甲状腺疾病的代谢组学研究现状

张玉洁 孟召伟 章明放 宋丽丽 李宁

1天津医科大学总医院病理科 300052； 2天津医科大学总医院核医学科 300052； 3天津市第一中心医院病理科 300192； 4天津中医药大学中药学院 300193

甲状腺疾病属于临床常见的内分泌系统疾病，近年来其发病率呈明显上升趋势，以往的研究对象和方法主要集中于与其相关的基因、蛋白质及彼此间的信号传递[1-2]。代谢组学位于系统生物学的最下游，它的定义最早是由Jeremy-Nicholson在1999年提出的，主要是通过在某一特定的刺激或干扰前后对生物体、组织或细胞代谢产物的动态变化进行检测并定性定量的分析[3]。其准确并全面反映疾病代谢终端信息的优势，将在甲状腺疾病中具有更为广阔的应用前景。

1 代谢组学简介

代谢组学的主要研究对象是人或动物体内代谢通路中的小分子代谢产物(MW<1 000)，如氨基酸、糖类、脂类及嘌呤等[4]。样本采集对象通常用的是各种体液，包括血液、尿液、组织萃取液、粪便上清液、脑脊液、前列腺液、精液及各种引流液等，其中以血液和尿液最为常用[5-6]。

代谢组学的主要技术手段是核磁共振技术、质谱法、色谱法及色谱-质谱联用技术等。核磁共振技术是目前较为常用的分析技术，具有样品预处理简单、样品消耗少、无创性、无偏向的检测等优点，可用于各种体液以及体内分析，但其灵敏度和分辨率均有待提高[7]。高分辨率核磁共振技术、液相色谱-核磁共振联用技术或魔角旋转核磁共振技术等可以有效弥补其缺点[8]。质谱技术灵敏度、分辨率较高，并有标准谱图库以供参考和比较，定性分析能力强，但缺点在于低选择性，识别大量谱峰的能力较差，不同程度的电离影响代谢物的量化等，而色谱技术分离能力强，定量准确，但定性分析能力弱，因而二者常联合使用以弥补各自的缺点。气相色谱-质谱联用技术和液相色谱-质谱联用技术较为常用[9]。通过上述技术手段获得的大量实验数据，需要多变量的数据统计学分析对其进行提取和处理，从而筛选出最具代表性的代谢产物，再经过总结、分类或比对分析，最终解释其代谢途径和变化规律，以阐明机体对特定刺激或干扰的发生机制和发展过程[10-11]。

代谢组学具有以下优点[12-13]：(1)代谢物位于生物信息的最下游，能有效放大和准确、直接地反映基因和蛋白质表达的微小变化，检测起来更便捷。(2)代谢物的信息数据比全基因组测序和大量表达序列标签(EST)的数据库简单很多，其种类和数量与基因和蛋白质相比要少得多，分子结构也相对简单，分析起来更加容易。(3)机体的生理或病理状况可以通过对生物液体的代谢物分析来判断，具有基本无创性和操作简易性。(4)基于不同生物体中检测到的代谢物是相似的，代谢组学技术的应用范围更为广泛。

2 甲状腺常见疾病的代谢组学研究

2.1 甲状腺癌 甲状腺癌在甲状腺恶性肿瘤中最为常见，在内分泌系统恶性肿瘤中也较常见，约占全身恶性肿瘤的1%[14-15]。由于检出率的提高和环境等因素，近年来甲状腺癌在我国的发病率增长迅速。其组织学分型主要包括乳头状癌、滤泡癌、低分化癌、未分化癌、髓样癌等，其中以甲状腺乳头状癌最常见[16]。运用代谢组学的方法对甲状腺癌的不同样本，如血液、尿液、细针穿刺组织或手术标本组织萃取液等进行代谢物的变化分析，并结合相关基因和蛋白质的相关性分析和研究，对揭示甲状腺癌的发生机制、提供准确诊断依据以及有效判断预后都有着至关重要的意义。

Yao等[15]和Miccoli等[17]分别对血清和组织样本中甲状腺癌、良性结节和健康对照组的代谢产物进行检测分析，发现良、恶性结节的主要代谢差异发生在脂代谢和糖代谢，3-羟基丁酸作为脂肪酸代谢的中间产物，在甲状腺癌组中含量远高于结节性甲状腺肿组和对照组，说明了其作为二者诊断标志物的潜力，而乳酸含量在甲状腺癌组明显增加，提示无氧糖酵解取代有氧氧化。Shang等[18]运用组织靶向代谢组学来分析甲状腺乳头状癌组织和健康组织的代谢差别，结果显示，半乳糖醇、蜜二糖和褪黑素等代谢物发生显著改变，半乳糖代谢途径通过影响能量代谢来影响甲状腺乳头状癌的发展。因此，半乳糖苷酶被认为是甲状腺乳头状癌治疗的潜在靶点。Zhao等[19]通过核磁共振氢谱分析甲状腺乳头状癌、良性肿瘤和健康对照组的血清代谢物差异，不仅涉及糖代谢和脂代谢，还涉及氨基酸和核酸的代谢。Li等[20]采用基于NMR的代谢组学技术分析了16例患者的配对癌组织和正常甲状腺组织的代谢变化，确定了8条KEGG通路和3条与甲状腺乳头状癌相关的小分子通路数据，证明在甲状腺乳头状癌中糖酵解增加而抑制三羧酸循环，致癌氨基酸增加，胆碱和脂质代谢异常，与上述学者的研究结果一致。Jordan等[21]、Torregrossa等[22]和Ryoo等[23]使用高分辨率魔角旋转(HRMAS)质子磁共振技术，分别对甲状腺乳头状癌和良性滤泡性腺瘤或结节的经皮细针穿刺标本进行分析，发现苯丙氨酸、牛磺酸和乳酸可能增加，胆碱和胆碱衍生物、肌醇可能减少，可作为二者的鉴别因子，从而对甲状腺癌准确快速的术前诊断有潜在的帮助。郑雯洁等[24]根据甲状腺乳头状癌原发灶大小(最大直径≤2.0 cm和>2.0 cm)和有、无颈部淋巴结转移进行分组比较，发现较大肿瘤和伴淋巴结转移者其氨基酸代谢、嘌呤和嘧啶、色氨酸及一碳单位代谢增强。Seo等[25]通过对伴有和不伴有淋巴结转移的甲状腺乳头状癌患者进行代谢组学分析，结果未发现代谢产物存在显著差异。目前，对甲状腺癌预后因素尤其是淋巴结转移情况的代谢组学研究结果存在争议，尚需扩大样本量来进一步研究。

对于甲状腺癌的离体样本是否真实反映体内的代谢情况，以及其转移、治疗效果和预后等影响因素的代谢组学研究尚有限，有待运用不同的样本对象和扩大样本量来深入研究和探讨。另外，对于甲状腺其他组织学类型的恶性肿瘤(滤泡癌、髓样癌、淋巴瘤等)的代谢组学研究尚不足，有待于同最常见的甲状腺乳头状癌样本或正常样本进行比较分析以揭示其发生机制。

2.2 甲状腺良性结节 甲状腺腺瘤、腺瘤样增生结节和结节性甲状腺肿等均属于良性结节性病变的范畴，目前的代谢组学研究主要是将甲状腺恶性肿瘤和正常对照组与之进行比较分析，以期从代谢角度发现良性结节性病变在肿瘤发生过程中的角色和意义。Miccoli等[17]和Xu等[26]分别运用HRMAS质子磁共振波谱、气相色谱-飞行时间质谱法和超共振液相色谱-四极飞行时间质谱法对甲状腺良性和恶性肿瘤的组织学样本进行代谢物的差异分析，并与非肿瘤组织作比较，结果显示二者与对照组相比，既具有相似的代谢特征(糖酵解增加、氨基酸代谢、一碳代谢和色氨酸代谢)，又存在显著差异，在恶性肿瘤中乳酸、牛磺酸、嘌呤和嘧啶代谢明显升高，而良性肿瘤中脂肪酸和胆汁酸水平升高。Deja等[4]采用1H-NMR的代谢图谱来鉴定健康甲状腺组织、非肿瘤性结节、滤泡性腺瘤和恶性甲状腺癌的组织提取物中的代谢物，发现甲状腺滤泡腺瘤既表现出良性非肿瘤结节的代谢特征，又表现出与恶性肿瘤相关的部分代谢特征，提示滤泡性腺瘤可能是甲状腺癌发展中的一个过渡阶段。分别通过液相色谱-质谱联用技术和核磁共振代谢组学方法对甲状腺乳头状癌患者、结节性甲状腺肿患者和健康人的血浆代谢物进行两两比较分析，发现3组血浆代谢物均有明显的差异[15,27]。

目前，关于甲状腺良性结节性病变的独立的代谢组学研究尚少，有待细化其组织学类型并结合交界性结节与正常组织和恶性肿瘤进行代谢物比较分析，从而为揭示甲状腺肿瘤性病变的发展过程提供有力依据。

2.3 甲状腺功能异常 甲状腺功能异常包括甲状腺功能亢进症(甲亢)和甲状腺功能减退症(甲减)，二者均可引起甲状腺体积增大。甲亢是由于甲状腺合成并释放过多的甲状腺激素而引起盗汗、心悸、体重减轻、突眼、进食和排便增加等交感神经兴奋和代谢亢进的一系列症状，临床上80%以上的甲亢是由甲状腺自身免疫性疾病如Graves病引起的[28]。其特点是具有强烈的代谢效应，影响脂类、碳水化合物和氨基酸的代谢，休息时的能量消耗和产热增加[29]。Piras等[29]使用核磁共振波谱来鉴别在抗甲状腺药物治疗前、后甲亢患者血浆的代谢组学特征，并与健康志愿者进行比较，结果显示，未治疗的甲亢患者与对照组相比，其葡萄糖、胆碱、肌酐水平等明显升高，在患者接受治疗后促甲状腺激素和FT3、FT4水平恢复正常时，这些代谢物的变化仍在持续，可见促甲状腺激素、FT3和FT4的检测结果不足以反映甲状腺激素活性对机体的长期持续影响。Chng等[30]和Al-Majdoub等[31]对Graves病患者的治疗前、后进行代谢组学分析，结果显示，在甲状腺功能恢复正常后，不同酰基链长度的酯酰肉碱水平较正常仍存在显著变化，这些变化可能与种族和饮食差异有关。

甲减是一种内分泌失调的慢性疾病，其确切的分子机制尚不清楚。Wu等[32]采用超高效液相色谱-质谱联用的尿代谢组学方法探讨甲减的整体代谢特征，应用3种典型的甲减模型(甲巯咪唑、丙基硫氧嘧啶、甲状腺切除术引起的甲减)阐明甲减的分子机制，这3个甲减模型分别鉴定了17、21、19个潜在的生物标志物，主要涉及能量代谢、氨基酸代谢、鞘脂代谢和嘌呤代谢。Yao等[33]采用质谱法测定了甲减、甲亢患者和甲减或甲状腺激素治疗小鼠的血清花生四烯酸代谢产物的水平，结果显示，细胞色素P450的代谢产物20-羟基二十碳四烯酸与甲状腺激素水平呈正相关，甲减患者前列腺素I2水平升高和前列腺素E2水平降低可能有助于减轻与血脂异常相关的动脉粥样硬化，提示某些代谢物可能与甲状腺疾病相关的心血管疾病有关。

2.4 桥本甲状腺炎 现有关于甲状腺疾病的代谢组学研究主要集中于甲状腺癌和甲亢，对于甲状腺炎的代谢组学研究尚少。近年来研究显示，一些特殊的与自身免疫相关的甲状腺炎与甲状腺乳头状癌的伴发率升高，如桥本甲状腺炎[34-37]。研究发现，同时伴有桥本甲状腺炎的甲状腺乳头状癌患者常发生于年轻女性，肿瘤体积较小，多灶性，侵袭性弱，复发和转移率较低，生存率较高等[35-37]。Pagni等[38]利用蛋白质组学研究方法发现，桥本甲状腺炎和甲状腺癌共同表达HnRNP家族成员之一——磷脂酰乙醇胺结合蛋白1，说明二者可能共享部分相同的分子环境，也表明了桥本甲状腺炎可能是甲状腺癌前的一种状态。但桥本甲状腺炎和甲状腺癌的相关性仍存在较多争议，急需通过代谢组学的研究方法来进一步佐证其相关性，并深入探讨二者各自的和相关的生物信息途径及与预后的关系。

3 问题与展望

甲状腺疾病相关的代谢组学研究已经得到初步重视，但目前代谢组学作为新兴学科仍存在一些不足之处：(1)在样本收集和处理方面，目前对于临床生物样本的前处理，并没有统一的标准规程，加之收集方法和保存条件的不规范、外界环境的影响以及标本采集时发生了生理变化的可能等，结果会出现一定程度的误差。(2)在技术方法方面，现有代谢组学的检测分析技术各有利弊，单一使用不可避免的会对结果造成一定影响。目前已开展各种联用技术以弥补不足，但仍存在瑕疵需要进一步改进和完善。数据分析技术和质谱数据库也需要及时的更新和完善。(3)在检测结果方面，代谢组学只能检测出部分理化性质较稳定的代谢物，而其他一些易降解、半衰期短的有意义的代谢物却无法被检出；并且目前的样本大部分为离体的体液或组织，离体后的代谢物能够多大程度代表活体组织中的代谢物尚需进一步研究[5]。(4)在甲状腺疾病应用方面，代谢组学研究发现了一些标志性的代谢物，但各标志物之间的相关性及其在生物信号网络中的关键作用尚不明确，加上很多研究还局限于前期阶段，需要进一步研究。

相信随着代谢组学研究日新月异的发展和技术的不断完善，其与基因组学、转录组学和蛋白质组学的成功对接，势必将在甲状腺疾病的研究中发挥重大的作用，为揭示其发生、发展机制并指导临床治疗和预后判断提供有力的依据。