代谢组学技术在代谢综合征诊疗中的应用进展

唐玥，韩宇博，隋艳波，邹国良，樊德慧，陈美慧，刘莉

(1.黑龙江中医药大学，哈尔滨 150040； 2.黑龙江中医药大学附属第一医院心内一科，哈尔滨 150040)

代谢综合征是一种由快速生活方式和饮食改变等因素共同引起的代谢异常症候群[1-2]，常聚集发病。流行病学调查显示，我国天津地区代谢综合征的发病率为22.76%，其中男性发病率为31.98%，女性为9.67%[3]，代谢综合征增加了多种心血管疾病[4]及神经系统疾病[5]患病风险，给社会和家庭均带来沉重的经济负担。但代谢综合征的诊疗依托于其构成的每一组分，初期整体临床症状不明显，早期诊断率低，且缺乏有效的预防手段[6]。代谢组学是近年来生物信息学中继基因组学、蛋白组学后出现的一种可更精确反映代谢物与生物体生理病理变化的学科，可通过代谢图谱、代谢指纹图谱和代谢足迹对人体各生理活动期内所有低分子量代谢产物进行定性和定量分析[7]。代谢组学技术还可帮助临床医师了解代谢综合征的发生发展，同时监测基因、环境、药物以及生活方式等改变对机体代谢状态造成的影响。现就代谢组学技术在代谢综合征诊疗中的研究进展予以综述。

1 代谢组学技术概述

代谢组学技术是一门以物理为基础的分析化学、以数学计算建模为基础的化学计量学、以生物化学为基础的生命科学的融合学科，可分析生物体内源性代谢物质及变化规律。目前最常用的两种代谢组学技术是核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)和色谱-质谱联用。

1.1NMR NMR技术应用静磁场和射频磁场引起特定原子核共振释放能量衰减差异成像原理，具有样品预处理和制备简单、可同时处理多种生物流体、可高水平实现实验重现等特点，广泛用于生物体液、组织、细胞提取液及活体组织分析。其具有无损的特性，对于未知代谢物鉴定的优势显著。NMR能够完成大多数代谢物样品检测，且具有多参数动态分析、无偏向性分析以及对所有化合物灵敏度均相同等特性[8]。但由于灵敏度低、分辨率不高、难以检测丰度较低的化合物以及同一代谢物会出现多个信号重叠等问题，NMR在代谢组学领域的广泛普及受到限制[9]。

1.2色谱-质谱联用 色谱-质谱联用技术结合了色谱的高分离度、质谱的高灵敏度及高特异度等特点，可以快速定性代谢物并准确进行定量分析，无信号重叠，同时对低丰度化合物也较灵敏[10]，因此，对于多重反应监测至关重要，可确保多个化合物的准确定量。近年来，中心切割多维气相色谱技术不断革新，通过串联多种不同的色谱柱将难以分离的物质在不同的色谱柱上高效分离，以增大峰容量、提高分辨率，使定性和定量更加准确[11]。从气相-色谱联用技术到液相色谱-质谱联用技术，从超高效液相色谱-质谱联用技术再到高效液相色谱-高分辨率质谱技术，色谱-质谱联用技术经历了一系列有关分离效率、检测灵敏度等方面的变革，克服了分离组分定性困难等问题，已广泛用于各种代谢组学研究。

2 代谢组学技术中常见代谢物对代谢综合征的诊断

2.1血浆代谢组学诊断技术 血浆代谢物分析是代谢组学研究中最常用的方法。Gong等[12]通过靶向高效液相色谱-质谱联用发现，代谢综合征患者血浆代谢物中羟癸酰肉碱和甲基戊二酰肉碱水平降低均与代谢综合征的发生风险相关。动物研究也显示，肥胖大鼠血浆肉碱水平降低，补充肉碱可不依赖于肌肉线粒体脂肪酸氧化能力改善胰岛素敏感性[13]。而胰岛素敏感性降低是代谢综合征的一个重要发病机制，因此，通过监测代谢综合征患者血浆代谢物中肉碱水平变化，可以发现新的代谢综合征诊断的敏感生物标志物。另外，Carioca等[14]采用电喷雾串联质谱法对血浆样品中的注释代谢物进行靶向定量分析，校正混杂因素线性回归评估代谢当量化合物平均差后发现，丝氨酸与代谢综合征呈负相关。血浆丝氨酸和1-脱氧二氢神经酰胺谱改变与2型糖尿病及肥胖的神经病变密切相关[15]。高血糖和肥胖均是代谢综合征的重要组分，探索代谢综合征患者血浆代谢物中丝氨酸与神经病变的相关性可以为代谢综合征相关神经病变的诊断提供新思路。此外，采用液相色谱四极杆飞行时间质谱技术分析发现，在代谢综合征患者血浆中存在23个潜在生物标志物，且主要与三羧酸循环、半乳糖代谢、花生四烯酸代谢以及缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸的降解及生物合成有关；同时，使用酶联免疫吸附法测定代谢综合征患者与正常受试者血浆中亮氨酸和缬氨酸水平，结果也支持代谢组学实验结果[16]。

2.2尿液代谢组学诊断技术 除血液样本采集外，尿液样本采集也是目前生物体液代谢组学研究较经典的采集方式。尿液样本采集不具有侵入性，且可实现样本的连续收集，经肾小球滤过后，氨基酸、小分子有机酸等成分被浓缩，检测更方便。Esperanza等[17]对11例代谢综合征患者与13例对照受试者的尿液样本进行非靶向代谢组学分析，经甲醇提取和酸化后提交血液液相色谱-高分辨质谱，并将得到的数据在MSaboScape平台上分析，结果发现，代谢综合征患者与对照受试者尿液中的吲哚-3-乙酸、吲哚-3-乙酸-O-葡萄糖醛酸、N-(吲哚-3-乙酰基)谷氨酰胺、吲哚-3-甲醛以及羟己肉碱水平比较差异均有统计学意义，代谢综合征患者尿液中的吲哚-3-羧酸丰度较对照受试者高2.13倍。吲哚-3-羧酸及其相关衍生物的酰基葡萄糖醛酸代谢产物是AMP活化的蛋白激酶的直接激活剂[18]，在体内外均具有优异的降糖效果[19]。另外，Shim等[20]采集代谢综合征患者清晨冰冻尿液样本评估代谢产物，结果显示，代谢综合征患者尿液中的γ-氨基丁酸和d-焦谷氨酸水平显著升高，N-乙酰D-色氨酸水平显著降低，其中γ-氨基丁酸与收缩压等心血管代谢特征显著相关，N-乙酰D-色氨酸与血压、血糖、三酰甘油水平呈负相关。γ-氨基丁酸是一种非蛋白质氨基酸，具有降血压、降血糖、增强记忆力、抗癌等功效，代谢综合征患者的γ-氨基丁酸随尿液大量流失，导致患者血压、血糖均升高。因此，尿液样本中的吲哚-3-羧酸、γ-氨基丁酸均有可能成为代谢综合征诊断的生物标志物。

3 代谢组学技术对代谢综合征的预测

代谢综合征可通过改变体内葡萄糖、脂肪、氨基酸及其代谢产物相关的代谢途径，影响易感人群的代谢水平[21]。因此，尽早发现代谢产物的微妙变化，有利于代谢综合征的早期预测，同时还可有效降低糖尿病及心血管疾病等的发生风险。有学者通过整合临床、社会人口统计学和饮食习惯等参数建立多维非靶向代谢组学预测模型，结果发现，在代谢综合征发生前5年，谷氨酸、苯丙氨酸、葡萄糖、脱氧葡萄糖磷酸盐和亚油酸-甘油磷酸胆碱5个预测生物标志物的特定代谢谱均下调，并具有微妙的表型差异[22]。此外，有研究者利用气相色谱-质谱联用技术和随机森林模型代谢组学技术分析代谢当量，通过随机森林模型重要度排序发现，2-羟基丁酸、肌醇和D-葡萄糖等代谢物可能成为代谢综合征早期诊断的潜在生物标志物；与临床数据建模相比，用代谢物建立模型的误分率更低、准确率更高[23]，两者结合或可早发现、早干预代谢综合征易感人群，降低代谢综合征的发病率。

4 代谢组学技术对代谢综合征的鉴别诊断

肥胖和代谢综合征均是2型糖尿病和心血管疾病的独立危险因素[24-25]，两者发病机制相似，但又不完全相同，目前临床尚无准确的区分方法。Zhong等[26]利用质谱的靶向代谢谱分析了221种代谢物，以评估肥胖患者与代谢综合征标准模型的关系，结果发现，嘌呤代谢以及缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、色氨酸降解等代谢途径的特定代谢产物均与代谢综合征存在显著相关性；此外，通过鉴定肥胖患者与代谢综合征标准模型发现，丙氨酸、反式-4-羟脯氨酸等15种代谢物的变量投影重要性分析值为1.59～2.43，且代谢综合征标准模型组这15种代谢产物水平均高于肥胖患者。另外，代谢综合征与脂肪肝发病机制相似，通常与胰岛素抵抗有关[27]。有研究者通过哺乳动物与其肠道微生物共代谢物及代谢途径区分代谢综合征与非酒精性脂肪性肝病[8]。综上，可有针对性地运用代谢组学技术鉴别代谢综合征与其他相似疾病，同时还可根据组织代谢物满足代谢当量的标准数量对代谢综合征患者状态进行评估，均有助于代谢综合征与其他相似疾病的鉴别以及疾病不同阶段的危险分层。

5 不同种族间代谢综合征患者的代谢差异

不同种族代谢综合征患者的代谢产物存在差异，了解不同种族间代谢谱的差异，对于全面了解人类代谢综合征代谢谱的变化具有深远意义。Roberts等[28]通过分析美国巴尔的摩老龄化纵向研究与日本鹤冈代谢组学队列研究发现，这两个研究中患者种族不同、特征明确；进一步通过多变量逻辑回归确定两个队列中代谢产物与代谢当量的相关性，校正错误发现率后发现，两个队列中大部分代谢物存在显著差异，但在25种差异最显著的代谢物中，有18种代谢物在美国巴尔的摩老龄化纵向研究与日本鹤冈代谢组学队列研究中均处于重要地位，且多为氨基酸类，涉及代谢综合征的多种生化途径，包括支链氨基酸代谢、谷胱甘肽生产、芳香氨基酸代谢、葡萄糖异生和三羧酸循环等。虽然不同种族间的代谢物水平存在差异，但通过不同队列研究中的重叠代谢物可知氨基酸代谢改变是代谢综合征的核心特征。

6 代谢组学技术监测代谢综合征患者代谢物水平变化

6.1评估运动对代谢综合征患者代谢物的影响 根据靶向代谢谱的变化，对干预治疗前后生物体液代谢物水平进行精准分析，不仅可评估疾病的进展，还可评估药物、生活方式等治疗方法对代谢综合征的改善情况。目前的代谢组学研究普遍认为，运动会使支链氨基酸、三羧酸循环糖酵解、氧化应激、胰岛素敏感性以及脂肪酸等产生良性改变[29]。Palmnäs等[30]探索代谢产物代谢谱、体质指数与活动能量消耗及体育活动的关系，并采用质子NMR法进行血清代谢组学分析，结果显示，代谢综合征风险和肥胖程度较高的受试者丝氨酸、甘氨酸水平均较低，且随着活动的增加，丝氨酸、甘氨酸水平也逐渐升高。由此可见，在超重或肥胖状态下，较低的丝氨酸和甘氨酸水平可能由丝氨酸进入新生鞘脂合成所致。除实验室检查和体质指数外，运动前后的代谢物分析作为一种更精密的衡量标准在代谢综合征评估中也具有更广阔的应用前景。

6.2评估饮食对代谢综合征患者代谢物的影响 牛奶具有很好的改善代谢综合征的作用[31]。调查显示，乳制品的摄入，特别是低脂肪含量牛奶和新鲜乳制品摄入，可改变代谢当量受试者血浆中的代谢物；乳制品的摄入增加可促进血浆C15:0脂肪酸的积累，且与循环中的溶血磷脂、鞘脂、谷氨酰基氨基酸以及白三烯B4水平呈负相关[32]。Xu等[33]观察代谢综合征肥胖患者摄入低脂牛奶或等热量米奶后代谢谱的动态变化，结果发现，餐后代谢谱以时间依赖的方式区分低脂牛奶和米奶消耗，代谢生物标志物(如叶酸、亮氨酸/异亮氨酸和腺嘌呤)在两种测试饮品中也具有显著不同的代谢趋势。因此，基于代谢物代谢通路的数据分析，可以通过监测牛奶等膳食干预机制调节餐后代谢紊乱。

除乳制品外，橄榄果实和橄榄油的重要成分羟酪醇也可改善大鼠代谢综合征。Lemonakis等[34]应用非靶向代谢组学UPLC-Orbitrap和UPLC-QqTOF技术鉴定慢性羟酪醇给药对血浆代谢物的影响，结果发现有31种代谢物出现差异表达，羟酪醇可降低不饱和脂肪酸的生物合成以及亚油酸、视黄醇、鞘脂类及花生四烯酸等的代谢水平，同时上调甘油酯代谢水平。这可能是羟酪醇保护高碳水化合物、高脂肪饮食喂养大鼠心血管和肝脏以及改善代谢状态的作用机制。

目前临床尚缺乏针对代谢综合征的治疗药物，大多采用不同组分药物联合应用，共同干预。中药复方具有多成分、多通路、多靶点等特性，同时与代谢综合征的复杂发病机制相吻合，因此可通过监测中药复方治疗前后代谢综合征患者血清代谢物的变化[35-36]确定其疗效，为中医药治疗代谢综合征提供依据。

7 小 结

随着代谢组学技术的不断发展，可以进一步通过寻找代谢综合征诊断的核心靶点、监测代谢综合征患者生物体液代谢物的变化，为代谢综合征的诊断与鉴别诊断提供理论依据。但目前关于代谢综合征患者代谢物的研究多为小样本量研究，未来还需要大样本、多中心的前瞻性研究进一步验证关键代谢物生物学变化的稳定性，以筛选出早期诊断的有效生物标志物。运用代谢组学技术研究代谢综合征发展前景广阔，但如何应用于临床仍需要深入研究。