代謝組學(xué)對肌骨衰減疾病的研究進(jìn)展

劉晏東 鄧強(qiáng) 彭冉東 王雨榕 李中鋒 許多芳 楊海云

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730030

2.甘肅省中醫(yī)院,甘肅 蘭州 730050

3.甘肅省中醫(yī)藥研究院,甘肅 蘭州 730050

“肌少癥”(sarcopenia,SP)最早是由Irwin Rosenberg[1]于1988年提出,最初只被用來定義老年人的肌肉萎縮。直到2018年,歐洲老年人肌少癥工作組[2]才將SP定義擴(kuò)展為:“肌肉的質(zhì)量、力量以及功能的喪失”。SP可導(dǎo)致虛弱、跌倒、骨折、獨(dú)立性喪失甚至死亡等嚴(yán)重的不良結(jié)局。其高致殘率和致死率給個(gè)人健康和社會經(jīng)濟(jì)都帶來了巨大的負(fù)擔(dān)。美國一項(xiàng)針對老年人的調(diào)查發(fā)現(xiàn),SP患病率高達(dá)36.5 %[3]。英國學(xué)者對社區(qū)居住的老年人(平均年齡為67歲)進(jìn)行篩查發(fā)現(xiàn),男性SP患病率為4.6 %,女性為7.9 %[4]。而在全世界范圍內(nèi),SP總患病率的估計(jì)值在3 %～38 %之間[5-9]。

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)的病理特征是骨密度進(jìn)行性下降和骨微結(jié)構(gòu)惡化[10],其發(fā)病機(jī)制與多種內(nèi)、外源性危險(xiǎn)因素有關(guān),這些因素使得骨重塑失衡,骨吸收多于骨形成。OP嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量,可導(dǎo)致患者骨折、疼痛和殘疾[11]。此外,OP對公共衛(wèi)生和社會經(jīng)濟(jì)造成的影響不容忽視;到2020年為止,OP在全球的罹患人數(shù)已達(dá)到了2億,其發(fā)病率僅次于心血管疾病和糖尿病,成為影響高齡人群健康的第三大慢性病[12]。《骨質(zhì)疏松防治中國白皮書》調(diào)查顯示,我國至少有2.1億人骨量低于正常標(biāo)準(zhǔn),存在罹患OP的風(fēng)險(xiǎn),這一數(shù)據(jù)在未來將持續(xù)增長[13]。

Binkley等[14]在2009年首次提出“肌少-骨質(zhì)疏松癥(osteosarcopenia, OS)”概念并進(jìn)一步闡釋“肌骨串?dāng)_”學(xué)說。OS表現(xiàn)為SP與OP共存,但OS的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純的SP或OP[15]。SP與OP具有相同的臨床和生物學(xué)特征,發(fā)生發(fā)展的伴隨程度較高。在肌-骨亞單位的調(diào)控機(jī)制方面,肌骨具有同源性(間充質(zhì)干細(xì)胞);肌細(xì)胞分泌的肌因子可調(diào)節(jié)骨代謝,而骨細(xì)胞也可通過分泌IGF-1等因子影響肌肉代謝[16]。OS流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn),中國老人OS的患病率為18 %,在澳大利亞則高達(dá)40 %[17]。

1999年,Nicholson等[18]首次提出“代謝組學(xué)”的概念,認(rèn)為細(xì)胞的上游生物破壞會導(dǎo)致一系列代謝變化,因此代謝組擁有能夠預(yù)測表型的豐富信息。代謝組學(xué)是建立在基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)基礎(chǔ)上的又一新興組織學(xué)科,其最初的用途是在疾病的診斷中識別生物標(biāo)志物,而隨著生物信息學(xué)和檢測分析技術(shù)的不斷發(fā)展,代謝組學(xué)已成為研究生物過程中活性因素的重要技術(shù),其終極目標(biāo)是對來自細(xì)胞、器官、組織或體液中的低分子量分子進(jìn)行高通量表征以反映疾病的病理生理過程和潛在治療靶點(diǎn)等[19]。因?yàn)榧」撬p疾病都會發(fā)生劇烈的代謝變化,而代謝組學(xué)的主要研究目標(biāo)恰恰是代謝物,所以說代謝組學(xué)在某種程度上與SP、OP及OS具有相通性。

1 代謝組學(xué)對OP的研究

OP的診斷主要取決于骨密度和骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物。然而,這些指標(biāo)不夠敏感和準(zhǔn)確,且無法精準(zhǔn)反映OP的病理進(jìn)展。OP通常以骨重塑失衡為特征,而代謝組學(xué)研究OP所涉及的代謝物途徑、組成和濃度的改變可以為OP的診斷、治療、預(yù)后以及理解OP的機(jī)制提供新的導(dǎo)向。

1.1 臨床診斷

應(yīng)用代謝組學(xué)可以人體的代謝物進(jìn)行定性、定量分析以診斷OP,更為關(guān)鍵的是進(jìn)一步判別疾病所處的病理階段。Lee等[20]基于氣相色譜質(zhì)譜技術(shù)(gaschromatography-massspectrometry,GC-MS),通過使用主成分分析和偏最小二乘判別分析,顯示了去勢SD大鼠和假手術(shù)大鼠之間的代謝差異,該研究將較低濃度的苯丙氨酸、色氨酸和丁氨酸鑒定為潛在的主要生物標(biāo)志物。Ma等[21]也比較了去勢SD大鼠和假手術(shù)大鼠之間的代謝差異,該研究采用GC-MS技術(shù)鑒定潛在生物標(biāo)志物并且利用主成分分析和偏最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果顯示,花生四烯酸、同型半胱氨酸、乙二酸、油酸、甘油酸、尿酸、甘油酸和十八碳二烯酸代謝升高,而丙氨酸、蘋果酸、檸檬酸和二十二碳六烯酸代謝降低;郭勝男等[22]應(yīng)用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法篩查原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥患者的差異代謝物,分析得到157個(gè)差異性代謝物,其中γ-氨基丁酸、L-異亮氨酸、黃嘌呤、十二烷二酸等93個(gè)代謝物上調(diào),谷氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、肌氨酸、苯乙酰甘氨酸等64個(gè)代謝物下調(diào)。尹恒等[23]通過超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)(liquid chromatograph mass spectrometer,LC-MS)檢測兩組(肝腎陰虛型OP組和健康組)受試者的血清代謝物,并進(jìn)行差異分析,共篩選出15個(gè)差異代謝物(氨基酸類6個(gè)、生物堿類2個(gè)、膽紅素類2個(gè)、磷脂類1個(gè)、惡唑類1個(gè)、酚酯類1個(gè)、低聚肽類1個(gè)、二萜類1個(gè))。Aleidi等[24]進(jìn)行代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),OP患者與健康人相比共有94種代謝產(chǎn)物發(fā)生變化,其中52種表達(dá)上調(diào),42種表達(dá)下調(diào)。此外,研究還發(fā)現(xiàn)組氨酸代謝、氨酰tRNA生物合成、乙醛酸和二元酸代謝、不飽和脂肪酸(FAs)的生物合成對骨骼的影響值最高。這些發(fā)現(xiàn)與先前的代謝組學(xué)研究結(jié)果基本一致,均強(qiáng)調(diào)氨基酸、碳水化合物、核苷、脂質(zhì)和脂肪酸代謝在OP中的重要影響[25]。綜上所述,代謝組學(xué)可以檢測出健康人和OP患者體液中的代謝物種類和濃度差異, 并準(zhǔn)確篩選出一些OP代謝標(biāo)志物[26]。這也證明代謝組學(xué)可以在診斷OP方面發(fā)揮重要作用,但該類實(shí)驗(yàn)大多為以動物作為模型, 臨床研究較少。

1.2 發(fā)病機(jī)制

代謝組學(xué)不僅可以將代謝物進(jìn)行差異分析,還可以將代謝數(shù)據(jù)與生物學(xué)意義相關(guān)聯(lián)。由于OP代謝物可能隨著骨穩(wěn)態(tài)失衡表現(xiàn)出動態(tài)變化,所以在各種復(fù)雜情況下對代謝物進(jìn)行縱向時(shí)間順序測量可以探索更精確的OP病理機(jī)制和進(jìn)展[27]。世界上首次針對OP的代謝組學(xué)研究比較了高骨密度組和低骨密度之間的代謝差異,并篩選出了4種差異代謝物(乳酸、丙酮、乙酸鹽和谷氨酰胺)。之后的大量代謝組學(xué)研究證明,OP的病理機(jī)制與氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、能量代謝以及腸道微生態(tài)紊亂密切相關(guān)[28]。Huang等[29]研究發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者的精氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和纈氨酸水平升高,而血清中肌酸水平降低,這表明OP的病理發(fā)展可能與一氧化氮生成增多、胰島素樣生長因子-1刺激減弱以及肌因子過度分解有關(guān)。Qi等[30]研究發(fā)現(xiàn),絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者的高密度脂蛋白膽固醇濃度偏低,而低密度脂蛋白膽固醇、三酰甘油和總膽固醇濃度較高。Xue等[31]的研究結(jié)果表明,去勢小鼠血清中低密度脂蛋白、膽堿、甘油磷脂和脂質(zhì)水平升高,這表明OP的加重與脂質(zhì)代謝有關(guān)。此外,骨重塑過程需要大量的能量,如果能量代謝紊亂,骨重塑過程就可能受到影響。動物研究表明,卵巢切除術(shù)和雌激素缺乏會導(dǎo)致能量消耗減少、葡萄糖水平升高、內(nèi)臟脂肪組織聚集和胰島素抵抗逐漸增加,從而影響骨代謝。Wen等[32]通過16 S RNA測序確定了絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松小鼠腸道微生物群的豐度,發(fā)現(xiàn)厚壁菌和擬桿菌的比例顯著增加,并使用LC-MS技術(shù)進(jìn)一步分析小鼠糞便和血清中代謝物的變化,結(jié)果顯示腸道微生物群和糞便、血清中的代謝物變化可能是絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥發(fā)生發(fā)展的原因。Zhao 等[33]通過對OP小鼠進(jìn)行代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),磷脂、鞘脂、甘油?；⒅觉；顽薮嫉谋磉_(dá)均有較為明顯的變化。從代謝組學(xué)角度去理解代謝物變化與OP間的關(guān)系并探索相關(guān)病理機(jī)制,可為臨床的靶向治療等提供極大的幫助。

1.3 中藥干預(yù)

中藥治療OP的優(yōu)勢是多成分通過多通道作用到多靶點(diǎn),但同時(shí)也極具復(fù)雜性和干擾性,并且面臨著分子機(jī)制不明確,難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療的困境。而通過代謝組學(xué)能夠篩選出中藥干預(yù)前后的代謝物差異,以明確中藥治療OP的潛在靶點(diǎn)及其分子機(jī)制[34]。淫羊藿是一種對OP有明確治療作用的傳統(tǒng)中藥,但其具體分子機(jī)制尚不明確。Zhao等[36]利用超高效LC-MS技術(shù)分析了淫羊藿提取物干預(yù)下OP大鼠的血清,結(jié)果顯示16種潛在標(biāo)志物發(fā)生了顯著的代謝變化;通路分析顯示花生四烯酸、甘油磷脂和醚脂的代謝為主要的作用途徑,從而調(diào)控大鼠骨代謝水平。杜仲具有改善骨代謝,促進(jìn)骨重建的作用。Wang等[37]通過超高效GC-MS技術(shù)發(fā)現(xiàn)杜仲提取物可使去勢大鼠血清中甘氨酸、賴氨酸、色氨酸、二十二碳六烯酸及葡萄糖5種代謝物回調(diào),這可能是杜仲通過調(diào)控氨基酸代謝和氧化應(yīng)激等途徑影響骨代謝。葛根素可以改善絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥,而葛根素抗OP療效的內(nèi)在機(jī)制仍然模糊不清。Li等[38]基于血清代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)葛根素可通過調(diào)節(jié)磷脂代謝和多不飽和脂肪酸的生物合成改善去勢大鼠的脂質(zhì)代謝,并激活Wnt途徑和抑制PPARγ途徑減少間充質(zhì)干細(xì)胞的成脂分化,促進(jìn)新骨生成。名方青娥丸已被用于治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥,但起效機(jī)制仍不清楚。Xie等[39]通過超高效LC-MS技術(shù)確定了青蛾丸干預(yù)下去勢大鼠血清中19種內(nèi)源性代謝物的變化,為以后研究青蛾丸治療OP的機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。金天格的主要成分是人工虎骨,可以有效增加骨密度。方穎琪等[40]通過檢測金天格干預(yù)下OP大鼠的代謝物發(fā)現(xiàn),金天格有可能是通過調(diào)控色氨酸、維生素B6、甘油磷脂的代謝和氨基?；?tRNA的生物合成以抗OP。劉文靜等[41]基于代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)健骨顆?？筄P的機(jī)制與不飽和脂肪酸、類固醇激素的生物合成及泛酸和輔酶A的生物合成等代謝通路有關(guān)。

2 代謝組學(xué)對SP發(fā)病機(jī)制的研究

代謝組學(xué)對SP的研究較少且主要集中在發(fā)病機(jī)制方面,研究顯示在肌肉減少狀態(tài)下炎癥浸潤、代謝刺激和胰島素抵抗可能導(dǎo)致氨基酸代謝失調(diào)。此外,主要的脂質(zhì)類別和線粒體功能在肌肉減少過程中也受到影響[42-43]。

2.1 脂質(zhì)代謝失調(diào)

組成脂質(zhì)的多樣化分子在肌肉中具有重要作用,肌細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)含量增加是肌肉代謝失常的常見特征[44]。研究發(fā)現(xiàn),老年人細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)的體積和密度均高于年輕人[45-46];另外,與健康人相比,SP患者骨骼肌中主要磷脂類別的總豐度顯著增加。代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)總磷脂酰膽堿和磷脂酰乙醇胺水平與肌肉質(zhì)量和功能呈負(fù)相關(guān),這表明磷脂可能與SP的發(fā)生具有因果關(guān)系[47]。楊蕾[48]通過代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)SP患者的1-棕櫚酰-2-油?；字８视汀⑸窠?jīng)酸、旋藻酸、硫酸吲哚酚和脫氧核糖-5-磷酸鹽等不飽和脂肪酸含量顯著增長。此外,脂質(zhì)代謝(主要為脂肪酸、磷脂和脂肪因子)與腸道菌群的相互作用對骨骼肌線粒體能量代謝也有深遠(yuǎn)的影響[49]。目前有關(guān)SP脂質(zhì)的代謝組學(xué)研究相對較少,只是確定了肌肉減少的常見脂質(zhì)特征;所以在這一方面需要更多的代謝組學(xué)研究來驗(yàn)證這種特征,并為脂質(zhì)失調(diào)引起的SP提供更深度的分子機(jī)制。

2.2 氨基酸代謝失調(diào)

多項(xiàng)代謝組學(xué)研究已經(jīng)證明SP患者的氨基酸水平異常,尤其是支鏈氨基酸及其相關(guān)代謝物的濃度與SP患者的肌肉橫截面積顯著相關(guān)[50-52]。其中,亮氨酸及其代謝物(α-羥基異己酸酯)和兩種色氨酸相關(guān)代謝物(C-糖基色氨酸和吲哚丙酸酯)濃度對肌肉橫截面積的影響率高達(dá)21 %[53]。部分相關(guān)研究的局限性在于沒有將氨基酸濃度與肌肉功能聯(lián)系起來,而肌肉功能恰恰是診斷SP的重要指標(biāo)。一項(xiàng)將肌肉功能與肌肉質(zhì)量共同納入SP診斷標(biāo)準(zhǔn)的研究發(fā)現(xiàn),SP患者血清中的亮氨酸、異亮氨酸和色氨酸顯著高于相同年齡的健康人[54]。其他非支鏈氨基酸或必需氨基酸相關(guān)代謝物(脯氨酸、天冬氨酸和谷氨酸)的失調(diào)也與肌肉減少有關(guān)[55]。張明銘等[56]研究發(fā)現(xiàn)骨保護(hù)素基因敲除可能是通過影響氨基酸代謝來調(diào)節(jié)亞精胺和泛酸等代謝物的水平,從而導(dǎo)致骨骼肌萎縮。早期組學(xué)研究試圖闡釋肌肉流失的機(jī)制,然而,得出的結(jié)論存在局限性,盡管氨基酸可能為肌肉減少提供代謝特征,但無法確定氨基酸代謝異常與肌肉減少之間的因果關(guān)系,氨基酸在肌肉損耗過程中的確切作用仍不清楚。

2.3 能量代謝失調(diào)

線粒體作為肌細(xì)胞的代謝中心,在SP的發(fā)病和治療中發(fā)揮著重要作用[57]。線粒體不僅在氧化磷酸化、堿性磷酸酶合成以及能量代謝中起重要作用,而且還具有調(diào)節(jié)衰老肌細(xì)胞核結(jié)構(gòu)和肌纖維可塑性的能力,表明線粒體是維持肌細(xì)胞活性的能量庫[58]。Meng等[59]研究發(fā)現(xiàn),去氧化和衰老都會導(dǎo)致線粒體質(zhì)量和功能的下降,進(jìn)而導(dǎo)致脂質(zhì)代謝的變化,表明線粒體衰變是SP發(fā)病的驅(qū)動因素。另有研究發(fā)現(xiàn),有肌肉減少風(fēng)險(xiǎn)的老年人的磷酸肌酸恢復(fù)率顯著低于健康同齡人[60],這也表明線粒體功能降低是導(dǎo)致肌肉衰減的原因,因此我們普遍認(rèn)為線粒體參與肌肉質(zhì)量和功能的調(diào)節(jié)[61]。筆者認(rèn)為,根據(jù)代謝物的變化來干預(yù)線粒體功能以改善SP癥狀是一個(gè)具有潛力的領(lǐng)域。例如運(yùn)動可有效減緩SP進(jìn)展,而線粒體則扮演動力源的角色;在此過程中,機(jī)械負(fù)荷調(diào)節(jié)骨骼肌中的線粒體電子傳遞以改善氧化磷酸化,提高自噬水平和抗氧化能力。

3 SP與OP的共通之處

在SP和OP的病理發(fā)展過程中,二者在不同水平上具有潛在的聯(lián)系。炎癥、內(nèi)分泌、旁分泌、生物力學(xué)和遺傳基因等都是二者共同的致病因素[15-16]。二者的密切關(guān)聯(lián)還體現(xiàn)在臨床癥狀、伴隨程度、信號通路及治療靶點(diǎn)等方面,下文主要論述二者之間的代謝聯(lián)系。在雌激素方面,Wei等[62]基于UHPLC-Q-TOF/MS檢測技術(shù)對OS小鼠模型的雌激素代謝變化以及雌二醇治療效果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),去勢小鼠的代謝物發(fā)生了代謝重構(gòu)。此外,該研究還鑒定出了65種差異代謝物,其中58種差異代謝物可以通過補(bǔ)充雌激素來逆轉(zhuǎn)。通路分析發(fā)現(xiàn)OS與嘌呤、甘油磷脂、色氨酸、組氨酸的代謝,精氨酸的生物合成以及氧化磷酸化等有關(guān)。Miyamoto等[63]應(yīng)用CE-TOFMS檢測技術(shù)對OS患者的血清進(jìn)行全面代謝組學(xué)隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn),血清甘氨酸、血清牛磺酸的水平降低以及瓜氨酸的水平升高可在一定程度上預(yù)測OS的病理發(fā)展,但其具體機(jī)制尚不清楚。肌肉和骨骼通過骨因子和肌因子參與全身代謝功能,而脂質(zhì)是骨因子和肌因子的關(guān)鍵部分。比如胰島素樣生長因子-1(骨因子)可在骨吸收發(fā)生時(shí)分泌并激活成骨細(xì)胞,還可通過脂質(zhì)介導(dǎo)抑制肌肉不良代謝以提高肌肉質(zhì)量[16]。另有研究表明,老年人的肌肉和骨骼中的二酰基甘油和神經(jīng)酰胺顯著失調(diào)[64],說明脂質(zhì)代謝變化與肌、骨的質(zhì)量直接相關(guān)。SP和OP共有的高代謝特征決定了代謝組學(xué)技術(shù)在肌骨共病視域的研究中具有不可替代的重要性。

綜上,近十年來,運(yùn)用代謝組學(xué)研究肌骨衰減疾病取得了重大進(jìn)展。這些研究不僅會促進(jìn)新生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn),也為深入了解肌骨病變的深層機(jī)制和病理進(jìn)程提供了新導(dǎo)向和新策略。隨著中醫(yī)藥在肌骨衰減疾病中發(fā)揮出日益重要的作用,我們發(fā)現(xiàn)代謝組學(xué)的綜合、動態(tài)等分析特性與中醫(yī)的整體觀念和辨證論治等思想是相通的,可以為肌骨衰減疾病的中醫(yī)辨證論治提供新思路和新方法。應(yīng)用代謝組學(xué)研究中藥治療肌骨衰減疾病不僅可以彌補(bǔ)蛋白組學(xué)分析所存在的數(shù)據(jù)丟失、信息干擾等不利因素,還有利于明確多種有效成分在代謝水平上的相互作用以及復(fù)雜的代謝途徑。此外,多種代謝波動所構(gòu)成的作用網(wǎng)絡(luò)還可顯示中藥治療肌骨病變前后機(jī)體的整體變化。雖然目前大多數(shù)有關(guān)中藥治療肌骨病變的代謝研究采用的是網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)結(jié)合非靶向代謝組學(xué)的方法和思路,但是這也為未來采用靶向代謝組學(xué)進(jìn)行相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。但由于大部分肌骨衰減疾病的代謝組學(xué)研究皆為橫斷面設(shè)計(jì),所以無法確定代謝通路失調(diào)的確切位置,從而影響了靶向治療的開發(fā)。肌骨衰減疾病具有復(fù)雜的生物學(xué)信息,任何一種單獨(dú)的技術(shù)都無法全面分析其微觀變化。在未來,只有充分利用多組學(xué)技術(shù)進(jìn)行綜合分析才會更加全面的掌握有關(guān)分子層面的動態(tài)改變。