代谢组学在疾病诊断方面的研究进展

刘玉峰，范笑荧，杨宏天，卢晓丹

(1.辽宁大学 药学院，辽宁 沈阳 110036；2.沈阳市120中学 化学组，辽宁 沈阳 110036)

0 引言

代谢组学(metabonomics；metabolomics)是20世纪 90年代末发展起来的一门新兴学科，是研究关于生物体被扰动后(如基因的改变或环境变化后)其代谢产物(内源性代谢物质)种类、数量及其变换规律的科学[1].代谢组学通过揭示内在和外在因素影响下代谢整体的变化趋势和规律来反映某种病理生理过程中所发生的一系列生物变化[2].目前代谢组学已广泛应用于病理阐述、药物开发、药物毒性研究、疾病诊断、微生物代谢研究等方面[3-13].

20世纪90年代末提出“代谢组学”后，以“代谢组学”为关键词在CNKI网站中检索中外文献，国外在1999年即出现了相关论文，而国内最早于2003年开始出现.近年来，代谢组学在各研究领域被广泛应用.图1是2003年到2018年有关代谢组学的论文.可以看出，从代谢组学出现以来，有关代谢组学的研究总体上逐年上升，由2003年的78篇上升为2018年3 030篇.代谢组学的相关研究论文数目在15年内上升了近40倍，代谢组学研究逐渐受到广泛关注.

代谢组学通过对生物体或细胞内所有代谢物进行定量分析，来寻找代谢物与生理病理变化的相对关系[14].代谢组学的研究方向主要包括全代谢组研究，靶向代谢组研究，代谢轮廓分析，代谢指纹图谱分析等[15]，其中全代谢组和靶向代谢组研究是目前代谢组研究的主要方向.机体发生病理变化，机体的代谢产物也会相应地产生变化.对这些疾病引起的代谢产物对应变化进行代谢组学分析，能帮助人们探索病变过程以及机体内代谢物质代谢的变化，在代谢水平发现疾病的生物标志物，用于辅助临床诊断.

1 恶性肿瘤的诊断

恶性肿瘤前期症状表现不明显，诊断较为困难.通过代谢组学研究可以尝试研发出敏感性高、方便准确的检测手段.

1.1 肾细胞癌

肾细胞癌(RCC)是一种多相恶性肿瘤，常无症状发展和进展.良性嗜酸细胞瘤在形态学上与恶性嫌色细胞癌相似，在横断面成像上区分这两种类型比较困难.Falegan Oluyemi S等人采用1H-NMR对肾肿块患者术前空腹尿液样本进行评估，证明糖酵解和三羧酸循环中间产物的失调可以以阶段特异性的方式区分良性病变和肾细胞癌，提出了一种新的嗜酸细胞瘤代谢特征，可用于横断面成像前的诊断[16].

1.2 肺癌

Chen W[17]等通过采用体外高分辨率魔角旋转1H-NMR和体外1H-NMR光谱技术分析34例肺癌患者的102个肺组织得出相关代谢组学特征，发现与邻近的非相关组织相比，已经确定了脂质和乳酸水平的显著升高以及癌组织中肌醇和缬氨酸水平的显著降低.于莉[18]等通过LC-MS/MS技术分析23名男性肺癌患者及等量男性对照组、14名女性肺癌患者及等量的女性对照组的干血斑，运用多变量偏最小二乘法-判别分析(PLS-DA)发现5种代谢标志物：谷氨酰胺，次黄嘌呤，嘌呤，磷脂和肉碱，能够准确区分小细胞肺癌患者和健康人，可能有助于小细胞肺癌的早期诊断和筛查.有研究用GC-MS技术分析了非小细胞肺癌和其他肺癌患者的血液样本，发现了437种代谢标志物，对比发现非小细胞肺癌患者的麦芽糖、棕榈酸、甘油、乙醇胺谷氨酸和乳酸的水平升高，而色氨酸、组氨酸和赖氨酸的水平降低，由此可对小细胞癌和非小细胞癌进行鉴别[19].

1.3 肝癌(HCC)

杨文涛等[20]通过收集49例HCC、29例乙型肝炎DNA阴性、26例乙型肝炎DNA阳性患者血清作为病例组，收集46例健康体检者血清作为对照组，采用AvanceⅡ-600MHz核磁共振仪检测血清中小分子代谢产物，通过聚类分析筛选出各组的特征代谢物发现肝癌组患者血清中有21种代谢物质差异有统计学意义(P<0.05)，其中苯乙尿酸水平上升，其他代谢物下降.发现核磁共振氢谱可有效筛查出2型肝炎、HCC患者之间有显著差异的血清代谢物，在无创诊断肝癌方面具有广阔的应用前景.

1.4 前列腺癌

前列腺癌是老年男性中一种常见肿瘤[21].Liang等[22]使用快速超高效液相色谱-串联质谱(FPLC-MS)技术对236例前列腺癌患者和233例健康人的尿液样本进行分析，利用OPLS-DA模型对数据进行处理，发现与健康人相比，前列腺癌患者尿液中的甘氨胆酸、鹅去氧胆酸、马尿酸浓度显著升高，而5-羟基-L-色氨酸和牛磺胆酸浓度显著降低.ROC曲线分析显示联合甘氨胆酸、马尿酸、5-羟基-L-色氨酸可作为前列腺癌的诊断物质.

2 消化系统疾病的诊断

2.1 药物性肝损伤

王肖辉等人[23]研究发现比值法有利于降低样本处理与检测仪器等系统误差，能较好地辅助临床早期鉴别诊断有酒精性肝病的药物性肝损伤，并指导临床合理用药.

2.2 胆石症

胆石症是一种较为常见的消化系统疾病，有研究检测43例基线期胆石症患者和43名年龄配对健康对照者的血浆代谢物，筛选出差异代谢物30个，由其中九个代谢物构建的胆石症预测模型ROC曲线下面积(AUC)为0.97，敏感性和特异性分别为95.4%和88.4%.胆石症患者的血浆代谢谱变化中9个差异代谢物构建的预测模型能较好地区分胆石症患者与健康对照者[24]，可以为胆石症的诊断提供参考.

2.3 肝硬化

卫璐戈等[25]通过血清代谢组学研究发现，慢性药物性肝病(DILI)无肝硬化组(34例)与慢性DILI肝硬化组(15例)在代谢谱存在显著差异，筛选出慢性DILI肝硬化组区别于未肝硬化组的特征差异代谢物35个.进一步从差异代谢物中筛选到具有区分诊断能力的生物标志物5个，ROC曲线下面积均大于0.6.其中磷脂酰胆碱与lysoPC(18：1(9Z))的峰面积比值具有更好的区分诊断效果，ROC曲线下面积达0.867.对早期发现慢性DILI肝硬化患者具有重要临床意义.

3 代谢疾病的诊断

3.1 糖尿病

糖尿病是现代非常常见的一种代谢疾病，并发症多，且目前没有根治方法.李根霞[26]发现血栓烷素B2等36个差异代谢物可能成为妊娠期糖尿病的潜在生物标志物.糖尿病肾病(DKD)早期诊断的生物标志物主要有三大类：非酯化脂肪酸(non-esterified fatty acid，NEFAs)、磷脂以及氨基酸，Saulnier等[27]研究分析2型DKD患者尿液代谢产物与肾脏结构的相关性，结果发现尿液中短链NEFA(2-乙基-3羟基丙酸)与早期糖尿病肾脏内皮细胞结构破坏相关.NEFAs与DKD患者肾损伤存在密切联系，其水平的升高可能提示DKD早期病变.在DKD早期还可能出现支链氨基酸(亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸)代谢紊乱，血清支链氨基酸水平的升高能预测胰岛素抵抗和糖尿病的发生[28].

3.2 高血脂症

高血脂症在当今社会非常常见，可能导致严重的心脑血管疾病.Qi Li等[29]发现高脂血症患者血清中支链氨基酸和芳香族氨基酸通过蛋白质代谢影响脂质紊乱和胰岛素抵抗，糖代谢紊乱的同时伴有氧化应激和能量代谢代谢紊乱.Lee等[30]通过分析111例非肥胖和非糖尿病的轻度和中-重度高甘油三酯血症患者与正常人血浆代谢物表达差异，发现高脂血症患者血浆溶血磷脂酰胆碱、酰胺和棕榈酰胺水平升高而二十二烷酰胺水平降低，可以作为区别正常人群和高甘油三酯血症患者的依据.由此可以通过检测早期代谢改变，预防高甘油三酯血症疾病进展.

3.3 尿毒症

有研究发现临床尿毒症尿样的代谢组学研究发现尿毒症患者和健康对照人群尿样的代谢轮廓存在明显差异，通过核磁共振氢谱鉴定出70种代谢物，其中20种具有显著差异，这些代谢物涉及氨基酸代谢、能量代谢和脂质代谢中的多条代谢途径，可作为尿毒症代谢影响的潜在的生物标志物，有助于理解尿毒症发病的生化机制[31].

4 其他疾病

4.1 动脉粥样硬化

有研究发现尿液中包括脂肪酸、氨基酸、核苷及胆汁酸类等代谢物，可能作为动脉粥样硬化相关疾病进程研究的潜在生物标志物[32].陈夏等[33]采用GC-MS分析冠心病心血瘀阻证患者、冠心病非心血瘀阻证患者及健康组3组尿液，结果发现，葡萄糖、甘油、木糖醇、马尿酸、油酸酰胺、丙酮可以作为冠心病心血瘀阻证患者尿液生物代谢产物谱.

4.2 阿尔兹海默症(AD)

阿尔兹海默症发病早期小鼠能量代谢、甲胺代谢等途径已发生紊乱，这一结论有助于进一步认识AD的发病机制并对AD的临床诊断有所帮助[34].

4.3 强直性脊柱炎(AS)

强直性脊柱炎属于自身免疫病，目前没有治愈方法，常见于20岁左右的青年.Qian等[35]探讨了AS患者与健康对照者之间表达存在差异的血清微RNA(miRNAs)，并评价其作为生物标志物的潜力，发现血清miRNA(mi R-146a和miR-155)可作为AS新的互补生物标记物.有学者同样采用ELISA法检测34例AS活动期患者、24例AS非活动期患者及46例健康对照者血清中γ干扰素诱导蛋白-10(IP-10)、IL-17、IL-23和TNF-(水平，结果显示，AS活动期患者IP-10水平高于非活动期患者，分析血清IP-10水平与AS各实验室指标的相关性，发现血清IP-10是AS发生过程中重要的免疫学标志，检测IP-10有助于AS的诊断和病情评估[36].

5 展望

很多疾病前期表现不明显，难以诊断，很多人因此耽误了最佳治疗时期，等到确诊后可能已经非常严重甚至威胁生命.如果能研发出便捷易操作，并且准确率和灵敏度高的诊断方法，便可以大幅度减少因前期难以确诊而造成的损失.而代谢组学研究可以在代谢水平发现疾病的标志物，可以辅助疾病的早期诊断，为临床诊断提供参考.

随着代谢组学近年来越来越广泛地应用于研究的各个领域，这种研究方法的重要性也不言而喻.然而代谢组学方面的研究国内还处于起步阶段，虽然近年来这方面的研究一直呈上升趋势，但相比国外还是略有差距.其研究方法，分析手段和数据处理等方面也亟待创新和发展.