靶向代謝組學(xué)應(yīng)用于衰老相關(guān)疾病的研究進(jìn)展

楊琳琳，柴建新，陳強(qiáng)，秦雪梅，杜冠華,3，周玉枝*

（1.山西大學(xué)中醫(yī)藥現(xiàn)代研究中心，山西 太原 030006；2.山西振東制藥股份有限公司，山西 長治 047100；3.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所，北京 100050）

隨著醫(yī)療保健系統(tǒng)的完善和診治疾病新方法的出現(xiàn)，人類的壽命顯著增加，這個過程給世界醫(yī)療及保健系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。老齡化問題的出現(xiàn)，常伴隨著各種疾病，如神經(jīng)退行性疾?。╪eurodegenerative disease，ND）、癌癥、心血管疾?。╟ardiovascular diseases，CVD）、慢性阻塞性 肺 疾 ?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）、骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）和2型糖尿?。╰ype 2 diabetes，T2D）等[1]。衰老相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制及藥物治療作用機(jī)制的研究一直為科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

代謝組學(xué)是在任何給定時間對代謝組中存在的眾多代謝物綜合研究的科學(xué)，著重對生物體生理病理過程中的代謝狀態(tài)進(jìn)行完整的描述，能揭示疾病和代謝途徑之間還未檢測到的生物學(xué)機(jī)制。代謝功能障礙是衰老過程和衰老相關(guān)疾病發(fā)病機(jī)制的共同標(biāo)志。衰老是一個多方面的過程，涉及了生物系統(tǒng)中的各種有害變化。而代謝組學(xué)技術(shù)作為一種捕獲衰老過程的非常有前景的工具，可用單一的方法研究影響新陳代謝的各種變化，鑒定生物標(biāo)志物并深入了解代謝物的致病途徑，可用于衰老相關(guān)疾病的預(yù)測和早期診斷[2-5]。

代謝組學(xué)可分為靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)，靶向代謝組學(xué)針對特定的某類代謝物進(jìn)行分析和研究。靶向代謝組學(xué)技術(shù)一般集中于以下2個方面：1）涉及某條代謝途徑的代謝物，例如三羧酸循環(huán)或精氨酸代謝；2）涉及不同代謝途徑的一組相關(guān)代謝物，例如糖或脂質(zhì)[6]。靶向代謝組學(xué)技術(shù)具有優(yōu)異的代謝物定量能力，是一種連續(xù)、全面和個性化的工具。與非靶向代謝組學(xué)技術(shù)相比，靶向代謝組學(xué)技術(shù)側(cè)重于量化研究組之間的確切差異。針對特定途徑及代謝物的靶向代謝組學(xué)測定已被證明在監(jiān)測器官功能方面是非常重要的[7]。本文利用靶向代謝組學(xué)技術(shù)對阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、帕 金 森 ?。≒arkinson's disease，PD）、癌癥、CVD等衰老相關(guān)疾病的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，從代謝物出發(fā)，尋找其生物標(biāo)志物及代謝途徑，闡明其代謝異常的機(jī)制從而找到防治疾病發(fā)生的有效途徑。

1 靶向代謝組學(xué)分析技術(shù)

目前靶向代謝組學(xué)分析技術(shù)主要為核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）和質(zhì)譜（mass spectrometry，MS）。

1.1 核磁共振技術(shù)

多維NMR技術(shù)可闡明化合物的結(jié)構(gòu)并通過相對簡單的樣品制備詳細(xì)分析代謝物的組成，是識別未知化合物的理想工具。缺點(diǎn)是NMR的靈敏度遠(yuǎn)低于MS且其動態(tài)范圍較窄[4]。目前，靶向代謝組學(xué)常通過1D1H NMR和2D NMR，主要是2D13C-1H異核單量子相關(guān)光譜（heteronuclear single quantum coherence spectroscopy，HSQC） 和1H -1H總相關(guān)光譜（total correlation spectroscopy，TOCSY）對樣品中的靶向代謝物進(jìn)行驗(yàn)證和量化[8]。

1.2 質(zhì)譜技術(shù)

隨著色譜、MS技術(shù)以及代謝組學(xué)的不斷發(fā)展，液相色譜-質(zhì)譜（liquid chromatograph-mass spectrometer，LC-MS），超高效液相色譜-質(zhì)譜（ultra performance liquid chromatography-mass spectrometer，UPLC-MS），氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS），毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜（capillary electrophoresis-mass spectrometer，CE-MS），流動注射分析串聯(lián)質(zhì)譜（flow injection analysis-mass spectrometer/mass spectrometer，F(xiàn)IA-MS/MS）等技術(shù)成為常用的分析靶向代謝組學(xué)的手段。在這些技術(shù)中，LC-MS在靶向代謝組學(xué)中的應(yīng)用尤為廣泛，該方法適用于極性和非極性化合物的靶向代謝組學(xué)分析。常用的具體方法有三重四極桿液質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)上的多重反 應(yīng) 監(jiān) 測（multiple reaction monitoring，MRM）和四極桿復(fù)合線性離子阱液質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)上的平行反應(yīng)監(jiān)測等[9]。目前常采用的色譜模式為反相高效液相色譜（reversed-phase high performance liquid chromatography，RPLC）和親水相互作用色譜（hydrophilic interaction chromatography，HILIC）；其次，應(yīng)用較多的是CE-MS和GC-MS。CE-MS用于分析帶極性電荷的代謝物，而GC-MS最常用于分析揮發(fā)性代謝物或可通過化學(xué)衍生作用變成揮發(fā)性的代謝物。

2 與衰老相關(guān)的代謝途徑

代謝途徑主要包括脂質(zhì)代謝、糖代謝、氨基酸代謝、核苷酸代謝。在衰老的過程中，機(jī)體的內(nèi)源性代謝物的變化涉及以上代謝途徑，因此研究與衰老相關(guān)代謝途徑在靶向代謝組學(xué)中顯得尤為重要。

2.1 脂質(zhì)代謝

現(xiàn)代研究表明脂質(zhì)代謝的紊亂是衰老的特征，表現(xiàn)為三酰甘油和膽固醇增齡性升高，它與胰島素抵抗、糖尿病、動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）及某些腫瘤的形成等都有關(guān)。脂質(zhì)代謝中的脂肪酸、鞘脂和磷脂等代謝都與衰老相關(guān)的疾病有關(guān)。在脂肪酸代謝中，多不飽和脂肪酸的氧化代謝產(chǎn)物花生四烯酸、脂肪酸、亞油酸、α-亞麻酸等脂氧化物（oxylipin）能影響炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激等過程，oxylipin途徑的改變與癌癥、CVD、糖尿病、AD等疾病相關(guān)[10-11]。

2.2 糖代謝

糖代謝包括糖的無氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途徑、糖原的合成及分解和糖異生及其他己糖代謝等，其中有氧氧化中的三羧酸循環(huán)與衰老有著十分緊密的聯(lián)系。靶向代謝組學(xué)研究[12]發(fā)現(xiàn)在衰老過程中，線粒體功能發(fā)生障礙、三羧酸循環(huán)代謝能力下降、機(jī)體的氧化應(yīng)激反應(yīng)和炎性反應(yīng)增加，最終導(dǎo)致AD、PD、CVD和糖尿病等衰老相關(guān)疾病的產(chǎn)生。

2.3 氨基酸代謝

氨基酸代謝在衰老靶向代謝組學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛。隨著機(jī)體的衰老，體內(nèi)蛋白質(zhì)、激素等的合成速度降低，機(jī)體的能量代謝發(fā)生紊亂，腸道菌群代謝活動紊亂，影響了體內(nèi)正常的代謝循環(huán)，加快了組織和器官的衰老。靶向代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，衰老會影響大腦和生殖器官中的氨基酸代謝，因此生殖器官的氨基酸代謝可能會干擾正常的生殖功能，大腦中氨基酸代謝可能會影響老年人的某些行為[13]。

2.4 核苷酸代謝

核苷酸代謝包括嘌呤核苷酸代謝和嘧啶核苷酸代謝。嘌呤核苷酸分解是在核苷酸酶的作用下脫去磷酸生成嘌呤核苷，再在核苷酶的催化下分解生成嘌呤堿，最后氧化成尿酸，經(jīng)尿液排出體外。嘧啶核苷酸首先在核苷酸酶和核苷酸化酶的催化下，除去磷酸和核糖，產(chǎn)生的嘧啶堿可在體內(nèi)進(jìn)一步分解代謝。不同的嘧啶堿其分解代謝的產(chǎn)物不同，其降解過程要在肝臟進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NAD）的水平隨年齡的增長而降低，NAD代謝的惡化導(dǎo)致ND、癌癥等與衰老相關(guān)疾病[14]。相反，NAD代謝的上調(diào)可預(yù)防NAD的衰退，對衰老相關(guān)疾病有益。此外，許多研究已證明NAD代謝的遺傳和營養(yǎng)激活可延長多種生物的壽命，NAD代謝在衰老和長壽中起重要作用。

3 與衰老相關(guān)疾病的靶向代謝組學(xué)分析

在衰老過程中，人體內(nèi)的代謝物會發(fā)生變化，導(dǎo)致很多疾病的發(fā)生，這些疾病通常出現(xiàn)在生命晚期，如ND、糖尿病、CVD和癌癥等。

3.1 神經(jīng)退行性疾病

ND是一種大腦和脊髓的細(xì)胞神經(jīng)元喪失，隨著時間的推移而惡化，從而導(dǎo)致功能障礙的疾病。研究發(fā)現(xiàn)，具有炎癥基礎(chǔ)的ND的一大特征是喹啉酸鹽與犬尿酸鹽的比例較高，色氨酸降解的犬尿氨酸途徑的神經(jīng)活性代謝產(chǎn)物與幾種ND的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)[15]。例如在PD患者的某些腦力功能分區(qū)中已報(bào)道了喹啉酸的水平升高，喹啉酸與犬尿喹啉酸的比值降低[16]。ND主要包括AD、 PD、ALS等。

3.1.1 阿爾茨海默病AD是一種導(dǎo)致老年人記憶、認(rèn)知和行為困難的癡呆癥，表現(xiàn)為記憶力和智力的逐漸下降、語言和行為障礙以及迷失方向等。其特征是老年斑、神經(jīng)原纖維纏結(jié)和淀粉樣血管病。AD相關(guān)代謝途徑包括淀粉樣蛋白前體蛋白代謝、tau蛋白磷酸化、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、炎癥、脂質(zhì)失調(diào)、神經(jīng)遞質(zhì)途徑和胺代謝途徑。此外，葡萄糖代謝減退也是AD患者大腦的重要早期特征[17]。Varma等[18]使用Biocrates AbsoluteIDQ p180試劑盒對AD患者的腦樣本靶向定量代謝組學(xué)進(jìn)行分析，通過FIA-MS/MS分析酰基肉堿（acylcarnitines，ACCs）、脂質(zhì)和己糖，并通過HPLC-MS/MS對氨基酸和生物胺進(jìn)行電噴霧電離分析。最終確定了26個大腦及血液代謝物，分析結(jié)果表明鑒定出的鞘脂類物質(zhì)與AD涉及的幾種生物學(xué)相關(guān)途徑有關(guān)，包括tau磷酸化、淀粉樣蛋白-β代謝、鈣穩(wěn)態(tài)、乙酰膽堿生物合成和細(xì)胞凋亡。其中，鞘脂是用于早期檢測AD的生物學(xué)相關(guān)生物標(biāo)志物，校正鞘脂代謝中的擾動可能是AD中合理且新穎的治療策略。Muguruma等[17]通過超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜（ultraperformance liquid chromatographymass spectrometer/ mass spectrometer，UPLC-MS/MS）對AD患者腦脊液樣本中的97種胺代謝產(chǎn)物進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)胺代謝途徑中的胺和色氨酸-犬尿氨酸代謝的活性降低，代謝產(chǎn)物如亞砜甲硫氨酸、3-甲氧基蒽醌、尸胺、鳥嘌呤、組胺等的含量增加。Paglia等[19]使用靶向代謝組學(xué)技術(shù)研究了AD患者的冷凍額葉皮質(zhì)樣本，發(fā)現(xiàn)丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝發(fā)生紊亂，隨后利用MS成像證實(shí)了谷氨酸代謝和天冬氨酸代謝顯著失調(diào)。Ciavardelli等[20]研究發(fā)現(xiàn)AD患者血漿中中鏈血漿ACCs的水平顯著降低，其與前額灰質(zhì)體積的減小、血漿中2-羥基丁酸水平的降低以及認(rèn)知障礙有關(guān)。結(jié)果表明，中鏈ACCs代謝的改變和酮生成的受損可能是AD的代謝特征。Fang等[21]采用靶向LC-MS對輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment，MCI）患者血漿樣本的oxylipin和多不飽和脂肪酸分析，發(fā)現(xiàn)MCI患者最顯著變化的代謝產(chǎn)物為亞油酸和7種oxylipin；通過5-脂氧合酶（5-lipoxygenase，5-LOX）和細(xì)胞色素P450（cytochromeP450，CYP450）途徑合成的oxylipin在MCI患者中升高，這與已報(bào)道的在AD和MCI患者的腦組織中oxylipin途徑一致，表明MCI和AD患者在外周血和腦組織中oxylipin的變化存在潛在相關(guān)性。

3.1.2 帕金森病PD是由于黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的丟失以及運(yùn)動和非運(yùn)動基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路的退化而引起的ND，表現(xiàn)為震顫、僵硬、運(yùn)動遲緩。目前PD還沒有明確的生物標(biāo)志物，因測量多巴胺代謝物不能檢測出前期PD，也不能幫助長期監(jiān)測疾病進(jìn)展?，F(xiàn)代研究表明PD相關(guān)代謝途徑包括胺代謝、嘌呤代謝、氨基酸和脂肪酸代謝。Nybo等[22]用LC-MS/MS對N2a鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞樣品中6種嘌呤分子的水平準(zhǔn)確定量，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)外腺嘌呤核苷酸濃度都隨培養(yǎng)天數(shù)的增加而降低，而細(xì)胞外腺苷酸增加或者保持不變，這與隨時間的推移細(xì)胞代謝活性的降低的結(jié)果相一致。Chang等[16]用靶向代謝組學(xué)技術(shù)測量了包括PD患者、亨廷頓病患者的184種代謝物的血漿水平，發(fā)現(xiàn)多巴胺、腐胺與鳥氨酸的比值上調(diào)，PD患者血漿中的十八碳二烯基肉堿（C18∶2）、不對稱二甲基精氨酸、色氨酸和犬尿氨酸代謝物水平下調(diào)。表明肉毒堿在控制線粒體能量代謝和脂肪酸的過氧化物酶體氧化中發(fā)揮作用，喹啉酸與犬尿喹啉酸的比值可作為一種潛在的生物標(biāo)志物。

3.1.3 肌肉萎縮性側(cè)索硬化肌肉萎縮性側(cè)索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是一種能引起肌肉萎縮、癱瘓和死亡的ND[23]。研究提出了一種CE-MS/MS測定血漿中同型半胱氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸和谷氨酸的方法，結(jié)果顯示谷氨酸和同型半胱氨酸可作為ALS的生物標(biāo)志物。

3.2 心血管疾病

年齡是心血管健康最重要的影響因素之一，因此老年人患CVD的風(fēng)險大大增加。Rizza等[12]認(rèn)為，在衰老過程中可能發(fā)生的代謝機(jī)制中，線粒體脂肪酸氧化途徑可反映包括脈管系統(tǒng)在內(nèi)的老年組織的線粒體功能障礙，線粒體功能障礙可使細(xì)胞產(chǎn)生能量的能力改變并改變氧化還原信號的傳導(dǎo)。血管衰老會引起動脈增厚和僵硬增加，導(dǎo)致各種與年齡相關(guān)疾病，如高血壓等。ACCs的積累可能導(dǎo)致低效的β-氧化和線粒體功能障礙，證明ACCs和支鏈氨基酸可作為CVD的生物標(biāo)志物。

3.2.1 動脈粥樣硬化AS是一種由于動脈壁上脂質(zhì)和膽固醇等脂肪物質(zhì)的累積而誘發(fā)的疾病。診斷和治療易破裂的AS斑塊仍是降低CVD發(fā)病率的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。代謝和炎癥過程在易破裂斑塊中的相互聯(lián)系尚不清楚。Tomas等[24]通過靶向代謝組學(xué)技術(shù)對AS患者頸動脈斑塊的165種代謝物定量分析，結(jié)果強(qiáng)調(diào)了細(xì)胞代謝在支持炎癥和AS斑塊高危表型中的關(guān)鍵作用，利用新的代謝示蹤劑或抑制劑可能是日后鑒別和治療高危AS斑塊的有效方法。

3.2.2 高血壓高血壓是一種涉及代謝紊亂的疾病或綜合征，有研究表明2/3的原發(fā)性高血壓患者出現(xiàn)葡萄糖代謝異常[5]。葡萄糖代謝異常在高血壓中的重要作用被逐漸認(rèn)識，但其生物標(biāo)志物尚未被明確識別。Yang等[5]選用文獻(xiàn)報(bào)道的47種化合物作為原發(fā)性高血壓（essential hypertension，EH）的靶向代謝產(chǎn)物，使用LC-MS/MS的MRM模式測定了EH患者血漿中上述47種化合物含量，針刺治療患者3個月，再次檢測這些血漿代謝物，結(jié)果表明血漿油酸和肌醇是潛在的EH生物標(biāo)志物，可用于針刺等治療方法的效果評價。

3.2.3 冠狀動脈粥樣硬化性心臟病冠狀動脈粥樣硬化性心臟?。╟oronary atherosclerotic heart disease，CAD）簡稱冠心病，是一種受環(huán)境和遺傳因素影響的復(fù)雜代謝性疾病?，F(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)磷脂酰膽堿途徑參與AS的發(fā)病機(jī)制。Calderón-Santiago等[25]開發(fā)了一種基于固相萃取色譜串聯(lián)質(zhì)譜（solid-phase extraction-liquid chromatograph-mass spectrometer/mass spectrometer，SPE-LC-MS/MS）的自動化方法，用于分析人血清中的必需氨基酸。結(jié)果發(fā)現(xiàn)心肌梗死患者的蘇氨酸和苯丙氨酸水平升高，心力衰竭患者的亮氨酸與異亮氨酸的比值升高，賴氨酸、蘇氨酸和苯丙氨酸濃度降低，穩(wěn)定型心絞痛和心肌梗死患者的苯丙氨酸水平高于正常水平，蘇氨酸水平低于正常水平；與穩(wěn)定型心絞痛患者相比，心肌梗死患者的蘇氨酸水平顯著增加。Ward-Caviness等[26]使用AbsoluteIDQ p180和AbsoluteIDQ p150試劑盒同時定量測定血清樣本中的188種代謝物，發(fā)現(xiàn)精氨酸和2種溶血磷脂酰膽堿可作為心肌梗死的生物標(biāo)志物，這3種代謝物減弱了高敏感性C反應(yīng)蛋白和心肌梗死之間的聯(lián)系，表明二者可能與炎癥過程有關(guān)，這3種生物標(biāo)志物是研究炎癥驅(qū)動心肌梗死病理生理的新靶標(biāo)。

3.3 慢性阻塞性肺疾病

COPD被認(rèn)為與有害氣體、有害顆粒的異常炎癥反應(yīng)及氧化應(yīng)激有關(guān)，其確切病因仍不清楚。Naz等[27]研究發(fā)現(xiàn)，COPD具有顯著變化的代謝途徑有三羧酸循環(huán)、甘油磷脂、cAMP信號、內(nèi)源性大麻素、鞘脂和脂肪酸代謝、色氨酸代謝等。其中大多數(shù)觀察到的與COPD相關(guān)的代謝變化與氧化應(yīng)激有關(guān)。三羧酸循環(huán)的上調(diào)導(dǎo)致ATP的產(chǎn)生增加，氣道腔內(nèi)細(xì)胞外ATP水平的增加通過炎癥細(xì)胞的募集和激活、炎癥的加速和組織的降解，均與COPD發(fā)病機(jī)制相關(guān)。Khamis等[7]開發(fā)并驗(yàn)證了一種HPLC-MS/MS方法，使用丹酰氯差示同位素標(biāo)記對19種尿液代謝物靶向絕對定量，用于診斷哮喘和COPD。

3.4 癌癥

癌癥是一種與衰老相關(guān)的疾病，中老年人中癌癥的患病率較高。癌癥患者的預(yù)后通常取決于早期疾病的檢測，因此對于早期癌癥診斷的生物標(biāo)志物的確定十分必要?；贛S的靶向代謝組學(xué)已被廣泛用于研究各種癌癥。靶向代謝組學(xué)技術(shù)是鑒定癌癥中變化的生物標(biāo)志物以及評估藥物治療功效的有力工具。D'Apolito等[28]利用HILIC-MS/MS靶向代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移中的精氨酸高于其他組織，其與乳酸與葡萄糖的比值可作為進(jìn)一步判斷肝細(xì)胞癌轉(zhuǎn)移分化的生物標(biāo)志物，表明靶向?qū)?、分解代謝和合成必要的細(xì)胞成分的代謝途徑，有助于提高耐藥的癌細(xì)胞對抗癌治療的敏感性。Zhang等[29]基于1H-NMR的非靶向代謝譜分析和快速分辨液相色譜（RRLC）的靶向代謝技術(shù)測定肺癌患者血清代謝物水平，發(fā)現(xiàn)肺癌的主要代謝變化包括糖酵解、脂質(zhì)代謝、膽堿磷脂代謝、單碳代謝和氨基酸代謝。結(jié)果顯示靶向代謝組學(xué)技術(shù)比非靶向代謝組學(xué)技術(shù)更靈敏、準(zhǔn)確、特異，可用于早期肺癌的檢測和預(yù)后。

3.5 骨關(guān)節(jié)炎

OA是最常見的關(guān)節(jié)炎形式，是一種多因素退行性關(guān)節(jié)疾病，伴有關(guān)節(jié)軟骨退化損傷、關(guān)節(jié)間隙變窄、骨贅形成、軟骨下硬化和滑膜炎癥，導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛和關(guān)節(jié)僵硬等臨床癥狀[30]。Zhang等[30]采用靶向代謝組學(xué)技術(shù)對OA患者滑膜液樣本的86種代謝產(chǎn)物分析，其中甘油磷脂75種（包括溶血磷脂酰膽堿6種、磷脂酰膽堿69種）、鞘脂9種、生物胺1種、ACCs 1種，其中涉及的生物過程可能有肉毒堿、脂質(zhì)和膠原代謝。肉毒堿的合成過程中，甘氨酸可作為副產(chǎn)物釋放出來，肉堿?；D(zhuǎn)移酶負(fù)責(zé)產(chǎn)生ACCs， ACCs與肉堿比值可以反映其活性。肉毒堿及ACCs是用于脂肪酸代謝的必需化合物。肉毒堿可以促進(jìn)脂肪酰輔酶A從胞質(zhì)溶膠到線粒體基質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝，其中脂肪酸的氧化作為主要的能量來源。Zheng等[31]采用氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜（gas chromatography -time of flight-mass spectrometer，GC-TOF-MS）對OA患者滑膜液樣本的代謝物進(jìn)行靶向驗(yàn)證，結(jié)果表明6種不同的代謝物（谷氨酰胺、1，5-脫水葡萄糖醇、葡萄糖內(nèi)酯、酪胺、蘇氨酸和8-氨基辛酸）與OA密切相關(guān)。通過將氨基引入到羧基中，由谷氨酸合成谷氨酰胺，形成酰胺；谷氨酰胺通過激活絲裂原活化蛋白激酶磷酸酶（mitogen activated protein kinase phosphatase-1，MKP-1）和抑制核因子κB（nuclear factor kappa beta，NF-κB）及絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路從而抑制炎性細(xì)胞因子的表達(dá)并減少活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生。此外，谷氨酰胺保護(hù)軟骨細(xì)胞免受熱應(yīng)激和NO誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。這些谷氨酰胺作用可用于保護(hù)軟骨細(xì)胞免受各種形式的應(yīng)激，并防止OA中軟骨退化。受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）可以判斷某種因素對于某種疾病的診斷是否具有診斷價值，ROC曲線分析表明，滑膜液中骨性關(guān)節(jié)炎的濃度與骨性關(guān)節(jié)炎密切相關(guān)，OA和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的葡萄糖內(nèi)酯濃度也存在顯著差異。葡萄糖內(nèi)酯可作為鑒別類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的新標(biāo)準(zhǔn)。Chen等[32]采用超高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜（ultra performance liquid chromatography-triple quadrupole-mass spectrometer， UPLC-TQ-MS）共檢測出25種氨基酸和4種生物胺，表明丙氨酸、γ-氨基丁酸和4-羥基脯氨酸是OA的重要生物標(biāo)志物，影響最大的代謝途徑涉及丙氨酸、天門冬氨酸、谷氨酸、精氨酸和脯氨酸代謝。有報(bào)道將支鏈氨基酸（branched chain amino acids，BCAAs）與組氨酸的比值作為膝關(guān)節(jié)炎的新型生物標(biāo)志物[33]。Zhang等[34]用Biocrates Absolute IDQ p180試劑盒對膝關(guān)節(jié)炎患者血漿樣本靶向代謝組學(xué)進(jìn)行分析，最終確定了6種與膝關(guān)節(jié)炎顯著相關(guān)的代謝物，其中精氨酸是最顯著相關(guān)的代謝物，精氨酸的消耗可能是由于精氨酸分解代謝的過度活躍，精氨酸通過精氨酸酶分解為鳥氨酸，鳥氨酸進(jìn)一步代謝為脯氨酸、多胺和谷氨酰胺。OA患者中精氨酸分解代謝的下游代謝物（如脯氨酸和乙酰鳥氨酸）的血漿濃度也顯著增加。

3.6 2型糖尿病

T2D是由多種因素造成的復(fù)雜疾病，其特征是肝臟葡萄糖輸出異常，胰島素抵抗和胰島素分泌受損。T2D已知的有關(guān)代謝物參與糖酵解、糖異生、支鏈氨基酸、其他氨基酸、脂肪酸、甘油磷脂等代謝途徑，其中有6種代謝產(chǎn)物（1，5-脫水葡萄糖醇、甘露糖、纈氨酸、3-甲氧基酪氨酸、二十二碳五烯酸和緩激肽、羥基-脯氨酸）檢測到與T2D有關(guān)?，F(xiàn)代研究表明，T2D相關(guān)代謝物的含量發(fā)生改變，包括糖、BCAAs、酮體、ACCs和甘油磷脂。Lee等[35]利用靶向代謝組學(xué)技術(shù)對123種血清代謝物定量，鑒定出3種與T2D相關(guān)的代謝物：十六烷酰肉堿、甘氨酸、溶血磷脂酰膽堿（C18∶2）。Kim等[36]采用靶向代謝組學(xué)技術(shù)對134種血清代謝物定量，發(fā)現(xiàn)T2D患者的7種代謝物發(fā)生顯著變化，其與磷脂酰膽堿代謝途徑相關(guān)。Breier等[37]基于靶向代謝組學(xué)LC-MS測定T2D患者的167種血清代謝物和19種類固醇激素，服用二甲雙胍前瓜氨酸的變化最為明顯，與基線血清濃度相比，首次服用二甲雙胍后及短期治療后瓜氨酸水平降低。Suhre等[38]用NMR和LC-MS/MS技術(shù)研究了與糖尿病相關(guān)的代謝產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)與腎功能障礙相關(guān)的代謝途徑（3-吲哚基硫酸鹽）、脂質(zhì)代謝（甘油磷脂、游離脂肪酸）以及與腸道微生物群（膽汁酸）相互作用的代謝途徑的紊亂。BCAAs、芳香族氨基酸、ACCs和磷脂被確定為前驅(qū)糖尿病和T2D的預(yù)測因子。表1總結(jié)了采用靶向代謝組學(xué)技術(shù)研究ND、CVD等衰老相關(guān)疾病的靶向代謝組學(xué)生物標(biāo)志物及代謝途徑的實(shí)例。

表1 靶向代謝組學(xué)應(yīng)用于衰老相關(guān)疾病研究實(shí)例Table 1 Application of targeted metabolomics in the research on aging-related diseases

續(xù)表1

4 結(jié)語與展望

綜上所述，靶向代謝組學(xué)從宏觀的角度反映生物體的生理狀態(tài)，針對特定途徑的特定代謝物定量分析，對于衰老相關(guān)疾病的診斷和防治具有重要意義。非靶向代謝組學(xué)技術(shù)的重現(xiàn)性差，對低豐度代謝產(chǎn)物的敏感性較低。靶向代謝組學(xué)技術(shù)因其高靈敏度、寬動態(tài)范圍和可靠的定量準(zhǔn)確性而被視為代謝物定量的黃金標(biāo)準(zhǔn)。靶向代謝組學(xué)的研究重點(diǎn)在于對生物樣品中一類或幾類確定的代謝產(chǎn)物進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定和定量?，F(xiàn)如今靶向代謝組學(xué)已廣泛地應(yīng)用于藥物開發(fā)、植物代謝、藥理毒理和臨床診斷等各個領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)是能夠利用已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)庫，結(jié)合多種代謝通路、特定的代謝物進(jìn)行定量分析。但缺點(diǎn)是沒有完善的代謝產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫，仍需要依賴先驗(yàn)知識且建立方法需要標(biāo)準(zhǔn)品。目前靶向代謝組學(xué)雖然找到了眾多衰老相關(guān)疾病的代謝途徑及生物標(biāo)志物，在疾病早期診斷及預(yù)后等方面具有重要價值，但其特異性較低，仍需進(jìn)一步通過分子生物學(xué)機(jī)制等其他手段對發(fā)現(xiàn)的代謝途徑進(jìn)行驗(yàn)證，未來將靶向代謝組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)相結(jié)合，應(yīng)用于衰老相關(guān)疾病的研究，從而獲取更多相關(guān)信息，為其早期診斷和預(yù)后提供更多證據(jù)支持。靶向代謝組學(xué)在衰老相關(guān)疾病的研究將會進(jìn)一步加深對衰老機(jī)制的理解，為衰老相關(guān)機(jī)制研究和代謝物定量方面提供了新的研究思路和方法。