尿液代谢组学的应用研究

2021-01-06田智刘锐卢梦月刘付昌盛

世界最新医学信息文摘 2021年58期

田智，刘锐，卢梦月，刘付昌盛

(1.广西中医药大学，广西南宁 530000；2.广西中医药大学附属瑞康医院，广西南宁 530000)

0 引言

代谢组学是继蛋白组、基因组等技术之后开发的一门新兴技术，通过对差异代谢物及所涉及的代谢通路分析疾病治疗过程中的相关机制[1]。其目的主要是利用核磁共振(NMR)[2]、液相与质谱联用(LC-MS)[3]、气相与质谱联用(GC-MS)[4]等代谢分析平台，分析差异性代谢产物，根据标志物及代谢通路利用数据库分析疾病等变化[5]。目前，代谢组学已成为新的研究工具[6]。生物体液是代谢组学研究的主要样本来源之一，在生物体液中包括血液、痰液、尿液等，因尿液最易收集所以最为常用[7]。传统的使用血液的实验室测试仍然是最常见的诊断手段，但这种方法是侵入性的通常患者依从性差。因此，必须开发使用更方便的样本的准确和具体的测试。尿液收集是无创的，不需要病人准备或消耗，这大大提高了依从性。因此在代谢组学分析中，特别是在临床实践[8]中是首选的。代谢组学方法在[9]的许多临床领域有助于诊断和治疗学的发展。液相色谱(LC)与质谱(MS)或核磁共振(NMR)检测相结合，是尿液代谢组学[10]中一种很有前途的微分离平台。

1 代谢组学研究方法

完整的代谢组学研究方法在分析前需进行样本收集，在收集样本的选择上生物样品的来源主要有生物体液、组织及细胞，沉淀蛋白、固相萃取法等是生物体液的主要预处理方法，而组织、细胞可利用超声破碎技术提取[11]，收集样本后保存在-80℃冰箱。在分析前将样本在冰上解冻后，在仪器上进行分析，通过主成分分析和偏最小二乘判别法分析法等建立模型，并对模型进行验证，最后筛选出差异性代谢物。结合HMDB(Human Metabolome Database)、KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)等代谢组学的数据库，并找出差异性标记物所相关的代谢通路，并其进行分析。

2 尿液取样方法

尿液是代谢组学中最常见的标本[12]。并且较其他样本更易于收集，在代谢物的定量、定性和数据分析中可以连续重复取样[13]。尿液作为人体的排泄物，尿液中的代谢物可能与疾病的发生发展、药物的代谢变化密切相关。正因为如此，有研究者做出了相当大的努力来研究尿代谢组学作为诊断工具[14]。尿液的样品前处理相较于血液等较简单，因为它缺乏复杂性和较低的蛋白质含量，从而使它特别适合代谢组学[15]。但目前仍需要大量的发展工作来完善尿代谢组学的标准化，并验证早期的报告。有必要阐明其他疾病的诊断概况和纵向分析，以评估治疗和评估预后。

3 尿液代谢组学的数据库

代谢组学是一个新兴的“组学”研究领域，该代谢体可以被定义为在一个特定的细胞、器官或有机体中发现的所有小分子代谢物的完整补体[16]。它与基因组、转录组和蛋白质组非常相似。由于人类基因组项目，大部分的人类基因组，转录组和蛋白质组现在已经已知，数据可以通过电子方式获得。但是，人类的新陈代谢体还不明确。为了纠正这种情况，人类代谢项目(HMP)于2004年启动，这是识别和量化人体体内所有可检测的代谢物的一部分。除了实验识别和量化不同体液中数百种代谢物，这个多年项目的正式任务是为了确认所有以前识别的代谢物的信息，并提供这些信息作为一个称为人类代谢数据库(HMDB)的免费电子数据库。研究人员使用核磁共振(NMR)光谱、质谱(MS)、化学结构或化学公式搜索的数据库[17]。并需要寻找代谢物的浓度、性质、位置或代谢物-疾病关联。因此，代谢组学数据库不仅需要关于化合物和反应的信息，而且需要关于化合物浓度、生物流体或组织位置、物理性质和已知疾病关联等数据。这些数据需要随时获得，实验验证，充分引用，容易搜索、解释，它们需要尽可能多地覆盖人类的新陈代谢体开发了HMDB数据库。

4 尿液代谢组学在疾病中的应用

尿液代谢组学已广泛应用于各种疾病的研究，代谢组学可以帮助识别疾病生物标志物，提高对疾病发病机制和药物效应的认识[18-19]。代谢组学是一个快速扩展的领域，可以描述细胞的代谢途径，它提供了一个强大的工具来评估一个人的生理状态，它产生了比简单的基因表达[20]更接近表型的细胞活动快照，从而为确定疾病进展的新生物标志物和进一步阐明疾病发展的潜在病理生理机制提供了宝贵的资源，最重要的是，它可能揭示新的治疗靶点，以获得新的洞察药物作用机制。有研究者采用代谢组学技术研究慢性萎缩性胃炎大鼠尿中的内源性差异代谢物，发现有68种差异代谢物，25种表达上调，43种表达下调[21]。主要代谢途径为D谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢，组氨酸代谢和嘌呤代谢。段晓璐等[22]利用核磁共振技术研究肾结石患者和健康对照组对比差异性代谢产物，发现两组共15种代谢物的浓度明显不同，4种代谢途径，发现乙醛酸盐和二羧酸盐代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、苯丙氨酸代谢和柠檬酸循环(TCA循环)与肾结石密切相关。有研究[23]表明肾损伤是使用顺铂的主要副作用之一，代谢组学分析可以允许识别顺铂的肾毒性机制和识别顺铂诱导的损伤的生物标记物，代谢组学分析表明，37和35内源性代谢物水平分别在大鼠尿液和肾脏中发生变化，破坏了7条关键代谢途径，包括三羧酸循环(TCA循环)、苯丙氨酸代谢、牛磺酸和低磺酸代谢和烟酸和烟酰胺代谢等代谢通路。吴桂霞等[24]研究丹红注射液治疗高血压大鼠的尿液代谢物的特点，发现丹红注射液在改善机体内环境，调节代谢物的排泄等方面发挥作用。邵晓妮等[25]发现慢性高尿酸血症性肾病大鼠肾脏和尿液共有26中相同的差异代谢物，其中葡萄糖、天冬氨酸、谷氨酰胺和甲基腺嘌等可能为潜在标记物，肯与肾功能的损伤密切相关。

5 尿液代谢组学对中医证型的研究

随着尿液代谢组学的发展，发现可对中医的证型研究提供有效研究手段，为中医证型提供客观依据。杨梦等[26]应用采用代谢组学(UPLC-Q/TOF-MS)技术，对比正常组和心气阴虚证心衰大鼠尿液代谢产物，发现25种潜在生物标记物，主要与氨基酸代谢、脂代谢等相关。李静等[27]研究冠心病血瘀证大鼠尿液代谢组学变化，发现冠心病血瘀证模型主要涉及泛酸和辅酶A生物合成、丙酮酸代谢、嘌呤代谢等代谢通路。苟小军等[28]应用代谢组学技术研究非酒精性肝病肝胆湿热患者尿液代谢物特征，发现12个差异代谢产物，与肝胆湿热证患者密切相关的通路主要涉及色氨酸代谢、糖酵解或糖异生等代谢通路。

6 尿液代谢组学在中药复方中的应用

中药复方具有多成分、多靶点、多通路等特点，中药复方机制一直是研究的难点，但代谢组学可以为中药复方治疗后机体代谢变化提研究供方法，在整体上寻找中药复方代谢后的差异性代谢产物及所涉及的相关通路，从中分析出中药复方的治疗特点和优势。左健等[29]利用尿液代谢组学技术和网络药理学研究证明清络饮可以改善关节炎大鼠的脂肪酸、氨基酸和能量代谢。刘志刚等[30]通过代谢组学研究六味补气胶囊治疗治疗COPD稳定期肺气虚证患者，分析治疗前后血浆和尿液，并对数据进行代谢组学分析，发现血浆中的十六烷酸、组氨酸、赖氨酸、苏氨酸等含量趋势发生变化，尿液的代谢物比治疗前有改变，各代谢物趋势向健康组的代谢物趋势发展。刘婷等[31]研究口服葛根芩连汤后大鼠的尿液、血液和粪便等代谢产物，分析发现代谢途径包括甲基化、脱甲基化和葡萄糖醛酸共合等，进一步了解葛根芩连汤的吸收和代谢，为临床药理研究提供客观依据。王鑫等[32]建立了一种基于超高效液相色谱结合Q-Exactive四极静电场轨道质谱(UPLCQ-ExactiveOrbitrap-MS)的尿液代谢组学方法，观察糖尿病视网膜病大鼠的代谢变化，研究补肾活血方对糖尿病肾病的治疗作用，结果发现了9种与糖尿病肾病相关的潜在生物标志物，研究发现这些生物标志物主要与脂质代谢、色氨酸代谢和肠道微生物代谢有关。金一宝等[33]通过代谢组学技术研究辛伐他汀对不同性别小鼠尿液代谢的影响，发现6个主要差异代谢物，与体内脂类代谢有关，雌鼠和雄鼠表现出不同的变化规律。