盧妮敏 綜述，林英忠 審校

(右江民族醫(yī)學(xué)院，廣西 百色 533000)

1 代謝組學(xué)的起源和發(fā)展

代謝組學(xué)是以代謝底物和代謝產(chǎn)物為研究對(duì)象(這些物質(zhì)MW<1000)。利用代謝組學(xué)檢查手段(核磁共振NMR、質(zhì)譜MS、色譜HPLC、GC和色譜質(zhì)譜兩用技術(shù))檢測(cè)出代謝譜圖，建立結(jié)合模型，通過(guò)結(jié)合模式識(shí)別手段，對(duì)生物體的生理和病理生理狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，找出這一生理或病理狀態(tài)的對(duì)應(yīng)生物代謝標(biāo)志物(biomarker)。制定生物狀態(tài)預(yù)警平臺(tái)、探討其深層機(jī)制的學(xué)科[8-10]。

作為通常意義上的生物必須具備以下幾個(gè)特征：新陳代謝、具有應(yīng)激性、生長(zhǎng)和發(fā)育、生殖和遺傳[11]，歸結(jié)為一點(diǎn)就是“活”、是變化。因此，要跟蹤生命特征必須掌握一系列指標(biāo)，這些指標(biāo)每分每秒都隨著生命體的延續(xù)發(fā)生著變化。雖然基因和蛋白信息雖然能夠較好的描述生命特性信息，但是他們的實(shí)時(shí)性又有所局限。因此，作為活生物特征的新陳代謝就成為研究活生命特征的重要切入點(diǎn)[12-14]，成為了基因組學(xué)、蛋白組學(xué)以外的嶄新學(xué)科—代謝組學(xué)(metabonomics/metzbolomics)。代謝組學(xué)起源于20世紀(jì)末，是組學(xué)學(xué)系的新學(xué)科[12]e0135228，還是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分[15]。

系統(tǒng)生物學(xué)(systems biology)，最早出現(xiàn)在美國(guó)NIH國(guó)立美國(guó)圖書(shū)館檢索文庫(kù)中一篇1993年發(fā)表的神經(jīng)系統(tǒng)論文摘要中[16]。作為其核心構(gòu)成的“組學(xué)”創(chuàng)始人是美國(guó)科學(xué)家勒羅伊.胡德(Leroy Hood)[17]，同時(shí)他也是人類(lèi)基因組計(jì)劃的發(fā)起人。正是基因組學(xué)、蛋白組學(xué)等新型的大科學(xué)的發(fā)展奠定了系統(tǒng)生物學(xué)中高通量生物技術(shù)和生物信息技術(shù)的基礎(chǔ)。而系統(tǒng)生物學(xué)的誕生和發(fā)展，增強(qiáng)了后基因組時(shí)代的生命科學(xué)研究的能力和手段。

系統(tǒng)生物學(xué)核心構(gòu)成中發(fā)展最早、最快的是基因組學(xué)和蛋白組學(xué)，取得了相當(dāng)?shù)某删?。但是作為生物，人是在和周?chē)h(huán)境及體內(nèi)環(huán)境相互作用中，不斷變化和發(fā)展的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程?；蚪M學(xué)和蛋白組學(xué)在實(shí)時(shí)變化的角度上表現(xiàn)出滯后性和前瞻性，而實(shí)時(shí)性就比較差。從而作為反應(yīng)生物體無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行新陳代謝的檢測(cè)系統(tǒng)—代謝組學(xué)就應(yīng)運(yùn)而生。

基因組學(xué)和蛋白組學(xué)告訴我們什么可能發(fā)生，而代謝組學(xué)告訴我們的是你什么確實(shí)發(fā)生了和什么該發(fā)生卻沒(méi)有發(fā)生[9]33-47。代謝組是代謝組學(xué)的概念來(lái)源，在一特定生理時(shí)期內(nèi)所有的低分子量代謝物的總和構(gòu)成某一生物或細(xì)胞的代謝組[18-19]。是對(duì)某一生物活細(xì)胞在一特定生理時(shí)期內(nèi)所有低分子量代謝產(chǎn)物同時(shí)進(jìn)行定性和定量分析的一門(mén)新學(xué)科。以組群指標(biāo)分析為基礎(chǔ)，高通量檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析為手段，應(yīng)用信息模型與系統(tǒng)整合為目標(biāo)的系統(tǒng)生物學(xué)的一個(gè)分支[10] e00067。

基因組學(xué)和蛋白組學(xué)研究主要是通過(guò)指紋分析和輪廓分析兩種方式進(jìn)行的。代謝組學(xué)研究也是通過(guò)代謝指紋分析(metabolomic fingerprinting)和代謝輪廓分析(metabolomic profiling)兩種方法進(jìn)行代謝組學(xué)分析的[20]。

代謝指紋分析指的是應(yīng)用液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)法，比較不同標(biāo)本中的代謝產(chǎn)物的量的不同來(lái)確定這一時(shí)刻生物體內(nèi)的所用代謝產(chǎn)物[20,21]e0135228。代謝指紋的實(shí)質(zhì)是峰值比較，即比較的是不同標(biāo)本中所有代謝產(chǎn)物的峰值，并將其構(gòu)建出一個(gè)代謝產(chǎn)物峰值模型，叫代謝質(zhì)譜峰模型，構(gòu)建一整套完整的識(shí)別不同代謝化合物特征的分析方法[22]。

代謝輪廓分析(metabolomic profiling)指的是：預(yù)先設(shè)定一條代謝途徑，對(duì)這個(gè)代謝途徑中的代謝產(chǎn)物進(jìn)行細(xì)致分析的方法。

從檢測(cè)手段來(lái)講，代謝組學(xué)最常用的是質(zhì)譜檢測(cè)法來(lái)描繪代謝組的質(zhì)譜峰特性，但是代謝產(chǎn)物并不只有這一個(gè)特征，因?yàn)橘|(zhì)譜法只能檢測(cè)出離子化的物質(zhì)，但有很多代謝產(chǎn)物不能被質(zhì)譜儀離子化。因此，只應(yīng)用質(zhì)譜檢測(cè)法勢(shì)必會(huì)遺漏大量的非離子化的產(chǎn)物信息。而核磁共振(NMR)檢測(cè)法可以補(bǔ)充質(zhì)譜法的不足[23-25]。隨著設(shè)備的進(jìn)步，這兩種方法更多的進(jìn)行聯(lián)合使用以獲得盡可能多的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。并且，結(jié)合基因組學(xué)和蛋白組學(xué)分析，以獲取更加準(zhǔn)確的信息。Gary Siuzdak博士設(shè)計(jì)了用以分析不同標(biāo)本代謝組學(xué)變化的模型[26]。實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)生物信息學(xué)軟件比較數(shù)據(jù)，從而識(shí)別代謝產(chǎn)物，構(gòu)成了代謝組學(xué)文庫(kù)。

2 代謝組學(xué)在急性冠脈綜合征診治中的應(yīng)用

隨著生活方式的改變，人類(lèi)所患疾病的情況也在發(fā)生變化。冠狀動(dòng)脈硬化癥和脈粥樣硬化性心臟病(atherosclerosis,coronary atherosclerotic heart disease)已經(jīng)成為危及人類(lèi)健康的首位疾病，發(fā)病年齡在40～45歲以上為多。近些年，發(fā)病年齡逐年年輕化。2012年世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)公布[19]844-850，當(dāng)年世界上約1750萬(wàn)心血管疾病患者發(fā)生死亡，占全球疾病死亡人數(shù)的31%，成為人類(lèi)首位致死性疾病。

但是作為急性冠狀動(dòng)脈綜合征(acute coromary syndrome，ACS)病理基礎(chǔ)的冠狀動(dòng)脈粥樣斑塊的破潰、糜爛和出血，以及后續(xù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)血小板的激活的機(jī)制至今尚未闡明。代謝組學(xué)作為一定的特定階段體內(nèi)所有代謝產(chǎn)物的指紋圖譜，能夠通過(guò)定性(即找出某一特定時(shí)刻體內(nèi)和疾病有關(guān)的全部代謝底物作為研究分析疾病的代謝指標(biāo))、定量(對(duì)代謝指紋的指標(biāo)進(jìn)行定量分析，精確測(cè)定代謝組學(xué)變化的數(shù)值)、定位(對(duì)分析出來(lái)的具有特征性的代謝標(biāo)志物進(jìn)行溯源，追蹤發(fā)生病理變化的器官或組織)、定因(通過(guò)生物學(xué)手段研究引起代謝物變化的上游的核酸及蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的功能性變化)、定果(準(zhǔn)確的定位生物大分子物質(zhì)發(fā)生變化所引起的疾病和分子機(jī)制)。急性冠脈綜合征是引發(fā)心血管事件的常見(jiàn)疾病，在臨床診斷之前或無(wú)特殊癥狀的情況下突然發(fā)生，這是造成該疾病高致殘率和高致死率的重要原因。因此，早期診斷和治療是降低冠心病死亡率的重要環(huán)節(jié)。然而，急性冠脈綜合征的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，僅動(dòng)脈粥樣硬化的形成機(jī)制就包含脂質(zhì)浸潤(rùn)學(xué)說(shuō)、平滑肌細(xì)胞克隆學(xué)說(shuō)、血栓形成學(xué)說(shuō)等[27-28]，其中涉及近百個(gè)基因和20余條調(diào)控通路[29]。復(fù)雜的發(fā)病機(jī)制使得到目前為止對(duì)急性冠脈綜合征的預(yù)測(cè)和機(jī)制了解十分有限。而代謝組學(xué)以其特有的實(shí)時(shí)性、豐富性和可溯源性為深入挖掘急性冠脈綜合征的動(dòng)態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵信號(hào)通路基礎(chǔ)、尋找分子標(biāo)志和干預(yù)靶點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)急性冠狀動(dòng)脈綜合征的早期診療方法，降低ACS的發(fā)生率和病死率具有重要意義[30]。

2002年，Brindle 等[31]應(yīng)用核磁共振技術(shù)分析了66例受試者的血代謝組學(xué)。發(fā)現(xiàn)冠狀動(dòng)脈狹窄人群與冠脈造影正常人群，代謝組學(xué)指紋完全不同。這一研究表明代謝組學(xué)在冠心病診療方面具有應(yīng)用潛力。2005年，Sabatine 等[32]通過(guò)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)檢測(cè)，陽(yáng)性心肌缺血的受試者。發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)后尿酸、檸檬酸、γ-氨基丁酸等與對(duì)照組產(chǎn)生了有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的改變。2009年，Metabolon 公司的UHPLC /MS /MS2高通量技術(shù)，可在短時(shí)間內(nèi)完成急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者血液中339個(gè)小分子代謝物的定量分析[32]554-560。2016 年，《美國(guó)心臟病學(xué)會(huì)雜志》(JACC)[30]2835-2847報(bào)道了冠心病及其不同臨床分型的代謝組學(xué)特征譜，將代謝變化規(guī)律與疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了有機(jī)聯(lián)系，進(jìn)一步推進(jìn)了代謝組學(xué)的臨床轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。

三羧酸循環(huán)(TCA)對(duì)有氧代謝高依賴(lài)的器官心臟來(lái)講，是至關(guān)重要的代謝環(huán)節(jié)。急性冠脈綜合征冠的發(fā)生和發(fā)展勢(shì)必會(huì)引發(fā)三羧酸循環(huán)及其上游成分的變化[29]17。有研究發(fā)現(xiàn)，急性冠脈綜合征患者血漿中TCA循環(huán)途徑中的部分代謝物減少，這種變化與心肌缺血誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激相一致[30]2835-2847。李佳等[30]2835-2847發(fā)現(xiàn)急性冠脈綜合征病人血液中琥珀酸水平異常升高，缺血/缺氧能引起心肌細(xì)胞內(nèi)、外琥珀酸堆積，細(xì)胞內(nèi)堆積的琥珀酸以HIF-1α依賴(lài)性途徑抑制丙酮酸脫氫酶(PDH) ；細(xì)胞外堆積的琥珀酸激活其特異性受體 GPR91，促進(jìn)下游PKCδ活化并轉(zhuǎn)移至線粒體，損傷PDH活力。琥珀酸介導(dǎo)的葡萄糖氧化受阻加重心肌細(xì)胞缺血再灌注損傷。人參皂苷可以減少琥珀酸堆積，抑制細(xì)胞內(nèi)琥珀酸/ HIF-1α的活化及細(xì)胞外GPR91 /PKCδ 信號(hào)通路，恢復(fù)PDH活力，改善心肌細(xì)胞缺血再灌注損傷。

急性冠脈綜合征患者代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，體內(nèi)的葡萄糖代謝也有所變化[30-31]2835-2847,419-430。急性冠脈綜合征時(shí)心肌缺血、缺氧，葡萄糖的有氧代謝下降，無(wú)氧糖酵解增強(qiáng)[31-32]419-430,554-560。

代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，急性冠脈綜合征患者體內(nèi)氨基酸代謝發(fā)生改變。正常心臟以氨基酸作為ATP來(lái)源的依賴(lài)性較小[32]554-560，但ACS患者氨基酸則作為重要的能量來(lái)源。谷氨酸和谷酰胺酸經(jīng)底物水平磷酸化生成三磷酸鳥(niǎo)苷[33]。Yang等[34]證實(shí)支鏈氨基酸(BACCs)可作為預(yù)測(cè)ACS發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)志之一。Yang 等[35]發(fā)現(xiàn)BCAAs濃度每上升會(huì)造成罹ACS發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)增加兩倍。Bernini等[36]發(fā)現(xiàn)較低濃度的蘇氨酸、肌氨酸酐可降低ACS的發(fā)病病的風(fēng)險(xiǎn)。

目前早期診斷ACS主要依據(jù)癥狀、心電圖、心肌酶學(xué)改變和冠狀動(dòng)脈造影。但這些檢查都有著一定的局限性，比如心電圖簡(jiǎn)便迅速，但是對(duì)ACS的病理階段和過(guò)程缺乏監(jiān)測(cè)，冠狀動(dòng)脈造影是診斷ACS的金標(biāo)準(zhǔn)，但只能反應(yīng)影像學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，且難以普查應(yīng)用，對(duì)預(yù)警意義不大[37]。因此確定ACS患者的臨床代謝組學(xué)生物標(biāo)志物，對(duì)于早期預(yù)警和動(dòng)態(tài)觀察具有廣闊前景。目前，針對(duì)ACS患者血中氧化三甲胺(TMAO)水平的關(guān)注度較高，被認(rèn)為是預(yù)測(cè)ACS 的重要標(biāo)志物[38-39]。卵磷脂、膽堿和肉堿通過(guò)宿主腸道微生物生成三甲胺(TMA)，隨后TMA釋放到體液循環(huán)中被肝臟氧化成TMAO。而TMAO可能通過(guò)干擾膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)程，增加心血管事件的風(fēng)險(xiǎn)。因此，腸道微生物被認(rèn)為是調(diào)節(jié)這一過(guò)程的關(guān)鍵因素[40]。3，3-二甲基-1-丁醇通過(guò)干擾腸道微生物中TMA的生成，降低體液循環(huán)中TMAO的濃度，可以有效預(yù)防ACS[41]。

3 展 望

計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)分析臨床代謝組學(xué)，篩選出ASC患者最具特征的代謝組學(xué)標(biāo)志物，將成為早期診斷預(yù)警ACS和對(duì)其發(fā)病機(jī)制進(jìn)行深入研究的重要突破口。2013年，Suhre等[42]通過(guò)超高效液相-多級(jí)質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)ACS患者60個(gè)生化途徑中的295個(gè)代謝物和37個(gè)相關(guān)的基因軌跡，對(duì)ACS的發(fā)病機(jī)制、預(yù)警、早期診斷和預(yù)后評(píng)估提供了新的視角。范勇等[40]4204-4211采用高通量、高覆蓋代謝組學(xué)和生物信息學(xué)等檢查手段，首次繪制了ACS血漿代謝組學(xué)特征譜。該研究從近2000個(gè)代謝物中發(fā)現(xiàn)、鑒定了與ACS發(fā)生發(fā)展表型特征密切相關(guān)的代謝差異物129個(gè)，其中新型代謝物20個(gè)，其中磷脂代謝降低、多不飽和游離脂肪酸升高、氨基酸代謝升高、肉堿代謝降低、膽汁酸代謝減弱等，成為ACS的代謝組學(xué)特征。從中篩選出12組靈敏度高(>90%)、專(zhuān)屬性強(qiáng)(90%)的代謝標(biāo)志物組，作為ACS診斷指標(biāo)，其內(nèi)部診斷準(zhǔn)確率高(AUC>0.95)，外部雙盲預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率大于90%，多中心預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率大于90%；提出了花生四烯酸、溶血磷脂酰膽堿、檸蘋(píng)酸、苯丙氨酸、BH4、乙酰肉毒堿失調(diào)的機(jī)制和生物學(xué)功能。大數(shù)據(jù)篩選成為ACS代謝組學(xué)特征描繪中不可缺少的重要手段。

ACS的臨床代謝組學(xué)特征的研究在臨床領(lǐng)域的影響逐步擴(kuò)大，今后還需要多學(xué)科的共同努力。應(yīng)用更加簡(jiǎn)化的臨床代謝組研究方法，使得質(zhì)譜等組學(xué)儀器需要更加普及。為通過(guò)代謝組學(xué)特征的研究為ACS發(fā)病及治療打開(kāi)新的大門(mén)。