代谢组学在多种神经类疾病诊断研究中的应用

郎金雨，王耀，甄百新，热依汉古丽，董屿，魏斌斌

（中国医科大学药学院，辽宁沈阳 110021）

代谢组学（metabonomics／metabolomics） 是继基因组学和蛋白质组学之后系统生物学最新的组成部分，它通过对生物体内所有的分子量在100～1000 Da 的小分子代谢物进行定量或定性的分析，以期找寻代谢物与生理或者病理变化之间的联系［1］。非靶向代谢组学和靶向代谢组学是代谢组学的两个组成方面［2］。非靶向代谢组学旨在通过无偏向性地分析整个代谢组以期获得尽可能多的代谢物；靶向代谢组学有针对性地采用代谢物的标准品建立优化分析方法和标准曲线，然后对样品进行分析，准确地定量特定的代谢物［3］。代谢组学常用的技术分析平台主要为核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR） 和质谱 （mass spectrometry，MS）［4－5］。

生物标志物（biomarker） 具有广泛的作用，可以用于疾病的诊断、判别疾病的分期与进展，或者用于疾病风险的评估与预后的评价。理想的生物标志物具有高灵敏度、高特异性、检测方便、价格低廉的特点［6］。生物标志物的发现与研究是生命科学领域一个快速发展极具前景的领域。代谢组学技术的快速发展和在各种疾病基础研究中的广泛应用将导致生物标志物的发现与研究蓬勃发展［7］。许多疾病在出现临床症状之前，生物流体的化学和生化特征就会发生特异性变化［8］。这些变化可能成为潜在的生物标志物用于疾病的早期诊断。代谢组学技术在中枢神经类疾病研究中的应用越来越多［9］，例如阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）［10］、抑郁症（depression）［11］、帕金森病（Parkinson′s disease，PD）［12］。当前缺乏用来诊断患有中枢神经类疾病的早期生物标志物，且由于中枢类神经疾病起病隐匿，往往在早期发病时被人们所忽视，因而导致后续的治疗和预后效果较差。基于代谢组学技术采用相对容易获得的生物流体如脑脊液（CSF）、血浆、尿液、粪便来获取可用于中枢神经类疾病早期诊断的生物标志物具有重要而深远的意义。可用于疾病早期检测的生物标记物的发现，将使患者得到更有效、更早期的预防与治疗，减轻疾病痛苦，提高生活质量。

1 代谢组学在AD 中的应用

AD 是一种起病隐匿的神经退行性疾病，病因和发病机制十分复杂。现在主要以细胞外Aβ 的沉积和细胞内Tau 蛋白的磷酸化及缠结水平作为病理学特征，依据患者的临床表现和脑部的CT 等手段进行诊断［13－14］。由于AD 起病的隐匿性，这样的诊断方式会为AD 的预防和治疗带来不便，导致预后不良，给家庭和社会造成极大负担［15］。代谢组学领域及技术的发展为AD 的早期诊断带来了新的思路与方法，可以根据代谢物的变化来进行个性化的诊断［16］。

血液是临床检验时最常用的检测对象，在代谢组学中血清或者血浆是常用的检测对象。Wang等［17］通过收集正常人与AD 患者的血液，利用UPLC－TOF／MS 和GC－TOF／MS 技术手段对代谢物进行靶向及代谢图谱测定，最终鉴定出甘胆酸盐、十八碳六烯酸、亚油酸、肉豆蔻酸、棕榈油酸、脱氧胆酸盐／胆酸盐比值这6 种主要的代谢差异物以及涉及的3 个主要代谢通路，为早期发现和诊断AD 提供了潜在的生物标志物。同时，利用尿液也可以进行代谢物的检测，Yilmaz 等［18］利用1H NMR检测健康人、轻度认知障碍及AD 患者的尿液中的代谢物，并结合支持向量机和Logistic 线性回归模型，找到了11 种发生变化的能区分正常人与AD 患者的代谢物。除了血液和尿液，粪便也是较易采集的检测对象，利用粪便进行代谢组学研究也可以对健康人和AD 患者进行区分并找到潜在的标志物［19］。之前有研究证明，人体中的肠道菌群会产生一些有生物活性的化合物，这些生物活性化合物会与人体产生相互作用，形成一种精细的调节网络，并对各种生理过程产生影响［20］。肠道菌群产生的生物活性物质传送到大脑，影响大脑的新陈代谢、免疫反应等生理过程，这就形成了脑－肠－菌群轴［19－21］。肠道菌群和代谢组学结合，可以更加深入地对AD 的发生发展机制进行研究。

除了对AD 的发病机制作出解释，代谢组学还可以用于解释药物治疗AD 的潜在机制，特别是近年来中药由于具有多活性物质、多靶点、多通道的特征被广泛试验于治疗AD［15，22］，且已取得一定成效。利用代谢组学的方法可以很好地从代谢物的角度去解释中药在治疗AD 时的潜在作用机制［22］。孟喜胜等［23］给予APPswe／PS1dE9 双转基因小鼠恒清Ⅱ号方进行干预，发现恒清Ⅱ号方可以改善APPswe／PS1dE9 双转基因小鼠的认知障碍，通过对AD 小鼠粪便代谢组学进行分析发现恒清Ⅱ号方的抗AD 作用与氨基酸生物合成和代谢通路相关。

2 代谢组学在抑郁症中的应用

抑郁症是精神疾病中常见的情绪障碍类型，它是与基因和环境相互作用的多因素疾病，病理机制非常复杂，往往伴随分子和通路有许多异常变化，目前具体病因尚不清楚［24］。近年来，基于HPLC－MS、GC－MS、1H NMR 等多种组学技术，使用多元统计分析研究抑郁症的病因和治疗靶点。同时，为了对患有严重和持续性抑郁症的患者做出更好的临床诊断，还需要对药物作用机制进行详细的研究和讨论［11］。

血清、血浆、粪便和尿液是用于抑郁症代谢组学研究的常用样本，徐雪娇等［25］基于血清代谢组学技术研究治疗慢性应激（CUMS） 抑郁大鼠，发现L－天冬氨酸、L－苏氨酸、L－谷氨酸、L－丝氨酸、吲哚乙酸和牛磺酸等6 种氨基酸发生显著变化。王翠［26］根据静态血浆代谢组学找到差异代谢物亚麻酸、丙酸、阿洛糖。吕梦等［27］应用1H NMR代谢组学技术研究CUMS 抑郁大鼠粪便样本，共筛选出10 种与抑郁相关的潜在生物标志物，发现天冬酰胺、天冬氨酸、乳酸和丙酸水平显著升高，而苯丙氨酸、酪氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸和脯氨酸水平显著降低。在尿液代谢谱图中，李名花［28］发现了5 个临床产后抑郁研究的生物标志物：亮氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、谷氨酰胺和N－乙酰糖蛋白，涉及到4 条主要的代谢通路：丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢，谷氨酸与谷氨酰胺代谢，牛磺酸代谢和异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸代谢。彭国茳［29］通过代谢组学研究逍遥散对抑郁症的影响，结果表明，它对这五种代谢产物（丙氨酸、苯丙氨酸、马尿酸、柠檬酸和酪氨酸）都有明显的调节作用。李永彪等［30］利用代谢组学技术分析差异代谢物，探讨蜘蛛香环烯醚萜部位（IEFV） 的潜在抗抑郁作用机制，通过MetPA 数据库分析得到7 条潜在靶标代谢通路，包括三羧酸循环（TCA），牛磺酸和亚牛磺酸的代谢，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢等。以大鼠海马这一情绪障碍经典脑区为研究靶点，张玉清［31］发现9种差异代谢物，主要涉及细胞增殖和神经发育功能。刘晓节等［32］利用代谢组学发现了丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，糖降解和糖异生通路和丙酮酸代谢等5 条代谢通路在CUMS 抑郁大鼠中发生显著变化。王锐等［33］建立小鼠慢性社交挫败应激（CSDS） 模型研究大鼠脑代谢物，与正常组相比，模型组前额叶皮质中有26 种代谢物的含量发生了显著改变，其中11 种代谢产物含量增高，15种代谢产物含量降低。对卒中后抑郁的病理生理机制研究检测出了10 种能够将脑卒中后抑郁受试者与健康对照组受试者和中风受试者区分开来的差异性代谢物，其中5 种差异性代谢物被确定为诊断脑卒中后抑郁疾病的潜在生物标志物（乳酸、α－羟丁酸、苯丙氨酸、甲酸和阿拉伯糖醇）［34－35］。在中药药效学方面，代谢组学技术对中药的抗抑郁作用机制研究也发挥了巨大的作用，杜红丽［36］分别从大鼠的血清及海马组织中鉴别得到31、32个与CUMS 诱导的抑郁相关的差异代谢物质。

3 代谢组学在PD 中的应用

PD 是一种常见于中老年人的慢性进行性中枢神经系统变性疾病［37］，主要病理特征是黑质致密部的多巴胺能神经元变性或减少和路易小体积聚，进一步发展亦可影响运动功能，加速PD 的进展，严重降低患者的生活质量［38］。

近年来出现的基因组学、转录组学、蛋白质组学、脂质组学、代谢组学以及与PD 神经变性发病相关的新信号通路，这些新研究手段有助于PD的早期发现和鉴别诊断以及监测疾病进展［39］。当前已经有很多组学研究正在逐渐阐明PD 发病的原因。代谢组学以一种高通量大范围的蛋白质相关技术方法应用于PD 的研究，揭示了一些重要代谢物与PD 具有潜在关系，为PD 的病因学探究带来了很大便利［12］。

王雁等［37］用GC－TOF／MS 血浆代谢组学鉴定了48 种包括草酸、草氨酸、甲基丙二酸、L－半胱氨酸、D－半乳糖醛酸、色氨酸、牛磺酸等在内的正常人与PD 患者之间的差异代谢物。Li 等［40］运用UPLC－QTOF／MS 脑组织代谢组学研究发现，PD 模型大鼠具有显著变化的代谢物包括L－多巴、5′－甲基硫代腺苷、十四烷酰肉碱、植物鞘氨醇－1－P、Cer （d18：0／18：0）、LysoPC （20：4 （5Z，8Z，11Z，14Z ） ）、L－棕榈酰－肉碱、十四烷酰甘氨酸、吗啡肽和硬脂酰肉碱，被认为是参与PD 发病机制的潜在生物标志物。Sato 等［41］发现尿中的8－羟基脱氧鸟苷水平降低可以作为PD 进展的生物标志。有代谢组学研究表明天然抗氧化剂尿酸（UA） 可能在PD 的发生和发展中起作用。血清中UA 水平低的患者可能更容易发生PD，并且UA 与PD 严重程度之间的反比关系对于男性是可靠的，但对于女性则可信性相对较弱［42］。Zhao 等［43］利用LC－MS 的代谢组学方法鉴定17 种PD 代谢物水平明显改变，代谢网络分析发现，涉及的代谢途径与酪氨酸生物合成、甘油磷脂代谢、肉碱代谢和胆汁酸生物合成有关，其中首次报道了肉碱和胆汁酸代谢物作为潜在的生物标志物。研究发现在PD 患者中都出现了许多生物标志物，PD 的运动症状主要是由于黑质（SN） 内多巴胺能（DA） 神经元的丧失引起的［44］。目前，PD 的症状是可以缓解治疗的，基本上用多巴胺替代或通过深部脑刺激来抑制病理性神经元缺失。

综上所述，很多疾病由于早期症状并不明显，且缺乏灵敏度高、特异性好的诊断方法或生物标志物，为后续的诊断和治疗带来诸多的困难，中枢神经类疾病的早期症状更为隐匿。随着代谢组学技术的蓬勃发展，新的技术平台层出不穷，已被广泛应用于多种疾病发病机制的阐释、诊断标志物的发现、疾病分期的判别、预后的判定［45－46］。代谢组学在中枢类神经疾病早期诊断标志物的发现方面的研究已有开展，但目前仍处于初始阶段，很多研究仍旧停在动物实验上，缺乏临床样本数据的支持与验证。未来随着分析技术平台的进一步发展，组学数据库尤其是二级碎片离子库的日益完善、临床样本的大规模的验证研究，实验结果的临床转化，代谢组学在中枢神经类疾病的研究与应用中会更加深刻，在早期诊断标志物的发现与应用中极具前景。