代謝組學在器官移植中的應用

李恩有 王常松 董冉

代謝組學是20世紀90年代中期繼基因組學和蛋白質組學之后發展起來的一門新興學科，是系統生物學的重要組成部分。它是關于生物體系內源性代謝物質種類、數量及其變化規律的科學，研究生物整體、系統或器官的內源性代謝物質及其所受的內在或外在因素影響。基因組學和蛋白質組學分別從基因和蛋白質層面探尋生命的活動，實際上細胞內許多生命活動是發生在代謝物層面的，如細胞信號釋放、能量傳遞、細胞間通信等都是受代謝物調控的。因此代謝組學研究可定位為基因組學和蛋白質組學的下游研究，代謝組學的變化是機體對遺傳、疾病和環境影響的最終應答反應。代謝組學研究對象大都是相對分子質量1000以內的小分子物質。先進的分析檢測技術結合模式識別和專家系統等計算分析方法是代謝組學研究的基本方法。化學分析技術中最常用的是1H核磁共振、氣相色譜-質譜聯用和液相色譜-質譜聯用［1-4］。

在器官移植中代謝組學能從移植器官再灌注損傷和器官功能兩方面監測器官的生理狀態。大多數器官移植相關代謝產物分析是在體外進行的，主要通過分析尿液、血漿和膽汁等體液而獲得結果。最近，采用核磁共振化學位移成像技術，已經能在體內進行代謝組學分析，這一技術主要是分析無機磷或腺苷三磷酸、腺苷二磷酸和磷酸肌酸等磷酸化的代謝產物。本文就代謝組學在肝移植、心臟移植和腎移植后移植物功能和排斥反應監測中的應用情況作一簡介。

1 代謝組學在肝移植中的應用

肝移植是治療終末期肝病的有效治療手段。新的免疫抑制劑的應用和手術技術方面的進展使肝移植受者存活率不斷提高。但是，術后仍然面臨肝功能衰竭、排斥反應等問題。及時了解移植肝狀態，并正確治療能顯著提高受者移植后存活率［5］。傳統監測移植后肝損傷的方法是檢查肝功能測定轉氨酶和白蛋白水平，這種方法缺乏敏感性和特異性，且不能及時反映急性期狀態。病理學檢查是監測肝損傷的“金標準”［6］，但有時也不能正確或及時反映移植肝狀態，尤其使用免疫抑制劑后［7］。肝是體內代謝及排泄的主要器官，是全身代謝和物質轉化的重要場所［8］。如果能夠監測特異性的代謝物變化并找到它們與移植肝功能變化的相關性將是非常有意義的。肝是尿素循環代謝的主要器官，許多重要的生物標志物實際上是尿素、谷氨酰胺和精氨酸的代謝產物。例如，如果在供體肝內存在大量的甲基化的精氨酸衍生物就能強烈地預示最終的移植后排斥反應［9］。同樣，細胞外精氨酸水平恢復的數量和比例能夠很好地預測移植后24 h內的臟器功能［10］。Serkova等［11］的研究發現在肝移植后早期(2 h)血中能夠檢測到6種代謝標志物(乳酸、尿酸、脂肪酸、谷氨酰胺、甲硫氨酸和檸檬酸)，該6種代謝物為早期移植肝無功能的標志物，而此時常規檢查尚無任何有意義的結果。說明通過檢測肝內合成和利用的小分子代謝物質反映移植肝狀態這一領域研究具有很大潛力。

2 代謝組學在心臟移植中的應用

心臟移植已經成為越來越多終末期心臟疾病的治療手段。雖然免疫抑制治療發展迅速，但是心臟移植后受者10年存活率仍僅為50%。移植后排斥反應是影響受者術后生存的主要風險因素。早期診斷和及時調整免疫抑制治療方案十分重要。目前，心內膜心肌活組織檢查仍是最特異、最敏感的診斷指標。但心內膜心肌活組織檢查為有創操作，會導致較多的并發癥。Sobotka等［12］在一項研究中發現，呼出氣中戊烷濃度可以為心臟移植術后急性排斥反應提供診斷參考。該實驗調查了37例心臟移植受者的心臟功能，使用氣相色譜分析這些患者呼出氣戊烷濃度，與病理學檢查結果進行比較，發現出現排斥反應患者呼出氣戊烷濃度增高，提示呼出氣戊烷可以作為心臟移植排斥反應的一種敏感的無創性監測指標。Phillips等［13］采集了539例心臟移植受者1061個呼出氣氣樣，與心內膜心肌活組織檢查結果相比較，發現對于3級以上的排斥反應患者，呼出氣中C4-C20烷烴類物質濃度增高，其敏感度較病理醫師診斷的活組織檢查結果更高;通過呼出氣測試可以有效地監測低風險心臟移植受者的3級排斥反應，減少心內膜心肌活組織檢查的次數。

除呼出氣分析外，有學者還嘗試著從尿液、血漿或心肌組織中找出炎癥指示因子或炎癥過程的小分子代謝產物。這些小分子物質包括硝酸鹽類、血栓烷A2或B2以及新喋呤［14-15］。當患者存在排斥反應時這些免疫相關的代謝產物的水平會有非常明顯的升高。另外一些研究通過分析血漿或血清的成分來檢測或監測心臟的排斥反應。其中一項研究利用1H核磁共振選擇性地分析心臟移植受者脂質或脂蛋白的譜寬以診斷急性排斥反應，其結果特異性和敏感性均大于90%［16］。

3 代謝組學在腎移植中的應用

在臨床腎移植中，Foxall等［17］通過1H核磁共振質譜快速多成分分析尿素中低分子量化合物，發現代謝產物改變與早期移植腎功能障礙相關。監測腎移植代謝物改變可以更好地理解腎臟病理生理學。由于腎能產生豐富的代謝產物和大量尿液，所以有關器官移植和器官功能的代謝組學研究多集中于腎。事實上，在過去的十幾年里，報道了多個與活體腎移植供者損害、移植腎功能、腎功能衰竭、急性排斥反應有關的生物標志物研究［18-23］。在這些狀態下尿液和血清中氮氧三甲胺增高3～4倍。除了氮氧三甲胺水平和其他一些氨基酸水平升高以外，也發現一些炎癥細胞和硝酸鹽、亞硝酸鹽的代謝產物。進一步檢查結果顯示，腎受損時似乎血清和尿中的乳酸、醋酸、琥珀酸、乙醇、尿素這些標志物含量也迅速升高。

大多數研究描述了血清、血漿或尿的代謝產物的變化，也有一些代謝組學的研究不能確定特定化合物，但可發現特征的圖譜。臨床上可利用這些特定的圖譜來進行檢測。

4 小結

代謝組學在器官移植中的應用可為我們了解整個生物系統狀態提供獨特的視角。相關研究尚處于起步階段，但已提示可以鑒定出尿液、血漿及呼出氣中有相當數量的代謝產物，這些代謝產物能準確地為我們提供有關器官功能、損傷及排斥反應的信息。可以預見在不遠的將來，將會有更多的代謝物被鑒定出來，更多的特征圖譜被發現，而這些成果將為我們監測移植物功能和排斥反應帶來更直接的證據。

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