糖尿病微血管病變代謝組學(xué)研究進(jìn)展

王焰，查云飛

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院放射科，武漢 430060)

糖尿病是一種以高血糖為特征的慢性代謝紊亂性疾病。糖尿病微血管病變是糖尿病特有的慢性血管并發(fā)癥，其中糖尿病腎臟疾病(diabetic kidney disease，DKD)、糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)和糖尿病神經(jīng)病變(diabetic neuropathy，DN)是最常見(jiàn)的微血管并發(fā)癥，且分別是導(dǎo)致終末期腎損傷、成人失明、非創(chuàng)傷性截肢的主要原因。1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)均會(huì)對(duì)微血管系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，因此控制血糖可延緩糖尿病微血管病變的進(jìn)展[1]。代謝組學(xué)在探索疾病的病理生理機(jī)制、發(fā)現(xiàn)特異性生物標(biāo)志物方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。篩選出高特異度及高靈敏度的生物標(biāo)志物對(duì)糖尿病微血管病變的預(yù)測(cè)、診斷及治療均具有重大意義。代謝組學(xué)研究可揭示常規(guī)研究方法無(wú)法發(fā)現(xiàn)的疾病相關(guān)的差異代謝通路和生物標(biāo)志物，為早期有效控制疾病發(fā)生提供新的治療靶點(diǎn)。目前糖尿病微血管病變各個(gè)靶器官代謝組學(xué)研究已取得一定進(jìn)展，但尚未見(jiàn)系統(tǒng)的歸納、分析?，F(xiàn)就糖尿病微血管病變代謝組學(xué)研究進(jìn)展予以綜述。

1 代謝組學(xué)技術(shù)

代謝組學(xué)主要研究生物整體、器官或組織內(nèi)源性代謝物質(zhì)代謝途徑受激或擾動(dòng)后的變化或隨時(shí)間的變化。代謝組學(xué)的研究流程包括實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、樣品收集、樣品預(yù)處理、檢測(cè)及鑒定、數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析、生物標(biāo)志物篩選等步驟。常用的代謝組學(xué)分析技術(shù)包括核磁共振波譜法(nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR)、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等。目前尚無(wú)可通用的代謝組學(xué)新技術(shù)，主要的技術(shù)平臺(tái)是多種分析技術(shù)的集成。代謝組學(xué)主要通過(guò)收集動(dòng)物模型或患者組織、體液，運(yùn)用檢測(cè)分析技術(shù)研究其代謝通路及代謝物的變化。代謝組學(xué)的應(yīng)用主要包括3個(gè)方面：①通過(guò)生物標(biāo)志物的富集找出疾病相關(guān)的差異代謝通路，深化對(duì)其發(fā)病機(jī)制的理解；②通過(guò)生物標(biāo)志物的對(duì)比及模型的建立實(shí)現(xiàn)疾病早期預(yù)測(cè)、診斷；③根據(jù)生物標(biāo)志物的變化趨勢(shì)進(jìn)行臨床療效評(píng)價(jià)、預(yù)后及病程監(jiān)控。

2 代謝組學(xué)在糖尿病微血管病變研究中的應(yīng)用

糖尿病微血管病變是指由長(zhǎng)期高血糖狀態(tài)導(dǎo)致的機(jī)體代謝紊亂以及各種細(xì)胞因子和激素失衡引發(fā)的微血管形態(tài)、功能障礙，多伴隨慢性炎癥反應(yīng)、血管內(nèi)皮損傷和微血栓形成。血管再生失調(diào)、氧化和高滲應(yīng)激以及晚期糖基化終末產(chǎn)物和Toll樣受體觸發(fā)的炎癥通路的激活可能是糖尿病微血管病變關(guān)鍵的致病機(jī)制[2]，但具體機(jī)制目前尚未完全闡明。糖尿病微血管病變可導(dǎo)致多個(gè)靶器官代謝紊亂，如DKD、DR、DN、糖尿病腦微血管病變及糖尿病心肌病等。由于不同組織、器官的微血管具有各自的特點(diǎn)，對(duì)損傷、修復(fù)的反應(yīng)也不同，同時(shí)相關(guān)的代謝通路及生物標(biāo)志物也存在差異，因此開(kāi)展不同靶器官的研究很有必要。

2.1DR DR是糖尿病最常見(jiàn)的微血管并發(fā)癥之一，分為非增殖性DR和增殖性DR兩個(gè)階段。糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變包括微循環(huán)通透性增加、內(nèi)皮細(xì)胞增生、水腫以及視網(wǎng)膜異常新生血管形成等[3]。視網(wǎng)膜微血管功能障礙導(dǎo)致的視網(wǎng)膜缺血和缺氧被認(rèn)為是DR的關(guān)鍵因素之一[4]。DR與糖代謝通路改變有關(guān)，其中，多元醇途徑通量增加可引起或加劇氧化應(yīng)激，是導(dǎo)致DR的主要因素之一。如Chen等[5]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)發(fā)現(xiàn)，DR患者血漿中與磷酸戊糖途徑有關(guān)的代謝物增多，而磷酸戊糖途徑可減緩多元醇途徑通量增加導(dǎo)致的氧化應(yīng)激。Curovic等[6]研究TIDM患者DR不同進(jìn)展階段血清代謝物的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)核糖酸、核糖醇與DR進(jìn)展有關(guān)。此外，有研究通過(guò)比較DR患者與正常對(duì)照者的房水和玻璃體發(fā)現(xiàn)，與DR相關(guān)的糖代謝途徑包括糖異生、抗壞血酸-醛糖代謝[7]。研究顯示，高血糖和抗壞血酸與血管生成有關(guān)[8-9]。

DR還與多種氨基酸代謝異常有關(guān)，包括精氨酸、瓜氨酸、支鏈氨基酸(branched chain amino acids，BCAAs)、甘氨酸、色氨酸、谷氨酸等。其中，精氨酸、瓜氨酸代謝途徑失調(diào)與DR的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[7，10-12]。糖尿病狀態(tài)下視網(wǎng)膜精氨酸酶Ⅱ過(guò)度活躍可導(dǎo)致一氧化氮合酶通路所需的精氨酸缺乏，進(jìn)而導(dǎo)致一氧化氮缺乏，引發(fā)內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙和血管舒張功能受損[7]。此外，精氨酸、瓜氨酸和一氧化氮水平也受不對(duì)稱二甲基精氨酸水平的影響，不對(duì)稱二甲基精氨酸是一氧化氮合酶的有效抑制劑，可通過(guò)增加活性氧、誘導(dǎo)細(xì)胞衰老損害內(nèi)皮功能，與糖尿病的微血管并發(fā)癥有關(guān)[12]。Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn)，BCAAs生物合成代謝途徑與DR發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，且BCAAs主要通過(guò)激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白通路加速DR發(fā)展。Tomita等[13]發(fā)現(xiàn)，增殖性DR患者玻璃體液中的肌酸減少，而肌酸是甘氨酸降解的副產(chǎn)物，表明甘氨酸代謝途徑發(fā)生改變，肌酸可能有助于減少視網(wǎng)膜新生血管形成。代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，色氨酸-犬尿氨酸代謝途徑與DR高度相關(guān)[14]；此外，血漿谷氨酰胺與谷氨酸的比值也可作為預(yù)測(cè)T2DM患者DR的生物標(biāo)志物[15]。

脂質(zhì)紊亂與DR的病程進(jìn)展密切相關(guān)。Xuan等[16]利用代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，輕度DR患者血清中的13種脂質(zhì)亞類發(fā)生顯著變化。其中，多不飽和脂肪酸具有調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜毛細(xì)血管完整性、新生血管形成和炎癥的能力。Zuo等[17]研究發(fā)現(xiàn)，健康人群、T2DM患者、DR患者的多不飽和脂肪酸水平呈明顯下降趨勢(shì)，而多不飽和脂肪酸水平降低可導(dǎo)致炎癥細(xì)胞因子發(fā)生改變，從而增加DR的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

除糖代謝、氨基酸代謝、脂代謝以外，其他代謝物也在DR發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。Xuan等[18]基于多平臺(tái)的代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，DR患者血清12-羥色胺和2-哌啶酮水平升高，其中12-羥色胺可誘導(dǎo)人視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，2-哌啶酮可促進(jìn)血管生成。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，2，4-二羥基丁酸、3，4-二羥基丁酸也與T1DM患者DR的進(jìn)展有關(guān)[6]。

2.2DKD DKD是糖尿病引起的慢性微血管并發(fā)癥之一，目前DKD的臨床診斷主要依據(jù)腎小球?yàn)V過(guò)率、尿微量白蛋白檢測(cè)和病理活檢。DKD的主要病理基礎(chǔ)是糖尿病微血管病變，早期主要改變包括腎小球系膜區(qū)增寬、腎小球毛細(xì)血管基膜增厚以及腎小球?yàn)V過(guò)率增加；后期主要改變包括腎小球、腎小管間質(zhì)纖維化以及腎小球?yàn)V過(guò)率降低等。在與DKD相關(guān)的代謝物和途徑中，最受關(guān)注的是BCAAs和芳香族氨基酸。Tofte等[19]通過(guò)非靶向代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，T1DM患者血清BCAAs水平降低，且與腎小球?yàn)V過(guò)率呈正相關(guān)，代謝性酸中毒可導(dǎo)致BCAAs代謝增加。Mutter等[20]采用NMR分析發(fā)現(xiàn)，T1DM患者尿液BCAAs水平與DKD患者病程進(jìn)展密切相關(guān)。Chou等[21]研究發(fā)現(xiàn)，T2DM合并DKD患者血漿色氨酸水平與腎小球?yàn)V過(guò)率呈正相關(guān)，色氨酸可分解為吲哚硫酸酚，從而誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，而氧化應(yīng)激是微血管病變的主要致病機(jī)制之一。此外，一項(xiàng)關(guān)于代謝組學(xué)的薈萃分析發(fā)現(xiàn)，血液谷氨酰胺可作為非侵入性早期診斷DKD的生物標(biāo)志物之一[22]。

脂肪酸代謝紊亂在DKD發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用[23]。Zhang等[24]通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，3種非酯化脂肪酸代謝產(chǎn)物[十六酸(C16∶0)、亞油酸(C18∶2N6T)和亞油酸(C18∶2N6C)]在DKD患者中顯著升高。Saulnier等[25]通過(guò)研究T2DM合并DKD患者尿液代謝產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)，短鏈非酯化脂肪酸與糖尿病早期腎臟內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞有關(guān)。鞘磷脂是足細(xì)胞膜脂閥的結(jié)構(gòu)成分，對(duì)于維持腎小球?yàn)V過(guò)功能十分重要。有研究發(fā)現(xiàn)，微量蛋白尿、大量蛋白尿DKD患者血清中4種鞘磷脂代謝物[鞘磷脂(18∶1/16∶1)、神經(jīng)酰胺(18∶1/16∶0)、葡萄糖神經(jīng)酰胺(18∶1/18∶0)和鞘氨醇]水平均顯著升高，且這4種鞘磷脂代謝物與尿蛋白肌酐顯著相關(guān)[26]。此外，Tofte等[27]通過(guò)非靶向血清脂質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)，鞘磷脂和磷脂酰膽堿類化合物增加與T1DM患者腎功能損害風(fēng)險(xiǎn)及全因病死率降低有關(guān)。

腎臟線粒體功能障礙是導(dǎo)致DKD的關(guān)鍵病理因素。線粒體與高血糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激顯著相關(guān)，而氧化應(yīng)激可導(dǎo)致內(nèi)皮功能受損，是糖尿病微血管和大血管病變的主要原因之一。Sharma等[28]研究發(fā)現(xiàn)，伴有終末期腎病的T1DM患者的13種尿液代謝物顯著減少，其中12種差異表達(dá)的代謝物與線粒體代謝有關(guān)，提示線粒體功能障礙是DKD的關(guān)鍵特征。此外，有研究通過(guò)非靶向代謝組學(xué)分析DKD患者的尿液代謝產(chǎn)物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)泛酸和輔酶A生物合成途徑可作為DKD的潛在治療靶標(biāo)[29]。泛酸是輔酶A的關(guān)鍵前體，在線粒體能量代謝中起重要作用。

2.3DN DN是指由慢性高血糖引起的各種病理生理學(xué)改變導(dǎo)致的神經(jīng)系統(tǒng)損傷，可累及全身任何部分，包括周圍神經(jīng)病變、中樞神經(jīng)病變，最常見(jiàn)的是周圍感覺(jué)神經(jīng)病變。其病理生理機(jī)制包括糖尿病微血管病變導(dǎo)致供應(yīng)神經(jīng)元的血管功能障礙以及高血糖引起的神經(jīng)細(xì)胞自身?yè)p傷，神經(jīng)細(xì)胞缺血、缺氧導(dǎo)致DN。與DKD和DR相比，基于代謝組學(xué)的DN研究較少。Freeman等[30]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的T1DM模型大鼠遠(yuǎn)端坐骨神經(jīng)線粒體氧化磷酸化顯著上調(diào)、脂質(zhì)代謝紊亂。另有研究發(fā)現(xiàn)，注射鏈脲佐菌素的小鼠22周后出現(xiàn)感覺(jué)喪失和傷害性感覺(jué)神經(jīng)分支減少；進(jìn)一步通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，小鼠坐骨神經(jīng)三羧酸循環(huán)受損，導(dǎo)致能量代謝障礙和神經(jīng)損傷[31]。此外，Mathew等[32]利用代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，三羧酸循環(huán)及氨基酸代謝與T1DM患者心臟自主神經(jīng)病變的進(jìn)展有關(guān)。目前嚴(yán)格控制血糖是治療DN最有效的方法，通過(guò)代謝組學(xué)深入研究可為DN的治療提供新思路。

2.4糖尿病腦微血管病變 通常情況下，糖尿病腦微血管病變始于微血管的血流動(dòng)力學(xué)異常，進(jìn)而導(dǎo)致微血管栓塞、閉塞，引起大腦結(jié)構(gòu)和功能異常。糖尿病腦微血管病變致病機(jī)制復(fù)雜，涉及多元醇代謝異常、氧化應(yīng)激、蛋白激酶C激活等。腦微血管損傷可導(dǎo)致代謝物跨血-腦屏障異常轉(zhuǎn)運(yùn)，而對(duì)于腦脊液的代謝組學(xué)研究可在一定程度上反映腦的代謝變化。有研究通過(guò)1H-NMR分析伴有微血管并發(fā)癥的T2DM患者的腦脊液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)亮氨酸、酪氨酸、纈氨酸、丙氨酸、丙酮酸和乳酸水平均顯著升高，組氨酸水平顯著降低，提示T2DM患者腦循環(huán)有氧代謝減少，無(wú)氧糖酵解增加[33]。因此，利用代謝組學(xué)識(shí)別腦脊液生物標(biāo)志物，有助于預(yù)測(cè)和闡明糖尿病腦微血管病變的病理生理機(jī)制。

2.5糖尿病心肌病 作為糖尿病慢性微血管并發(fā)癥之一，糖尿病心肌病定義為糖尿病患者存在心肌功能障礙而無(wú)典型的心血管危險(xiǎn)因素。心肌微血管系統(tǒng)可調(diào)節(jié)心肌血流，促進(jìn)氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和激素向心肌輸送以及代謝終產(chǎn)物的清除。心肌微血管病變是糖尿病心肌病主要的致病機(jī)制之一，表現(xiàn)為微血管周圍纖維化、毛細(xì)血管基底膜增厚及密度降低。

代謝組學(xué)研究有助于闡明糖尿病心臟微血管病變導(dǎo)致的心肌代謝紊亂，進(jìn)而闡明糖尿病心臟微血管病變的致病機(jī)制，發(fā)現(xiàn)糖尿病心肌病的生物標(biāo)志物。Rohm等[34]通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用研究糖尿病模型小鼠的心臟組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠心臟組織丙酮酸、乳酸、丙氨酸、三羧酸循環(huán)代謝產(chǎn)物和BCCAs水平均增加，表明心肌葡萄糖氧化代謝受到抑制。此外，還有研究利用1H-NMR結(jié)合高效液相色譜發(fā)現(xiàn)，糖尿病心肌病模型大鼠心臟組織能量代謝物減少、脂質(zhì)代謝增強(qiáng)、BCCAs水平升高[35]，表明能量合成和代謝變化均與糖尿病心肌病有關(guān)。但目前關(guān)于糖尿病心肌病代謝組學(xué)的研究仍較少。

3 小 結(jié)

目前關(guān)于代謝組學(xué)與糖尿病微血管病變的研究仍處于探索階段，基于代謝組學(xué)的DR、DKD研究很多，針對(duì)DN、糖尿病心肌病、糖尿病腦微血管病變、骨髓肌肉微血管病變的代謝組學(xué)研究則較少。目前檢測(cè)通量受限及生物標(biāo)志物的結(jié)構(gòu)鑒別是代謝組學(xué)的難點(diǎn)，同時(shí)缺乏操作標(biāo)準(zhǔn)也導(dǎo)致研究結(jié)果缺乏可比性，使數(shù)據(jù)交流困難。隨著“后基因組”時(shí)代的發(fā)展，整合多組學(xué)的研究成果、建立糖尿病微血管病變的多組學(xué)整合評(píng)價(jià)體系、識(shí)別糖尿病微血管病變不同靶器官相關(guān)的生物標(biāo)志物以及實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病微血管病變致病機(jī)制的深入探索等，對(duì)糖尿病微血管病變?cè)缙谠\斷、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、預(yù)后評(píng)估均至關(guān)重要。此外，未來(lái)的研究還可通過(guò)整合代謝組學(xué)與影像組學(xué)生物標(biāo)志物，使糖尿病微血管病變?cè)谟跋裆蠈?shí)現(xiàn)可視化，為早期診斷和預(yù)測(cè)提供幫助。