代謝組學(xué)技術(shù)在代謝綜合征診療中的應(yīng)用進(jìn)展

唐玥，韓宇博，隋艷波，鄒國良，樊德慧，陳美慧，劉莉

(1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，哈爾濱 150040； 2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院心內(nèi)一科，哈爾濱 150040)

代謝綜合征是一種由快速生活方式和飲食改變等因素共同引起的代謝異常癥候群[1-2]，常聚集發(fā)病。流行病學(xué)調(diào)查顯示，我國天津地區(qū)代謝綜合征的發(fā)病率為22.76%，其中男性發(fā)病率為31.98%，女性為9.67%[3]，代謝綜合征增加了多種心血管疾病[4]及神經(jīng)系統(tǒng)疾病[5]患病風(fēng)險(xiǎn)，給社會(huì)和家庭均帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。但代謝綜合征的診療依托于其構(gòu)成的每一組分，初期整體臨床癥狀不明顯，早期診斷率低，且缺乏有效的預(yù)防手段[6]。代謝組學(xué)是近年來生物信息學(xué)中繼基因組學(xué)、蛋白組學(xué)后出現(xiàn)的一種可更精確反映代謝物與生物體生理病理變化的學(xué)科，可通過代謝圖譜、代謝指紋圖譜和代謝足跡對(duì)人體各生理活動(dòng)期內(nèi)所有低分子量代謝產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析[7]。代謝組學(xué)技術(shù)還可幫助臨床醫(yī)師了解代謝綜合征的發(fā)生發(fā)展，同時(shí)監(jiān)測基因、環(huán)境、藥物以及生活方式等改變對(duì)機(jī)體代謝狀態(tài)造成的影響?，F(xiàn)就代謝組學(xué)技術(shù)在代謝綜合征診療中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 代謝組學(xué)技術(shù)概述

代謝組學(xué)技術(shù)是一門以物理為基礎(chǔ)的分析化學(xué)、以數(shù)學(xué)計(jì)算建模為基礎(chǔ)的化學(xué)計(jì)量學(xué)、以生物化學(xué)為基礎(chǔ)的生命科學(xué)的融合學(xué)科，可分析生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)及變化規(guī)律。目前最常用的兩種代謝組學(xué)技術(shù)是核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用。

1.1NMR NMR技術(shù)應(yīng)用靜磁場和射頻磁場引起特定原子核共振釋放能量衰減差異成像原理，具有樣品預(yù)處理和制備簡單、可同時(shí)處理多種生物流體、可高水平實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)等特點(diǎn)，廣泛用于生物體液、組織、細(xì)胞提取液及活體組織分析。其具有無損的特性，對(duì)于未知代謝物鑒定的優(yōu)勢顯著。NMR能夠完成大多數(shù)代謝物樣品檢測，且具有多參數(shù)動(dòng)態(tài)分析、無偏向性分析以及對(duì)所有化合物靈敏度均相同等特性[8]。但由于靈敏度低、分辨率不高、難以檢測豐度較低的化合物以及同一代謝物會(huì)出現(xiàn)多個(gè)信號(hào)重疊等問題，NMR在代謝組學(xué)領(lǐng)域的廣泛普及受到限制[9]。

1.2色譜-質(zhì)譜聯(lián)用 色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)結(jié)合了色譜的高分離度、質(zhì)譜的高靈敏度及高特異度等特點(diǎn)，可以快速定性代謝物并準(zhǔn)確進(jìn)行定量分析，無信號(hào)重疊，同時(shí)對(duì)低豐度化合物也較靈敏[10]，因此，對(duì)于多重反應(yīng)監(jiān)測至關(guān)重要，可確保多個(gè)化合物的準(zhǔn)確定量。近年來，中心切割多維氣相色譜技術(shù)不斷革新，通過串聯(lián)多種不同的色譜柱將難以分離的物質(zhì)在不同的色譜柱上高效分離，以增大峰容量、提高分辨率，使定性和定量更加準(zhǔn)確[11]。從氣相-色譜聯(lián)用技術(shù)到液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，從超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)再到高效液相色譜-高分辨率質(zhì)譜技術(shù)，色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)經(jīng)歷了一系列有關(guān)分離效率、檢測靈敏度等方面的變革，克服了分離組分定性困難等問題，已廣泛用于各種代謝組學(xué)研究。

2 代謝組學(xué)技術(shù)中常見代謝物對(duì)代謝綜合征的診斷

2.1血漿代謝組學(xué)診斷技術(shù) 血漿代謝物分析是代謝組學(xué)研究中最常用的方法。Gong等[12]通過靶向高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用發(fā)現(xiàn)，代謝綜合征患者血漿代謝物中羥癸酰肉堿和甲基戊二酰肉堿水平降低均與代謝綜合征的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。動(dòng)物研究也顯示，肥胖大鼠血漿肉堿水平降低，補(bǔ)充肉堿可不依賴于肌肉線粒體脂肪酸氧化能力改善胰島素敏感性[13]。而胰島素敏感性降低是代謝綜合征的一個(gè)重要發(fā)病機(jī)制，因此，通過監(jiān)測代謝綜合征患者血漿代謝物中肉堿水平變化，可以發(fā)現(xiàn)新的代謝綜合征診斷的敏感生物標(biāo)志物。另外，Carioca等[14]采用電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜法對(duì)血漿樣品中的注釋代謝物進(jìn)行靶向定量分析，校正混雜因素線性回歸評(píng)估代謝當(dāng)量化合物平均差后發(fā)現(xiàn)，絲氨酸與代謝綜合征呈負(fù)相關(guān)。血漿絲氨酸和1-脫氧二氫神經(jīng)酰胺譜改變與2型糖尿病及肥胖的神經(jīng)病變密切相關(guān)[15]。高血糖和肥胖均是代謝綜合征的重要組分，探索代謝綜合征患者血漿代謝物中絲氨酸與神經(jīng)病變的相關(guān)性可以為代謝綜合征相關(guān)神經(jīng)病變的診斷提供新思路。此外，采用液相色譜四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，在代謝綜合征患者血漿中存在23個(gè)潛在生物標(biāo)志物，且主要與三羧酸循環(huán)、半乳糖代謝、花生四烯酸代謝以及纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸的降解及生物合成有關(guān)；同時(shí)，使用酶聯(lián)免疫吸附法測定代謝綜合征患者與正常受試者血漿中亮氨酸和纈氨酸水平，結(jié)果也支持代謝組學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16]。

2.2尿液代謝組學(xué)診斷技術(shù) 除血液樣本采集外，尿液樣本采集也是目前生物體液代謝組學(xué)研究較經(jīng)典的采集方式。尿液樣本采集不具有侵入性，且可實(shí)現(xiàn)樣本的連續(xù)收集，經(jīng)腎小球?yàn)V過后，氨基酸、小分子有機(jī)酸等成分被濃縮，檢測更方便。Esperanza等[17]對(duì)11例代謝綜合征患者與13例對(duì)照受試者的尿液樣本進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析，經(jīng)甲醇提取和酸化后提交血液液相色譜-高分辨質(zhì)譜，并將得到的數(shù)據(jù)在MSaboScape平臺(tái)上分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，代謝綜合征患者與對(duì)照受試者尿液中的吲哚-3-乙酸、吲哚-3-乙酸-O-葡萄糖醛酸、N-(吲哚-3-乙?；?谷氨酰胺、吲哚-3-甲醛以及羥己肉堿水平比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，代謝綜合征患者尿液中的吲哚-3-羧酸豐度較對(duì)照受試者高2.13倍。吲哚-3-羧酸及其相關(guān)衍生物的?；咸烟侨┧岽x產(chǎn)物是AMP活化的蛋白激酶的直接激活劑[18]，在體內(nèi)外均具有優(yōu)異的降糖效果[19]。另外，Shim等[20]采集代謝綜合征患者清晨冰凍尿液樣本評(píng)估代謝產(chǎn)物，結(jié)果顯示，代謝綜合征患者尿液中的γ-氨基丁酸和d-焦谷氨酸水平顯著升高，N-乙酰D-色氨酸水平顯著降低，其中γ-氨基丁酸與收縮壓等心血管代謝特征顯著相關(guān)，N-乙酰D-色氨酸與血壓、血糖、三酰甘油水平呈負(fù)相關(guān)。γ-氨基丁酸是一種非蛋白質(zhì)氨基酸，具有降血壓、降血糖、增強(qiáng)記憶力、抗癌等功效，代謝綜合征患者的γ-氨基丁酸隨尿液大量流失，導(dǎo)致患者血壓、血糖均升高。因此，尿液樣本中的吲哚-3-羧酸、γ-氨基丁酸均有可能成為代謝綜合征診斷的生物標(biāo)志物。

3 代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)代謝綜合征的預(yù)測

代謝綜合征可通過改變體內(nèi)葡萄糖、脂肪、氨基酸及其代謝產(chǎn)物相關(guān)的代謝途徑，影響易感人群的代謝水平[21]。因此，盡早發(fā)現(xiàn)代謝產(chǎn)物的微妙變化，有利于代謝綜合征的早期預(yù)測，同時(shí)還可有效降低糖尿病及心血管疾病等的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。有學(xué)者通過整合臨床、社會(huì)人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和飲食習(xí)慣等參數(shù)建立多維非靶向代謝組學(xué)預(yù)測模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在代謝綜合征發(fā)生前5年，谷氨酸、苯丙氨酸、葡萄糖、脫氧葡萄糖磷酸鹽和亞油酸-甘油磷酸膽堿5個(gè)預(yù)測生物標(biāo)志物的特定代謝譜均下調(diào)，并具有微妙的表型差異[22]。此外，有研究者利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和隨機(jī)森林模型代謝組學(xué)技術(shù)分析代謝當(dāng)量，通過隨機(jī)森林模型重要度排序發(fā)現(xiàn)，2-羥基丁酸、肌醇和D-葡萄糖等代謝物可能成為代謝綜合征早期診斷的潛在生物標(biāo)志物；與臨床數(shù)據(jù)建模相比，用代謝物建立模型的誤分率更低、準(zhǔn)確率更高[23]，兩者結(jié)合或可早發(fā)現(xiàn)、早干預(yù)代謝綜合征易感人群，降低代謝綜合征的發(fā)病率。

4 代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)代謝綜合征的鑒別診斷

肥胖和代謝綜合征均是2型糖尿病和心血管疾病的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[24-25]，兩者發(fā)病機(jī)制相似，但又不完全相同，目前臨床尚無準(zhǔn)確的區(qū)分方法。Zhong等[26]利用質(zhì)譜的靶向代謝譜分析了221種代謝物，以評(píng)估肥胖患者與代謝綜合征標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，嘌呤代謝以及纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、色氨酸降解等代謝途徑的特定代謝產(chǎn)物均與代謝綜合征存在顯著相關(guān)性；此外，通過鑒定肥胖患者與代謝綜合征標(biāo)準(zhǔn)模型發(fā)現(xiàn)，丙氨酸、反式-4-羥脯氨酸等15種代謝物的變量投影重要性分析值為1.59～2.43，且代謝綜合征標(biāo)準(zhǔn)模型組這15種代謝產(chǎn)物水平均高于肥胖患者。另外，代謝綜合征與脂肪肝發(fā)病機(jī)制相似，通常與胰島素抵抗有關(guān)[27]。有研究者通過哺乳動(dòng)物與其腸道微生物共代謝物及代謝途徑區(qū)分代謝綜合征與非酒精性脂肪性肝病[8]。綜上，可有針對(duì)性地運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)鑒別代謝綜合征與其他相似疾病，同時(shí)還可根據(jù)組織代謝物滿足代謝當(dāng)量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量對(duì)代謝綜合征患者狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，均有助于代謝綜合征與其他相似疾病的鑒別以及疾病不同階段的危險(xiǎn)分層。

5 不同種族間代謝綜合征患者的代謝差異

不同種族代謝綜合征患者的代謝產(chǎn)物存在差異，了解不同種族間代謝譜的差異，對(duì)于全面了解人類代謝綜合征代謝譜的變化具有深遠(yuǎn)意義。Roberts等[28]通過分析美國巴爾的摩老齡化縱向研究與日本鶴岡代謝組學(xué)隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)研究中患者種族不同、特征明確；進(jìn)一步通過多變量邏輯回歸確定兩個(gè)隊(duì)列中代謝產(chǎn)物與代謝當(dāng)量的相關(guān)性，校正錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)隊(duì)列中大部分代謝物存在顯著差異，但在25種差異最顯著的代謝物中，有18種代謝物在美國巴爾的摩老齡化縱向研究與日本鶴岡代謝組學(xué)隊(duì)列研究中均處于重要地位，且多為氨基酸類，涉及代謝綜合征的多種生化途徑，包括支鏈氨基酸代謝、谷胱甘肽生產(chǎn)、芳香氨基酸代謝、葡萄糖異生和三羧酸循環(huán)等。雖然不同種族間的代謝物水平存在差異，但通過不同隊(duì)列研究中的重疊代謝物可知氨基酸代謝改變是代謝綜合征的核心特征。

6 代謝組學(xué)技術(shù)監(jiān)測代謝綜合征患者代謝物水平變化

6.1評(píng)估運(yùn)動(dòng)對(duì)代謝綜合征患者代謝物的影響 根據(jù)靶向代謝譜的變化，對(duì)干預(yù)治療前后生物體液代謝物水平進(jìn)行精準(zhǔn)分析，不僅可評(píng)估疾病的進(jìn)展，還可評(píng)估藥物、生活方式等治療方法對(duì)代謝綜合征的改善情況。目前的代謝組學(xué)研究普遍認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)會(huì)使支鏈氨基酸、三羧酸循環(huán)糖酵解、氧化應(yīng)激、胰島素敏感性以及脂肪酸等產(chǎn)生良性改變[29]。Palmn?s等[30]探索代謝產(chǎn)物代謝譜、體質(zhì)指數(shù)與活動(dòng)能量消耗及體育活動(dòng)的關(guān)系，并采用質(zhì)子NMR法進(jìn)行血清代謝組學(xué)分析，結(jié)果顯示，代謝綜合征風(fēng)險(xiǎn)和肥胖程度較高的受試者絲氨酸、甘氨酸水平均較低，且隨著活動(dòng)的增加，絲氨酸、甘氨酸水平也逐漸升高。由此可見，在超重或肥胖狀態(tài)下，較低的絲氨酸和甘氨酸水平可能由絲氨酸進(jìn)入新生鞘脂合成所致。除實(shí)驗(yàn)室檢查和體質(zhì)指數(shù)外，運(yùn)動(dòng)前后的代謝物分析作為一種更精密的衡量標(biāo)準(zhǔn)在代謝綜合征評(píng)估中也具有更廣闊的應(yīng)用前景。

6.2評(píng)估飲食對(duì)代謝綜合征患者代謝物的影響 牛奶具有很好的改善代謝綜合征的作用[31]。調(diào)查顯示，乳制品的攝入，特別是低脂肪含量牛奶和新鮮乳制品攝入，可改變代謝當(dāng)量受試者血漿中的代謝物；乳制品的攝入增加可促進(jìn)血漿C15:0脂肪酸的積累，且與循環(huán)中的溶血磷脂、鞘脂、谷氨?；被嵋约鞍兹〣4水平呈負(fù)相關(guān)[32]。Xu等[33]觀察代謝綜合征肥胖患者攝入低脂牛奶或等熱量米奶后代謝譜的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，餐后代謝譜以時(shí)間依賴的方式區(qū)分低脂牛奶和米奶消耗，代謝生物標(biāo)志物(如葉酸、亮氨酸/異亮氨酸和腺嘌呤)在兩種測試飲品中也具有顯著不同的代謝趨勢。因此，基于代謝物代謝通路的數(shù)據(jù)分析，可以通過監(jiān)測牛奶等膳食干預(yù)機(jī)制調(diào)節(jié)餐后代謝紊亂。

除乳制品外，橄欖果實(shí)和橄欖油的重要成分羥酪醇也可改善大鼠代謝綜合征。Lemonakis等[34]應(yīng)用非靶向代謝組學(xué)UPLC-Orbitrap和UPLC-QqTOF技術(shù)鑒定慢性羥酪醇給藥對(duì)血漿代謝物的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有31種代謝物出現(xiàn)差異表達(dá)，羥酪醇可降低不飽和脂肪酸的生物合成以及亞油酸、視黃醇、鞘脂類及花生四烯酸等的代謝水平，同時(shí)上調(diào)甘油酯代謝水平。這可能是羥酪醇保護(hù)高碳水化合物、高脂肪飲食喂養(yǎng)大鼠心血管和肝臟以及改善代謝狀態(tài)的作用機(jī)制。

目前臨床尚缺乏針對(duì)代謝綜合征的治療藥物，大多采用不同組分藥物聯(lián)合應(yīng)用，共同干預(yù)。中藥復(fù)方具有多成分、多通路、多靶點(diǎn)等特性，同時(shí)與代謝綜合征的復(fù)雜發(fā)病機(jī)制相吻合，因此可通過監(jiān)測中藥復(fù)方治療前后代謝綜合征患者血清代謝物的變化[35-36]確定其療效，為中醫(yī)藥治療代謝綜合征提供依據(jù)。

7 小 結(jié)

隨著代謝組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，可以進(jìn)一步通過尋找代謝綜合征診斷的核心靶點(diǎn)、監(jiān)測代謝綜合征患者生物體液代謝物的變化，為代謝綜合征的診斷與鑒別診斷提供理論依據(jù)。但目前關(guān)于代謝綜合征患者代謝物的研究多為小樣本量研究，未來還需要大樣本、多中心的前瞻性研究進(jìn)一步驗(yàn)證關(guān)鍵代謝物生物學(xué)變化的穩(wěn)定性，以篩選出早期診斷的有效生物標(biāo)志物。運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)研究代謝綜合征發(fā)展前景廣闊，但如何應(yīng)用于臨床仍需要深入研究。