāo)準(zhǔn)判定不同個體的藥物代謝速率，并指出需獲取大規(guī)模人群的代謝信息以研究四氫唑啉的代謝特征等。Aleksa等[19]使用GC-MS技術(shù)可檢測出5 mg頭發(fā)中安非他明、脫氧麻黃堿、嗎啡、可待因、氧可酮及哌替啶等17種藥物或其代謝產(chǎn)物的含量。該方法無創(chuàng)，所需標(biāo)本很少，適用于新生兒體內(nèi)相關(guān)藥物的篩查。Joya等[20]收集了90例18個月至5歲幼兒的頭發(fā)，并獲取了其中85位家長的頭發(fā)，使用GC-MS技術(shù)檢測頭發(fā)中可卡因、苯甲酰芽子堿或安非他明的含量發(fā)現(xiàn)，21例(23.3%)幼兒頭發(fā)中含有可卡因，其中88%幼兒父母的頭發(fā)中檢測出可卡因，追查其父母用藥史發(fā)現(xiàn)，父母有吸煙、使用大麻、服用抗抑郁藥等行為。研究還指出，使用GC-MS可測定嬰幼兒暴露于可卡因或其他藥物的危險程度，為特殊人群的健康干預(yù)提供指導(dǎo)[20]。

兒科學(xué)服務(wù)的對象正處于生長發(fā)育階段，多臟器及神經(jīng)系統(tǒng)的功能尚未發(fā)育完善，不同個體對同一藥物的療效和毒性反應(yīng)千差萬別，因此要想做到個性化用藥較困難，隨著代謝組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，該困難有望克服。

2.4兒童保健方面的應(yīng)用兒童保健的目的不僅是使兒童擁有健康的體質(zhì)，更重要的是為兒童的生長發(fā)育提供更全面和高水平的服務(wù)，為兒童綜合能力的提高提供指導(dǎo)。兒童的生長發(fā)育受遺傳、環(huán)境、飲食等多種因素的影響，研究該過程的特點對于指導(dǎo)兒童保健工作具有重大意義。Schierbeek等[21]研究了一種靈敏度及特異度較高的檢測方法(GC-MS聯(lián)合同位素內(nèi)標(biāo))用以測定嬰兒糖、脂肪、氨基酸等代謝產(chǎn)物的構(gòu)成、能量代謝、機體營養(yǎng)代謝途徑以及這些因素是如何影響生長發(fā)育中嬰兒的健康的。Bertram等[22]運用代謝組學(xué)技術(shù)分析性別、身高、體質(zhì)量及基礎(chǔ)代謝率等對血漿代謝產(chǎn)物的影響，主成分分析提示，性別不同其血漿代謝產(chǎn)物也存在明顯差異，如蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換男性占優(yōu)勢，而脂類合成則相反。同時研究還發(fā)現(xiàn)，血漿三酰甘油、脂蛋白、膽固醇的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)在9個月時與17歲時具有相關(guān)性，指出對于男女兒童應(yīng)差別喂養(yǎng)[22]。此外，有人設(shè)想利用代謝組學(xué)技術(shù)探討微營養(yǎng)素缺乏，以降低人群相關(guān)疾病的患病率[23]。代謝組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展極大地推動兒童保健事業(yè)的發(fā)展，相信這些設(shè)想在不久的將來都會成為現(xiàn)實。

2.5其他此外還有諸多代謝組學(xué)技術(shù)在兒科及其相關(guān)學(xué)科的應(yīng)用， McGowan等[24]使用1H核磁共振+同位素檢測技術(shù)檢測羊水中3-羥基異戊酸和甲基枸櫞酸的含量用于產(chǎn)前篩查；利用代謝組學(xué)技術(shù)比較早產(chǎn)兒與足月兒尿液的代謝產(chǎn)物，研究早產(chǎn)兒的特殊代謝途徑，指導(dǎo)早產(chǎn)兒的喂養(yǎng)[25]；Noto等[26]采用GC-MS技術(shù)分析高膽固醇血癥患兒血漿中的非膽固醇甾醇，發(fā)現(xiàn)了該病不同類型的主要發(fā)病原因。Oresic等[27]使用全二維氣相色譜/飛行時間質(zhì)譜技術(shù)分析兒童1型糖尿病的血清代謝產(chǎn)物，研究提示在自身免疫發(fā)生前，血清代謝產(chǎn)物已經(jīng)出現(xiàn)變化，這有助于該病的早期診斷，并可能為1型糖尿病的預(yù)防和治療提供新方法等。

3小結(jié)

兒科學(xué)服務(wù)及研究的對象是一類特殊群體，其自身尚處于發(fā)育中，可能存在多臟器的不成熟或功能不全，其代謝反應(yīng)有自身特點，且更易受外界環(huán)境的影響。兒童在疾病發(fā)生、診斷、藥物代謝、營養(yǎng)攝取等方面明顯不同于成人，因此需要選用適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)來監(jiān)測相關(guān)項目。

近年來，代謝組學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，其在分子水平描述代謝產(chǎn)物，為醫(yī)學(xué)的個性化發(fā)展提供一條新的研究途徑，在疾病的基因型與表型間建立了橋梁，可通過代謝組學(xué)技術(shù)研究疾病的發(fā)病機制、診斷、預(yù)防及預(yù)測治療效果等[28]。雖然代謝組學(xué)技術(shù)在兒科學(xué)的應(yīng)用越來越多，無論是基礎(chǔ)研究還是臨床研究都取得了巨大成績，但作為一門新興科學(xué)，代謝組學(xué)的發(fā)展尚不完善，內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的種類尚不清楚，無偏性檢測樣本內(nèi)所有代謝產(chǎn)物的技術(shù)平臺尚不存在，且缺乏信息完備的數(shù)據(jù)庫等，因此代謝組學(xué)技術(shù)在兒科學(xué)的應(yīng)用仍處于初始階段，代謝組學(xué)技術(shù)為兒科學(xué)進(jìn)展開辟新的研究途徑的同時，也帶來了新的挑戰(zhàn)，因此代謝組學(xué)還需要更深入的研究，以期更好地應(yīng)用于臨床。

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Application of Metabonomics Technology in PediatricsZHOULi,ZHANGWan-qiao,FENGZhi-chun.(GeneticMetabolismDiagnosticLab,BayiChildren′sHospitalAffiliatetoBejingMilitaryRegionGeneralHospital,Beijing100700，China)

Abstract:Metabonomics is the terminal of systemic biology,with micromolecule metabolites as the research objects which are produced by organisms like cell,organ and individual under different conditions.As a powerful tool of life science research,the ideas and technologies of metabonomics have been applied in physiology,diagnosis,pharmacology,toxicology,nutrition and other fields.With the development of metabonomics,it has been more and more used in pediatrics as well.Here is to make a review of the application of metabonomics in pediatrics on etiology,diagnosis,drug monitoring and child healthcare,and explore its further application.

Key words:Metabonomics technology; Pediatrics; Application

收稿日期：2014-03-20修回日期：2015-03-04編輯：辛欣

基金項目：國家自然科學(xué)基金(31100603)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.003

中圖分類號：R72

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)17-3079-03