代谢组学在肝脏疾病的应用进展

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代谢组学在肝脏疾病的应用进展
文章作者：牛玲玲  牛俊奇

       一、代谢组学  

       代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后必起的系统生物学的一个新的平台，其定义为：定性、定量考察生物体系受到**或扰动后其代谢产物的动态变化，揭示机体生命代谢活动本质的科学。

       代谢组学力求对生物样本中尽可能多甚至全部化合物进行检测，反应生物体内部的代谢状况。检测的化合物为分子量较小的代谢底物或代谢终产物，故其研究对象是代谢网络中相对分子质量小于1000×10^3的所有内源性代谢物。它除了对生物标志物进行确认和功能分析，还需研究其参与的代谢反应、所处的代谢通路。

       代谢组学的特点可归纳为：系统性、整体性和动态性。完整的代谢组学研究步骤包括样品的制备、数据的采集和分析及潜在生物标志物的发现。

       大量实验证明，单一的研究样本、检测技术以及数据处理方法，已无法满足代谢组学高通量、大规模的需求，“整合”技术便应运而生，形成了“整合化”代谢组学。已经实现的“整合”包括：

       (1)研究样本的整合。如体液、组织及细胞等的整合；

       (2)检测技术的整合。核磁共振与质谱及其联用技术是代谢组学研究中常用的分析技术，各有优劣。为了扬长避短，带有平行磁共振的液相色谱质谱技术的出现，构成了质谱与核磁共振在住线组合系统，它具备了3种检测技术的优势，能够提供综合的结构化数据，同改进后的新技术，如流动探头、液相色谱、在线固相提取物和磁共振一起被广泛用于从复杂生物样本中鉴定新的潜在的药物；

       (3)数据分析技术的整合。只有对原始数据进行深层次的挖掘，才能更全面地获取有生物学意义的标志物。常用的数据处理方法有主成分分析、偏最小二乘法等。目前，通过大量的研究，数据的整合可以通过多种途径再不同水平上实现，并需要运用特殊的统计方法和多种模式识别方法；

       (4)组学间的整合。为了更好的发挥其系统性，可以通过与蛋白组学、转录组学及基因组学的整合，从不同角度更全面更系统地理解代谢物与蛋白表达基困变异之间的联系，最终实现代谢组学的目标。代谢组学的发展促进整合化的发展，而整合化的发展同时促进了代谢组学的进步。目前，代谢组学已广泛应用十多种领域。  

       二、代谢组学存肝脏中的应用  

       肝脏作为仝身最重要的代谢器官，糖类、脂类及氨基酸3大营养物质的代谢过程均枉肝脏完成，一旦肝功能受损，机体多个重要脏器功能亦可能出现障碍。由于其在代谢方面的重要性，从代谢的角度对肝脏及其疾病进行系统研究就显得尤为重要。

       肝细胞癌(HCC)甲期诊断、早期治疗对改善HCC 预后、提高生存率至关重要。目前，甲胎蛋白(AFP)作为HCC的客观诊断指标。但AFP在重型肝炎肝细胞坏死后再生时也可升高，非肝癌所特有。因此，利用快速液相色谱联合4级杆高分辨飞行时间质谱对肝硬化组和HCC组的血清进行研究。

       该研究在样本分离阶段结合使用了高效液相色谱和亲水相互作用色谱(HILIC)分离技术，进行多元分析发现甘胆酸、鹅脱氧甘胆酸、牛黄胆酸和牛黄鹅脱氧胆酸为与肝硬化相关的潜在生物标志物，而二氢鞘胺醇和植物鞘胺醇则为HCC的潜在生物标志物。Chen等利用超高效液相色谱质谱联用技术(UPLC-MS)对原发性肝癌患者及健康志愿者的尿液进行了代谢组学研究。

       该研究中利用HILLC和反相液相色谱进行代谢物分离，结合模式识别技术，发现21种代谢组可作为潜在标志物。同时表明HILIC比反相液相色潜更好地将肝癌患者健康志愿者分开，而且更适合对尿液进行代谢组学分析。

       Wang等应用UPLC-MS为基础的代谢组学方法，对HCC患者、肝硬化患者和健康志愿者的血清进行研究，通过多元统计方法和受试者工作特征曲线进行数据分析，表明代谢物轮廓可以将HCC与肝硬化和健康者区分开，敏感度和特异性为100%。

       鉴定出HCC中l3种物质和几种有意的义主要代谢通路。发现刀豆氨酸琥珀酸在肝硬化中降低，在HCC中增高。另外，鹅脱氧胆酰甘氨被认为是HCC诊断及预后的重要物质。UPLC-MS单独或联合AFP可作为诊断HCC和高危人群筛选的有效和便利工具。

       肝衰竭早期预测和及时治疗，可明显改善患者的预后。Yang等采用高效液相色谱-质谱联用的方法对37名慢性乙型肝炎急性发作患者与50名健康对照人群的血清进行分析，发现溶血性磷脂酰胆碱及甘氨鹅古氧胆酸等成分在两组间存在显著性差异，这些产物可用于疾病恶化的早期预测。amathieu等应用质子核磁共振波谱技术(1H NMR)对肝硬化患者的血清进行代谢组学分析。建立的正交投影模型具有较高的检测变异和预测变异。

       显示多种代谢物在肝衰竭严重程度不同时出现显著差异：高密度脂蛋白和磷酸胆碱共振态在轻度慢性肝衰竭患者血清中明显高于重度幔性肝衰竭患者；而乳酸、丙酮酸、氨基酸和肌酐在重度慢降性肝衰竭患者血清中的水平明显高于轻度患者。

       该研究表明1H NMR为肝硬化患者肝功能损伤严重程度有关的代谢过程提供了新的见解。  药物和毒物等非病毒性因素引起的肝脏损伤病死率高，很难察觉，已成为一大健康威胁。

       Heijne等对溟苯诱导的急性肝坏死小鼠进行代谢组学研究，发现处理组小鼠血清及尿中某些代谢产物如乳酸盐，酪氨酸等与正常对照组小鼠不同。并且证明转录组学及代谢组学的整合能更敏感地检测到肝毒性有关的改变并发现相关的生物标志物。

       同时对溟苯诱导急性肝坏死的多种生物学通路的作用有了更深的见解。Lui等建立了由四氯化碳引起肝损伤的小鼠模型，应用液相色谱质谱联用的代谢组学方法对小鼠尿液进行分析，最终发现23种内源性代谢物可作为四氧化碳引起的肝损伤的潜在生物学标志物。

       非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)发病机制至今尚未明确，目前大多数学者认为它与肥胖、脂代谢紊乱、胰岛素抵抗等有关，是代谢综合症在肝脏的表现。Barr等利用超高效液相色谱-质谱联用方法对NAFLD患者的血浆进行代谢组学研究，发现多种代谢物在疾病组与对照组之间存在显著差异，这些物质可能与肝功能障碍及肝细胞炎症有关。

       且同样的差异也存在于NAFLD模型鼠与野牛型鼠之间。Li等利用蛋氨酸及胆碱缺乏饮食喂养的雄性C57BL/6小鼠代表NAFLD的不同阶段，应用1H NMR光谱为基础的代谢组学方法，发现4种标志物:葡萄糖、乳酸、牛磺酸及谷氨酸。并检测了这4种物质在NAFLD的不同阶段血浆中的浓度。确定这4种物质可作为诊断NAFLD不同阶段的潜在标志物。  

       三、展望  

       代谢组学的发展是“整合化”的发展，“整合化”的代谢组学是代谢组学发展的必然趋势。目前“整合化”的代谢组学不仅在不同原因、不同阶段肝病的研究中取得了巨大的成就，在其他疾病的早期诊断、新药的研发、植物、微生物等领域也获得了可喜的成果及广阔的发展前景。

       代谢组学的整合虽可解决一些问题，但在前进过程中仍会遇到严峻的挑战，只有代谢组学更好的发展，才能实现更全面更准确寻找能够作为生物标志物的关键化合物，探索这些标志物在机体的代谢作用的目标。

       因代谢组学最根本的是技术问题，所以需要不断探索并改善方法，创造新的技术，实现组学研究的技术创新，最终实现系统生物学的全面整合。


文章来源：中华肝脏病杂志 2012;8;20(8):634-635

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