代謝組學技術與糖尿病的研究

吳小秋 劉志龍

(廣東省中醫院珠海醫院，廣東 珠海 519000)

糖尿病(DM)90%以上是2型糖尿病(T2DM)。根據國際DM聯盟(IDF)統計，在2000年全球有DM患者1.51億，估計到2030年有近5億人。我國近年來研究顯示DM患病人群逐年上升〔1～4〕，總DM患病率為9.7%，據此推算，在我國成年人中DM人數有9 240萬〔5〕。

1 代謝組學技術的概念

代謝組學指的是單個細胞、組織、器官或體液中所有小分子代謝物的集合，主要包括基因調控生物體在代謝過程中形成的中間產物和最終產物，即有機體內合成的代謝物便構成了代謝組，是關于生物體系內源代謝物質種類、數量及其變化規律的科學。它研究的是生物整體、系統或器官的內源性代謝物質及其與所受內在或外在因素影響的關系〔6〕；是運用多元統計學和模式識別技術，對細胞或有機體中由于擾動作用而引起的代謝物變化進行全面系統研究的學科，常運用的技術包括磁共振、高效液相色譜和氣相色譜-質譜技術〔7〕。

2 代謝組學技術在DM領域研究的可行性

DM是一組以長期高血糖為主要特征的代謝綜合征，由于胰島素缺乏和(或)胰島素生物作用障礙導致糖代謝紊亂，同時伴有脂肪、蛋白質、水、電解質等代謝障礙〔8〕。而代謝組學通過對DM生物樣品的代謝譜分析，獲得內源性代謝產物的信息，從而找到可以反映DM的病理和發展進程的生物標記物〔7〕。代謝組學技術如何運用于DM研究？首先，代謝組學的研究對象代謝產物組是基因和蛋白表達的終端產物，是判斷健康、疾病和治療效果的分子集合，反映的是基因、環境、致病因素、營養、藥物、時間等諸多因素綜合作用于機體后的總反應；另一方面，DM是一種內分泌代謝紊亂性疾病，通常表現的是整體的代謝紊亂，傳統的研究方法只能從單個或幾個大分子成分闡述糖尿病，對DM的早期診斷及病因病機研究困難較大。代謝組學技術主要測定生物體液(如血液、尿液)、細胞提取物和組織或者組織提取液中所有分子量小于1 000 kD的小分子代謝物組信息，揭示的是系列關聯生物標記物的綜合差異，可從整體上全面分析疾病對生物系統的影響，要比傳統依賴單一標志物的診斷方法具有更高的準確性〔9〕。因此，以生物體液為研究對象的代謝組學技術將對DM的整體性研究有直接意義〔10，11〕。

3 研究現狀

3.1代謝產物的研究 當前代謝組學研究中存在兩個難點同時也是熱點問題：一是代謝產物的定性、定量分析，二是代謝產物復雜數據分析體系中有用信息的提取和挖掘。而DM的研究也正是從這個問題出發。目前在DM代謝產物分析方面，臨床與實驗研究已作了初步探討，找到部分代謝產物作為參考。如利用氣相色譜-質譜聯用儀，結合化學計量學方法中的多元分辨和模式識別方法，對T2DM及相關疾病患者血漿中的脂肪酸代謝譜進行了全面、細致的研究，篩選出3個潛在的生物標記物：油酸、α-亞麻酸和二十碳五烯酸〔12〕。代謝產物的篩選為DM的臨床診斷和評價治療效果具有非常重要的意義。另一項研究在對DM的氨基酸代謝譜研究方面發現有7種氨基酸(Arg、Cit、Asp、Asn、Thr、Leu、Trp)與DM相關，可作為反映血糖值高低變化的標志物組，對于DM的早期診斷及深入研究具有潛在的科研及臨床價值〔13〕。而在研究初診DM患者代謝產物時發現，初診DM患者主要代謝產物差異主要為游離脂肪酸、溶血磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂和磷脂酰膽堿等〔14〕。

除了運用氣相色譜-質譜技術研究代謝組學產物方面，還可利用磁共振技術。如在探討腎虛痰瘀型T2DM患者血清代謝變化及發生機制時發現，血清中多種氨基酸如異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸、丙氨酸、谷氨酸、組氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、1-甲基組氨酸顯著降低，而且乳酸、檸檬酸、肌酸及肌酸酐也較健康人顯著降低，同時腎虛痰瘀型T2DM患者血清中α-葡萄糖及β-葡萄糖較健康人增加，為腎虛痰瘀型T2DM患者代謝產物作了初步研究〔15〕。而在糖尿病患者中醫氣虛和氣陰兩虛方面的研究中，找到了花生四烯酸和油酸這兩種可作為虛證重要信息的潛在標志物〔16〕。以上研究結果提示，T2DM的代謝產物參與了DM的代謝。因此對T2DM的代謝產物通過運用代謝組學技術分析有助于DM早期診斷及用藥療效評價。

3.2實驗研究 通過運用磁共振的代謝組學方法檢測鏈脲霉素誘導DM模型大鼠的尿液、血清及肝臟提取物，發現3種小分子代謝物甘油三酸酯、脂肪酸和乙酰乙酸的含量變化具有顯著性差異，這3種小分子物質可能成為DM診斷的潛在生物標記物，為深入分析DM的小分子發病機制作了初步的探討〔10，17〕。而在探討甲基蓮心堿對T2DM模型大鼠尿液的代謝產物的影響，結果發現甲基蓮心堿處理組大鼠空腹血糖較DM模型組降低，且發現基蓮心堿處理組大鼠代謝產物中二羥延胡索酸下降，前列腺素I2、脂氧素A4、脂氧素B4升高〔18〕。

在另一項實驗研究中通過運用氯甲酸乙酯(ECF)衍生和氣相色譜-質譜檢測聯用發現T2DM大鼠尿液代謝譜主要有10個生物學標記物(琥珀酸、亮氨酸、異亮氨酸、醋酸、丙氨酸、對羥基苯乙酸、檸檬酸鹽、馬尿酸、甘氨酸、丙酸)〔19〕。在研究黃連治療T2DM的機制時發現，T2DM大鼠發現12個差異代謝物顯著上升；給藥黃連后，其中的4個代謝物中苯甲酸、氨基丙二酸、丁四醇、核糖酸的相對含量顯著下降；3個代謝物2，3-二羥基丁酸、L-抗壞血酸、3-羥基己二酸的相對含量顯著上升〔20〕。在DM代謝組學與中醫證候方面的研究中，發現DM腎陰虛證大鼠血液的代謝組學變化主要有甘氨酸、乳酸、尿素、D-葡萄糖、葡萄糖、半乳糖含量均顯著升高〔21〕；而其在另一DM腎陰虛證尿液的代謝表型的實驗研究方面，發現尿液中包含的甘氨酸、琥珀酸含量顯著升高，十六烷酸、膽固醇含量顯著下降〔22〕。

3.3臨床研究 在研究交泰丸對T2DM的代謝產物時發現，T2DM患者葡萄糖、糖蛋白、低密度脂蛋白、β-羥丁酸、乙酰乙酸、丙酮酸、肌氨酸酐、甘氨酸較高；乳酸、氨基乙磺酸、琥珀酸、檸檬酸、谷氨酸、丙氨酸、蛋氨酸、纈氨酸較低，經交泰丸治療后葡萄糖、糖蛋白、低密度脂蛋白、β-羥丁酸、乙酰乙酸、丙酮酸較低；琥珀酸、檸檬酸、谷氨酸、丙氨酸、蛋氨酸、纈氨酸較高〔23〕。而在觀察絡沙坦治療DM代謝產物時結果提示葡萄糖醇和肌醇等代謝物發生變化，為臨床早期判斷藥物療效提供思路〔24〕。

3.4DM并發癥的代謝組學研究 并發癥主要有DM血管病變、神經病變等。目前代謝組學在DM慢性并發癥的研究中較多的主要是DM腎病(DN)。在DM的代謝組學實驗研究中，通過運用磁共振技術分析DM小鼠血漿中的小分子代謝物，結果發現血漿中葡萄糖和氧化三甲胺的含量升高，多種氨基酸含量下降，實驗研究結果為臨床診斷及機制研究提供新思路〔25〕。而在另一項DN的實驗研究中發現，DN大鼠腎皮質中出現了明顯的脂質代謝異常：多種磷脂(PC、PE、SM)含量明顯降低，而甘油三酯含量明顯上升，證明這些代謝物相關代謝途徑的異常可能與DN的進展密切相關〔26〕。在T2DM小鼠模型中研究腎臟代謝表型的變化發現，乳酸和糖等代謝物的含量顯著升高，而谷氨酸、乙酸、膽堿和甘氨酸的含量顯著降低〔27〕。

在臨床方面，于歡等〔28〕通過運用超高效液相色譜-飛行時間質譜方法，分析DN患者血漿代謝物變化差異，發現磷脂代謝、脂肪酸代謝、氨基酸代謝、嘌呤嘧啶代謝、固醇類代謝等多個代謝途徑發生變化，并證明糖腎方可糾正以上代謝產物的變化。在比較正常人、T2DM患者、DN患者3個人群的晨尿，結果發現，DM患者較健康對照組尿中代謝產物如赤蘚糖醇、2，3，4，5-四羥基戊酸、D-果糖、木糖醇、D-半乳糖，戊糖醇顯著增加；DN尿中代謝代謝產物如赤蘚糖醇、2，3，4，5-四羥基戊酸、D-果糖、木糖醇、2，3-二羥苯丙酸、葡糖醛酮、D-呋喃核糖較健康對照組顯著增加〔29〕。

4 研究展望

代謝組學技術作為后基因時代的一項新的技術，屬于系統生物學一個分支。雖然到目前為止代謝組學技術的臨床、實驗研究尚不如基因、蛋白質組學研究，但其最大的優勢在于可全景監測小分子代謝終端產物的變化，在疾病研究方面有極大可開發性。而這正符合DM作為一種內分泌代謝疾病的特點〔10〕。

針對目前研究現狀，代謝組學技術的研究尚存在不少困難，主要有：①代謝產物的多樣性。在DM的前期實驗與臨床研究中，不乏發現其代謝產物多樣，且同一疾病在不同實驗條件、對象下的代謝產物均可能不統一，給最終結果帶來不確實性，因此實驗、臨床研究可重復性尚不確定；②代謝組學技術要求較高。目前我國代謝組學研究尚屬起步階段，技術不十分成熟，且對技術要求較高，僅有為數不多的科研機構有相關的技術人員配備；③臨床研究較少。目前代謝組學技術剛剛起步不久，主要是實驗室研究，而臨床研究較少，尚不能充分為臨床服務，解決臨床實際問題；且在DM的研究中主要側重于T2DM，而對1型糖尿病的研究較少；④研究方法多樣。目前主要應用于代謝組學的方法有磁共振、高效液相色譜和氣相色譜-質譜技術。這些技術在檢測中互為補充，但均不能替代。因此尋找高通量、高分辨率的分析檢測技術是一個重要問題。

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