代謝組學(xué)在多種神經(jīng)類(lèi)疾病診斷研究中的應(yīng)用

郎金雨，王耀，甄百新，熱依漢古麗，董嶼，魏斌斌

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110021）

代謝組學(xué)（metabonomics／metabolomics） 是繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后系統(tǒng)生物學(xué)最新的組成部分，它通過(guò)對(duì)生物體內(nèi)所有的分子量在100～1000 Da 的小分子代謝物進(jìn)行定量或定性的分析，以期找尋代謝物與生理或者病理變化之間的聯(lián)系［1］。非靶向代謝組學(xué)和靶向代謝組學(xué)是代謝組學(xué)的兩個(gè)組成方面［2］。非靶向代謝組學(xué)旨在通過(guò)無(wú)偏向性地分析整個(gè)代謝組以期獲得盡可能多的代謝物；靶向代謝組學(xué)有針對(duì)性地采用代謝物的標(biāo)準(zhǔn)品建立優(yōu)化分析方法和標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，然后對(duì)樣品進(jìn)行分析，準(zhǔn)確地定量特定的代謝物［3］。代謝組學(xué)常用的技術(shù)分析平臺(tái)主要為核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR） 和質(zhì)譜 （mass spectrometry，MS）［4－5］。

生物標(biāo)志物（biomarker） 具有廣泛的作用，可以用于疾病的診斷、判別疾病的分期與進(jìn)展，或者用于疾病風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估與預(yù)后的評(píng)價(jià)。理想的生物標(biāo)志物具有高靈敏度、高特異性、檢測(cè)方便、價(jià)格低廉的特點(diǎn)［6］。生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)與研究是生命科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)快速發(fā)展極具前景的領(lǐng)域。代謝組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和在各種疾病基礎(chǔ)研究中的廣泛應(yīng)用將導(dǎo)致生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)與研究蓬勃發(fā)展［7］。許多疾病在出現(xiàn)臨床癥狀之前，生物流體的化學(xué)和生化特征就會(huì)發(fā)生特異性變化［8］。這些變化可能成為潛在的生物標(biāo)志物用于疾病的早期診斷。代謝組學(xué)技術(shù)在中樞神經(jīng)類(lèi)疾病研究中的應(yīng)用越來(lái)越多［9］，例如阿爾茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）［10］、抑郁癥（depression）［11］、帕金森?。≒arkinson′s disease，PD）［12］。當(dāng)前缺乏用來(lái)診斷患有中樞神經(jīng)類(lèi)疾病的早期生物標(biāo)志物，且由于中樞類(lèi)神經(jīng)疾病起病隱匿，往往在早期發(fā)病時(shí)被人們所忽視，因而導(dǎo)致后續(xù)的治療和預(yù)后效果較差?；诖x組學(xué)技術(shù)采用相對(duì)容易獲得的生物流體如腦脊液（CSF）、血漿、尿液、糞便來(lái)獲取可用于中樞神經(jīng)類(lèi)疾病早期診斷的生物標(biāo)志物具有重要而深遠(yuǎn)的意義。可用于疾病早期檢測(cè)的生物標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)，將使患者得到更有效、更早期的預(yù)防與治療，減輕疾病痛苦，提高生活質(zhì)量。

1 代謝組學(xué)在AD 中的應(yīng)用

AD 是一種起病隱匿的神經(jīng)退行性疾病，病因和發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜。現(xiàn)在主要以細(xì)胞外Aβ 的沉積和細(xì)胞內(nèi)Tau 蛋白的磷酸化及纏結(jié)水平作為病理學(xué)特征，依據(jù)患者的臨床表現(xiàn)和腦部的CT 等手段進(jìn)行診斷［13－14］。由于AD 起病的隱匿性，這樣的診斷方式會(huì)為AD 的預(yù)防和治療帶來(lái)不便，導(dǎo)致預(yù)后不良，給家庭和社會(huì)造成極大負(fù)擔(dān)［15］。代謝組學(xué)領(lǐng)域及技術(shù)的發(fā)展為AD 的早期診斷帶來(lái)了新的思路與方法，可以根據(jù)代謝物的變化來(lái)進(jìn)行個(gè)性化的診斷［16］。

血液是臨床檢驗(yàn)時(shí)最常用的檢測(cè)對(duì)象，在代謝組學(xué)中血清或者血漿是常用的檢測(cè)對(duì)象。Wang等［17］通過(guò)收集正常人與AD 患者的血液，利用UPLC－TOF／MS 和GC－TOF／MS 技術(shù)手段對(duì)代謝物進(jìn)行靶向及代謝圖譜測(cè)定，最終鑒定出甘膽酸鹽、十八碳六烯酸、亞油酸、肉豆蔻酸、棕櫚油酸、脫氧膽酸鹽／膽酸鹽比值這6 種主要的代謝差異物以及涉及的3 個(gè)主要代謝通路，為早期發(fā)現(xiàn)和診斷AD 提供了潛在的生物標(biāo)志物。同時(shí)，利用尿液也可以進(jìn)行代謝物的檢測(cè)，Yilmaz 等［18］利用1H NMR檢測(cè)健康人、輕度認(rèn)知障礙及AD 患者的尿液中的代謝物，并結(jié)合支持向量機(jī)和Logistic 線(xiàn)性回歸模型，找到了11 種發(fā)生變化的能區(qū)分正常人與AD 患者的代謝物。除了血液和尿液，糞便也是較易采集的檢測(cè)對(duì)象，利用糞便進(jìn)行代謝組學(xué)研究也可以對(duì)健康人和AD 患者進(jìn)行區(qū)分并找到潛在的標(biāo)志物［19］。之前有研究證明，人體中的腸道菌群會(huì)產(chǎn)生一些有生物活性的化合物，這些生物活性化合物會(huì)與人體產(chǎn)生相互作用，形成一種精細(xì)的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)各種生理過(guò)程產(chǎn)生影響［20］。腸道菌群產(chǎn)生的生物活性物質(zhì)傳送到大腦，影響大腦的新陳代謝、免疫反應(yīng)等生理過(guò)程，這就形成了腦－腸－菌群軸［19－21］。腸道菌群和代謝組學(xué)結(jié)合，可以更加深入地對(duì)AD 的發(fā)生發(fā)展機(jī)制進(jìn)行研究。

除了對(duì)AD 的發(fā)病機(jī)制作出解釋?zhuān)x組學(xué)還可以用于解釋藥物治療AD 的潛在機(jī)制，特別是近年來(lái)中藥由于具有多活性物質(zhì)、多靶點(diǎn)、多通道的特征被廣泛試驗(yàn)于治療AD［15，22］，且已取得一定成效。利用代謝組學(xué)的方法可以很好地從代謝物的角度去解釋中藥在治療AD 時(shí)的潛在作用機(jī)制［22］。孟喜勝等［23］給予APPswe／PS1dE9 雙轉(zhuǎn)基因小鼠恒清Ⅱ號(hào)方進(jìn)行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)恒清Ⅱ號(hào)方可以改善APPswe／PS1dE9 雙轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知障礙，通過(guò)對(duì)AD 小鼠糞便代謝組學(xué)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)恒清Ⅱ號(hào)方的抗AD 作用與氨基酸生物合成和代謝通路相關(guān)。

2 代謝組學(xué)在抑郁癥中的應(yīng)用

抑郁癥是精神疾病中常見(jiàn)的情緒障礙類(lèi)型，它是與基因和環(huán)境相互作用的多因素疾病，病理機(jī)制非常復(fù)雜，往往伴隨分子和通路有許多異常變化，目前具體病因尚不清楚［24］。近年來(lái)，基于HPLC－MS、GC－MS、1H NMR 等多種組學(xué)技術(shù)，使用多元統(tǒng)計(jì)分析研究抑郁癥的病因和治療靶點(diǎn)。同時(shí)，為了對(duì)患有嚴(yán)重和持續(xù)性抑郁癥的患者做出更好的臨床診斷，還需要對(duì)藥物作用機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)的研究和討論［11］。

血清、血漿、糞便和尿液是用于抑郁癥代謝組學(xué)研究的常用樣本，徐雪嬌等［25］基于血清代謝組學(xué)技術(shù)研究治療慢性應(yīng)激（CUMS） 抑郁大鼠，發(fā)現(xiàn)L－天冬氨酸、L－蘇氨酸、L－谷氨酸、L－絲氨酸、吲哚乙酸和?；撬岬? 種氨基酸發(fā)生顯著變化。王翠［26］根據(jù)靜態(tài)血漿代謝組學(xué)找到差異代謝物亞麻酸、丙酸、阿洛糖。呂夢(mèng)等［27］應(yīng)用1H NMR代謝組學(xué)技術(shù)研究CUMS 抑郁大鼠糞便樣本，共篩選出10 種與抑郁相關(guān)的潛在生物標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)天冬酰胺、天冬氨酸、乳酸和丙酸水平顯著升高，而苯丙氨酸、酪氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸和脯氨酸水平顯著降低。在尿液代謝譜圖中，李名花［28］發(fā)現(xiàn)了5 個(gè)臨床產(chǎn)后抑郁研究的生物標(biāo)志物：亮氨酸、異亮氨酸、丙氨酸、谷氨酰胺和N－乙酰糖蛋白，涉及到4 條主要的代謝通路：丙氨酸、天門(mén)冬氨酸和谷氨酸代謝，谷氨酸與谷氨酰胺代謝，?；撬岽x和異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸代謝。彭國(guó)茳［29］通過(guò)代謝組學(xué)研究逍遙散對(duì)抑郁癥的影響，結(jié)果表明，它對(duì)這五種代謝產(chǎn)物（丙氨酸、苯丙氨酸、馬尿酸、檸檬酸和酪氨酸）都有明顯的調(diào)節(jié)作用。李永彪等［30］利用代謝組學(xué)技術(shù)分析差異代謝物，探討蜘蛛香環(huán)烯醚萜部位（IEFV） 的潛在抗抑郁作用機(jī)制，通過(guò)MetPA 數(shù)據(jù)庫(kù)分析得到7 條潛在靶標(biāo)代謝通路，包括三羧酸循環(huán)（TCA），?；撬岷蛠喤；撬岬拇x，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝等。以大鼠海馬這一情緒障礙經(jīng)典腦區(qū)為研究靶點(diǎn)，張玉清［31］發(fā)現(xiàn)9種差異代謝物，主要涉及細(xì)胞增殖和神經(jīng)發(fā)育功能。劉曉節(jié)等［32］利用代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)了丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝，糖降解和糖異生通路和丙酮酸代謝等5 條代謝通路在CUMS 抑郁大鼠中發(fā)生顯著變化。王銳等［33］建立小鼠慢性社交挫敗應(yīng)激（CSDS） 模型研究大鼠腦代謝物，與正常組相比，模型組前額葉皮質(zhì)中有26 種代謝物的含量發(fā)生了顯著改變，其中11 種代謝產(chǎn)物含量增高，15種代謝產(chǎn)物含量降低。對(duì)卒中后抑郁的病理生理機(jī)制研究檢測(cè)出了10 種能夠?qū)⒛X卒中后抑郁受試者與健康對(duì)照組受試者和中風(fēng)受試者區(qū)分開(kāi)來(lái)的差異性代謝物，其中5 種差異性代謝物被確定為診斷腦卒中后抑郁疾病的潛在生物標(biāo)志物（乳酸、α－羥丁酸、苯丙氨酸、甲酸和阿拉伯糖醇）［34－35］。在中藥藥效學(xué)方面，代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)中藥的抗抑郁作用機(jī)制研究也發(fā)揮了巨大的作用，杜紅麗［36］分別從大鼠的血清及海馬組織中鑒別得到31、32個(gè)與CUMS 誘導(dǎo)的抑郁相關(guān)的差異代謝物質(zhì)。

3 代謝組學(xué)在PD 中的應(yīng)用

PD 是一種常見(jiàn)于中老年人的慢性進(jìn)行性中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性疾?。?7］，主要病理特征是黑質(zhì)致密部的多巴胺能神經(jīng)元變性或減少和路易小體積聚，進(jìn)一步發(fā)展亦可影響運(yùn)動(dòng)功能，加速PD 的進(jìn)展，嚴(yán)重降低患者的生活質(zhì)量［38］。

近年來(lái)出現(xiàn)的基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)以及與PD 神經(jīng)變性發(fā)病相關(guān)的新信號(hào)通路，這些新研究手段有助于PD的早期發(fā)現(xiàn)和鑒別診斷以及監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展［39］。當(dāng)前已經(jīng)有很多組學(xué)研究正在逐漸闡明PD 發(fā)病的原因。代謝組學(xué)以一種高通量大范圍的蛋白質(zhì)相關(guān)技術(shù)方法應(yīng)用于PD 的研究，揭示了一些重要代謝物與PD 具有潛在關(guān)系，為PD 的病因?qū)W探究帶來(lái)了很大便利［12］。

王雁等［37］用GC－TOF／MS 血漿代謝組學(xué)鑒定了48 種包括草酸、草氨酸、甲基丙二酸、L－半胱氨酸、D－半乳糖醛酸、色氨酸、牛磺酸等在內(nèi)的正常人與PD 患者之間的差異代謝物。Li 等［40］運(yùn)用UPLC－QTOF／MS 腦組織代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，PD 模型大鼠具有顯著變化的代謝物包括L－多巴、5′－甲基硫代腺苷、十四烷酰肉堿、植物鞘氨醇－1－P、Cer （d18：0／18：0）、LysoPC （20：4 （5Z，8Z，11Z，14Z ） ）、L－棕櫚酰－肉堿、十四烷酰甘氨酸、嗎啡肽和硬脂酰肉堿，被認(rèn)為是參與PD 發(fā)病機(jī)制的潛在生物標(biāo)志物。Sato 等［41］發(fā)現(xiàn)尿中的8－羥基脫氧鳥(niǎo)苷水平降低可以作為PD 進(jìn)展的生物標(biāo)志。有代謝組學(xué)研究表明天然抗氧化劑尿酸（UA） 可能在PD 的發(fā)生和發(fā)展中起作用。血清中UA 水平低的患者可能更容易發(fā)生PD，并且UA 與PD 嚴(yán)重程度之間的反比關(guān)系對(duì)于男性是可靠的，但對(duì)于女性則可信性相對(duì)較弱［42］。Zhao 等［43］利用LC－MS 的代謝組學(xué)方法鑒定17 種PD 代謝物水平明顯改變，代謝網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，涉及的代謝途徑與酪氨酸生物合成、甘油磷脂代謝、肉堿代謝和膽汁酸生物合成有關(guān)，其中首次報(bào)道了肉堿和膽汁酸代謝物作為潛在的生物標(biāo)志物。研究發(fā)現(xiàn)在PD 患者中都出現(xiàn)了許多生物標(biāo)志物，PD 的運(yùn)動(dòng)癥狀主要是由于黑質(zhì)（SN） 內(nèi)多巴胺能（DA） 神經(jīng)元的喪失引起的［44］。目前，PD 的癥狀是可以緩解治療的，基本上用多巴胺替代或通過(guò)深部腦刺激來(lái)抑制病理性神經(jīng)元缺失。

綜上所述，很多疾病由于早期癥狀并不明顯，且缺乏靈敏度高、特異性好的診斷方法或生物標(biāo)志物，為后續(xù)的診斷和治療帶來(lái)諸多的困難，中樞神經(jīng)類(lèi)疾病的早期癥狀更為隱匿。隨著代謝組學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，新的技術(shù)平臺(tái)層出不窮，已被廣泛應(yīng)用于多種疾病發(fā)病機(jī)制的闡釋、診斷標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)、疾病分期的判別、預(yù)后的判定［45－46］。代謝組學(xué)在中樞類(lèi)神經(jīng)疾病早期診斷標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)方面的研究已有開(kāi)展，但目前仍處于初始階段，很多研究仍舊停在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上，缺乏臨床樣本數(shù)據(jù)的支持與驗(yàn)證。未來(lái)隨著分析技術(shù)平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展，組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)尤其是二級(jí)碎片離子庫(kù)的日益完善、臨床樣本的大規(guī)模的驗(yàn)證研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的臨床轉(zhuǎn)化，代謝組學(xué)在中樞神經(jīng)類(lèi)疾病的研究與應(yīng)用中會(huì)更加深刻，在早期診斷標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用中極具前景。