糖尿病微血管病变代谢组学研究进展

王焰，查云飞

(武汉大学人民医院放射科，武汉 430060)

糖尿病是一种以高血糖为特征的慢性代谢紊乱性疾病。糖尿病微血管病变是糖尿病特有的慢性血管并发症，其中糖尿病肾脏疾病(diabetic kidney disease，DKD)、糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR)和糖尿病神经病变(diabetic neuropathy，DN)是最常见的微血管并发症，且分别是导致终末期肾损伤、成人失明、非创伤性截肢的主要原因。1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)均会对微血管系统产生不利影响，因此控制血糖可延缓糖尿病微血管病变的进展[1]。代谢组学在探索疾病的病理生理机制、发现特异性生物标志物方面均具有显著优势。筛选出高特异度及高灵敏度的生物标志物对糖尿病微血管病变的预测、诊断及治疗均具有重大意义。代谢组学研究可揭示常规研究方法无法发现的疾病相关的差异代谢通路和生物标志物，为早期有效控制疾病发生提供新的治疗靶点。目前糖尿病微血管病变各个靶器官代谢组学研究已取得一定进展，但尚未见系统的归纳、分析。现就糖尿病微血管病变代谢组学研究进展予以综述。

1 代谢组学技术

代谢组学主要研究生物整体、器官或组织内源性代谢物质代谢途径受激或扰动后的变化或随时间的变化。代谢组学的研究流程包括实验方案设计、样品收集、样品预处理、检测及鉴定、数据采集、统计分析、生物标志物筛选等步骤。常用的代谢组学分析技术包括核磁共振波谱法(nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR)、色谱-质谱联用等。目前尚无可通用的代谢组学新技术，主要的技术平台是多种分析技术的集成。代谢组学主要通过收集动物模型或患者组织、体液，运用检测分析技术研究其代谢通路及代谢物的变化。代谢组学的应用主要包括3个方面：①通过生物标志物的富集找出疾病相关的差异代谢通路，深化对其发病机制的理解；②通过生物标志物的对比及模型的建立实现疾病早期预测、诊断；③根据生物标志物的变化趋势进行临床疗效评价、预后及病程监控。

2 代谢组学在糖尿病微血管病变研究中的应用

糖尿病微血管病变是指由长期高血糖状态导致的机体代谢紊乱以及各种细胞因子和激素失衡引发的微血管形态、功能障碍，多伴随慢性炎症反应、血管内皮损伤和微血栓形成。血管再生失调、氧化和高渗应激以及晚期糖基化终末产物和Toll样受体触发的炎症通路的激活可能是糖尿病微血管病变关键的致病机制[2]，但具体机制目前尚未完全阐明。糖尿病微血管病变可导致多个靶器官代谢紊乱，如DKD、DR、DN、糖尿病脑微血管病变及糖尿病心肌病等。由于不同组织、器官的微血管具有各自的特点，对损伤、修复的反应也不同，同时相关的代谢通路及生物标志物也存在差异，因此开展不同靶器官的研究很有必要。

2.1DR DR是糖尿病最常见的微血管并发症之一，分为非增殖性DR和增殖性DR两个阶段。糖尿病视网膜微血管病变包括微循环通透性增加、内皮细胞增生、水肿以及视网膜异常新生血管形成等[3]。视网膜微血管功能障碍导致的视网膜缺血和缺氧被认为是DR的关键因素之一[4]。DR与糖代谢通路改变有关，其中，多元醇途径通量增加可引起或加剧氧化应激，是导致DR的主要因素之一。如Chen等[5]利用气相色谱-质谱联用技术发现，DR患者血浆中与磷酸戊糖途径有关的代谢物增多，而磷酸戊糖途径可减缓多元醇途径通量增加导致的氧化应激。Curovic等[6]研究TIDM患者DR不同进展阶段血清代谢物的变化，结果发现核糖酸、核糖醇与DR进展有关。此外，有研究通过比较DR患者与正常对照者的房水和玻璃体发现，与DR相关的糖代谢途径包括糖异生、抗坏血酸-醛糖代谢[7]。研究显示，高血糖和抗坏血酸与血管生成有关[8-9]。

DR还与多种氨基酸代谢异常有关，包括精氨酸、瓜氨酸、支链氨基酸(branched chain amino acids，BCAAs)、甘氨酸、色氨酸、谷氨酸等。其中，精氨酸、瓜氨酸代谢途径失调与DR的发生发展密切相关[7，10-12]。糖尿病状态下视网膜精氨酸酶Ⅱ过度活跃可导致一氧化氮合酶通路所需的精氨酸缺乏，进而导致一氧化氮缺乏，引发内皮细胞功能障碍和血管舒张功能受损[7]。此外，精氨酸、瓜氨酸和一氧化氮水平也受不对称二甲基精氨酸水平的影响，不对称二甲基精氨酸是一氧化氮合酶的有效抑制剂，可通过增加活性氧、诱导细胞衰老损害内皮功能，与糖尿病的微血管并发症有关[12]。Wang等[7]研究发现，BCAAs生物合成代谢途径与DR发生发展密切相关，且BCAAs主要通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路加速DR发展。Tomita等[13]发现，增殖性DR患者玻璃体液中的肌酸减少，而肌酸是甘氨酸降解的副产物，表明甘氨酸代谢途径发生改变，肌酸可能有助于减少视网膜新生血管形成。代谢组学研究发现，色氨酸-犬尿氨酸代谢途径与DR高度相关[14]；此外，血浆谷氨酰胺与谷氨酸的比值也可作为预测T2DM患者DR的生物标志物[15]。

脂质紊乱与DR的病程进展密切相关。Xuan等[16]利用代谢组学研究发现，轻度DR患者血清中的13种脂质亚类发生显著变化。其中，多不饱和脂肪酸具有调节视网膜毛细血管完整性、新生血管形成和炎症的能力。Zuo等[17]研究发现，健康人群、T2DM患者、DR患者的多不饱和脂肪酸水平呈明显下降趋势，而多不饱和脂肪酸水平降低可导致炎症细胞因子发生改变，从而增加DR的发生风险。

除糖代谢、氨基酸代谢、脂代谢以外，其他代谢物也在DR发生发展中发挥重要作用。Xuan等[18]基于多平台的代谢组学研究发现，DR患者血清12-羟色胺和2-哌啶酮水平升高，其中12-羟色胺可诱导人视网膜内皮细胞内质网应激，2-哌啶酮可促进血管生成。此外，还有研究发现，2，4-二羟基丁酸、3，4-二羟基丁酸也与T1DM患者DR的进展有关[6]。

2.2DKD DKD是糖尿病引起的慢性微血管并发症之一，目前DKD的临床诊断主要依据肾小球滤过率、尿微量白蛋白检测和病理活检。DKD的主要病理基础是糖尿病微血管病变，早期主要改变包括肾小球系膜区增宽、肾小球毛细血管基膜增厚以及肾小球滤过率增加；后期主要改变包括肾小球、肾小管间质纤维化以及肾小球滤过率降低等。在与DKD相关的代谢物和途径中，最受关注的是BCAAs和芳香族氨基酸。Tofte等[19]通过非靶向代谢组学研究发现，T1DM患者血清BCAAs水平降低，且与肾小球滤过率呈正相关，代谢性酸中毒可导致BCAAs代谢增加。Mutter等[20]采用NMR分析发现，T1DM患者尿液BCAAs水平与DKD患者病程进展密切相关。Chou等[21]研究发现，T2DM合并DKD患者血浆色氨酸水平与肾小球滤过率呈正相关，色氨酸可分解为吲哚硫酸酚，从而诱导氧化应激，而氧化应激是微血管病变的主要致病机制之一。此外，一项关于代谢组学的荟萃分析发现，血液谷氨酰胺可作为非侵入性早期诊断DKD的生物标志物之一[22]。

脂肪酸代谢紊乱在DKD发生发展中发挥重要作用[23]。Zhang等[24]通过代谢组学技术发现，3种非酯化脂肪酸代谢产物[十六酸(C16∶0)、亚油酸(C18∶2N6T)和亚油酸(C18∶2N6C)]在DKD患者中显著升高。Saulnier等[25]通过研究T2DM合并DKD患者尿液代谢产物发现，短链非酯化脂肪酸与糖尿病早期肾脏内皮细胞结构破坏有关。鞘磷脂是足细胞膜脂阀的结构成分，对于维持肾小球滤过功能十分重要。有研究发现，微量蛋白尿、大量蛋白尿DKD患者血清中4种鞘磷脂代谢物[鞘磷脂(18∶1/16∶1)、神经酰胺(18∶1/16∶0)、葡萄糖神经酰胺(18∶1/18∶0)和鞘氨醇]水平均显著升高，且这4种鞘磷脂代谢物与尿蛋白肌酐显著相关[26]。此外，Tofte等[27]通过非靶向血清脂质组学发现，鞘磷脂和磷脂酰胆碱类化合物增加与T1DM患者肾功能损害风险及全因病死率降低有关。

肾脏线粒体功能障碍是导致DKD的关键病理因素。线粒体与高血糖诱导的氧化应激显著相关，而氧化应激可导致内皮功能受损，是糖尿病微血管和大血管病变的主要原因之一。Sharma等[28]研究发现，伴有终末期肾病的T1DM患者的13种尿液代谢物显著减少，其中12种差异表达的代谢物与线粒体代谢有关，提示线粒体功能障碍是DKD的关键特征。此外，有研究通过非靶向代谢组学分析DKD患者的尿液代谢产物，结果发现泛酸和辅酶A生物合成途径可作为DKD的潜在治疗靶标[29]。泛酸是辅酶A的关键前体，在线粒体能量代谢中起重要作用。

2.3DN DN是指由慢性高血糖引起的各种病理生理学改变导致的神经系统损伤，可累及全身任何部分，包括周围神经病变、中枢神经病变，最常见的是周围感觉神经病变。其病理生理机制包括糖尿病微血管病变导致供应神经元的血管功能障碍以及高血糖引起的神经细胞自身损伤，神经细胞缺血、缺氧导致DN。与DKD和DR相比，基于代谢组学的DN研究较少。Freeman等[30]利用气相色谱-质谱联用技术研究发现，链脲佐菌素诱导的T1DM模型大鼠远端坐骨神经线粒体氧化磷酸化显著上调、脂质代谢紊乱。另有研究发现，注射链脲佐菌素的小鼠22周后出现感觉丧失和伤害性感觉神经分支减少；进一步通过气相色谱-质谱联用技术研究发现，小鼠坐骨神经三羧酸循环受损，导致能量代谢障碍和神经损伤[31]。此外，Mathew等[32]利用代谢组学研究发现，三羧酸循环及氨基酸代谢与T1DM患者心脏自主神经病变的进展有关。目前严格控制血糖是治疗DN最有效的方法，通过代谢组学深入研究可为DN的治疗提供新思路。

2.4糖尿病脑微血管病变 通常情况下，糖尿病脑微血管病变始于微血管的血流动力学异常，进而导致微血管栓塞、闭塞，引起大脑结构和功能异常。糖尿病脑微血管病变致病机制复杂，涉及多元醇代谢异常、氧化应激、蛋白激酶C激活等。脑微血管损伤可导致代谢物跨血-脑屏障异常转运，而对于脑脊液的代谢组学研究可在一定程度上反映脑的代谢变化。有研究通过1H-NMR分析伴有微血管并发症的T2DM患者的脑脊液，结果发现亮氨酸、酪氨酸、缬氨酸、丙氨酸、丙酮酸和乳酸水平均显著升高，组氨酸水平显著降低，提示T2DM患者脑循环有氧代谢减少，无氧糖酵解增加[33]。因此，利用代谢组学识别脑脊液生物标志物，有助于预测和阐明糖尿病脑微血管病变的病理生理机制。

2.5糖尿病心肌病 作为糖尿病慢性微血管并发症之一，糖尿病心肌病定义为糖尿病患者存在心肌功能障碍而无典型的心血管危险因素。心肌微血管系统可调节心肌血流，促进氧气、营养物质和激素向心肌输送以及代谢终产物的清除。心肌微血管病变是糖尿病心肌病主要的致病机制之一，表现为微血管周围纤维化、毛细血管基底膜增厚及密度降低。

代谢组学研究有助于阐明糖尿病心脏微血管病变导致的心肌代谢紊乱，进而阐明糖尿病心脏微血管病变的致病机制，发现糖尿病心肌病的生物标志物。Rohm等[34]通过气相色谱-质谱联用研究糖尿病模型小鼠的心脏组织，结果发现小鼠心脏组织丙酮酸、乳酸、丙氨酸、三羧酸循环代谢产物和BCCAs水平均增加，表明心肌葡萄糖氧化代谢受到抑制。此外，还有研究利用1H-NMR结合高效液相色谱发现，糖尿病心肌病模型大鼠心脏组织能量代谢物减少、脂质代谢增强、BCCAs水平升高[35]，表明能量合成和代谢变化均与糖尿病心肌病有关。但目前关于糖尿病心肌病代谢组学的研究仍较少。

3 小 结

目前关于代谢组学与糖尿病微血管病变的研究仍处于探索阶段，基于代谢组学的DR、DKD研究很多，针对DN、糖尿病心肌病、糖尿病脑微血管病变、骨髓肌肉微血管病变的代谢组学研究则较少。目前检测通量受限及生物标志物的结构鉴别是代谢组学的难点，同时缺乏操作标准也导致研究结果缺乏可比性，使数据交流困难。随着“后基因组”时代的发展，整合多组学的研究成果、建立糖尿病微血管病变的多组学整合评价体系、识别糖尿病微血管病变不同靶器官相关的生物标志物以及实现对糖尿病微血管病变致病机制的深入探索等，对糖尿病微血管病变早期诊断、风险预测、预后评估均至关重要。此外，未来的研究还可通过整合代谢组学与影像组学生物标志物，使糖尿病微血管病变在影像上实现可视化，为早期诊断和预测提供帮助。