系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)在骨質(zhì)疏松癥研究中的應(yīng)用進(jìn)展

王高祥 楚淑芳 寇鑫暉 盧趙琦,3 曾霖,3 黃倩,3 曾華 李惠林*

1.南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬深圳市中醫(yī)院，廣東 深圳 518000 2.深圳市中醫(yī)院，廣東 深圳 518000 3.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第四臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 深圳 518000

目前，骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)在全球的患病人數(shù)已達(dá)到2億多，且這一數(shù)字在不斷增加。此外，OP每年在全球世界造成約900萬次骨折[1]。因此，更深入地研究OP是當(dāng)務(wù)之急?；蚪M學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)和網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分[2]。隨著系統(tǒng)生物學(xué)的飛速發(fā)展，這些組學(xué)技術(shù)在OP的疾病診斷、疾病機(jī)制和藥物治療等方面研究中的應(yīng)用也日益增加。因此，本文綜述了近年來系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)在OP研究中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 基因組學(xué)

基因組學(xué)起源于20世紀(jì)90年代末，是一項(xiàng)研究機(jī)體全部基因結(jié)構(gòu)和功能的技術(shù)[3]。在人類基因組計(jì)劃完成后，基因組學(xué)技術(shù)在醫(yī)療科研領(lǐng)域逐漸普及，該技術(shù)有助于臨床和科研工作者從整體到組織、從細(xì)胞到分子全面、深入地了解疾病[4]。在過去的20年中，基因組學(xué)發(fā)展迅速，但是基因組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于OP研究的相關(guān)報(bào)道并不多[5]，目前少量相關(guān)報(bào)道主要集中在疾病靶點(diǎn)和藥物治療機(jī)制方面。趙旭等[6]運(yùn)用基因組學(xué)技術(shù)對(duì)中藥復(fù)方左歸丸和西藥戊酸雌二醇兩種治療手段治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis，PMOP)治療前后的骨髓基因表達(dá)變化進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩組治療前后的差異基因表達(dá)變化均與免疫反應(yīng)和炎癥有關(guān)，得出中藥復(fù)方左歸丸和西藥戊酸雌二醇都可通過減輕免疫反應(yīng)和緩解骨髓微環(huán)境的炎癥來改善PMOP狀態(tài)下的骨髓微環(huán)境。Xianzuo等[7]運(yùn)用基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的綜合分析，鑒定女性O(shè)P的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，旨在闡明OP發(fā)作的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和遺傳性，發(fā)現(xiàn)JUN和ACSL5是OP的樞紐基因，并確定了與骨密度密切相關(guān)的16個(gè)mRNA和40個(gè)lncRNA，認(rèn)為這些mRNA和lncRNA可能是特異性的靶點(diǎn)，可用于診斷OP。

2 蛋白質(zhì)組學(xué)

蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)可以從復(fù)雜生物樣本中分離和鑒定蛋白質(zhì)，能夠客觀準(zhǔn)確地反映其在各樣本中的含量，為不同組樣本蛋白質(zhì)水平的差異篩選提供了一種有力的方法[8-9]。蛋白質(zhì)是機(jī)體代謝的主要執(zhí)行者，也是多種疾病的作用靶點(diǎn)，蛋白組學(xué)通過全面地比較不同體液、組織中蛋白質(zhì)的差異，客觀地反映個(gè)體生理病理狀態(tài)，在OP的診斷標(biāo)志物和疾病機(jī)制等研究中發(fā)揮巨大作用[10]。Chen等[11]運(yùn)用定量蛋白質(zhì)組學(xué)，分析從OP不同階段的人群中提取的蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了4種與OP相關(guān)的外泌體蛋白：PSMB9、PCBP2、VSIR和AARS，這些外泌體蛋白可能有助于診斷OP和發(fā)現(xiàn)骨代謝疾病背后尚未被發(fā)現(xiàn)的相關(guān)機(jī)制。Huo等[12]運(yùn)用蛋白質(zhì)組學(xué)分析OP患者組和健康對(duì)照組兩組血清微泡蛋白質(zhì)差異，發(fā)現(xiàn)兩組微泡中Vinculin、Filamin A、Profilin 1等蛋白存在明顯差異，這些蛋白質(zhì)或許可以作為評(píng)估和診斷蛋白質(zhì)流失的寶貴指標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)證Profilin 1蛋白的變化的可有效反映骨量的變化。Calciolari等[13]通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析OP對(duì)Wistar大鼠顱骨臨界尺寸缺損模型中骨再生治療后蛋白表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)治療后炎癥和應(yīng)激反應(yīng)通路相關(guān)蛋白的過度表達(dá)，以及骨細(xì)胞前體的延遲成熟和骨細(xì)胞前體的減少/延遲分化的趨勢(shì)。Zeng等[14]運(yùn)用定量蛋白質(zhì)組學(xué)與綜合網(wǎng)絡(luò)分析方法挖掘與OP相關(guān)的新基因和通路。李生強(qiáng)等[15]運(yùn)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)分析PMOP有哪些蛋白與非編碼RNA u431+互作關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)乳鐵蛋白與之具有較強(qiáng)的互作功能，值得深入研究。

3 轉(zhuǎn)錄組學(xué)

在高通量測(cè)序等技術(shù)的不斷進(jìn)步的今天，轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為研究疾病發(fā)病機(jī)制和機(jī)體特定生物學(xué)過程的主要研究方法之一[16]，它可以快速、全面地分析特定的組織樣本，得到其在特定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)錄本信息，方便快捷地篩選出與正常組織有差異的基因。盡管目前蛋白質(zhì)組學(xué)能夠成功篩選出OP的分子靶標(biāo)，但是轉(zhuǎn)錄組學(xué)的相關(guān)研究仍然值得關(guān)注[17-18]。Ying等[19]運(yùn)用轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)分析糖皮質(zhì)激素導(dǎo)致的OP的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了158個(gè)糖皮質(zhì)激素相關(guān)的候選基因，這些基因在OP相關(guān)通路中顯著富集，闡明了糖皮質(zhì)激素相關(guān)基因的表達(dá)機(jī)制，為糖皮質(zhì)激素引起的OP的診斷和治療提供新的指導(dǎo)。

4 代謝組學(xué)

在基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的代謝組學(xué)也是系統(tǒng)生物學(xué)中的一項(xiàng)重要技術(shù)[20]。代謝組學(xué)是一種可定性和定量分析細(xì)胞、組織、器官或生物體液中的內(nèi)源性小代謝物，并有助于理解代謝組學(xué)譜變化的研究方法[21-23]。OP是一種全身性代謝疾病，代謝組學(xué)主要研究對(duì)象是代謝產(chǎn)物，因此，近年來，基于代謝組學(xué)技術(shù)研究OP的報(bào)道相對(duì)較多，主要集中在OP患病前后、藥物干預(yù)前后的代謝產(chǎn)物變化。Zhang等[24]通過液相色譜質(zhì)譜代謝組學(xué)技術(shù)觀察與OP骨密度相關(guān)的代謝標(biāo)志物，納入634名相關(guān)OP患者，評(píng)估了209種血漿代謝物，并進(jìn)行長達(dá)27年的隨訪評(píng)估了骨質(zhì)疏松性骨折，通過孟德爾隨機(jī)分析，發(fā)現(xiàn)甘氨酸、磷脂酰膽堿和三酰甘油與股骨頸骨密度呈負(fù)相關(guān)，磷脂酰膽堿和三酰甘油與腰椎骨密度呈負(fù)相關(guān)。Ma等[25]等通過尿液代謝組學(xué)分析大黃苷治療PMOP生物標(biāo)志物和代謝通路，發(fā)現(xiàn)并鑒定出 27 種生物標(biāo)志物與 16 種代謝通路，主要涉及類固醇生成、長鏈脂肪酸的β氧化、谷胱甘肽代謝、肉堿合成、雌激素代謝和支鏈脂肪酸氧化等。Zhao等[26]運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)研究淫羊藿乙醇提取物對(duì)OP大鼠模型的藥理學(xué)作用及作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了16種潛在的生物標(biāo)志物，并通過進(jìn)一步的通路實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)花生四烯酸代謝通路和甘油磷脂代謝通路可能是淫羊藿乙醇提取物作用于OP大鼠模型的關(guān)鍵通路。Si等[27]通過高通量代謝組學(xué)方法評(píng)估蛇床子素對(duì)PMOP的療效，發(fā)現(xiàn)蛇床子可以通過影響內(nèi)源性代謝物，有效減輕了卵巢切除術(shù)引起的大鼠OP，具有治療PMOP的潛力。Ye等[28]運(yùn)用非靶向代謝組學(xué)策略揭示了牛骨骼膠原蛋白肽對(duì)卵巢切除引起的大鼠OP的成骨機(jī)制的影響，共鑒定了41種生物標(biāo)志物，其水平在治療后發(fā)生了明顯變化。其中，在牛骨骼膠原肽組中有21種代謝物表達(dá)水平下降，20種代謝物表達(dá)水平上升，這些最終被認(rèn)為是其治療OP的潛在的生物標(biāo)志物。

5 網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)

網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)以系統(tǒng)生物學(xué)和疾病-基因-靶向醫(yī)學(xué)的概念為基礎(chǔ)，被證實(shí)是一種預(yù)測(cè)藥物治療在整個(gè)機(jī)體水平上對(duì)疾病的作用機(jī)理的新方法[29]。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)取代了當(dāng)前“一種藥物、一個(gè)靶點(diǎn)”的研究思路，采用“藥物-靶點(diǎn)-通路-疾病”的研究策略去研究藥物和疾病的關(guān)系，已被證實(shí)是探索藥物與疾病之間復(fù)雜關(guān)系的一種很有前景的技術(shù)[30-31]。這一新的研究技術(shù)的特點(diǎn)與OP多靶點(diǎn)的疾病特性是一致的。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)主要被用于研究單味中藥或中藥復(fù)方在治療OP的作用靶點(diǎn)以及通路。Li等[32]通過整合多個(gè)數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)層面的廣泛分析，并經(jīng)過斑馬魚模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究肉蓯蓉治療OP和阿茲海默癥的雙重作用，鑒定出22個(gè)具有雙重作用的活性成分和9條相關(guān)通路，發(fā)現(xiàn)黃酮類、萜烯和甾醇等化合物表現(xiàn)出較好的療效，MAPK和TGF-β信號(hào)通路可能是肉蓯蓉治療OP和阿茲海默癥的兩個(gè)最重要通路，提高了對(duì)OP和阿茲海默癥分子機(jī)制上的聯(lián)系的理解。Liu等[33]檢索了TCMSP、TCMID、SwissTargetPrediction、DrugBank、DisGeNET、GeneCards、OMIM和TTD等數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)探討山茱萸在OP治療中的潛在機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)山茱萸的活性化合物表現(xiàn)出與IGF1R、INSR、ESR1和MMP9的良好結(jié)合能力，主要與卵巢類固醇生成相關(guān)通路有關(guān)的蛋白質(zhì)發(fā)揮作用，這些通路在雌激素生物合成中至關(guān)重要。該研究為預(yù)防和治療OP的自然療法的發(fā)展提供了新的見解。Qin等[34]運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)方法預(yù)測(cè)二至丸抗OP的活性成分和相關(guān)靶點(diǎn)，并進(jìn)行功能富集分析，并進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，試圖揭示二至丸治療OP的藥理作用和潛在分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)二至丸可通過調(diào)節(jié)雌二醇抑制骨量丟失。Zhou等[35]運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對(duì)接的方法研究五苓散治療的潛在機(jī)制，經(jīng)篩選發(fā)現(xiàn)五苓散主要通過EGF、ERBB2、MTOR和HIF-1等靶標(biāo)治療OP。

6 總結(jié)與展望

綜上所述，近幾年，系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)在OP的疾病診斷、發(fā)病機(jī)制和藥物治療的研究中被廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)可以幫助科研工作者更高效、準(zhǔn)確、整體地從基因、mRNA、蛋白質(zhì)和代謝物層面了解OP。雖然目前系統(tǒng)生物學(xué)尚處于發(fā)展階段，但是其在OP研究中展現(xiàn)出的活力和應(yīng)用價(jià)值不容小覷。從系統(tǒng)生物學(xué)角度，分析基因、mRNA、蛋白質(zhì)和代謝產(chǎn)物失調(diào)在OP發(fā)病過程中的重要作用，研究藥物治療OP的作用靶點(diǎn)和通路，這對(duì)OP的研究具有重要意義。目前基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白組學(xué)技術(shù)的OP研究相對(duì)較多，但基于基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的OP研究相對(duì)較少，或許是值得關(guān)注的方向。未來，會(huì)有更多新興組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)的OP方面的研究必不斷涌現(xiàn)。