代謝組學(xué)技術(shù)在帕金森病中的研究進(jìn)展

[摘要] 目前代謝組學(xué)技術(shù)在疾病治療中的研究與應(yīng)用正處于探索階段，隨著現(xiàn)代分析技術(shù)的迅猛發(fā)展，代謝組學(xué)在各類疾病診斷與治療中已取得突破性的進(jìn)展。本研究在參考國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從代謝組學(xué)技術(shù)與帕金森病特點(diǎn)兩個(gè)方面進(jìn)行分析，提出將代謝組學(xué)技術(shù)引入帕金森病的研究中可為該疾病的早期診斷和合理治療提供更科學(xué)有效的方案，有望全面系統(tǒng)地揭示帕金森病的科學(xué)內(nèi)涵。

[關(guān)鍵詞]帕金森病；代謝組學(xué)；診斷；治療

[中圖分類號(hào)] R741 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-0616（2013）14-31-03

Metabolomics technology in parkinson's disease research

ZHANG Shisen

Department of Neurology，Ningjin County People's Hospital，Ningjin 253400，China

[Abstract] Current metabolomics technologies in the treatment of diseases research and application are in the exploratory stage，with the rapid development of modern analytical techniques，metabolomics in the diagnosis and treatment of various diseases has made a breakthrough.In this study，a large number of relevant literature on domestic and international basis，from metabolomics technology and characteristics of two aspects of Parkinson's disease analysis，the metabolomics technology into the study of Parkinson's disease for that early diagnosis and reasonable to provide more scientific and effective treatment programs，is expected to reveal a comprehensive and systematic scientific connotation of Parkinson's disease.

[Key words] Parkinson's disease；Metabolomics；Diagnosis；Treatment

代謝組學(xué)是基因組學(xué)和蛋白組學(xué)之后新近發(fā)展起來(lái)的一門學(xué)科，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，被認(rèn)為是“組學(xué)”研究的最終方向[1]。代謝組學(xué)主要研究的是作為各種代謝路徑的底物和產(chǎn)物的小分子代謝物。代謝組學(xué)是對(duì)基因組學(xué)和蛋白組學(xué)預(yù)示的可能變化的真實(shí)結(jié)果的測(cè)定。因此，代謝組學(xué)處于系統(tǒng)生物學(xué)中與其他組學(xué)相聯(lián)系的樞紐位置。代謝組學(xué)的核心思想是強(qiáng)調(diào)外源性物質(zhì)對(duì)生物體所產(chǎn)生的整體性反應(yīng)，以生物體內(nèi)某一物質(zhì)分子整體為研究對(duì)象，研究外源物質(zhì)對(duì)機(jī)體刺激所產(chǎn)生的代謝物組對(duì)機(jī)體的系統(tǒng)作用。其主要是利用核磁共振技術(shù)和液相色譜質(zhì)譜連用等檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)生物體液和組織進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量和分析，對(duì)完整的生物體中隨時(shí)間變化的代謝物進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤檢測(cè)和分類，然后將這些代謝信息與病理生理過(guò)程中的生物學(xué)信息相關(guān)聯(lián)，確定發(fā)生這些變化的靶器官和作用位點(diǎn)，進(jìn)而確定相關(guān)的生物標(biāo)志物。本文主要介紹代謝組學(xué)的研究方法和帕金森病診斷治療方面的應(yīng)用[2]。

1 代謝組學(xué)研究方法

代謝組學(xué)通過(guò)定量分析生物系統(tǒng)中內(nèi)源性代謝物的變化，來(lái)評(píng)價(jià)生物體受外源性刺激的效果，并探討其機(jī)制。代謝組學(xué)的快速發(fā)展有賴于先進(jìn)的分析檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)結(jié)合了模式識(shí)別和專家系統(tǒng)等有效地計(jì)算分析方法。NMR、色譜、質(zhì)譜、毛細(xì)管電泳、各種光譜技術(shù)（IR、UV、MFS）及電化學(xué)技術(shù)都可以用作代謝組學(xué)研究[3]。

2 代謝組學(xué)的特點(diǎn)

與轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等比較，代謝組學(xué)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：（1）所監(jiān)測(cè)的體液主要是尿液與血清，無(wú)需靜脈穿刺和提取活性組織，損傷較小；（2）代謝組學(xué)提供整個(gè)機(jī)體功能的統(tǒng)一性信息，所獲信息量巨大；（3）高通量，單個(gè)樣品的檢測(cè)時(shí)間為5～10 s，可以檢測(cè)96孔板上的樣品；（4）代謝物能放大基因和蛋白表達(dá)的微小變化，檢測(cè)較容易；（5）代謝物種類遠(yuǎn)小于基因和蛋白的數(shù)目，且代謝組學(xué)研究不需建立全基因組測(cè)序及大量表達(dá)序列標(biāo)簽（EST）的數(shù)據(jù)庫(kù)；（6）由于給定的代謝物在每個(gè)組織中都是一樣的，故研究中采用的技術(shù)更為通用，也更易被人們接受[4]。

目前代謝組學(xué)研究還存在一下不足：（1）分析手段有限，尚無(wú)任何一項(xiàng)分析技術(shù)能夠同時(shí)對(duì)所有代謝物進(jìn)行分析；（2）尚無(wú)有效地?cái)?shù)據(jù)分析手段將得到的全部信息進(jìn)行分析和解釋；（3）生物體代謝物組變化快，穩(wěn)定性較難控制；（4）檢測(cè)所需的儀器設(shè)備價(jià)格昂貴、操作人員的專業(yè)性很強(qiáng)，一般實(shí)驗(yàn)室難以開展；（5）數(shù)據(jù)庫(kù)尚未完全建立，缺乏代謝物數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值；（6）當(dāng)機(jī)體的生理和藥理效應(yīng)超敏時(shí)，受試物即使沒有相關(guān)毒性，也可能引起明顯的代謝變化，導(dǎo)致假陽(yáng)性結(jié)果；（7）體液的選擇有局限性，如進(jìn)行神經(jīng)病理學(xué)研究時(shí)不能以尿液替代腦脊液、引起混合毒性的化學(xué)物不易選擇代表性體液[5-7]。

3 代謝組學(xué)技術(shù)在帕金森病診斷與治療中的應(yīng)用

帕金森病（Parkinsons disease，PD）是一種以黑質(zhì)紋狀體通路的退變?yōu)橹饕卣鞯纳窠?jīng)系統(tǒng)變性疾病，是中老年人群常見多發(fā)疾病。臨床表現(xiàn)為靜止性震顫、肌強(qiáng)直、運(yùn)動(dòng)遲緩和姿勢(shì)步態(tài)異常，此病起病隱匿，早期無(wú)明顯臨床癥狀，疾病晚期，則表現(xiàn)出較明顯的運(yùn)動(dòng)阻礙，目前對(duì)疾病的病因仍不清楚，雖已發(fā)現(xiàn)了與家族性PD相關(guān)的多個(gè)致病基因，但大多數(shù)PD患者為散發(fā)性病例，其發(fā)病可能為環(huán)境因素與個(gè)體基因結(jié)構(gòu)改變共同作用的結(jié)果。當(dāng)臨床癥狀明顯時(shí)，已錯(cuò)過(guò)最佳治療時(shí)機(jī)，不能有效逆轉(zhuǎn)疾病進(jìn)程。因此，尋找具有特征性的帕金森病早期生物學(xué)標(biāo)記物，從而篩選高危人群、早期明確診斷，以利及時(shí)合理治療，以及評(píng)價(jià)病情進(jìn)展和治療效果均具有重要臨床意義。而代謝組學(xué)能夠很好地解決帕金森病早期診斷，為該類疾病的有效治療贏得寶貴的時(shí)間[8]。

3.1 帕金森病的發(fā)病機(jī)制

3.1.1 DA、乙酰膽堿（Ach）等神經(jīng)遞質(zhì)失衡學(xué)說(shuō) DA為紋狀體內(nèi)的抑制性遞質(zhì)、Ach為興奮性遞質(zhì)，正常時(shí)兩者處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。患PD時(shí)，黑質(zhì)的DA神經(jīng)元變性、脫落及黑質(zhì)-紋狀體系統(tǒng)神經(jīng)通路的神經(jīng)纖維變性，導(dǎo)致DA顯著減少，而Ach含量卻無(wú)明顯變化，DA的抑制作用降低，Ach的興奮作用相對(duì)增強(qiáng)，兩者動(dòng)態(tài)平衡受到破壞，出現(xiàn)PD的癥狀[9]。

3.1.2 線粒體功能障礙 PD患者普遍存在著線粒體復(fù)合Ⅰ活性下降，活性氧（ROS）生成增加。線粒體上的質(zhì)子泵功能下降，膜電壓降低和滲透性通道開放，從而觸發(fā)凋亡過(guò)程。線粒體復(fù)合物Ⅰ缺失可導(dǎo)致氧化應(yīng)激和增加神經(jīng)元對(duì)興奮性毒性死亡的易感[10]。

3.1.3 氧化應(yīng)激 腦內(nèi)黑質(zhì)致密部處于較高水平的氧化應(yīng)激狀態(tài)，原因有：（1）黑質(zhì)DA的代謝過(guò)程中產(chǎn)生大量的自由基；（2）DA自身氧化形成的神經(jīng)黑色素中含大量的鐵離子，這種還原型鐵離子可與DA代謝中產(chǎn)生的氧化氫反應(yīng)生成高度獨(dú)行的羥自由基，進(jìn)而導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化，黑質(zhì)神經(jīng)元凋亡。氧化應(yīng)激與線粒體功能障礙互為因果，惡性循環(huán)。氧化應(yīng)激產(chǎn)生的大量自由基可損傷線粒體復(fù)合物Ⅰ。另一方面，線粒體復(fù)合物Ⅰ的抑制導(dǎo)致更多自由基的生成。這構(gòu)成了目前PD，發(fā)病機(jī)制中最為多數(shù)學(xué)者認(rèn)同的學(xué)說(shuō)。

3.1.4 谷氨酸的毒性作用 在PD中，谷氨酸的神經(jīng)毒性作用機(jī)制如下：（1）親離子型谷氨酸受體中的N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）型受體受谷氨酸激活后，導(dǎo)致大量的細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流，胞內(nèi)Ca2+大量增加，激活Ca2+依賴性蛋白酶，導(dǎo)致神經(jīng)元壞死和/或凋亡。（2）谷氨酸可激發(fā)線粒體自由基的生成，因其線粒體功能障礙，這種毒性作用與NMDA受體無(wú)關(guān)[11]。谷氨酸的神經(jīng)毒性作用于PD發(fā)生之間的關(guān)系漸被重現(xiàn)，目前應(yīng)用NMDA受體拮抗劑和谷氨酸釋放抑制劑治療PD，也是PD研究的熱點(diǎn)之一。

3.1.5 免疫炎性機(jī)制[12] 已有多項(xiàng)研究認(rèn)為免疫炎性機(jī)制可能參與了PD神經(jīng)變性的發(fā)病過(guò)程。臨床發(fā)現(xiàn)PD患者血液和腦脊液中淋巴細(xì)胞數(shù)目增多，其腦脊液可引起體外培養(yǎng)的DA能神經(jīng)元死亡，同時(shí)患者體內(nèi)免疫球蛋白復(fù)合物、細(xì)胞因子和G-反應(yīng)蛋白等多項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生改變。因此，目前免疫炎癥機(jī)制已成為PD發(fā)病機(jī)制研究的又一熱點(diǎn)。

3.1.6 細(xì)胞凋亡學(xué)說(shuō) 神經(jīng)遞質(zhì)、自由基、化學(xué)毒性、營(yíng)養(yǎng)缺乏、物理性損傷等都能誘發(fā)細(xì)胞凋亡。導(dǎo)致PD患者黑質(zhì)細(xì)胞凋亡的可能原因：（1）線粒體功能缺陷與氧化應(yīng)激；（2）細(xì)胞色素C：細(xì)胞色素C在細(xì)胞凋亡的啟動(dòng)中作為凋亡起始因子，起著重要作用；（3）凋亡誘導(dǎo)因子：它是一種57 kD的雙功能黃素蛋白，除具有電子供體/受體功能外，還可獨(dú)立作用于和染色質(zhì)，具有促凋亡作用。（4）金屬離子：研究顯示中腦黑質(zhì)含色素的神經(jīng)元具有蓄積金屬元素的蓄積已被證實(shí)有促黑質(zhì)細(xì)胞凋亡的作用、有錳離子、Ca2+、鐵離子、鎂離子等。（5）Caspase是一種天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶，已經(jīng)證實(shí)Caspase的激活都發(fā)生在細(xì)胞凋亡之前，屬于凋亡起始因子，被活化的Caspase蛋白酶激活后通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)激活下游的Caspase效應(yīng)分子，最后水解一系列底物，造成DNA降解，進(jìn)入細(xì)胞凋亡的最終通路。（6）受細(xì)胞內(nèi)多種基因調(diào)節(jié)物影響，主要是bc-12家族（C-myc，C-fos，C-jun，ICE，p53，F(xiàn)as等）[13-15]。

3.1.7 轉(zhuǎn)運(yùn)體失調(diào)學(xué)說(shuō) 轉(zhuǎn)運(yùn)體失調(diào)學(xué)說(shuō)能解釋DA能神經(jīng)元選擇性缺失的機(jī)制。對(duì)DA毒性作用機(jī)制的研究以及能產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)性PD的毒性如6-羥基多巴胺、1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（MPTP）代謝產(chǎn)物MPP+的研究已集中在DA能神經(jīng)元兩種表達(dá)的轉(zhuǎn)運(yùn)體上。神經(jīng)元細(xì)胞膜上DA轉(zhuǎn)運(yùn)體（DAT）可能外源性毒物MPTP等運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，并在此合成MPP+，而DA無(wú)需DAT就可進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，并被氧化產(chǎn)生高活性的苯醌和過(guò)氧化基團(tuán)等有毒物質(zhì)，提示DA可對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用，這一點(diǎn)與MPTP的毒性作用不同。

3.1.8 遺傳基因因素 近年來(lái)帕金森病遺傳基因的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，先后發(fā)現(xiàn)了PARK2/ PARK18等17個(gè)PD遺傳基因。其中PARK1/PARK4、PARK3等7個(gè)基因?yàn)槌Ｈ旧w顯性遺傳（AD），PARK2、PARK6等6個(gè)基因?yàn)槌Ｈ旧w隱性遺傳（AR），PARK12呈性連鎖遺傳（XL）。通過(guò)研究PD遺傳基因有助于闡明其發(fā)病機(jī)制，為PD的治療尤其是基因診斷與治療提供科學(xué)依據(jù)。

3.1.9 環(huán)境因素 流行病學(xué)調(diào)查顯示，長(zhǎng)期接觸殺蟲劑、除草劑或某些工業(yè)化學(xué)品等有毒的物質(zhì)可導(dǎo)致大腦神經(jīng)元損傷可能是PD發(fā)病的危險(xiǎn)因素。

綜上所述，帕金森病的發(fā)生于神經(jīng)遞質(zhì)、磷脂、固醇等代謝紊亂及線粒體功能異常有關(guān)。大腦中的神經(jīng)遞質(zhì)一般由多巴胺（DA）、腎上腺素（EP）、去甲腎上腺素（NE）、5-羥色胺（5-HT）、組胺、乙酰膽堿（Ach）、γ-氨基丁酸（GABA）及谷氨酸（Glu）等小分子物質(zhì)組成。這些神經(jīng)遞質(zhì)在傳遞信號(hào)的同時(shí)，也能對(duì)彼此的釋放或重?cái)z取相互影響[16-17]。因此，任何一條代謝途徑的紊亂，都可能會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生。而代謝組學(xué)技術(shù)則能將這些小分子物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物同時(shí)準(zhǔn)確定量，對(duì)多條代謝途徑同時(shí)監(jiān)控，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究中越來(lái)越表現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢(shì)。

我們發(fā)現(xiàn)PD患者外周血淋巴細(xì)胞鉀通道Kir2水平異常增高；蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)腦脊液中SOD-1水平增高，唾液中DJ-1含量異常與PD病程相關(guān)。上述研究為尋找用于PD早期診斷和鑒別診斷的新途徑奠定了一定的基礎(chǔ)。

4 展望

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)之后，生命科學(xué)研究領(lǐng)域出現(xiàn)的又一門新興組學(xué)技術(shù)，并日益成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。代謝組學(xué)作為一種獨(dú)立的技術(shù)，將廣泛應(yīng)用于藥物靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)，新藥的開發(fā)，毒理學(xué)研究，疾病的預(yù)防和診斷及農(nóng)業(yè)的領(lǐng)域。

代謝組學(xué)技術(shù)在臨床疾病診斷方面的突出優(yōu)勢(shì)尤為引人關(guān)注。通過(guò)對(duì)人體各種體液代謝組的研究，發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物，從而明確診斷各類臨床疾病，具有快速、高效、非侵襲性、高靈敏度和高特異性的特點(diǎn)。隨著代謝產(chǎn)物檢測(cè)分析技術(shù)的不斷改進(jìn)以及所積累的數(shù)據(jù)和信息的不斷完善，代謝組學(xué)技術(shù)日益成熟，必將成為最有力的診斷方法之一，在疾病診斷領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（收稿日期：2013-05-04）