代谢组学技术在儿科学的应用

周　丽(综述)，张万巧，封志纯(审校)

(北京军区总医院附属八一儿童医院代谢遗传实验室，北京100700)

代谢组学技术在儿科学的应用

周丽(综述)，张万巧，封志纯※(审校)

(北京军区总医院附属八一儿童医院代谢遗传实验室，北京100700)

摘要：代谢组学是将生物体(包括细胞、器官或个体)在不同条件下所产生的小分子代谢产物作为研究对象，是系统生物学研究的终端。作为生命科学研究的有力工具，其研究理念及相关技术已在生理学、诊断学、药理学、毒理学、营养学等多个领域得到应用。随着代谢组学技术的发展，越来越多的研究者将其应用于儿科学的研究。该文就代谢组学在儿科疾病病因探索、诊断、药物监测及儿童保健等方面的研究应用进行综述，探讨该技术在儿科学的应用前景。

关键词：代谢组学技术；儿科学；应用

代谢组学最早由Nicholson等[1]在1999年提出。随着系统生物研究的深入，人们逐渐认识到基因和蛋白质的变化不一定会在生物体表型上反映出来，而小分子代谢物的产生和变化作为基因表达的最终结果能更直接、更准确地反映生物体的生理病理状态。代谢组学技术较传统检验方法而言，样本易得，且具有精确、快速、灵敏度高、特异性好、损伤小等优势，越来越多的研究者将其应用到儿科学及其相关学科的研究。现对代谢组学技术在儿科学的应用进展予以综述。

1代谢组学的分析技术

由于代谢组学的研究对象是复杂的代谢产物，这就需要有有效的分析平台来获取尽可能多的数据，但目前尚无一种代谢组学分析技术能检测出所有的代谢产物。为尽可能多地获得研究信息，研究者们开发出多种联用技术，如傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR)、核磁共振-1H/13C(1H/13C nuclear magnetic resonance，1H/13C-NMR)同位素检测技术、高效液相色谱-质谱联用(high performance liquid chromatography-mass spectrometry，HPLC-MS)以及气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)技术等[2-5]。这些技术各有特点，FT-IR分辨能力是普通红外分光光度计的千倍，扫描速度较一般分光光度计高数百倍，高通量辐射的优点使其特别适用于弱信号光谱的检测，其灵敏度高，研究光谱范围宽，一次可以检测多种物质，且所需标本量很少，联用基质分离红外技术仅需要几皮克(10-12g)的样品[5]。同位素检测技术可以实现无创、无偏向样品检测，其重现性和客观性良好，样品处理简单，具有较高的通量和较低的单位样品检测成本，1H/13C-NMR对含氢和(或)碳的化合物均有响应，能完成样品中大多数化合物的检测，其缺点是检测灵敏度相对较低、动态范围有限，很难同时测定生物体系中共存的浓度相差较大的代谢产物[6]。色谱法具有高分离能力、高灵敏度及高分析速度等特点，其具有很强的结构鉴定能力，但不具备分离能力。液相/气相色谱质谱联用 (liquid/gas chromatography-mass spectrometry，LC/GC-MS)技术具有较高的分离和鉴定能力，LC-MS检测的灵敏度高、结构定性能力强、分析范围广，可以用于热稳定性差的样品的分离鉴定，样品前处理方法稳定，但LC-MS 系统稳定性差，易受样品基质的干扰，而代谢组学研究样品的背景一般都比较复杂，且缺乏完备的质谱数据库[7-8]。GC-MS技术只能分析易挥发性物质，但其灵敏度高，能检测痕量物质，并且具有商业化的标准质谱数据库，从而能对代谢产物进行快速鉴定，样品经衍生化后转化为与其化学结构相似,但易于分析的物质，便于量化和分离，极大地扩展了GC-MS技术的使用范围，越来越多的研究者选用该技术进行代谢组学研究[9]。研究者也可根据自身研究需要，选用不同的研究技术。

2代谢组学技术在儿科学的应用

2.1病因探索及预防方面的应用新陈代谢是有机体基本特性之一，动态平衡是其特点。当有机体将要发生或处于疾病状态时，动态平衡可能会被打破，体内代谢物的水平发生变化，故检测代谢物变化可用于某些疾病病因的探索，进而采取有效措施预防疾病的发生。Rau等[10]使用GC-MS技术分析急性血液恶性肿瘤患儿骨髓中杀虫剂的含量发现，研究组患儿骨髓杀虫剂的含量明显高于对照组，且骨髓杀虫剂含量升高的患儿主要来自于杀虫剂暴露地区，提示杀虫剂是儿童恶性血液肿瘤的危险因子之一，有关部门需做好相关指标的监测。Sellitto等[11]分别在早期和晚期(12个月后)给予具有乳糜泻基因易患性婴儿谷蛋白饮食，使用NMR技术分析婴儿大便的代谢物图谱发现，肠道微生态在自身免疫性乳糜泻的发生中具有关键作用，并指出，对于此类婴儿，早期谷蛋白暴露比晚期暴露更易患病，建议推迟此类婴儿谷蛋白摄入时间。李建国等[12]使用GC-MS技术分析甲基丙二酸尿症并发肾损伤患儿尿中的代谢产物，并结合患儿病历资料指出，患儿存在不明原因的血尿、蛋白尿或肾衰竭等时应尽早使用该技术筛查以明确诊断，及早治疗以改善预后。

代谢组学技术为疾病的病理生理学研究提供了新的思路，对于预防、早期发现某些疾病、降低疾病的发生或阻断疾病的进展具有重要意义。

2.2代谢组学在疾病诊断中的应用代谢组学技术采用高分辨、高通量、高灵敏度的分析手段，定性或定量研究样本中的代谢产物，揭示人体组织器官的生理病理状态，近年来，代谢组学技术在儿科疾病诊断方面的应用越来越多。Issaq等[13]应用NMR技术检测患儿尿液中尿黑酸的含量，筛查尿黑酸病。Loots[14]使用GC-MS分析异丙酸血症患儿尿液中的代谢产物，并结合体外试验发现了三羧酸循环异常在该病发病中的作用，解释了该病的部分临床症状，并指出该方法可用于其他先天性代谢疾病的诊断及指导临床调整治疗方案。在代谢组学技术出现前，此类遗传代谢疾病的诊断难度较大，尤其是一些维生素缺陷所致的辅酶功能障碍的代谢病，在危象发作时明确诊断，并予以相应的维生素能获成功救治，长期治疗可改善预后，甚至可完全缓解临床症状[15]。代谢组学用于儿科学诊断的研究还很多，Carraro等[16]使用NMR技术分析呼出气冷凝水，建立了可以区分哮喘与非哮喘的代谢物判别式，并阐述了乙酰化可能在本病的发病过程中具有重要作用。Wolak等[17]使用代谢组学技术分析支气管肺泡灌洗液中的代谢物，发现了肺泡囊性变的生物标志物，并为该病的分级提供了依据。

虽然代谢组学技术在疾病的诊断方面尚处于起步阶段，但其与生俱来的系统性使其在疾病的诊断上发挥着不可替代的作用。随着代谢产物检测分析技术的不断改进以及代谢产物通路的建立，代谢组学技术日趋成熟，必将成为临床疾病诊断的新途径。

2.3药物使用及监测方面随着人类对疾病认识的不断深入，个体化给药是现代医学研究的目标之一。借助代谢组学技术可以研究药物在体内的代谢途径、作用靶点以及药物的疗效。代谢组学具有研究成本相对较低、标本易获得、对机体损伤小等优点，使其在药物监测中发挥日益重要的作用。Lowry和Garg[18]采用GC-MS技术分析3例四氢唑啉使用过量,且临床表现各异的儿童血浆四氢唑啉的水平，并计算出其中1例患者的四氢唑啉半衰期为4.4 h，弥补了该药缺乏儿童药动学研究的空缺，进一步证实了儿童个体间代谢差异大，很难使用固定标准判定不同个体的药物代谢速率，并指出需获取大规模人群的代谢信息以研究四氢唑啉的代谢特征等。Aleksa等[19]使用GC-MS技术可检测出5 mg头发中安非他明、脱氧麻黄碱、吗啡、可待因、氧可酮及哌替啶等17种药物或其代谢产物的含量。该方法无创，所需标本很少，适用于新生儿体内相关药物的筛查。Joya等[20]收集了90例18个月至5岁幼儿的头发，并获取了其中85位家长的头发，使用GC-MS技术检测头发中可卡因、苯甲酰芽子碱或安非他明的含量发现，21例(23.3%)幼儿头发中含有可卡因，其中88%幼儿父母的头发中检测出可卡因，追查其父母用药史发现，父母有吸烟、使用大麻、服用抗抑郁药等行为。研究还指出，使用GC-MS可测定婴幼儿暴露于可卡因或其他药物的危险程度，为特殊人群的健康干预提供指导[20]。

儿科学服务的对象正处于生长发育阶段，多脏器及神经系统的功能尚未发育完善，不同个体对同一药物的疗效和毒性反应千差万别，因此要想做到个性化用药较困难，随着代谢组学技术的发展，该困难有望克服。

2.4儿童保健方面的应用儿童保健的目的不仅是使儿童拥有健康的体质，更重要的是为儿童的生长发育提供更全面和高水平的服务，为儿童综合能力的提高提供指导。儿童的生长发育受遗传、环境、饮食等多种因素的影响，研究该过程的特点对于指导儿童保健工作具有重大意义。Schierbeek等[21]研究了一种灵敏度及特异度较高的检测方法(GC-MS联合同位素内标)用以测定婴儿糖、脂肪、氨基酸等代谢产物的构成、能量代谢、机体营养代谢途径以及这些因素是如何影响生长发育中婴儿的健康的。Bertram等[22]运用代谢组学技术分析性别、身高、体质量及基础代谢率等对血浆代谢产物的影响，主成分分析提示，性别不同其血浆代谢产物也存在明显差异，如蛋白质转换男性占优势，而脂类合成则相反。同时研究还发现，血浆三酰甘油、脂蛋白、胆固醇的代谢组学数据在9个月时与17岁时具有相关性，指出对于男女儿童应差别喂养[22]。此外，有人设想利用代谢组学技术探讨微营养素缺乏，以降低人群相关疾病的患病率[23]。代谢组学技术的不断发展极大地推动儿童保健事业的发展，相信这些设想在不久的将来都会成为现实。

2.5其他此外还有诸多代谢组学技术在儿科及其相关学科的应用， McGowan等[24]使用1H核磁共振+同位素检测技术检测羊水中3-羟基异戊酸和甲基枸橼酸的含量用于产前筛查；利用代谢组学技术比较早产儿与足月儿尿液的代谢产物，研究早产儿的特殊代谢途径，指导早产儿的喂养[25]；Noto等[26]采用GC-MS技术分析高胆固醇血症患儿血浆中的非胆固醇甾醇，发现了该病不同类型的主要发病原因。Oresic等[27]使用全二维气相色谱/飞行时间质谱技术分析儿童1型糖尿病的血清代谢产物，研究提示在自身免疫发生前，血清代谢产物已经出现变化，这有助于该病的早期诊断，并可能为1型糖尿病的预防和治疗提供新方法等。

3小结

儿科学服务及研究的对象是一类特殊群体，其自身尚处于发育中，可能存在多脏器的不成熟或功能不全，其代谢反应有自身特点，且更易受外界环境的影响。儿童在疾病发生、诊断、药物代谢、营养摄取等方面明显不同于成人，因此需要选用适当的指标来监测相关项目。

近年来，代谢组学技术快速发展，其在分子水平描述代谢产物，为医学的个性化发展提供一条新的研究途径，在疾病的基因型与表型间建立了桥梁，可通过代谢组学技术研究疾病的发病机制、诊断、预防及预测治疗效果等[28]。虽然代谢组学技术在儿科学的应用越来越多，无论是基础研究还是临床研究都取得了巨大成绩，但作为一门新兴科学，代谢组学的发展尚不完善，内源性代谢产物的种类尚不清楚，无偏性检测样本内所有代谢产物的技术平台尚不存在，且缺乏信息完备的数据库等，因此代谢组学技术在儿科学的应用仍处于初始阶段，代谢组学技术为儿科学进展开辟新的研究途径的同时，也带来了新的挑战，因此代谢组学还需要更深入的研究，以期更好地应用于临床。

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Application of Metabonomics Technology in PediatricsZHOULi,ZHANGWan-qiao,FENGZhi-chun.(GeneticMetabolismDiagnosticLab,BayiChildren′sHospitalAffiliatetoBejingMilitaryRegionGeneralHospital,Beijing100700，China)

Abstract:Metabonomics is the terminal of systemic biology,with micromolecule metabolites as the research objects which are produced by organisms like cell,organ and individual under different conditions.As a powerful tool of life science research,the ideas and technologies of metabonomics have been applied in physiology,diagnosis,pharmacology,toxicology,nutrition and other fields.With the development of metabonomics,it has been more and more used in pediatrics as well.Here is to make a review of the application of metabonomics in pediatrics on etiology,diagnosis,drug monitoring and child healthcare,and explore its further application.

Key words:Metabonomics technology; Pediatrics; Application

收稿日期：2014-03-20修回日期：2015-03-04编辑：辛欣

基金项目：国家自然科学基金(31100603)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.003

中图分类号：R72

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)17-3079-03