代謝組學(xué)在骨質(zhì)疏松癥研究中的應(yīng)用

寇鈞 王維 劉達(dá) 夏寧

骨質(zhì)疏松癥是以骨密度降低,骨量減少,進(jìn)而引起骨脆性增加,易發(fā)生骨折為特點(diǎn)的全身性疾病[1-2]。骨質(zhì)疏松性骨折是患骨質(zhì)疏松癥后的較嚴(yán)重臨床表現(xiàn),其好發(fā)部位為脊柱、髖部和腕部等,具有較高的致殘率和致死率[1，3]。

代謝組學(xué)以體液、細(xì)胞、組織中相對(duì)分子質(zhì)量小于1 000的小分子代謝物為研究對(duì)象，運(yùn)用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)或核磁共振技術(shù)等高分辨率、高靈敏度、高通量的儀器分析方法，對(duì)機(jī)體的內(nèi)源性小分子化合物進(jìn)行定性或定量研究，其通過揭示體內(nèi)代謝通路的改變?yōu)榕R床診斷提供依據(jù)。目前，代謝組學(xué)已被廣泛應(yīng)用于疾病診斷、新藥研發(fā)、藥物作用機(jī)制研究以及食品科學(xué)等領(lǐng)域[4]。

基于代謝組學(xué)方法對(duì)骨質(zhì)疏松癥的相關(guān)研究涉及臨床診斷、治療、預(yù)后評(píng)估等方面。學(xué)者們從機(jī)體整體角度出發(fā)，利用先進(jìn)的分析檢測技術(shù)，結(jié)合多種統(tǒng)計(jì)分析方法，通過對(duì)細(xì)胞、動(dòng)物模型或骨質(zhì)疏松癥患者體內(nèi)代謝物水平和種類的動(dòng)態(tài)變化，探究與骨質(zhì)疏松癥密切相關(guān)的生物標(biāo)記物，為疾病的預(yù)防、早期診斷、藥物治療效果及預(yù)后評(píng)估提供新途徑。

1 代謝組學(xué)研究及其方法

作為整體性研究方法，代謝組學(xué)主要檢測、量化和編目完整的生物系統(tǒng)中與時(shí)間相關(guān)的代謝過程，最終將這些過程與病理生理事件的軌跡聯(lián)系起來[5]。通過全面分析生物樣品中低相對(duì)分子質(zhì)量內(nèi)源性代謝物，幫助了解疾病在代謝水平的發(fā)生和發(fā)展機(jī)制，并為篩選預(yù)測性生物標(biāo)記物提供機(jī)會(huì)[6]。

代謝組學(xué)技術(shù)主要涉及3個(gè)基本步驟：①樣品制備；②代謝物測定；③分析與鑒定以及后期的數(shù)據(jù)分析與模型建立[7]。代謝組學(xué)方法以許多不同的隔室(如血液、唾液、尿液、軟組織和細(xì)胞條件培養(yǎng)基)制備樣品[8]，將樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后,通過各種高分辨率、高靈敏度、高通量的儀器分析方法對(duì)樣品中的小分子化合物進(jìn)行定性或定量研究。這些分析技術(shù)中，液相色譜-質(zhì)譜、氣相色譜-質(zhì)譜、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜以及核磁共振等應(yīng)用最為廣泛[9]。代謝物定性或定量分析后，需通過專用的統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)大量復(fù)雜的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多維統(tǒng)計(jì)分析,以篩選出差異代謝物，常用多維統(tǒng)計(jì)方法包括主成分分析和偏最小二乘法判別分析[10]。

2 骨質(zhì)疏松癥代謝組學(xué)研究

2.1 基于細(xì)胞的研究

Gong等[11]通過對(duì)成骨細(xì)胞進(jìn)行代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)歸補(bǔ)血湯中的花萼素可以協(xié)調(diào)其他多種成分實(shí)現(xiàn)其最大成骨性能。

2.2 基于動(dòng)物模型的研究

目前，代謝組學(xué)應(yīng)用于骨質(zhì)疏松動(dòng)物模型的研究主要為相關(guān)藥物的治療效果評(píng)價(jià)。

2.2.1 骨疏丹治療效果評(píng)價(jià)

骨疏丹是防治原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的藥物，大量基于動(dòng)物模型的代謝組學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)其療效進(jìn)行了研究。黃月等[12]基于骨質(zhì)疏松模型大鼠尿液代謝變化的研究發(fā)現(xiàn)，骨疏丹可以調(diào)節(jié)骨質(zhì)疏松大鼠體內(nèi)的代謝通路，并使其恢復(fù)正常狀態(tài)。Wu等[13]對(duì)骨質(zhì)疏松模型大鼠尿液中代謝變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，骨疏丹能明顯逆轉(zhuǎn)強(qiáng)的松龍誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松大鼠代謝紊亂。Yuan等[14]對(duì)骨質(zhì)疏松模型大鼠血漿進(jìn)行代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，骨疏丹對(duì)糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松大鼠具有顯著抗骨質(zhì)疏松作用，這可能與調(diào)控多種代謝途徑有關(guān)。Huang等[15]通過分析骨質(zhì)疏松模型大鼠經(jīng)骨疏丹治療后代謝譜的變化，發(fā)現(xiàn)骨疏丹通過調(diào)節(jié)多種代謝途徑對(duì)大鼠骨質(zhì)疏松癥有治療作用。

2.2.2 淫羊藿治療效果評(píng)價(jià)

淫羊藿被認(rèn)為可以治療骨質(zhì)疏松癥，學(xué)者們在動(dòng)物模型上開展了進(jìn)一步研究。Xue等[16]對(duì)骨質(zhì)疏松模型小鼠進(jìn)行蛋白組學(xué)分析和血清代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)淫羊藿苷是治療骨質(zhì)疏松癥的多靶點(diǎn)化合物，包括促進(jìn)成骨細(xì)胞形成、抑制脂肪形成和預(yù)防破骨細(xì)胞分化。Zhao等[17]對(duì)去卵巢致骨質(zhì)疏松癥模型大鼠進(jìn)行血清分析，進(jìn)一步解釋了淫羊藿對(duì)骨質(zhì)疏松癥的干預(yù)作用。Pan等[18]對(duì)糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松模型大鼠的代謝組學(xué)特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，淫羊藿可逆轉(zhuǎn)涉及能量代謝，脂質(zhì)、氨基酸和磷脂代謝，腸道微生物群紊亂等多種代謝途徑的代謝改變，對(duì)防治骨質(zhì)疏松癥有顯著作用。

2.2.3 其他藥物治療效果評(píng)價(jià)

學(xué)者們采用代謝組學(xué)分析對(duì)其他骨質(zhì)疏松治療藥物的療效也進(jìn)行了研究。Jiang等[19]通過分析骨質(zhì)疏松模型大鼠血漿樣品代謝譜的變化發(fā)現(xiàn)，骨碎補(bǔ)可以降低骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。王方杰等[20]對(duì)骨質(zhì)疏松模型大鼠血清代謝譜進(jìn)行分析,推測杜仲可能通過調(diào)控氨基酸代謝、氧化應(yīng)激等途徑緩解骨質(zhì)疏松癥狀。盛玲玲等[21]利用尿液代謝組學(xué)方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)豆豉通過調(diào)節(jié)肌醇磷酸代謝、初級(jí)膽汁酸生物合成代謝和嘌呤代謝等多種代謝途徑對(duì)12個(gè)生物標(biāo)記物產(chǎn)生明顯回調(diào)作用，證實(shí)豆豉可有效干預(yù)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生和發(fā)展。Ye等[22]對(duì)去卵巢骨質(zhì)疏松模型大鼠血清樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)牦牛骨膠原肽對(duì)骨質(zhì)疏松癥的保護(hù)或恢復(fù)作用主要通過調(diào)節(jié)氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝(特別是不飽和脂肪酸)來實(shí)現(xiàn)。Zhang等[23]通過大鼠血清代謝分析研究發(fā)現(xiàn)，牛膝多糖可調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，治療骨質(zhì)疏松癥。Xia等[24]通過代謝途徑分析和蛋白質(zhì)印跡法分析進(jìn)一步證實(shí)，熟地黃通過干擾類固醇激素的生物合成對(duì)地塞米松誘導(dǎo)的骨丟失具有保護(hù)作用。Xia等[25]經(jīng)代謝途徑分析和蛋白質(zhì)印跡法分析發(fā)現(xiàn)，巴戟天具有顯著抗骨質(zhì)疏松作用，其機(jī)制可能與調(diào)節(jié)花生四烯酸的代謝有關(guān)。Luo等[26]利用代謝組學(xué)分析揭示，復(fù)方貞術(shù)調(diào)脂方可通過調(diào)節(jié)1-磷酸鞘氨醇、溶血磷脂酸和花生四烯酸代謝產(chǎn)生抗骨質(zhì)疏松作用。Zhang等[27]的研究表明，刺五加根莖總木質(zhì)素可影響內(nèi)源性代謝物的相關(guān)代謝機(jī)制，這可能是治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的藥理基礎(chǔ)。Xu等[28]通過臨床生化指標(biāo)和骨密度分析發(fā)現(xiàn)，齊墩果酸可改善糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松大鼠的糖代謝紊亂、分子轉(zhuǎn)運(yùn)和脂質(zhì)代謝異常。Si等[29]通過代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，蛇藤堿通過影響內(nèi)源性代謝相關(guān)機(jī)制可有效緩解卵巢切除引起的大鼠骨質(zhì)疏松癥。

2.2.4 骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機(jī)制研究

一些學(xué)者對(duì)骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機(jī)制進(jìn)行探索，以尋找與診斷相關(guān)的生物標(biāo)記物。Zhao等[30]通過脂質(zhì)體組學(xué)結(jié)合代謝組學(xué)分析研究骨質(zhì)疏松模型小鼠的股骨組織，發(fā)現(xiàn)11種極性代謝物和93種脂質(zhì)代謝物出現(xiàn)顯著變化，這些代謝物參與氨基酸代謝、核苷酸代謝和脂質(zhì)代謝。卵巢切除小鼠可表現(xiàn)出明顯的脂質(zhì)代謝紊亂，并與骨吸收和骨形成的不平衡密切相關(guān)，這可能是絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生基礎(chǔ)。

2.3 基于骨質(zhì)疏松癥患者的研究

目前，基于骨質(zhì)疏松癥患者的代謝組學(xué)研究以絕經(jīng)后女性為主要研究對(duì)象，已發(fā)現(xiàn)大量代謝相關(guān)生物標(biāo)記物。

Cabrera等[31]對(duì)新加坡華人絕經(jīng)期女性血漿中脂質(zhì)和極性代謝物的分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)低骨密度絕經(jīng)女性血漿中8種甘油磷脂和鞘磷脂水平顯著降低，2種甘油磷脂(磷脂酰肌醇和磷脂酸)水平升高，氨基酸代謝物無顯著改變。然而，低骨密度女性血漿中4-氨基丁酸、松二糖、脯氨酸、氨基丙腈、蘇氨酸和蛋氨酸水平有下降趨勢。

Pontes等[32]對(duì)絕經(jīng)后女性的血清代謝組學(xué)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)極低密度脂蛋白、低密度脂蛋白、亮氨酸、異亮氨酸、尿囊素、?；撬岷筒伙柡椭|(zhì)等可被考慮作為生物標(biāo)記物。Miyamoto等[33]進(jìn)行血清代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)低骨密度組女性的雙甘肽和胱氨酸水平顯著低于高骨密度組，而羥脯氨酸水平顯著高于高骨密度組；低骨密度組血清骨吸收標(biāo)志物抗酒石酸酸性磷酸酶水平顯著升高。Miyamoto等[34]進(jìn)行血清代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)后低骨密度女性的檸檬酸鹽、順烏頭酸鹽、羥脯氨酸、精氨酸、瓜氨酸、鳥氨酸、尿素和肌酸支鏈氨基酸(包括纈氨酸、異亮氨酸和亮氨酸)水平顯著增加，而胍基乙酸水平下降。Qi等[35]對(duì)中國女性骨質(zhì)疏松癥進(jìn)展的代謝情況進(jìn)行評(píng)估，以研究代謝變化與低骨密度或雌激素缺乏的關(guān)系。他們分析了12個(gè)代謝物,其中花生四烯酸、亞油酸、油酸等最可能被用作骨質(zhì)疏松癥的生物標(biāo)記物。Wang等[36]將血清代謝組學(xué)與骨生物學(xué)結(jié)合進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)精氨酸、谷氨酰胺、組氨酸、賴氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、纈氨酸和肌氨酸與男性骨密度水平顯著相關(guān)，精氨酸、反式-4-羥基-L-脯氨酸和甘氨酸與絕經(jīng)后女性骨密度水平顯著相關(guān)，同時(shí)血清肉堿水平在男性與絕經(jīng)后女性間存在顯著差異。

3 展望

目前，關(guān)于骨質(zhì)疏松癥的代謝組學(xué)研究集中于動(dòng)物模型相關(guān)藥物研究，以傳統(tǒng)中藥的療效評(píng)估為主。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松模型動(dòng)物常伴有脂質(zhì)代謝紊亂,治療骨質(zhì)疏松癥后脂質(zhì)代謝紊亂常獲逆轉(zhuǎn),這提示脂質(zhì)代謝紊亂可能與骨質(zhì)疏松癥相關(guān)。未來研究可從以下方面進(jìn)行探索：第一，對(duì)脂質(zhì)代謝產(chǎn)物作進(jìn)一步篩選，尋找關(guān)鍵代謝產(chǎn)物作為檢測和早期診斷骨質(zhì)疏松癥的候選生物標(biāo)志物；第二，對(duì)脂質(zhì)代謝紊亂與骨質(zhì)疏松癥病程的關(guān)系作進(jìn)一步研究。