劉希敏 吳 華
1.南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬常州市中醫(yī)醫(yī)院治未病科 (江蘇 常州, 213003) 2.南京中醫(yī)藥大學(xué)
非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)已成為我國(guó)最常見(jiàn)的慢性肝病,全球約有25%的成年人患有NAFLD[1],是肝臟相關(guān)疾病發(fā)病率和死亡率的最突出原因之一[2]。非酒精性脂肪性肝炎(NASH)是NAFLD中最嚴(yán)重的一種,其特征是甘油三酯(脂肪變性)的過(guò)度積累、炎癥損傷和肝細(xì)胞凋亡,可能進(jìn)展至肝硬化和肝癌[3]。目前,關(guān)于NASH/NAFLD的發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明,診斷和治療方法也十分有限。應(yīng)用單一組學(xué)技術(shù)研究可以使人們能夠更充分地理解脂肪變性和肝臟炎癥相關(guān)的分子譜,這是NASH診斷中普遍接受的組織學(xué)特征,同時(shí)也是發(fā)現(xiàn)新的候選生物標(biāo)志物的重要途徑。多組學(xué)分析技術(shù)在整合多層分子信息,揭示疾病機(jī)制方面具有巨大潛力。進(jìn)一步以多組學(xué)技術(shù)帶來(lái)的豐富數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),加上穩(wěn)步增長(zhǎng)的計(jì)算技術(shù),形成更全面的生物學(xué)研究方法,將有助于我們系統(tǒng)地了解體內(nèi)細(xì)胞的功能和特性,加深對(duì)NASH/NAFLD的研究。
1.1 NASH/NAFLD的診斷 對(duì)于NAFLD的診斷,超聲仍然是一線方法[4]。而瞬態(tài)彈性成像評(píng)估控制衰減參數(shù)(CAP)是一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè),允許根據(jù)肝臟硬度分級(jí)纖維化階段[5];成像技術(shù)如磁共振(MRI)正在不斷發(fā)展,磁共振成像-質(zhì)子密度脂肪分?jǐn)?shù)(MRI-PDFF)目前可以提供NAFLD的早期診斷和預(yù)后信息,但還沒(méi)能廣泛使用[6,7]。這些手段共有的缺點(diǎn)是都不能明確區(qū)分單純脂肪變性和脂肪性肝炎,因此肝活檢仍然是診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”。但是由于肝活檢成本高,且具有侵入性,只能針對(duì)特定的患者[8],所以迫切需要可靠、準(zhǔn)確、非侵入性或微創(chuàng)的生物標(biāo)志物,能夠準(zhǔn)確識(shí)別NASH。
由于NAFLD和NASH在疾病進(jìn)展期之前都是無(wú)癥狀的,許多患者僅在進(jìn)展期被發(fā)現(xiàn),這就導(dǎo)致患者的治療難度及成本大大提高。雖然許多無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)測(cè)試能夠排除纖維化或肝硬化,但目前沒(méi)有單一的測(cè)試來(lái)識(shí)別脂肪變性、早期診斷NASH或預(yù)測(cè)疾病進(jìn)展,因此需要對(duì)早期預(yù)測(cè)因子進(jìn)行研究。
1.2 NASH/NAFLD的治療 NAFLD是一種慢性肝病,在世界范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì),合并糖尿病、代謝綜合征和肥胖等危險(xiǎn)因素時(shí)會(huì)增加NAFLD的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn),加快其進(jìn)展。NASH是NAFLD最嚴(yán)重的一種形式,由于肥胖和2型糖尿病的高發(fā),預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的NASH患者[9]。截止當(dāng)前,FDA還沒(méi)有批準(zhǔn)任何藥物用于治療NASH,標(biāo)準(zhǔn)治療方法是根據(jù)體重和鍛煉來(lái)改變生活方式。因此巨大的市場(chǎng)需求使 NASH 新藥研發(fā)成為全球制藥公司追逐的熱點(diǎn)。
目前在研的新型治療藥物主要針對(duì)代謝紊亂、氧化應(yīng)激、炎癥、細(xì)胞凋亡、腸道微生物群紊亂及纖維化等NASH相關(guān)發(fā)病機(jī)制,并有多個(gè)針對(duì)不同靶點(diǎn)的新藥處于臨床后期研究階段,雖然這些進(jìn)展將為 NASH 提供新的治療手段,但在早期(從基礎(chǔ)科學(xué)到臨床前階段)和后期臨床試驗(yàn)中,評(píng)估這么多靶點(diǎn)的成本是巨大的。值得注意的是,早期失敗的成本占藥物開(kāi)發(fā)總成本的主導(dǎo)地位。因此,使用早期數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)臨床結(jié)果的方法對(duì)于降低開(kāi)發(fā)成本至關(guān)重要。
近年來(lái),隨著高通量分子生物學(xué)技術(shù),也就是“組學(xué)”的進(jìn)步,包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)等[10],使得研究人員可以從多維度、多組學(xué)、多系統(tǒng)來(lái)綜合揭示NASH/NAFLD發(fā)生機(jī)制、識(shí)別新生物標(biāo)志物。
2.1 基因組學(xué) 高通量測(cè)序技術(shù)、微陣列、計(jì)算生物學(xué)和生物信息學(xué)的發(fā)展,導(dǎo)致多個(gè)全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)的迅速增加,這提高了我們對(duì)NASH/NAFLD診斷和發(fā)病機(jī)制的遺傳生物標(biāo)志物的理解[11]。
GWAS研究為NAFLD診斷和預(yù)測(cè)中的遺傳生物標(biāo)志物的研究做出了重要貢獻(xiàn)。一些研究試圖建立遺傳風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分作為非侵入性遺傳生物標(biāo)志物。在調(diào)整了年齡、BMI、TG水平和穩(wěn)態(tài)模型評(píng)估胰島素抵抗后,發(fā)現(xiàn)PNPLA3、GCKR、TM6SF2和MBOAT7的多態(tài)性評(píng)分增加可預(yù)測(cè)NAFLD。迄今為止,美國(guó)國(guó)家人類(lèi)基因組研究所的GWAS目錄包含了24項(xiàng)研究,報(bào)告了100多個(gè)與NAFLD性狀相關(guān)的基因變異[12],但只有少數(shù)被證實(shí),比如PNPLA3、TM6SF2。雖然PNPLA3和TM6SF2變異的基因分型不推薦用于NAFLD的診斷,但EASL/EASD/EASO指南建議在選定的患者組中進(jìn)行評(píng)估[13]。
2.2 轉(zhuǎn)錄組學(xué) 轉(zhuǎn)錄組學(xué)包括編碼RNA和非編碼RNA的定量評(píng)估,提供基因差異表達(dá)和基因調(diào)控機(jī)制的相關(guān)信息[11]。由于編碼轉(zhuǎn)錄組學(xué)被認(rèn)為是DNA基因信息與蛋白質(zhì)圖譜之間的分子橋梁,因此正在對(duì)其作為NAFLD診斷生物標(biāo)志物的潛在作用進(jìn)行研究。Wang等[14]發(fā)現(xiàn),健康肥胖個(gè)體與伴有脂肪變性和NASH的肥胖患者之間的轉(zhuǎn)錄組譜存在差異,觀察到超過(guò)500個(gè)差異表達(dá)基因(DEGs)。其中PRKCA、EGFR、CDC42和VEGFA是NAFLD譜系中重要的上調(diào)基因,富集途徑包括FCγR介導(dǎo)的吞噬作用和粘附作用,這是肝臟疾病從脂肪變性向脂肪性肝炎發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。
此外,受影響的肝臟產(chǎn)生的非編碼RNA可能被用作評(píng)估疾病進(jìn)展過(guò)程中可能發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化的生物標(biāo)志物,作為診斷或預(yù)測(cè)標(biāo)志物。非編碼RNA包括small RNAs和lncRNAs,前者是由19~23個(gè)核苷酸組成的短RNA,后者是較大的分子,約為200 nt,它們?cè)谵D(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)[15]。small RNA包括miRNA、siRNA、snoRNA、piRNA、rasiRNA等等,其中目前研究最多的為miRNA。miRNAs表達(dá)的改變與NAFLD有關(guān),并與肝骨化癥和NASH相關(guān)[16]。循環(huán)miRNAs正在成為NAFLD狀態(tài)和進(jìn)展的有潛力的無(wú)創(chuàng)生物標(biāo)志物[16]。而miRNA中研究最廣泛的是miR-122,它是NAFLD中確定的一種改變,占肝臟中所有miRNA表達(dá)的70%[16-18]。而近年來(lái)關(guān)于lncRNAs作為NAFLD潛在生物標(biāo)志物作用的研究越來(lái)越多。Sun等[19]的GWAS分析在NAFLD患者中發(fā)現(xiàn)了1735個(gè)異常的lncRNAs。體內(nèi)和患者的RNA測(cè)序研究表明,幾種lncRNAs可能在發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
2.3 蛋白組學(xué) 蛋白質(zhì)組學(xué)是指對(duì)蛋白質(zhì)組的全面分析,包括對(duì)存在于細(xì)胞、組織或有機(jī)體中的蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定和定量的技術(shù)應(yīng)用[20]。與基因組或轉(zhuǎn)錄組相比,蛋白質(zhì)組位于下游,更接近表型,因此蛋白質(zhì)組分析是尋找NAFLD診斷和進(jìn)展的生物標(biāo)志物的首選方法[20]。然而,由于一些翻譯后的修飾和剪接,蛋白質(zhì)組比基因組或轉(zhuǎn)錄組更加復(fù)雜和動(dòng)態(tài)[21],現(xiàn)有技術(shù)在候選蛋白質(zhì)的檢測(cè)和準(zhǔn)確定量方面的限制,導(dǎo)致蛋白質(zhì)組學(xué)研究仍然有限。
隨著蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展,以及質(zhì)譜(MS)和蛋白質(zhì)微陣列技術(shù)的應(yīng)用,使得鑒定NAFLD和非NAFLD個(gè)體之間存在差異表達(dá)的一些蛋白質(zhì)的研究取得了進(jìn)展。例如DDPE、ANPEP、PIGR、TGFBI和APOE已被發(fā)現(xiàn)與NAFLD和肝硬化相關(guān),前三種蛋白已在體內(nèi)NAFLD模型中得到驗(yàn)證[22]。此外,另外6個(gè)蛋白特征(SELE、IGFBP7、IGFBP5、IL-1R2、NAGK和Decorin)已被證明可以區(qū)分F3/4期和F1/2期NASH患者,具有較高的診斷準(zhǔn)確性[23]。這些蛋白質(zhì)可以作為候選的蛋白質(zhì)組生物標(biāo)志物。
2.4 代謝組學(xué) 代謝組學(xué)是指對(duì)存在于生物體細(xì)胞、組織和體液中的代謝組的綜合研究[24]。它包括小分子和代謝產(chǎn)物,如氨基酸、脂肪酸和碳水化合物。考慮到代謝組學(xué)的動(dòng)態(tài)特性,它只能提供特定時(shí)間、特定條件下的代謝概況的“快照”[24]。隨著核磁共振波譜和質(zhì)譜等高通量分析技術(shù)的使用,代謝組學(xué)研究在NAFLD和其他肝臟疾病中發(fā)現(xiàn)了生物標(biāo)志物[24]。
在NAFLD患者中,血清代謝組學(xué)已經(jīng)確定了一組以膽汁酸鹽和與谷胱甘肽相關(guān)的生化物質(zhì)發(fā)生顯著變化為特征的生物標(biāo)志物。分析這一模式,可以將健康個(gè)體與NASH或NAFLD區(qū)分開(kāi)來(lái),但不能將NASH與NAFLD患者區(qū)分開(kāi)來(lái)[25]。在最近的一項(xiàng)旨在識(shí)別NASH中的膽汁酸代謝組的研究中,新發(fā)NASH患者餐后顯示出?;撬岷透拾彼峁曹椀某跫?jí)和次級(jí)膽汁酸的增加。隨著NASH和肝硬化的進(jìn)展,次級(jí)膽汁酸逐漸減少并逐漸耗盡[26]。
2.5 脂質(zhì)組學(xué) 肝臟脂肪變性的特征是TG的產(chǎn)生和在肝臟中積累之間的平衡被破壞,因此脂質(zhì)組學(xué)被認(rèn)為是代謝組學(xué)的一個(gè)主要分支領(lǐng)域以識(shí)別脂質(zhì)組特征,這些特征可以作為診斷NAFLD和預(yù)測(cè)疾病進(jìn)展的非侵入性生物標(biāo)志物[27]。
復(fù)合脂質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)成分是脂肪酸,脂肪酸通過(guò)飲食引入(15%),由脂肪組織在脂肪分解過(guò)程中釋放(60%)或在肝臟中通過(guò)從頭脂肪生成合成(25%)[28,29]。研究表明,NAFLD患者的脂質(zhì)脂肪酸組成發(fā)生改變,總飽和脂肪酸(SFAs)增加[28-30]。此外,研究表明SFAs與疾病的嚴(yán)重程度和NASH相關(guān),因?yàn)镾FAs的增加可導(dǎo)致線粒體代謝失調(diào)、促進(jìn)ROS積累、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的誘導(dǎo)和肝臟促炎、促纖維化過(guò)程的激活。單不飽和脂肪酸(MUFAs),尤其是油酸和棕櫚油酸,雖然脂毒性較小,但也參與了NAFLD的發(fā)病,因?yàn)樗鼈冊(cè)贜AFLD患者和小鼠模型中均被發(fā)現(xiàn)升高[30,31]。甘油磷脂是細(xì)胞膜的重要組成部分,磷脂酰膽堿(PC)是一種重要的細(xì)胞膜脂類(lèi),由磷脂酰乙醇胺(PE)轉(zhuǎn)化而來(lái)[30]。已發(fā)現(xiàn)NAFLD患者PC降低,脂質(zhì)組學(xué)研究表明,NAFLD患者肝臟和紅細(xì)胞PC/PE比值均降低,已被提出作為NAFLD潛在的生物標(biāo)志物[32]。
3.1 多組學(xué)數(shù)據(jù)整合 基于質(zhì)譜的組學(xué)技術(shù)是研究人類(lèi)健康和疾病的有力工具,并有巨大的潛力來(lái)徹底改變未來(lái)的臨床實(shí)驗(yàn)室診斷。但是,隨著研究深入,人們發(fā)現(xiàn)單一的組學(xué)技術(shù)研究,即單純研究某一層次生物分子變化的局限性愈發(fā)顯著,已經(jīng)很難滿(mǎn)足運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)方法探討疾病本質(zhì)的要求。近年來(lái),越來(lái)越多的研究者提出應(yīng)從多分子層次出發(fā)來(lái)系統(tǒng)研究基因、mRNA、蛋白質(zhì)和小分子間的相互作用和系統(tǒng)機(jī)制。這種多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析已經(jīng)成為表觀領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究的重要發(fā)展方向。通過(guò)對(duì)多種層次和來(lái)源的高通量組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析,將有助于我們更加系統(tǒng)、深入地認(rèn)識(shí)疾病的生物學(xué)本質(zhì),尤其是像NAFLD這種病理機(jī)制復(fù)雜的疾病。
將多組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于同一生物系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一是了解疾病背后的信息流,并在生物網(wǎng)絡(luò)和分子相互作用的背景下以整體的方式解釋數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)的可信度。例如一項(xiàng)研究采用大鼠模型,通過(guò)肝臟蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)分析,研究殺蟲(chóng)劑誘導(dǎo)肝臟病理的分子機(jī)制[33]。通過(guò)進(jìn)行差異表達(dá)分析,然后使用通路分析工具進(jìn)行功能注釋,作者確定了與脂質(zhì)解毒代謝過(guò)程相關(guān)的蛋白質(zhì)組變化,提示脂質(zhì)過(guò)氧化、氧化應(yīng)激和肝細(xì)胞損傷,所有這些都是NASH樣的病理特征。氧化應(yīng)激和纖維化標(biāo)志物代謝產(chǎn)物的增加進(jìn)一步證實(shí)了這種與NASH樣表型的關(guān)聯(lián)。同樣,在一項(xiàng)生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)的臨床前研究中,對(duì)NASH大鼠模型進(jìn)行了肝臟轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)以及血漿蛋白質(zhì)組學(xué),目的是表征NASH的分子病理生理學(xué)特征,并識(shí)別新的血漿生物標(biāo)志物[34]。通過(guò)收集與NASH發(fā)病機(jī)制相關(guān)的分子信號(hào),將多組學(xué)數(shù)據(jù)與肝臟組織學(xué)特征和先驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合,可以捕獲病變肝臟RNA水平的分子變化到肝臟和血漿蛋白質(zhì)水平變化的翻譯,并提高了發(fā)現(xiàn)的潛在非侵入性生物標(biāo)志物的生物學(xué)分辨率。
3.2 基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型/整合網(wǎng)絡(luò)(GEMs/INs)的運(yùn)用 由于NASH疾病病理生理學(xué)復(fù)雜,并且隨著組學(xué)技術(shù)的發(fā)展,生物標(biāo)記物和治療靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)越來(lái)越豐富,使用傳統(tǒng)方法評(píng)估這些目標(biāo)顯然變得十分困難。而使用系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)可以有效地分析組學(xué)等臨床數(shù)據(jù),提供科學(xué)的見(jiàn)解,指導(dǎo)靶點(diǎn)的選擇和評(píng)價(jià)。系統(tǒng)生物學(xué)是利用計(jì)算技術(shù)來(lái)分析和建模一個(gè)生物系統(tǒng)的組件如何相互作用來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)的特性和行為。最近幾十年,計(jì)算機(jī)處理能力穩(wěn)步增長(zhǎng)。計(jì)算能力的增強(qiáng),加上新“組學(xué)”技術(shù)帶來(lái)的越來(lái)越豐富的數(shù)據(jù),導(dǎo)致了一種更全面生物學(xué)研究方法,被稱(chēng)為“組學(xué)”革命。為了了解體內(nèi)細(xì)胞的功能和特性,系統(tǒng)生物學(xué)分析使用基因組學(xué)考慮整個(gè)生理系統(tǒng),轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等數(shù)據(jù)來(lái)揭示它們之間的相互關(guān)系,并解釋特性。得到的模型可以用于集成各種相關(guān)的、但異構(gòu)的數(shù)據(jù),不僅可以理解系統(tǒng),還可以對(duì)尚未進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。
GEMs和INs建模提供了一種方法可以集成和利用大量異構(gòu)數(shù)據(jù)以提供預(yù)測(cè)模型。GEMs是基于微生物基因組信息、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的底盤(pán)細(xì)胞水平的代謝網(wǎng)絡(luò)模型。其收集了生化反應(yīng)和相關(guān)基因,以及多組學(xué)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)通量。其已被用于更深入地了解疾病生物學(xué),整合細(xì)胞、生理和臨床數(shù)據(jù),揭示代謝相關(guān)疾病的潛在分子機(jī)制[35,36],如急性營(yíng)養(yǎng)不良中的人類(lèi)發(fā)育。通過(guò)整合脂質(zhì)代謝的廣泛描述,Mardinoglu等[37]重構(gòu)了肝細(xì)胞GEM,該GEM為NASH患者的基因型-表型關(guān)系提供了更深入的組學(xué)數(shù)據(jù)?;谵D(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù),系統(tǒng)級(jí)分析還提供了NASH潛在分子機(jī)制的詳細(xì)信息。作者提出了潛在的生物標(biāo)志物,并表明血液中軟骨素和硫酸肝素的濃度適合于診斷NASH和NAFLD的分期。近年來(lái),人們將GEMs與蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)(PPINs)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(TRNs)相結(jié)合,并生成整合網(wǎng)絡(luò)(INs)來(lái)研究疾病狀態(tài)的全球生物學(xué)差異[35]。GEMs/INs能夠利用一系列不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型,如來(lái)自只有少數(shù)受試者的Ⅰ期臨床試驗(yàn)的數(shù)據(jù),或來(lái)自早期開(kāi)發(fā)的體外或者動(dòng)物數(shù)據(jù),以找到更好的靶點(diǎn),并評(píng)估這些靶點(diǎn)來(lái)預(yù)測(cè)臨床療效。例如,使用肝臟中適當(dāng)?shù)腞NA測(cè)序數(shù)據(jù),我們可以推斷出成千上萬(wàn)的肝臟通量變化。Lee等[35]應(yīng)用了一系列綜合的技術(shù)來(lái)促進(jìn)ENCODE數(shù)據(jù)庫(kù)整合到一個(gè)有意義的肝細(xì)胞、肌細(xì)胞和脂肪細(xì)胞模型中,使他們能夠識(shí)別甘露糖作為糖尿病胰島素抵抗的標(biāo)志。該工作利用綜合路徑數(shù)據(jù),使用GEMs、TRN和PPIN分析生成IN模型?;贗N的預(yù)測(cè)是通過(guò)使用來(lái)自1 000多名患者的臨床數(shù)據(jù),以及相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析和檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的。雖然該研究中的IN分析僅與Ⅱ型糖尿病和代謝研究相關(guān),但它預(yù)示著更廣泛的應(yīng)用,例如在慢性肝病、腫瘤和免疫疾病中。
基于質(zhì)譜的組學(xué)技術(shù)是研究人類(lèi)健康和疾病的有力工具,并有巨大的潛力來(lái)徹底改變未來(lái)的臨床診斷手段。雖然早期研究顯示,基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用的概率極低,但隨著臨床組學(xué)大規(guī)模地分析患者樣本,基于計(jì)算機(jī)的算法在大型臨床研究中的運(yùn)用,肝病生物標(biāo)志物的識(shí)別與驗(yàn)證取得突破性發(fā)展。展望未來(lái),隨著基于質(zhì)譜的設(shè)備用于臨床,將有更多的診斷方法與治療手段亟待驗(yàn)證,從而推動(dòng)NASH/NAFLD的研究進(jìn)展。