代謝組學技術在兒科學的應用

周　麗(綜述)，張萬巧，封志純(審校)

(北京軍區(qū)總醫(yī)院附屬八一兒童醫(yī)院代謝遺傳實驗室，北京100700)

代謝組學技術在兒科學的應用

周麗(綜述)，張萬巧，封志純※(審校)

(北京軍區(qū)總醫(yī)院附屬八一兒童醫(yī)院代謝遺傳實驗室，北京100700)

摘要：代謝組學是將生物體(包括細胞、器官或個體)在不同條件下所產(chǎn)生的小分子代謝產(chǎn)物作為研究對象，是系統(tǒng)生物學研究的終端。作為生命科學研究的有力工具，其研究理念及相關技術已在生理學、診斷學、藥理學、毒理學、營養(yǎng)學等多個領域得到應用。隨著代謝組學技術的發(fā)展，越來越多的研究者將其應用于兒科學的研究。該文就代謝組學在兒科疾病病因探索、診斷、藥物監(jiān)測及兒童保健等方面的研究應用進行綜述，探討該技術在兒科學的應用前景。

關鍵詞：代謝組學技術；兒科學；應用

代謝組學最早由Nicholson等[1]在1999年提出。隨著系統(tǒng)生物研究的深入，人們逐漸認識到基因和蛋白質的變化不一定會在生物體表型上反映出來，而小分子代謝物的產(chǎn)生和變化作為基因表達的最終結果能更直接、更準確地反映生物體的生理病理狀態(tài)。代謝組學技術較傳統(tǒng)檢驗方法而言，樣本易得，且具有精確、快速、靈敏度高、特異性好、損傷小等優(yōu)勢，越來越多的研究者將其應用到兒科學及其相關學科的研究?，F(xiàn)對代謝組學技術在兒科學的應用進展予以綜述。

1代謝組學的分析技術

由于代謝組學的研究對象是復雜的代謝產(chǎn)物，這就需要有有效的分析平臺來獲取盡可能多的數(shù)據(jù)，但目前尚無一種代謝組學分析技術能檢測出所有的代謝產(chǎn)物。為盡可能多地獲得研究信息，研究者們開發(fā)出多種聯(lián)用技術，如傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR)、核磁共振-1H/13C(1H/13C nuclear magnetic resonance，1H/13C-NMR)同位素檢測技術、高效液相色譜-質譜聯(lián)用(high performance liquid chromatography-mass spectrometry，HPLC-MS)以及氣相色譜-質譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)技術等[2-5]。這些技術各有特點，F(xiàn)T-IR分辨能力是普通紅外分光光度計的千倍，掃描速度較一般分光光度計高數(shù)百倍，高通量輻射的優(yōu)點使其特別適用于弱信號光譜的檢測，其靈敏度高，研究光譜范圍寬，一次可以檢測多種物質，且所需標本量很少，聯(lián)用基質分離紅外技術僅需要幾皮克(10-12g)的樣品[5]。同位素檢測技術可以實現(xiàn)無創(chuàng)、無偏向樣品檢測，其重現(xiàn)性和客觀性良好，樣品處理簡單，具有較高的通量和較低的單位樣品檢測成本，1H/13C-NMR對含氫和(或)碳的化合物均有響應，能完成樣品中大多數(shù)化合物的檢測，其缺點是檢測靈敏度相對較低、動態(tài)范圍有限，很難同時測定生物體系中共存的濃度相差較大的代謝產(chǎn)物[6]。色譜法具有高分離能力、高靈敏度及高分析速度等特點，其具有很強的結構鑒定能力，但不具備分離能力。液相/氣相色譜質譜聯(lián)用 (liquid/gas chromatography-mass spectrometry，LC/GC-MS)技術具有較高的分離和鑒定能力，LC-MS檢測的靈敏度高、結構定性能力強、分析范圍廣，可以用于熱穩(wěn)定性差的樣品的分離鑒定，樣品前處理方法穩(wěn)定，但LC-MS 系統(tǒng)穩(wěn)定性差，易受樣品基質的干擾，而代謝組學研究樣品的背景一般都比較復雜，且缺乏完備的質譜數(shù)據(jù)庫[7-8]。GC-MS技術只能分析易揮發(fā)性物質，但其靈敏度高，能檢測痕量物質，并且具有商業(yè)化的標準質譜數(shù)據(jù)庫，從而能對代謝產(chǎn)物進行快速鑒定，樣品經(jīng)衍生化后轉化為與其化學結構相似,但易于分析的物質，便于量化和分離，極大地擴展了GC-MS技術的使用范圍，越來越多的研究者選用該技術進行代謝組學研究[9]。研究者也可根據(jù)自身研究需要，選用不同的研究技術。

2代謝組學技術在兒科學的應用

2.1病因探索及預防方面的應用新陳代謝是有機體基本特性之一，動態(tài)平衡是其特點。當有機體將要發(fā)生或處于疾病狀態(tài)時，動態(tài)平衡可能會被打破，體內代謝物的水平發(fā)生變化，故檢測代謝物變化可用于某些疾病病因的探索，進而采取有效措施預防疾病的發(fā)生。Rau等[10]使用GC-MS技術分析急性血液惡性腫瘤患兒骨髓中殺蟲劑的含量發(fā)現(xiàn)，研究組患兒骨髓殺蟲劑的含量明顯高于對照組，且骨髓殺蟲劑含量升高的患兒主要來自于殺蟲劑暴露地區(qū)，提示殺蟲劑是兒童惡性血液腫瘤的危險因子之一，有關部門需做好相關指標的監(jiān)測。Sellitto等[11]分別在早期和晚期(12個月后)給予具有乳糜瀉基因易患性嬰兒谷蛋白飲食，使用NMR技術分析嬰兒大便的代謝物圖譜發(fā)現(xiàn)，腸道微生態(tài)在自身免疫性乳糜瀉的發(fā)生中具有關鍵作用，并指出，對于此類嬰兒，早期谷蛋白暴露比晚期暴露更易患病，建議推遲此類嬰兒谷蛋白攝入時間。李建國等[12]使用GC-MS技術分析甲基丙二酸尿癥并發(fā)腎損傷患兒尿中的代謝產(chǎn)物，并結合患兒病歷資料指出，患兒存在不明原因的血尿、蛋白尿或腎衰竭等時應盡早使用該技術篩查以明確診斷，及早治療以改善預后。

代謝組學技術為疾病的病理生理學研究提供了新的思路，對于預防、早期發(fā)現(xiàn)某些疾病、降低疾病的發(fā)生或阻斷疾病的進展具有重要意義。

2.2代謝組學在疾病診斷中的應用代謝組學技術采用高分辨、高通量、高靈敏度的分析手段，定性或定量研究樣本中的代謝產(chǎn)物，揭示人體組織器官的生理病理狀態(tài)，近年來，代謝組學技術在兒科疾病診斷方面的應用越來越多。Issaq等[13]應用NMR技術檢測患兒尿液中尿黑酸的含量，篩查尿黑酸病。Loots[14]使用GC-MS分析異丙酸血癥患兒尿液中的代謝產(chǎn)物，并結合體外試驗發(fā)現(xiàn)了三羧酸循環(huán)異常在該病發(fā)病中的作用，解釋了該病的部分臨床癥狀，并指出該方法可用于其他先天性代謝疾病的診斷及指導臨床調整治療方案。在代謝組學技術出現(xiàn)前，此類遺傳代謝疾病的診斷難度較大，尤其是一些維生素缺陷所致的輔酶功能障礙的代謝病，在危象發(fā)作時明確診斷，并予以相應的維生素能獲成功救治，長期治療可改善預后，甚至可完全緩解臨床癥狀[15]。代謝組學用于兒科學診斷的研究還很多，Carraro等[16]使用NMR技術分析呼出氣冷凝水，建立了可以區(qū)分哮喘與非哮喘的代謝物判別式，并闡述了乙?；赡茉诒静〉陌l(fā)病過程中具有重要作用。Wolak等[17]使用代謝組學技術分析支氣管肺泡灌洗液中的代謝物，發(fā)現(xiàn)了肺泡囊性變的生物標志物，并為該病的分級提供了依據(jù)。

雖然代謝組學技術在疾病的診斷方面尚處于起步階段，但其與生俱來的系統(tǒng)性使其在疾病的診斷上發(fā)揮著不可替代的作用。隨著代謝產(chǎn)物檢測分析技術的不斷改進以及代謝產(chǎn)物通路的建立，代謝組學技術日趨成熟，必將成為臨床疾病診斷的新途徑。

2.3藥物使用及監(jiān)測方面隨著人類對疾病認識的不斷深入，個體化給藥是現(xiàn)代醫(yī)學研究的目標之一。借助代謝組學技術可以研究藥物在體內的代謝途徑、作用靶點以及藥物的療效。代謝組學具有研究成本相對較低、標本易獲得、對機體損傷小等優(yōu)點，使其在藥物監(jiān)測中發(fā)揮日益重要的作用。Lowry和Garg[18]采用GC-MS技術分析3例四氫唑啉使用過量,且臨床表現(xiàn)各異的兒童血漿四氫唑啉的水平，并計算出其中1例患者的四氫唑啉半衰期為4.4 h，彌補了該藥缺乏兒童藥動學研究的空缺，進一步證實了兒童個體間代謝差異大，很難使用固定標準判定不同個體的藥物代謝速率，并指出需獲取大規(guī)模人群的代謝信息以研究四氫唑啉的代謝特征等。Aleksa等[19]使用GC-MS技術可檢測出5 mg頭發(fā)中安非他明、脫氧麻黃堿、嗎啡、可待因、氧可酮及哌替啶等17種藥物或其代謝產(chǎn)物的含量。該方法無創(chuàng)，所需標本很少，適用于新生兒體內相關藥物的篩查。Joya等[20]收集了90例18個月至5歲幼兒的頭發(fā)，并獲取了其中85位家長的頭發(fā)，使用GC-MS技術檢測頭發(fā)中可卡因、苯甲酰芽子堿或安非他明的含量發(fā)現(xiàn)，21例(23.3%)幼兒頭發(fā)中含有可卡因，其中88%幼兒父母的頭發(fā)中檢測出可卡因，追查其父母用藥史發(fā)現(xiàn)，父母有吸煙、使用大麻、服用抗抑郁藥等行為。研究還指出，使用GC-MS可測定嬰幼兒暴露于可卡因或其他藥物的危險程度，為特殊人群的健康干預提供指導[20]。

兒科學服務的對象正處于生長發(fā)育階段，多臟器及神經(jīng)系統(tǒng)的功能尚未發(fā)育完善，不同個體對同一藥物的療效和毒性反應千差萬別，因此要想做到個性化用藥較困難，隨著代謝組學技術的發(fā)展，該困難有望克服。

2.4兒童保健方面的應用兒童保健的目的不僅是使兒童擁有健康的體質，更重要的是為兒童的生長發(fā)育提供更全面和高水平的服務，為兒童綜合能力的提高提供指導。兒童的生長發(fā)育受遺傳、環(huán)境、飲食等多種因素的影響，研究該過程的特點對于指導兒童保健工作具有重大意義。Schierbeek等[21]研究了一種靈敏度及特異度較高的檢測方法(GC-MS聯(lián)合同位素內標)用以測定嬰兒糖、脂肪、氨基酸等代謝產(chǎn)物的構成、能量代謝、機體營養(yǎng)代謝途徑以及這些因素是如何影響生長發(fā)育中嬰兒的健康的。Bertram等[22]運用代謝組學技術分析性別、身高、體質量及基礎代謝率等對血漿代謝產(chǎn)物的影響，主成分分析提示，性別不同其血漿代謝產(chǎn)物也存在明顯差異，如蛋白質轉換男性占優(yōu)勢，而脂類合成則相反。同時研究還發(fā)現(xiàn)，血漿三酰甘油、脂蛋白、膽固醇的代謝組學數(shù)據(jù)在9個月時與17歲時具有相關性，指出對于男女兒童應差別喂養(yǎng)[22]。此外，有人設想利用代謝組學技術探討微營養(yǎng)素缺乏，以降低人群相關疾病的患病率[23]。代謝組學技術的不斷發(fā)展極大地推動兒童保健事業(yè)的發(fā)展，相信這些設想在不久的將來都會成為現(xiàn)實。

2.5其他此外還有諸多代謝組學技術在兒科及其相關學科的應用， McGowan等[24]使用1H核磁共振+同位素檢測技術檢測羊水中3-羥基異戊酸和甲基枸櫞酸的含量用于產(chǎn)前篩查；利用代謝組學技術比較早產(chǎn)兒與足月兒尿液的代謝產(chǎn)物，研究早產(chǎn)兒的特殊代謝途徑，指導早產(chǎn)兒的喂養(yǎng)[25]；Noto等[26]采用GC-MS技術分析高膽固醇血癥患兒血漿中的非膽固醇甾醇，發(fā)現(xiàn)了該病不同類型的主要發(fā)病原因。Oresic等[27]使用全二維氣相色譜/飛行時間質譜技術分析兒童1型糖尿病的血清代謝產(chǎn)物，研究提示在自身免疫發(fā)生前，血清代謝產(chǎn)物已經(jīng)出現(xiàn)變化，這有助于該病的早期診斷，并可能為1型糖尿病的預防和治療提供新方法等。

3小結

兒科學服務及研究的對象是一類特殊群體，其自身尚處于發(fā)育中，可能存在多臟器的不成熟或功能不全，其代謝反應有自身特點，且更易受外界環(huán)境的影響。兒童在疾病發(fā)生、診斷、藥物代謝、營養(yǎng)攝取等方面明顯不同于成人，因此需要選用適當?shù)闹笜藖肀O(jiān)測相關項目。

近年來，代謝組學技術快速發(fā)展，其在分子水平描述代謝產(chǎn)物，為醫(yī)學的個性化發(fā)展提供一條新的研究途徑，在疾病的基因型與表型間建立了橋梁，可通過代謝組學技術研究疾病的發(fā)病機制、診斷、預防及預測治療效果等[28]。雖然代謝組學技術在兒科學的應用越來越多，無論是基礎研究還是臨床研究都取得了巨大成績，但作為一門新興科學，代謝組學的發(fā)展尚不完善，內源性代謝產(chǎn)物的種類尚不清楚，無偏性檢測樣本內所有代謝產(chǎn)物的技術平臺尚不存在，且缺乏信息完備的數(shù)據(jù)庫等，因此代謝組學技術在兒科學的應用仍處于初始階段，代謝組學技術為兒科學進展開辟新的研究途徑的同時，也帶來了新的挑戰(zhàn)，因此代謝組學還需要更深入的研究，以期更好地應用于臨床。

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Application of Metabonomics Technology in PediatricsZHOULi,ZHANGWan-qiao,FENGZhi-chun.(GeneticMetabolismDiagnosticLab,BayiChildren′sHospitalAffiliatetoBejingMilitaryRegionGeneralHospital,Beijing100700，China)

Abstract:Metabonomics is the terminal of systemic biology,with micromolecule metabolites as the research objects which are produced by organisms like cell,organ and individual under different conditions.As a powerful tool of life science research,the ideas and technologies of metabonomics have been applied in physiology,diagnosis,pharmacology,toxicology,nutrition and other fields.With the development of metabonomics,it has been more and more used in pediatrics as well.Here is to make a review of the application of metabonomics in pediatrics on etiology,diagnosis,drug monitoring and child healthcare,and explore its further application.

Key words:Metabonomics technology; Pediatrics; Application

收稿日期：2014-03-20修回日期：2015-03-04編輯：辛欣

基金項目：國家自然科學基金(31100603)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.003

中圖分類號：R72

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)17-3079-03