盧妮敏 綜述，林英忠 審校

(右江民族醫(yī)學院，廣西 百色 533000)

1 代謝組學的起源和發(fā)展

代謝組學是以代謝底物和代謝產(chǎn)物為研究對象(這些物質(zhì)MW<1000)。利用代謝組學檢查手段(核磁共振NMR、質(zhì)譜MS、色譜HPLC、GC和色譜質(zhì)譜兩用技術)檢測出代謝譜圖，建立結合模型，通過結合模式識別手段，對生物體的生理和病理生理狀態(tài)進行評估，找出這一生理或病理狀態(tài)的對應生物代謝標志物(biomarker)。制定生物狀態(tài)預警平臺、探討其深層機制的學科[8-10]。

作為通常意義上的生物必須具備以下幾個特征：新陳代謝、具有應激性、生長和發(fā)育、生殖和遺傳[11]，歸結為一點就是“活”、是變化。因此，要跟蹤生命特征必須掌握一系列指標，這些指標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，但是他們的實時性又有所局限。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[12-14]，成為了基因組學、蛋白組學以外的嶄新學科—代謝組學(metabonomics/metzbolomics)。代謝組學起源于20世紀末，是組學學系的新學科[12]e0135228，還是系統(tǒng)生物學的重要組成部分[15]。

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

系統(tǒng)生物學核心構成中發(fā)展最早、最快的是基因組學和蛋白組學，取得了相當?shù)某删?。但是作為生物，人是在和周圍環(huán)境及體內(nèi)環(huán)境相互作用中，不斷變化和發(fā)展的，是一個動態(tài)的過程。基因組學和蛋白組學在實時變化的角度上表現(xiàn)出滯后性和前瞻性，而實時性就比較差。從而作為反應生物體無時無刻不在進行新陳代謝的檢測系統(tǒng)—代謝組學就應運而生。

基因組學和蛋白組學告訴我們什么可能發(fā)生，而代謝組學告訴我們的是你什么確實發(fā)生了和什么該發(fā)生卻沒有發(fā)生[9]33-47。代謝組是代謝組學的概念來源，在一特定生理時期內(nèi)所有的低分子量代謝物的總和構成某一生物或細胞的代謝組[18-19]。是對某一生物活細胞在一特定生理時期內(nèi)所有低分子量代謝產(chǎn)物同時進行定性和定量分析的一門新學科。以組群指標分析為基礎，高通量檢測和數(shù)據(jù)分析為手段，應用信息模型與系統(tǒng)整合為目標的系統(tǒng)生物學的一個分支[10] e00067。

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

代謝指紋分析指的是應用液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)法，比較不同標本中的代謝產(chǎn)物的量的不同來確定這一時刻生物體內(nèi)的所用代謝產(chǎn)物[20,21]e0135228。代謝指紋的實質(zhì)是峰值比較，即比較的是不同標本中所有代謝產(chǎn)物的峰值，并將其構建出一個代謝產(chǎn)物峰值模型，叫代謝質(zhì)譜峰模型，構建一整套完整的識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：預先設定一條代謝途徑，對這個代謝途徑中的代謝產(chǎn)物進行細致分析的方法。

從檢測手段來講，代謝組學最常用的是質(zhì)譜檢測法來描繪代謝組的質(zhì)譜峰特性，但是代謝產(chǎn)物并不只有這一個特征，因為質(zhì)譜法只能檢測出離子化的物質(zhì)，但有很多代謝產(chǎn)物不能被質(zhì)譜儀離子化。因此，只應用質(zhì)譜檢測法勢必會遺漏大量的非離子化的產(chǎn)物信息。而核磁共振(NMR)檢測法可以補充質(zhì)譜法的不足[23-25]。隨著設備的進步，這兩種方法更多的進行聯(lián)合使用以獲得盡可能多的數(shù)據(jù)進行綜合分析。并且，結合基因組學和蛋白組學分析，以獲取更加準確的信息。Gary Siuzdak博士設計了用以分析不同標本代謝組學變化的模型[26]。實驗者可以通過生物信息學軟件比較數(shù)據(jù)，從而識別代謝產(chǎn)物，構成了代謝組學文庫。

2 代謝組學在急性冠脈綜合征診治中的應用

隨著生活方式的改變，人類所患疾病的情況也在發(fā)生變化。冠狀動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)計數(shù)據(jù)公布[19]844-850，當年世界上約1750萬心血管疾病患者發(fā)生死亡，占全球疾病死亡人數(shù)的31%，成為人類首位致死性疾病。

但是作為急性冠狀動脈綜合征(acute coromary syndrome，ACS)病理基礎的冠狀動脈粥樣斑塊的破潰、糜爛和出血，以及后續(xù)的關鍵環(huán)節(jié)血小板的激活的機制至今尚未闡明。代謝組學作為一定的特定階段體內(nèi)所有代謝產(chǎn)物的指紋圖譜，能夠通過定性(即找出某一特定時刻體內(nèi)和疾病有關的全部代謝底物作為研究分析疾病的代謝指標)、定量(對代謝指紋的指標進行定量分析，精確測定代謝組學變化的數(shù)值)、定位(對分析出來的具有特征性的代謝標志物進行溯源，追蹤發(fā)生病理變化的器官或組織)、定因(通過生物學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制)。急性冠脈綜合征是引發(fā)心血管事件的常見疾病，在臨床診斷之前或無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)病機制復雜，僅動脈粥樣硬化的形成機制就包含脂質(zhì)浸潤學說、平滑肌細胞克隆學說、血栓形成學說等[27-28]，其中涉及近百個基因和20余條調(diào)控通路[29]。復雜的發(fā)病機制使得到目前為止對急性冠脈綜合征的預測和機制了解十分有限。而代謝組學以其特有的實時性、豐富性和可溯源性為深入挖掘急性冠脈綜合征的動態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡、關鍵信號通路基礎、尋找分子標志和干預靶點，對實現(xiàn)急性冠狀動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]應用核磁共振技術分析了66例受試者的血代謝組學。發(fā)現(xiàn)冠狀動脈狹窄人群與冠脈造影正常人群，代謝組學指紋完全不同。這一研究表明代謝組學在冠心病診療方面具有應用潛力。2005年，Sabatine 等[32]通過運動負荷試驗檢測，陽性心肌缺血的受試者。發(fā)現(xiàn)，運動后尿酸、檸檬酸、γ-氨基丁酸等與對照組產(chǎn)生了有統(tǒng)計學意義的改變。2009年，Metabolon 公司的UHPLC /MS /MS2高通量技術，可在短時間內(nèi)完成急性冠狀動脈綜合征患者血液中339個小分子代謝物的定量分析[32]554-560。2016 年，《美國心臟病學會雜志》(JACC)[30]2835-2847報道了冠心病及其不同臨床分型的代謝組學特征譜，將代謝變化規(guī)律與疾病發(fā)生發(fā)展過程進行了有機聯(lián)系，進一步推進了代謝組學的臨床轉(zhuǎn)化和應用。

三羧酸循環(huán)(TCA)對有氧代謝高依賴的器官心臟來講，是至關重要的代謝環(huán)節(jié)。急性冠脈綜合征冠的發(fā)生和發(fā)展勢必會引發(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的氧化應激相一致[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/缺氧能引起心肌細胞內(nèi)、外琥珀酸堆積，細胞內(nèi)堆積的琥珀酸以HIF-1α依賴性途徑抑制丙酮酸脫氫酶(PDH) ；細胞外堆積的琥珀酸激活其特異性受體 GPR91，促進下游PKCδ活化并轉(zhuǎn)移至線粒體，損傷PDH活力。琥珀酸介導的葡萄糖氧化受阻加重心肌細胞缺血再灌注損傷。人參皂苷可以減少琥珀酸堆積，抑制細胞內(nèi)琥珀酸/ HIF-1α的活化及細胞外GPR91 /PKCδ 信號通路，恢復PDH活力，改善心肌細胞缺血再灌注損傷。

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

代謝組學研究發(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來源的依賴性較小[32]554-560，但ACS患者氨基酸則作為重要的能量來源。谷氨酸和谷酰胺酸經(jīng)底物水平磷酸化生成三磷酸鳥苷[33]。Yang等[34]證實支鏈氨基酸(BACCs)可作為預測ACS發(fā)病風險的標志之一。Yang 等[35]發(fā)現(xiàn)BCAAs濃度每上升會造成罹ACS發(fā)病風險增加兩倍。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)病病的風險。

目前早期診斷ACS主要依據(jù)癥狀、心電圖、心肌酶學改變和冠狀動脈造影。但這些檢查都有著一定的局限性，比如心電圖簡便迅速，但是對ACS的病理階段和過程缺乏監(jiān)測，冠狀動脈造影是診斷ACS的金標準，但只能反應影像學標準，且難以普查應用，對預警意義不大[37]。因此確定ACS患者的臨床代謝組學生物標志物，對于早期預警和動態(tài)觀察具有廣闊前景。目前，針對ACS患者血中氧化三甲胺(TMAO)水平的關注度較高，被認為是預測ACS 的重要標志物[38-39]。卵磷脂、膽堿和肉堿通過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可能通過干擾膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運，促進動脈粥樣硬化的進程，增加心血管事件的風險。因此，腸道微生物被認為是調(diào)節(jié)這一過程的關鍵因素[40]。3，3-二甲基-1-丁醇通過干擾腸道微生物中TMA的生成，降低體液循環(huán)中TMAO的濃度，可以有效預防ACS[41]。

3 展 望

計算機大數(shù)據(jù)分析臨床代謝組學，篩選出ASC患者最具特征的代謝組學標志物，將成為早期診斷預警ACS和對其發(fā)病機制進行深入研究的重要突破口。2013年，Suhre等[42]通過超高效液相-多級質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)ACS患者60個生化途徑中的295個代謝物和37個相關的基因軌跡，對ACS的發(fā)病機制、預警、早期診斷和預后評估提供了新的視角。范勇等[40]4204-4211采用高通量、高覆蓋代謝組學和生物信息學等檢查手段，首次繪制了ACS血漿代謝組學特征譜。該研究從近2000個代謝物中發(fā)現(xiàn)、鑒定了與ACS發(fā)生發(fā)展表型特征密切相關的代謝差異物129個，其中新型代謝物20個，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的代謝組學特征。從中篩選出12組靈敏度高(>90%)、專屬性強(90%)的代謝標志物組，作為ACS診斷指標，其內(nèi)部診斷準確率高(AUC>0.95)，外部雙盲預測準確率大于90%，多中心預測準確率大于90%；提出了花生四烯酸、溶血磷脂酰膽堿、檸蘋酸、苯丙氨酸、BH4、乙酰肉毒堿失調(diào)的機制和生物學功能。大數(shù)據(jù)篩選成為ACS代謝組學特征描繪中不可缺少的重要手段。

ACS的臨床代謝組學特征的研究在臨床領域的影響逐步擴大，今后還需要多學科的共同努力。應用更加簡化的臨床代謝組研究方法，使得質(zhì)譜等組學儀器需要更加普及。為通過代謝組學特征的研究為ACS發(fā)病及治療打開新的大門。