代謝組學(xué)在骨質(zhì)疏松癥中的應(yīng)用進(jìn)展

王高祥 尹恒 王建偉*

1．南京中醫(yī)藥大學(xué)，江蘇 南京 210000 2．南京中醫(yī)藥大學(xué)無錫附屬醫(yī)院，江蘇 無錫 214000

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種早期沒有典型癥狀的全身代謝性骨骼疾病[1]。中老年人一旦發(fā)病易導(dǎo)致骨折。骨質(zhì)疏松性骨折危害巨大，可致殘致死[2]。因此，早發(fā)現(xiàn)、早治療對于OP患者而言尤為重要[3]。代謝組學(xué)作為系統(tǒng)生物學(xué)的一員，可直觀、全面地反映生物體內(nèi)的代謝物變化[4]，其在OP的早期診斷方面潛力巨大。代謝組學(xué)的綜合、系統(tǒng)、動態(tài)等分析特性與中醫(yī)的整體、辨證、恒動等觀念不謀而合[5]，能為OP的中醫(yī)診療提供新的思路和方法。筆者就近年來代謝組學(xué)技術(shù)在OP中的應(yīng)用作綜述如下。

1 代謝組學(xué)研究概況

1.1 代謝組學(xué)的概念

代謝組學(xué)是一門定量測量生物樣本中全部代謝物的組成以及這些代謝物在內(nèi)外刺激下動態(tài)改變的科學(xué)[6]。

1.2 代謝組學(xué)技術(shù)

代謝組學(xué)技術(shù)目前主要有核磁共振法、色譜法和質(zhì)譜法三種，它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)[7]。 從運(yùn)用時間上來說核磁共振法最早，可以檢測出絕大部分的化合物，它的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)行預(yù)處理比較簡單、不損傷樣品并可進(jìn)行定量數(shù)據(jù)分析。缺點(diǎn)為不夠靈敏、檢測窗較窄;色譜法能夠?qū)?fù)雜的混合化合物進(jìn)行組分分離且分離速度較快，具有較廣的應(yīng)用范圍。但同時也存在著定性能力不夠等缺點(diǎn);質(zhì)譜法比起核磁共振法，在專屬性和靈敏度方面具有很大的優(yōu)勢，質(zhì)譜法可以同時針對多種類型的代謝化合物進(jìn)行檢測鑒定和分析且檢測分析速度很快，具有很高的效率。但也存在著整體性、均一性較差的缺點(diǎn)。目前，不同的技術(shù)常被聯(lián)合應(yīng)用以優(yōu)勢互補(bǔ)。聯(lián)合應(yīng)用較多的是色譜-質(zhì)譜綜合聯(lián)用技術(shù)[8]，其既具有很好的選擇性和較高的靈敏度，又能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜代謝化合物的定性、定量分析。

1.3 代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析

代謝組學(xué)流程有以下幾個步驟：采樣、預(yù)處理、采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析和解釋，其中數(shù)據(jù)的分析和解釋[11-12]是最關(guān)鍵的一步。數(shù)據(jù)分析解釋又分為三大步:①數(shù)據(jù)的提取即圖譜的可視化；②預(yù)處理即濾噪、峰對齊、標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化等；③模式識別，包括非監(jiān)督模式和有監(jiān)督模式。前者有主成分分析、簇類分析和非線性映射等，后者包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘-判別分析、正交最小二乘-判別分析等[13-14]。

2 代謝組學(xué)技術(shù)在骨質(zhì)疏松癥診斷方面的研究進(jìn)展

OP作為一種代謝性疾病，可使患有該病的生物體內(nèi)的代謝物種類和濃度發(fā)生變化。目前，已有越來越多的人嘗試通過代謝組學(xué)技術(shù)尋找可用于診斷OP的代謝標(biāo)志物，并試著通過這些代謝標(biāo)志物進(jìn)一步研究OP的發(fā)病機(jī)制。

Ma[15]進(jìn)行了對卵巢切除骨質(zhì)疏松大鼠與正常大鼠血漿的代謝分析，發(fā)現(xiàn)了花生四烯酸、十八碳二烯酸、支鏈氨基酸、高半胱氨酸、羥脯氨酸和酮體(3-羥基丁酸)、十二碳六烯酸、十二烷酸和賴氨酸等11種成分發(fā)生了顯著變化。從對這些潛在生物標(biāo)志物的分析上來看，該模型骨質(zhì)疏松癥與糖脂等能量代謝密切相關(guān)。Chen[16]采用卵巢切除骨質(zhì)疏松癥大鼠為模型，運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)對模型的血液進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)以下13種代謝標(biāo)志物即富馬酸、檸檬酸、琥珀酸、3-羥基丁酸、天冬氨酸、蘋果酸、?；撬帷⒏拾彼?、2-酮戊二酸、乙醇。梁偉東[17]在采用核磁共振的代謝組學(xué)技術(shù)研究OP的發(fā)病機(jī)制時，發(fā)現(xiàn)OP患者的0-乙酰糖蛋白、脯氨酸、檸檬酸較正常組下降，推斷糖尿病性O(shè)P的發(fā)病機(jī)制可能與糖代謝、氨基酸代謝、能量代謝紊亂有關(guān)。羅朵生[18]采用液相色譜-質(zhì)譜法技術(shù)分析OP小鼠模型與正常組之間的代謝物差異，發(fā)現(xiàn)了22種OP的代謝標(biāo)志物，并認(rèn)為OP的發(fā)病可能主要與脂類代謝異常有關(guān)。You等[19]在對絕經(jīng)后女性的血尿代謝產(chǎn)物的分析后發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)后女性的骨密度水平與體內(nèi)乳酸、丙酮、脂質(zhì)和極低密度脂蛋白等代謝物水平呈負(fù)相關(guān)。

目前已有部分研究者利用代謝組學(xué)技術(shù)檢測分析出正常組和OP組體液中的代謝物種類、濃度及兩組之間的代謝差異，并找到一些OP潛在代謝標(biāo)志物，有一定的借鑒意義。但大多為以大鼠、小鼠等動物作為模型，臨床研究較少。

3 代謝組學(xué)技術(shù)在骨質(zhì)疏松癥中醫(yī)證型判別方面的研究進(jìn)展

目前在運(yùn)用代謝組學(xué)研究OP中醫(yī)證型判別方面的研究較少，筆者查閱文獻(xiàn)后僅見吳健雄等有相關(guān)研究。吳健雄等[20]研究后認(rèn)為，雌二醇和胰島素樣生長因子可以用來鑒別OP的肝腎陰虛證以及氣滯血瘀證。其他疾病如糖尿病、高血壓、冠心病等已有較多運(yùn)用代謝組學(xué)在中醫(yī)證型判別方面的研究，且大多取得一定成果，這進(jìn)一步說明運(yùn)用代謝組學(xué)研究OP的中醫(yī)證型判別具有廣闊的前景。

4 代謝組學(xué)技術(shù)在骨質(zhì)疏松癥中藥干預(yù)機(jī)制方面的研究進(jìn)展

中藥作用于機(jī)體具有多靶點(diǎn)調(diào)節(jié)的作用，在干預(yù)前后機(jī)體的代謝將發(fā)生變化。代謝組學(xué)技術(shù)可檢測出中藥在多靶點(diǎn)干預(yù)前后的OP生物體內(nèi)的代謝物差異，通過這些代謝物差異研究不同中藥或方劑干預(yù)的作用靶點(diǎn)及作用機(jī)制。目前已有研究者通過代謝組學(xué)技術(shù)研究中藥干預(yù)前后OP生物體內(nèi)的代謝差異。

熊莉華等[21]通過運(yùn)用核磁共振法分析雙黃益骨方治療糖尿病性O(shè)P治療前后的代謝產(chǎn)物變化后發(fā)現(xiàn)，雙黃益骨方治療糖尿病性O(shè)P是通過改善機(jī)體代謝途徑的紊亂、改善骨合成的原料及物質(zhì)的調(diào)控來發(fā)揮功效的。吳凡[22]在《疏肝補(bǔ)腎方治療骨質(zhì)疏松癥的代謝組學(xué)研究》中指出，丙酮、乳酸、N-乙酰糖蛋白、脂肪酸為具有顯著分類意義的骨質(zhì)疏松模型的生物標(biāo)記物，可從這4個生物標(biāo)記物的變化水平來提示藥物是否具有治療骨質(zhì)疏松癥的作用。 黃月等[23]在進(jìn)行骨疏丹對糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松模型大鼠干預(yù)作用的血尿液代謝組學(xué)的研究時，共發(fā)現(xiàn)了22個潛在代謝標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)OP的發(fā)病主要與氨基酸代謝、脂代謝、能量代謝、腸道菌群代謝及腎損傷和體內(nèi)的氧化應(yīng)激狀態(tài)相關(guān)，并發(fā)現(xiàn)骨疏丹可通過以上通路對OP大鼠進(jìn)行調(diào)節(jié)。李燦[24]在基于液相色譜-質(zhì)譜法技術(shù)對大鼠血漿及組織的多變量統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)，正常對照組、維甲酸造模的骨質(zhì)疏松對照組和參靈健骨膠囊給藥組樣本之間的血漿代謝譜存在明顯差異性。潘思娜[25]通過對血清、尿液、骨髓和腎臟的代謝組學(xué)研究，從整體水平上闡述了淫羊藿對糖尿病性骨質(zhì)疏松癥模型代謝異常的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)淫羊藿通過調(diào)控糖酵解(乳酸)、有氧氧化(檸檬酸、a-酮戊二酸和琥珀酸)、脂質(zhì)代謝、脂肪酸氧化(3-羥基丁酸和乙酸)、能量代謝(肌酸和肌酐)、氨基酸代謝(谷氨酸、丙氨酸、亮氨酸、牛磺酸和甘氨酸)、磷脂代謝(PC/GPC)、膽堿代謝和腸道菌群失調(diào)(馬尿酸和苯乙酰甘氨酸)來發(fā)揮其對糖尿病性骨質(zhì)疏松癥的改善作用。

以上研究者們通過給藥前后機(jī)體的代謝組學(xué)的變化來研究中藥對機(jī)體多靶點(diǎn)的作用機(jī)制，并找到一些可能用于反映中藥改善OP的靶點(diǎn)代謝標(biāo)志物，對OP發(fā)病機(jī)制研究、中藥對機(jī)體的調(diào)節(jié)機(jī)制研究以及OP臨床實(shí)驗(yàn)室評價指標(biāo)的擴(kuò)大具有一定意義。

5 結(jié)論與展望

筆者通過查閱近年來的相關(guān)文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸、丙氨酸、亮氨酸、乙酸、琥珀酸、乳酸、2-酮戊二酸、琥珀酸、3-羥基丁酸等可能是OP的代謝標(biāo)志物。

中醫(yī)臨床辨證論治缺乏量化、客觀化的指標(biāo)，給研究帶來了一定困難[26]。以代謝組學(xué)為切入點(diǎn)，是一種積極的嘗試。以代謝組學(xué)技術(shù)為研究手段，檢測不同“證”之間分子代謝物的異同，嘗試建立“證”與特異性代謝標(biāo)志物之間的關(guān)聯(lián)[27]，可以為中醫(yī)藥治療的規(guī)范化、客觀化研究開辟新的途徑。中藥具有多成分、多靶點(diǎn)、綜合調(diào)節(jié)等作用，在治療OP這類病機(jī)復(fù)雜的代謝性疾病方面具有優(yōu)勢。運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)建立符合其自身特點(diǎn)評價體系，闡明其多成分、多靶點(diǎn)的整合作用，可在一定程度上使中藥作用機(jī)制研究更具客觀化。

目前代謝組學(xué)技術(shù)在臨床常見疾病中的應(yīng)用越來越熱門，但其在骨質(zhì)疏松領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚，筆者查閱文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)多為動物實(shí)驗(yàn)。但動物實(shí)驗(yàn)與臨床研究存在巨大差異，如物種間代謝產(chǎn)物差異大、中醫(yī)證型難以模擬等，預(yù)示著代謝組學(xué)技術(shù)在OP的臨床應(yīng)用方面有著廣闊的發(fā)展空間。