甲狀腺疾病的代謝組學(xué)研究現(xiàn)狀

張玉潔 孟召偉 章明放 宋麗麗 李寧

1天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院病理科 300052； 2天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 300052； 3天津市第一中心醫(yī)院病理科 300192； 4天津中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院 300193

甲狀腺疾病屬于臨床常見(jiàn)的內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病，近年來(lái)其發(fā)病率呈明顯上升趨勢(shì)，以往的研究對(duì)象和方法主要集中于與其相關(guān)的基因、蛋白質(zhì)及彼此間的信號(hào)傳遞[1-2]。代謝組學(xué)位于系統(tǒng)生物學(xué)的最下游，它的定義最早是由Jeremy-Nicholson在1999年提出的，主要是通過(guò)在某一特定的刺激或干擾前后對(duì)生物體、組織或細(xì)胞代謝產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行檢測(cè)并定性定量的分析[3]。其準(zhǔn)確并全面反映疾病代謝終端信息的優(yōu)勢(shì)，將在甲狀腺疾病中具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

1 代謝組學(xué)簡(jiǎn)介

代謝組學(xué)的主要研究對(duì)象是人或動(dòng)物體內(nèi)代謝通路中的小分子代謝產(chǎn)物(MW<1 000)，如氨基酸、糖類(lèi)、脂類(lèi)及嘌呤等[4]。樣本采集對(duì)象通常用的是各種體液，包括血液、尿液、組織萃取液、糞便上清液、腦脊液、前列腺液、精液及各種引流液等，其中以血液和尿液最為常用[5-6]。

代謝組學(xué)的主要技術(shù)手段是核磁共振技術(shù)、質(zhì)譜法、色譜法及色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)等。核磁共振技術(shù)是目前較為常用的分析技術(shù)，具有樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單、樣品消耗少、無(wú)創(chuàng)性、無(wú)偏向的檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可用于各種體液以及體內(nèi)分析，但其靈敏度和分辨率均有待提高[7]。高分辨率核磁共振技術(shù)、液相色譜-核磁共振聯(lián)用技術(shù)或魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振技術(shù)等可以有效彌補(bǔ)其缺點(diǎn)[8]。質(zhì)譜技術(shù)靈敏度、分辨率較高，并有標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)以供參考和比較，定性分析能力強(qiáng)，但缺點(diǎn)在于低選擇性，識(shí)別大量譜峰的能力較差，不同程度的電離影響代謝物的量化等，而色譜技術(shù)分離能力強(qiáng)，定量準(zhǔn)確，但定性分析能力弱，因而二者常聯(lián)合使用以彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)較為常用[9]。通過(guò)上述技術(shù)手段獲得的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要多變量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析對(duì)其進(jìn)行提取和處理，從而篩選出最具代表性的代謝產(chǎn)物，再經(jīng)過(guò)總結(jié)、分類(lèi)或比對(duì)分析，最終解釋其代謝途徑和變化規(guī)律，以闡明機(jī)體對(duì)特定刺激或干擾的發(fā)生機(jī)制和發(fā)展過(guò)程[10-11]。

代謝組學(xué)具有以下優(yōu)點(diǎn)[12-13]：(1)代謝物位于生物信息的最下游，能有效放大和準(zhǔn)確、直接地反映基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的微小變化，檢測(cè)起來(lái)更便捷。(2)代謝物的信息數(shù)據(jù)比全基因組測(cè)序和大量表達(dá)序列標(biāo)簽(EST)的數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)單很多，其種類(lèi)和數(shù)量與基因和蛋白質(zhì)相比要少得多，分子結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，分析起來(lái)更加容易。(3)機(jī)體的生理或病理狀況可以通過(guò)對(duì)生物液體的代謝物分析來(lái)判斷，具有基本無(wú)創(chuàng)性和操作簡(jiǎn)易性。(4)基于不同生物體中檢測(cè)到的代謝物是相似的，代謝組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用范圍更為廣泛。

2 甲狀腺常見(jiàn)疾病的代謝組學(xué)研究

2.1 甲狀腺癌 甲狀腺癌在甲狀腺惡性腫瘤中最為常見(jiàn)，在內(nèi)分泌系統(tǒng)惡性腫瘤中也較常見(jiàn)，約占全身惡性腫瘤的1%[14-15]。由于檢出率的提高和環(huán)境等因素，近年來(lái)甲狀腺癌在我國(guó)的發(fā)病率增長(zhǎng)迅速。其組織學(xué)分型主要包括乳頭狀癌、濾泡癌、低分化癌、未分化癌、髓樣癌等，其中以甲狀腺乳頭狀癌最常見(jiàn)[16]。運(yùn)用代謝組學(xué)的方法對(duì)甲狀腺癌的不同樣本，如血液、尿液、細(xì)針穿刺組織或手術(shù)標(biāo)本組織萃取液等進(jìn)行代謝物的變化分析，并結(jié)合相關(guān)基因和蛋白質(zhì)的相關(guān)性分析和研究，對(duì)揭示甲狀腺癌的發(fā)生機(jī)制、提供準(zhǔn)確診斷依據(jù)以及有效判斷預(yù)后都有著至關(guān)重要的意義。

Yao等[15]和Miccoli等[17]分別對(duì)血清和組織樣本中甲狀腺癌、良性結(jié)節(jié)和健康對(duì)照組的代謝產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)良、惡性結(jié)節(jié)的主要代謝差異發(fā)生在脂代謝和糖代謝，3-羥基丁酸作為脂肪酸代謝的中間產(chǎn)物，在甲狀腺癌組中含量遠(yuǎn)高于結(jié)節(jié)性甲狀腺腫組和對(duì)照組，說(shuō)明了其作為二者診斷標(biāo)志物的潛力，而乳酸含量在甲狀腺癌組明顯增加，提示無(wú)氧糖酵解取代有氧氧化。Shang等[18]運(yùn)用組織靶向代謝組學(xué)來(lái)分析甲狀腺乳頭狀癌組織和健康組織的代謝差別，結(jié)果顯示，半乳糖醇、蜜二糖和褪黑素等代謝物發(fā)生顯著改變，半乳糖代謝途徑通過(guò)影響能量代謝來(lái)影響甲狀腺乳頭狀癌的發(fā)展。因此，半乳糖苷酶被認(rèn)為是甲狀腺乳頭狀癌治療的潛在靶點(diǎn)。Zhao等[19]通過(guò)核磁共振氫譜分析甲狀腺乳頭狀癌、良性腫瘤和健康對(duì)照組的血清代謝物差異，不僅涉及糖代謝和脂代謝，還涉及氨基酸和核酸的代謝。Li等[20]采用基于NMR的代謝組學(xué)技術(shù)分析了16例患者的配對(duì)癌組織和正常甲狀腺組織的代謝變化，確定了8條KEGG通路和3條與甲狀腺乳頭狀癌相關(guān)的小分子通路數(shù)據(jù)，證明在甲狀腺乳頭狀癌中糖酵解增加而抑制三羧酸循環(huán)，致癌氨基酸增加，膽堿和脂質(zhì)代謝異常，與上述學(xué)者的研究結(jié)果一致。Jordan等[21]、Torregrossa等[22]和Ryoo等[23]使用高分辨率魔角旋轉(zhuǎn)(HRMAS)質(zhì)子磁共振技術(shù)，分別對(duì)甲狀腺乳頭狀癌和良性濾泡性腺瘤或結(jié)節(jié)的經(jīng)皮細(xì)針穿刺標(biāo)本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸、?；撬岷腿樗峥赡茉黾?，膽堿和膽堿衍生物、肌醇可能減少，可作為二者的鑒別因子，從而對(duì)甲狀腺癌準(zhǔn)確快速的術(shù)前診斷有潛在的幫助。鄭雯潔等[24]根據(jù)甲狀腺乳頭狀癌原發(fā)灶大小(最大直徑≤2.0 cm和>2.0 cm)和有、無(wú)頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移進(jìn)行分組比較，發(fā)現(xiàn)較大腫瘤和伴淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移者其氨基酸代謝、嘌呤和嘧啶、色氨酸及一碳單位代謝增強(qiáng)。Seo等[25]通過(guò)對(duì)伴有和不伴有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的甲狀腺乳頭狀癌患者進(jìn)行代謝組學(xué)分析，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)代謝產(chǎn)物存在顯著差異。目前，對(duì)甲狀腺癌預(yù)后因素尤其是淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移情況的代謝組學(xué)研究結(jié)果存在爭(zhēng)議，尚需擴(kuò)大樣本量來(lái)進(jìn)一步研究。

對(duì)于甲狀腺癌的離體樣本是否真實(shí)反映體內(nèi)的代謝情況，以及其轉(zhuǎn)移、治療效果和預(yù)后等影響因素的代謝組學(xué)研究尚有限，有待運(yùn)用不同的樣本對(duì)象和擴(kuò)大樣本量來(lái)深入研究和探討。另外，對(duì)于甲狀腺其他組織學(xué)類(lèi)型的惡性腫瘤(濾泡癌、髓樣癌、淋巴瘤等)的代謝組學(xué)研究尚不足，有待于同最常見(jiàn)的甲狀腺乳頭狀癌樣本或正常樣本進(jìn)行比較分析以揭示其發(fā)生機(jī)制。

2.2 甲狀腺良性結(jié)節(jié) 甲狀腺腺瘤、腺瘤樣增生結(jié)節(jié)和結(jié)節(jié)性甲狀腺腫等均屬于良性結(jié)節(jié)性病變的范疇，目前的代謝組學(xué)研究主要是將甲狀腺惡性腫瘤和正常對(duì)照組與之進(jìn)行比較分析，以期從代謝角度發(fā)現(xiàn)良性結(jié)節(jié)性病變?cè)谀[瘤發(fā)生過(guò)程中的角色和意義。Miccoli等[17]和Xu等[26]分別運(yùn)用HRMAS質(zhì)子磁共振波譜、氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜法和超共振液相色譜-四極飛行時(shí)間質(zhì)譜法對(duì)甲狀腺良性和惡性腫瘤的組織學(xué)樣本進(jìn)行代謝物的差異分析，并與非腫瘤組織作比較，結(jié)果顯示二者與對(duì)照組相比，既具有相似的代謝特征(糖酵解增加、氨基酸代謝、一碳代謝和色氨酸代謝)，又存在顯著差異，在惡性腫瘤中乳酸、?；撬?、嘌呤和嘧啶代謝明顯升高，而良性腫瘤中脂肪酸和膽汁酸水平升高。Deja等[4]采用1H-NMR的代謝圖譜來(lái)鑒定健康甲狀腺組織、非腫瘤性結(jié)節(jié)、濾泡性腺瘤和惡性甲狀腺癌的組織提取物中的代謝物，發(fā)現(xiàn)甲狀腺濾泡腺瘤既表現(xiàn)出良性非腫瘤結(jié)節(jié)的代謝特征，又表現(xiàn)出與惡性腫瘤相關(guān)的部分代謝特征，提示濾泡性腺瘤可能是甲狀腺癌發(fā)展中的一個(gè)過(guò)渡階段。分別通過(guò)液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和核磁共振代謝組學(xué)方法對(duì)甲狀腺乳頭狀癌患者、結(jié)節(jié)性甲狀腺腫患者和健康人的血漿代謝物進(jìn)行兩兩比較分析，發(fā)現(xiàn)3組血漿代謝物均有明顯的差異[15,27]。

目前，關(guān)于甲狀腺良性結(jié)節(jié)性病變的獨(dú)立的代謝組學(xué)研究尚少，有待細(xì)化其組織學(xué)類(lèi)型并結(jié)合交界性結(jié)節(jié)與正常組織和惡性腫瘤進(jìn)行代謝物比較分析，從而為揭示甲狀腺腫瘤性病變的發(fā)展過(guò)程提供有力依據(jù)。

2.3 甲狀腺功能異常 甲狀腺功能異常包括甲狀腺功能亢進(jìn)癥(甲亢)和甲狀腺功能減退癥(甲減)，二者均可引起甲狀腺體積增大。甲亢是由于甲狀腺合成并釋放過(guò)多的甲狀腺激素而引起盜汗、心悸、體重減輕、突眼、進(jìn)食和排便增加等交感神經(jīng)興奮和代謝亢進(jìn)的一系列癥狀，臨床上80%以上的甲亢是由甲狀腺自身免疫性疾病如Graves病引起的[28]。其特點(diǎn)是具有強(qiáng)烈的代謝效應(yīng)，影響脂類(lèi)、碳水化合物和氨基酸的代謝，休息時(shí)的能量消耗和產(chǎn)熱增加[29]。Piras等[29]使用核磁共振波譜來(lái)鑒別在抗甲狀腺藥物治療前、后甲亢患者血漿的代謝組學(xué)特征，并與健康志愿者進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，未治療的甲亢患者與對(duì)照組相比，其葡萄糖、膽堿、肌酐水平等明顯升高，在患者接受治療后促甲狀腺激素和FT3、FT4水平恢復(fù)正常時(shí)，這些代謝物的變化仍在持續(xù)，可見(jiàn)促甲狀腺激素、FT3和FT4的檢測(cè)結(jié)果不足以反映甲狀腺激素活性對(duì)機(jī)體的長(zhǎng)期持續(xù)影響。Chng等[30]和Al-Majdoub等[31]對(duì)Graves病患者的治療前、后進(jìn)行代謝組學(xué)分析，結(jié)果顯示，在甲狀腺功能恢復(fù)正常后，不同?；滈L(zhǎng)度的酯酰肉堿水平較正常仍存在顯著變化，這些變化可能與種族和飲食差異有關(guān)。

甲減是一種內(nèi)分泌失調(diào)的慢性疾病，其確切的分子機(jī)制尚不清楚。Wu等[32]采用超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的尿代謝組學(xué)方法探討甲減的整體代謝特征，應(yīng)用3種典型的甲減模型(甲巰咪唑、丙基硫氧嘧啶、甲狀腺切除術(shù)引起的甲減)闡明甲減的分子機(jī)制，這3個(gè)甲減模型分別鑒定了17、21、19個(gè)潛在的生物標(biāo)志物，主要涉及能量代謝、氨基酸代謝、鞘脂代謝和嘌呤代謝。Yao等[33]采用質(zhì)譜法測(cè)定了甲減、甲亢患者和甲減或甲狀腺激素治療小鼠的血清花生四烯酸代謝產(chǎn)物的水平，結(jié)果顯示，細(xì)胞色素P450的代謝產(chǎn)物20-羥基二十碳四烯酸與甲狀腺激素水平呈正相關(guān)，甲減患者前列腺素I2水平升高和前列腺素E2水平降低可能有助于減輕與血脂異常相關(guān)的動(dòng)脈粥樣硬化，提示某些代謝物可能與甲狀腺疾病相關(guān)的心血管疾病有關(guān)。

2.4 橋本甲狀腺炎 現(xiàn)有關(guān)于甲狀腺疾病的代謝組學(xué)研究主要集中于甲狀腺癌和甲亢，對(duì)于甲狀腺炎的代謝組學(xué)研究尚少。近年來(lái)研究顯示，一些特殊的與自身免疫相關(guān)的甲狀腺炎與甲狀腺乳頭狀癌的伴發(fā)率升高，如橋本甲狀腺炎[34-37]。研究發(fā)現(xiàn)，同時(shí)伴有橋本甲狀腺炎的甲狀腺乳頭狀癌患者常發(fā)生于年輕女性，腫瘤體積較小，多灶性，侵襲性弱，復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移率較低，生存率較高等[35-37]。Pagni等[38]利用蛋白質(zhì)組學(xué)研究方法發(fā)現(xiàn)，橋本甲狀腺炎和甲狀腺癌共同表達(dá)HnRNP家族成員之一——磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白1，說(shuō)明二者可能共享部分相同的分子環(huán)境，也表明了橋本甲狀腺炎可能是甲狀腺癌前的一種狀態(tài)。但橋本甲狀腺炎和甲狀腺癌的相關(guān)性仍存在較多爭(zhēng)議，急需通過(guò)代謝組學(xué)的研究方法來(lái)進(jìn)一步佐證其相關(guān)性，并深入探討二者各自的和相關(guān)的生物信息途徑及與預(yù)后的關(guān)系。

3 問(wèn)題與展望

甲狀腺疾病相關(guān)的代謝組學(xué)研究已經(jīng)得到初步重視，但目前代謝組學(xué)作為新興學(xué)科仍存在一些不足之處：(1)在樣本收集和處理方面，目前對(duì)于臨床生物樣本的前處理，并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，加之收集方法和保存條件的不規(guī)范、外界環(huán)境的影響以及標(biāo)本采集時(shí)發(fā)生了生理變化的可能等，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定程度的誤差。(2)在技術(shù)方法方面，現(xiàn)有代謝組學(xué)的檢測(cè)分析技術(shù)各有利弊，單一使用不可避免的會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定影響。目前已開(kāi)展各種聯(lián)用技術(shù)以彌補(bǔ)不足，但仍存在瑕疵需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。數(shù)據(jù)分析技術(shù)和質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)也需要及時(shí)的更新和完善。(3)在檢測(cè)結(jié)果方面，代謝組學(xué)只能檢測(cè)出部分理化性質(zhì)較穩(wěn)定的代謝物，而其他一些易降解、半衰期短的有意義的代謝物卻無(wú)法被檢出；并且目前的樣本大部分為離體的體液或組織，離體后的代謝物能夠多大程度代表活體組織中的代謝物尚需進(jìn)一步研究[5]。(4)在甲狀腺疾病應(yīng)用方面，代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了一些標(biāo)志性的代謝物，但各標(biāo)志物之間的相關(guān)性及其在生物信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用尚不明確，加上很多研究還局限于前期階段，需要進(jìn)一步研究。

相信隨著代謝組學(xué)研究日新月異的發(fā)展和技術(shù)的不斷完善，其與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的成功對(duì)接，勢(shì)必將在甲狀腺疾病的研究中發(fā)揮重大的作用，為揭示其發(fā)生、發(fā)展機(jī)制并指導(dǎo)臨床治療和預(yù)后判斷提供有力的依據(jù)。