基于代謝組學(xué)技術(shù)的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎研究進展

陳趙亮

（黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150000）

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（Knee Osteoarthritis，KOA）是一種慢性、非炎癥性關(guān)節(jié)炎疾病，多發(fā)于中年以后人群[1]。臨床上以關(guān)節(jié)疼痛、變形和活動受限為特點。病理變化最初發(fā)生在關(guān)節(jié)軟骨，以后侵犯軟骨下骨板以及滑膜等周圍組織，以關(guān)節(jié)面及其邊緣的軟骨變性以及新骨形成為主要特征[2]。發(fā)病機制尚不明確，一般認(rèn)為與衰老、創(chuàng)傷和遺傳等因素有關(guān)。

對于代謝組學(xué)的研究起源于20 世紀(jì)90 年代，在1999 年，代謝組學(xué)這一概念由Nicholson 首次提出[3]，他將代謝組學(xué)定義為“生命系統(tǒng)對病理生理刺激或遺傳修飾的動態(tài)多參數(shù)代謝反應(yīng)的定量測量”。而Fiehn 等[4]于2002 年提出的代謝組學(xué)(Metabolomics)是指通過定性和定量地分析生物體內(nèi)所有內(nèi)源性代謝物的組成來研究生物代謝途徑的一種技術(shù)。

在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎治療及預(yù)防方面，代謝組學(xué)技術(shù)利用十分廣泛，它可以對實驗對象的血液、尿液和關(guān)節(jié)液等多種物質(zhì)進行分析，尋找其中的生物標(biāo)志物及代謝途徑，為膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機制及治療方法提供有效證據(jù)，本文就近幾年代謝組學(xué)技術(shù)在KOA 領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展進行了總結(jié)，為未來進一步研究KOA 并研發(fā)治療藥物提供科學(xué)參考。

1 利用血液檢測的代謝組學(xué)研究

因血液的流動性及取樣的便利性，利用血液檢測的方法在KOA 檢測上利用廣泛，能夠較為精確的檢測出差異代謝物。陶蓓蓓等[5]在動物模型的疾病進展和治療中，利用化學(xué)同位素標(biāo)記法（CIL）進行代謝組學(xué)研究，從而分離出潛在代謝標(biāo)志物是一種很有效的研究方法。Chen 等利用同位素標(biāo)記（CIL）液相色譜質(zhì)譜（LC-MS）方法，對手術(shù)誘導(dǎo)的骨關(guān)節(jié)炎的大鼠模型及對照組的血漿樣本進行重復(fù)分析，在檢測到的2923 中代謝物中發(fā)現(xiàn)了包括2- 氨基己二酸，糖蛋白和GABA 在內(nèi)的11 種代謝物可以作為KOA 進展和KOA 治療的潛在生物標(biāo)志物。此外，酰基肉堿與KOA 影像學(xué)嚴(yán)重程度有關(guān)，此外中鏈和長鏈?；鈮A與動脈硬度有關(guān)。

2 利用尿液檢測的代謝組學(xué)研究

尿液檢測的手段多用于循環(huán)系統(tǒng)疾病，在研究KOA 中不是十分常見，但是也有針對氨基酸及能量代謝進行了研究。王向利等[6]使用GC-TOF / MS 探討膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎大鼠尿代謝譜的變化，與對照組相比，膝關(guān)節(jié)滑膜細(xì)胞襯里在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎組中表現(xiàn)出增殖，炎癥細(xì)胞浸潤和膠原纖維增生。共鑒定了23 種潛在的生物標(biāo)志物，包括丙氨酸，α- 酮戊二酸，天冬酰胺，麥芽糖和谷氨酰胺等。此外，骨關(guān)節(jié)炎的代謝組學(xué)發(fā)病機理可能與氨基酸代謝紊亂，脂肪酸代謝，維生素B6 代謝和核酸代謝有關(guān)，楊松濱等[7]對膝骨關(guān)節(jié)炎患者的尿液進行了代謝分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對照組相比，KOA 患者尿液中烏頭酸、異檸檬酸、高香草酸及組織胺等含量升高；組氨酸、谷氨酰胺、馬尿酸及甘氨酸等代謝水平降低，這可能是由于KOA 患者體內(nèi)三羧酸循環(huán)紊亂，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨及軟骨細(xì)胞代謝異常繼而發(fā)展成KOA。

3 利用關(guān)節(jié)液液檢測的代謝組學(xué)研究

作為最接近患處的檢測樣品，關(guān)節(jié)液能夠有效體現(xiàn)代謝差異，檢測出條目較為豐富的差異代謝物，在選擇生物標(biāo)志物上效果顯著。Anderson 等[8]利用1H-NMR 技術(shù)對KOA 患者的關(guān)節(jié)液進行了研究，使用具有TCI 冷凍探針的700MHz Avance IIIHD Bruker NMR 光譜儀分析10 名KOA 患者的關(guān)節(jié)積液，結(jié)果較正常人體相比酪氨酸，纈氨酸，丙氨酸，2- 羥基丁酸酯，3-羥基丁酸酯，肌醇，乙酰膽堿，腺苷等顯著提升。同時觀察到KOA 關(guān)節(jié)內(nèi)存在輕度至中度炎癥和滑膜增生，其中浸潤性免疫細(xì)胞群主要由T 細(xì)胞和巨噬細(xì)胞組成，關(guān)節(jié)軟骨和骨質(zhì)的丟失是由包括MMP 在內(nèi)的蛋白酶失調(diào)導(dǎo)致軟骨細(xì)胞外基質(zhì)破壞引起的。Mickiewicz 等[9]利用1H-NMR 和GC-TOF-MS 技術(shù)對收集的55 個KOA 患者的膝關(guān)節(jié)與13 個正常膝關(guān)節(jié)中的滑液進行對比，通過SIMCA-P+進行數(shù)學(xué)統(tǒng)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)11 種代謝物在區(qū)分KOA 樣本和對照中具有統(tǒng)計學(xué)意義，其中果糖和檸檬酸鹽增加，O- 乙酰肉堿，N- 苯乙酰甘氨酸，甲硫氨酸，乙醇，肌酸，蘋果酸鹽，乙醇胺，3- 羥基丁酸鹽和己?；鈮A的濃度降低。代謝組學(xué)可能作為膝關(guān)節(jié)炎早期診斷的有效的方法，應(yīng)該在臨床環(huán)境中進一步驗證。通過代謝途徑分析這些代謝物與脂肪酸代謝，甘油脂代謝和三羧酸循環(huán)有關(guān)。

4 結(jié)論

目前基于代謝組學(xué)的KOA 研究中總結(jié)出了大量可能影響該疾病的代謝途徑，包括支鏈氨基酸代謝、精氨酸代謝、能量代謝和氧化代謝等多種代謝途徑。支鏈氨基酸纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸是體內(nèi)蛋白質(zhì)合成的重要基質(zhì)和重要調(diào)節(jié)劑，是肌肉中谷氨酰胺和丙氨酸合成的主要氮源。其中丙氨酸是糖異生的重要前體，谷氨酰胺在器官中起“氮梭”的作用，是快速分裂細(xì)胞的重要燃料，還是核苷酸（例如ATP）合成的前體。KOA 患者的身體對丙氨酸和谷氨酰胺需求是巨大的，谷氨酰胺的使用經(jīng)常超過其合成，導(dǎo)致血漿和組織中缺乏谷氨酰胺，可能導(dǎo)致KOA患者膝關(guān)節(jié)肌肉代謝加快，膝關(guān)節(jié)的負(fù)擔(dān)加大，加快疾病惡化過程。精氨酸是人體中的半必需氨基酸，并且作為合成許多分子的前體，包括尿素、氧化氮、谷氨酸和角蛋白等，精氨酸通過精氨酸酶分解為鳥氨酸，鳥氨酸進一步代謝為脯氨酸、多胺和谷氨酰胺。KOA 患者血漿中鳥氨酸濃度比對照組高，而精氨酸與鳥氨酸的比例卻明顯低于對照組，同樣的，KOA 患者血漿中脯氨酸濃度也比對照組高，精氨酸與脯氨酸的比例也低于對照組。表明KOA 患者精氨酸的消耗可能是由于過量精氨酸的分解代謝，鳥氨酸作為脯氨酸合成的前體，可以支持富含脯氨酸的蛋白質(zhì)如膠原蛋白的產(chǎn)生，而KOA 患者通常都有關(guān)節(jié)軟骨缺失的癥狀，所以造成了精氨酸的大量消耗。另一方面，精氨酸是組織蛋白酶的天然抑制劑，組織蛋白酶是一種降解軟骨的內(nèi)源性酶，精氨酸在抑制過程中大量消耗，多種途徑的消耗使得精氨酸得不到足量的補充，導(dǎo)致疾病惡化。除此之外，磷脂酰膽堿轉(zhuǎn)化為溶血磷脂酰膽堿的磷脂代謝能在調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)癥狀，特別是關(guān)節(jié)疼痛中發(fā)揮作用。以上的多種代謝途徑都能檢測到較為良好的差異代謝物，為早期KOA 的診斷提供了一定的基礎(chǔ)。

5 展望

利用代謝組學(xué)技術(shù)尋找生物標(biāo)志物的方法對于早期KOA的診斷具有十分重要的意義，它能準(zhǔn)確判斷并確診KOA。在尋找生物標(biāo)志物的過程中，血液、尿液、膝關(guān)節(jié)滑液都成為了有效的獲取途徑，但是到目前都沒有公認(rèn)的統(tǒng)一生物標(biāo)志物，希望未來能夠結(jié)合基因組學(xué)、蛋白組學(xué)等多種技術(shù)，建立更加全面、高效的研究體系，進而能追蹤到獲得公認(rèn)的生物標(biāo)志物及代謝途徑，這樣就能夠針對早期疾病變化研究出針對KOA 的特異性拮抗劑，最大程度的解決KOA 患者的痛苦。