基于代謝組學的抑郁癥研究進展*

劉 振，周 寧，2，劉 通，王洋洋，劉振輝，張雅文，鄭曉珂，2△，馮衛生，2△

（1河南中醫藥大學，2河南省中藥開發工程技術研究中心，河南鄭州 450046）

抑郁癥（depression）是一種常見的情感障礙性疾病，以顯著而持久的情緒低落為主要特征，同時伴有睡眠質量差、食欲減退、思維遲鈍、精神不集中、興趣缺失等癥狀，嚴重者會有自殺傾向。近年來抑郁癥的發病率越來越高，給社會帶來的各種負擔也越來越重。據世界衛生組織報道，全球抑郁癥患者超過3億，約占全球總人口的4.4%［1-2］，2020 年抑郁癥將成為僅次于心血管疾病的第二大人類健康負擔，所造成的經濟負擔約2.5 萬億美元，占全球疾病總負擔的10%［2-3］。但抑郁癥的發病機制十分復雜，主要包括遺傳、下丘腦-垂體-腎上腺（hypothalamic-pituitaryadrenal gland，HPA）軸、細胞因子、神經營養因子等多種影響因素，涉及到生理生化、心理與社會環境等諸多方面，相應抗抑郁藥物的治療機制尚無法闡明［1］。因此抑郁癥的診斷主要是醫生依據漢密爾頓抑郁量表（Hamilton depression scale，HAMD）并結合患者的臨床癥狀、情緒表現、主訴等進行評分和判斷。

代謝組學（metabolomics）是一門新興的系統生物學研究方法，通過對機體內源性小分子代謝物及其涉及的代謝通路進行分析，對探究代謝物與生理病理變化之間的相互關系以及藥物治療機制具有一定的指導意義，已經在醫藥領域中的各個方面得到廣泛應用，比如疾病診斷、藥理毒理、新藥研發、藥物篩選等［4］。近年來，應用代謝組學的方法對抑郁癥的研究越來越多，有助于更深層次地探究抑郁癥的發病機制、抗抑郁藥的治療機制等。

本文綜合整理和分析了多篇基于代謝組學技術研究抑郁癥患者和抑郁動物模型的文獻，從抑郁癥診斷生物標志物、代謝通路、發病機制等方面進行分析，總結了代謝組學技術在抑郁癥研究中取得的最新成果和進展，以期為抑郁癥的相關研究提供有價值的信息和思路。

1 抑郁癥患者代謝組學診斷標志物的研究

代謝組學是對機體內源性小分子代謝產物的定性、定量分析，可以用于探究疾病狀態下代謝產物的異常變化，這些異常的代謝產物可以作為疾病診斷的生化指標。血液和尿液是代謝組學中最常用的生物樣品，以其中的代謝產物作為疾病診斷的檢測指標方便易得。近年來，代謝組學在疾病診斷方面的研究越來越多。本文匯總了基于代謝組學的抑郁癥患者相關研究文獻中出現次數（頻數）較高、在樣品中變化比較規律的主要標志物，包括：丙氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、葡萄糖、谷氨酸、亮氨酸、乳酸、檸檬酸、牛磺酸、異亮氨酸、谷氨酰胺、纈氨酸、丙酮酸、色氨酸、甘氨酸、N-乙酰糖蛋白等，見表1。經整理后發現，抑郁癥患者血液樣品中谷氨酸、乳酸、亮氨酸、異亮氨酸和N-乙酰糖蛋白以上升趨勢為主，酪氨酸、牛磺酸、葡萄糖、5-羥色胺、丙酮酸和甘氨酸以下降趨勢為主；尿液中的丙氨酸、檸檬酸、牛磺酸、葡萄糖和甘氨酸以上升趨勢為主，苯丙氨酸以下降趨勢為主。因此，上述代謝物具有作為抑郁癥診斷標志物的潛力，為抑郁癥臨床診斷標志物提供了參考和備選。

表1 抑郁癥患者中的生物標志物匯總Table 1.Summary of biomarkers in depressed patients

2 對抑郁癥患者進行發病機制的探討

2.1 抑郁癥患者生物標志物通路的富集分析 把表1 中的標志物上傳到MetaboAnalyst 4.0 在線數據分析軟件進行Pathway Analysis 功能分析，結果顯示，這些標志物主要涉及的信號通路（均為Impact＞0.2）有：（1）苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成；（2）D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代謝；（3）牛磺酸和亞牛磺酸代謝；（4）淀粉和蔗糖代謝；（5）苯丙氨酸代謝；（6）丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸代謝；（7）甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝，見圖1和表2。

Figure 1.Pathway Analysis results of high-frequency consensus markers in depressed patients.圖1 抑郁癥患者高頻共有標志物的Pathway Analysis結果

表2 抑郁癥患者體內代謝通路分析結果總結Table 2.Summary of metabolic pathways in depressed patients

2.2 抑郁癥患者生物標志物的生物學功能分析大量研究表明，抑郁癥患者體內谷氨酸-谷氨酰胺紊亂與抑郁癥的發病機制息息相關，過高的谷氨酸會產生神經毒性，造成神經損傷［23］；谷氨酰胺是谷氨酸的合成前體，在腦組織中主要通過星形膠質細胞實現谷氨酰胺-谷氨酸之間的轉化［23］，谷氨酰胺水平上升可能是對抗高濃度谷氨酸神經毒性的補償行為［4-5］。本文涉及到的文章里患者血液中谷氨酸含量全部表現為上升趨勢；而谷氨酰胺水平變化紊亂，表明抑郁癥患者體內谷氨酸-谷氨酰胺系統代謝紊亂。

色氨酸作為5-羥色胺合成的前體，其含量可以反應體內5-羥色胺的情況，血液中色氨酸水平與色氨酸-犬尿氨酸代謝途徑息息相關［6，17］。研究發現抑郁癥患者血液樣品中5-羥色胺都呈現下降趨勢，而色氨酸含量升降不一，意味著患者體內色氨酸代謝途徑紊亂，5-羥色胺合成降低。苯丙氨酸是必需氨基酸，可作為酪氨酸和體內兒茶酚胺（酪胺、多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素）的合成前體［4］。抑郁癥患者血液和尿液樣品中酪氨酸含量主要呈現出下降趨勢，推測其多巴胺和去甲腎上腺素合成可能也會降低，抑郁患者血液樣品中苯丙氨酸含量升降不一，而酪氨酸水平降低，表明抑郁癥患者體內酪氨酸和苯丙氨酸代謝途徑紊亂，推測可能是由于苯丙氨酸羥化酶的活性降低造成的［24］。以上結果表明抑郁癥患者體內單胺類神經遞質代謝途徑紊亂，單胺類神經遞質含量可能呈現出下降趨勢，比如5-羥色胺下調。

文獻報告顯示患者血液中葡萄糖和丙酮酸含量以下降為主，但是患者尿液中葡萄糖含量升高，丙酮酸是糖酵解的產物并參與三羧酸循環［1］，理論上葡萄糖和丙酮酸的缺乏會導致三羧酸循環受阻，患者體內檸檬酸水平會下調，但是相關研究中患者尿液中的檸檬酸水平卻出現了上調變化，可能是由于患者體內出現檸檬酸堆積而導致尿液中水平上調［6］。丙氨酸是一種生糖氨基酸，高度集中在肌肉中作為其主要的能量來源，并且丙氨酸、甘氨酸與丙酮酸都可以相互轉化［17］，因此它們是葡萄糖代謝的重要參與者和調節劑，并參與能量代謝。在血液樣品中丙氨酸含量變化比較紊亂，甘氨酸以降低為主，在尿液中兩者均以上升為主，推測患者體內甘氨酸和丙氨酸代謝出現紊亂。此外，患者血液和尿液樣品中都檢測到異常的乳酸，可能出現了乳酸堆積現象。因此，根據抑郁癥患者體內葡萄糖、丙酮酸、丙氨酸、甘氨酸、檸檬酸和乳酸含量的變化推測抑郁癥患者體內糖酵解、三羧酸循環等能量代謝途徑發生紊亂，這一現象可能與抑郁癥患者活動能力下降相吻合。

研究表明抑郁癥的發生與氧化應激關系密切［4］，乙酰糖蛋白是一種急性期蛋白，是一種炎癥介質，其水平變化可以直觀反映機體對內外因素（感染或壓力等）的反應［5］。文獻數據表明，N-乙酰糖蛋白含量在患者血液樣品中都呈上升趨勢，提示抑郁癥患者機體氧化應激程度提高，并可能伴有炎癥反應加劇現象。

亮氨酸、異亮氨酸及纈氨酸是人體的必需氨基酸，都屬于支鏈氨基酸。研究表明，支鏈氨基酸與神經遞質5-羥色胺合成密切相關，與5-羥色胺合成前體存在競爭性抑制作用［5］，并且纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成途徑在調節機體應激、蛋白質合成及能量代謝等方面都起著重要作用［4］。本文總結發現患者體內血液中異亮氨酸以上升為主，而亮氨酸與纈氨酸變化有升有降，說明患者體內支鏈氨基酸代謝比較紊亂，也印證了抑郁癥患者體內單胺類神經遞質合成不足，出現氧化應激、炎癥反應及能量代謝紊亂的現象。

對上述標志物及其涉及到的代謝通路和生物學功能分析進行網絡圖構建，如圖2 所示。通過上述分析得知，抑郁癥患者體內神經遞質代謝、苯丙氨酸代謝、酪氨酸代謝、谷氨酸-谷氨酰胺系統代謝、糖酵解途徑及三羧酸循環等出現紊亂，與圖1 涉及的代謝途徑相吻合；并且可能伴有氧化應激程度升高、炎癥反應發生等。由此推測抑郁癥患者的發病機制可能與這些代謝途徑和生物學功能紊亂有關。

3 基于慢性溫和應激刺激抑郁癥動物的實驗研究

3.1 抑郁癥動物模型研究概況 隨著抑郁癥研究的逐漸增多，建立合理且可操作性強的動物模型至關重要，常用的造模方法有慢性不可預知性溫和應激（chronic unpredicted mild stress，CUMS）模型、慢性社會挫敗應激（chronic social defeat stress，CSDS）模型、習得性無助（learned helplessness，LH）模型、慢性束縛應激（chronic restraint stress，CRS）模型、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導法和皮質酮（corticos?terone，CORT）誘導法等。應激刺激與抑郁癥的發生發展密切相關，應激刺激不僅可以誘發抑郁癥，而且可以加重抑郁程度。人長期處于慢性、低強度的日常生活壓力下是誘發抑郁癥的主要原因之一，這與CUMS抑郁動物模型的誘因十分相似，本部分對近年來基于CUMS 抑郁動物的相關文獻進行篩選并總結分析。

3.2 CUMS抑郁癥動物模型的生物標志物小結及通路富集分析 本文總結了CUMS 抑郁模型相關文獻中出現頻率較高的生物標志物，并對比其變化規律，結果如表3 所示。在CUMS 模型生物樣品中主要受到影響的標志物包括葡萄糖、谷氨酸、谷氨酰胺、乳酸、丙氨酸、苯丙氨酸、肌酸等。在CUMS 動物血液樣品中葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺和甘氨酸的含量以上升為主，亮氨酸、丙酮酸、肌酸、色氨酸和酪氨酸以下降為主，而谷氨酸、丙氨酸、異亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸的變化比較紊亂，沒有較為規律的升降趨勢；在CUMS動物尿液樣品中谷氨酰胺水平以上升為主，檸檬酸和色氨酸以下降為主；在CUMS 動物腦組織樣品中谷氨酰胺水平以上升為主，乳酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、脯氨酸和色氨酸以下降為主，N-乙酰天冬氨酸和谷氨酸變化比較紊亂。

Figure 2.The biomarkers and their metabolic network map of depressed patients.Red solid circle：biomarker content rises in the sample；green solid circle：biomarker content decreases in the sample；red hollow circle：biomarker content presumably rises in the body；green hollow circle：biomarker content presumably decreases in the body；gray solid circle：biomarker content varies in the sample.TCA：tricarboxylic acid cycle；HPA：hypothalamic-pituitary-adrenal axis；blood：serum or plasma samples.圖2 抑郁癥患者生物標志物及其代謝網絡圖

將表3 中主要的生物標志物導入MetaboAnalyst 4.0 在線數據庫進行通路分析。如圖3 和表4 所示，抑郁癥動物體內發生紊亂的主要代謝通路包括：（1）苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成；（2）D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代謝；（3）淀粉和蔗糖代謝；（4）苯丙氨酸代謝；（5）丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝；（6）甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝。

3.3 CUMS抑郁癥動物生物標志物的生物學功能分析 谷氨酸是一種興奮性的神經遞質，腦組織中一半以上的神經元依賴其進行信號傳導［25-26，37］，過高的谷氨酸會引起神經毒性，谷氨酰胺-谷氨酸循環對其在機體內的含量至關重要［23］。在CUMS 抑郁模型動物血液、腦組織中谷氨酸的含量變化趨勢比較紊亂，谷氨酰胺含量在血液和腦組織樣品中以上升為主。以上結果說明在CUMS抑郁模型動物體內谷氨酸-谷氨酰胺代謝紊亂，推測可能與慢性應激刺激導致動物大腦中星形膠質細胞的損傷有關［23］。N-乙酰天冬氨酸在神經細胞線粒體中合成，是哺乳動物中樞神經中濃度第二高的高分子，其前體N-乙酰天冬氨酰谷氨酸可以抑制谷氨酸的釋放［36］，并且腦內過低的N-乙酰天冬氨酸含量意味著神經元受到損傷［38］。本文發現N-乙酰天冬氨酸在CUMS 動物腦內含量變化有升有降，意味著其腦內N-乙酰天冬氨酸代謝紊亂。甘氨酸不僅是一種抑制性的神經遞質，對于神經突觸的重塑性也十分重要。甘氨酸含量在CUMS 抑郁模型動物血液樣品中以上升為主，甘氨酸過量積累也可能與抑郁癥的病理生理有關［26，31，37］，并且腦組織中甘氨酸減少可能意味著抑郁動物腦內神經過度興奮。以上總結說明CUMS 處理過程會導致動物體內氨基酸類神經遞質代謝發生紊亂，并且可能出現相應的神經細胞損傷。

苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸均屬于芳香族氨基酸［33］。色氨酸是合成5-羥色胺的前體［23，25］，而5-羥色胺水平下降是抑郁癥一大顯著特征［54］。CUMS 抑郁模型動物血液和尿液樣品中色氨酸含量主要以降低為主，意味著5-羥色胺合成可能也會降低，推測CUMS 處理過程使抑郁癥模型動物體內色氨酸-5-羥色胺代謝出現障礙。酪氨酸是一種必需氨基酸，是合成多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素等兒茶酚胺類神經遞質的前體［8］。苯丙氨酸可以經過苯丙氨酸羥化酶的作用合成酪氨酸［24］，并且苯丙氨酸與色氨酸具有競爭性［59］。CUMS 模型動物血液和尿液中苯丙氨酸含量變化紊亂，而血樣中酪氨酸含量呈下降趨勢，推測苯丙氨酸羥化酶的活性可能降低，進而導致酪氨酸含量下降及苯丙氨酸代謝紊亂。這表明CUMS 處理造成動物抑郁癥狀可能與色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等氨基酸代謝途徑紊亂有關。

表3 CUMS抑郁癥模型的生物標志物匯總Table 3.Summary of biomarkers in CUMS depression animal models

Figure 3.Pathway Analysis results of high-frequency consensus markers in CUMS depression model animals.圖3 CUMS抑郁癥模型動物共有高頻標志物Pathway Analysis分析結果

表4 CUMS抑郁癥模型動物體內代謝通路分析的結果總結Table 4.Summary of metabolic pathways in CUMS depression model animals

CUMS動物血液樣品中葡萄糖的變化比較紊亂，但是其含量以上升為主。葡萄糖是哺乳動物主要的供能物質，葡萄糖紊亂標志著機體能量代謝受到影響。葡萄糖穩態與體內多種生理活動息息相關。大鼠長期處于應激刺激下會造成HPA 軸持續性興奮，進而導致皮質酮過度分泌［60］，皮質酮可以調節糖代謝，使糖原、脂類、蛋白等物質更多地轉化成葡萄糖，提高血糖濃度［28］。因此，推測CUMS 動物血液樣品中葡萄糖的升高可能是由于其長期處于應激刺激下導致HPA 軸過度興奮引起的，說明CUMS 過程誘發模型動物出現抑郁癥狀很可能是HPA軸過度興奮引起的。

CUMS動物血液樣品中乳酸上升，說明抑郁模型動物體內糖酵解途徑增強，造成乳酸堆積。腦組織的能量供給是由糖酵解過程提供的，在CUMS 動物腦組織中乳酸的含量降低，可能是腦供能不足的表現。肌酸-磷酸肌酸系統對細胞能量轉運至關重要，并且是腦內的重要供能物質［30，33］，在抑郁大鼠血液樣品中檢測到肌酸水平以降低為主，腦內含量變化紊亂，說明CUMS 抑郁模型動物腦部能量供應受到影響。檸檬酸是三羧酸循環中的中間產物，影響機體的能量代謝和糖酵解過程［53-54］，其含量變化在CUMS抑郁動物血液樣品中表現比較紊亂，而在尿液樣品以下降為主，結合血液樣品中葡萄糖的含量變化，說明CUMS 處理過程會導致動物體內三羧酸循環反應紊亂。丙氨酸和甘氨酸可以與丙酮酸可以相互轉化，并生成乙酰輔酶A 進入到三羧酸循環中參與能量代謝［17，31］。總結發現，在CUMS動物血液樣品中丙酮酸水平都呈現下降趨勢，甘氨酸含量以上升為主，而丙氨酸含量升降參半，沒有明顯規律，同樣說明其體內能量代謝紊亂。因此，綜合CUMS 抑郁模型動物體內乳酸、肌酸、甘氨酸、檸檬酸、甘氨酸、丙氨酸、丙酮酸及葡萄糖的含量變化，推測CUMS 處理過程會導致動物體內能量代謝紊亂，出現供能不足，這與抑郁癥動物運動能力下降，活動減少的癥狀相符合。

膽堿的代謝產物包括甲胺、二甲胺、三甲胺等單胺類物質；氧化三甲胺（trimethylamine oxide，TMAO）是三甲胺經過腸道微生物調節的代謝產物［32，40-41］。CUMS 動物血液樣品中TMAO 都呈現下降趨勢，說明CUMS 抑郁模型動物體內腸道菌群紊亂，其調節功能受到影響，這可能與抑郁癥動物食欲減退密切相關。

與抑郁癥患者相似，CUMS 動物體內亮氨酸、異亮氨酸及纈氨酸相關代謝也受到影響。在血液樣品中異亮氨酸和纈氨酸變化紊亂，亮氨酸以降低為主，而在腦組織中三者皆出現下降趨勢。這說明CUMS動物體內支鏈氨基酸代謝比較紊亂，也出現了單胺類神經遞質合成不足、氧化應激、炎癥反應及能量代謝紊亂的現象。

對上述標志物及其涉及的代謝途徑和生物學功能進行代謝網絡圖構建，結果如圖4 所示。通過上述分析得知，動物經過CUMS 處理可能會引起神經遞質代謝紊亂，包括5-羥色胺、多巴胺和去甲腎上腺素合成減少以及甘氨酸合成增加；慢性應激刺激導致星形膠質細胞損傷和HPA 軸持續興奮（皮質酮過度分泌）；能量代謝紊亂，包括糖酵解上調（乳酸堆積）、三羧酸循環紊亂等。由此推測CUMS 處理造成模型動物出現抑郁癥狀可能是由于上述通路受到影響造成的。

Figure 4.The metabolic network in CUMS depression model animals.Red solid circle：biomarker content rises in the sample；green solid circle：biomarker content decreases in the sample；red hollow circle：biomarker content presumably rises in the body；green hollow circle：biomarker content presumably decreases in the body；gray solid circle：biomarker content varies in the sample.TCA：tricarboxylic acid cycle；HPA：hypothalamic-pituitary-adrenal axis；TMAO：trimethylamine oxide；brain：hippocampus or other brain tissues；blood：serum or plasma samples.圖4 CUMS抑郁癥模型動物體內代謝網絡圖

4 抑郁癥動物模型與抑郁癥患者發病機理的對比分析

抑郁癥患者和CUMS 抑郁模型動物生物樣品中出現的共有標志物包括谷氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、谷氨酰胺、丙酮酸、乳酸、檸檬酸、葡萄糖、甘氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和丙氨酸，見圖5A。其中乳酸在抑郁癥患者和抑郁癥模型動物血液樣品中的含量都以上升趨勢為主，酪氨酸和丙酮酸在血液樣品中以下降趨勢為主；但尿液中檸檬酸含量，以及血液中甘氨酸、葡萄糖等含量的主要變化趨勢則相反。這些標志物變化趨勢的不同也可能是由于研究對象、個體差異、檢測方法等因素造成的。以上結果說明CUMS 造模方法對動物體內整體代謝的影響與抑郁癥患者具有很大的相似性，但是個別標志物及其在機體內的變化趨勢可能會有一定差異，提示采用動物模型研究抑郁癥時，與抑郁癥患者一致的指標可能是潛在的研究靶點。

通過對兩者總結的標志物在MetaboAnalyst 4.0進行Pathway Analysis 功能分析可知，CUMS 模型動物和抑郁癥患者體內主要受到影響的共同代謝通路包括：苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成；D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代謝；淀粉和蔗糖代謝；苯丙氨酸代謝；丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸代謝；甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝，見圖5B。這些結果表明，模型動物體內受到CUMS 處理影響的代謝通路與抑郁癥患者體內受影響的代謝通路具有極高的相似性，即CUMS 造模方法在一定程度上可以模擬抑郁癥患者體內的代謝特征。

Figure 5.Venn diagrams of biomarkers（A）and metabolic pathways（B）in CUMS depression model animals and depressed patients.圖5 抑郁癥模型動物與抑郁癥患者標志物及代謝通路的Venn圖

5 結論

在抑郁癥患者中發現，特定生物樣品中含量變化具有規律性的生物標志物包括：血液中含量上升的谷氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和N-乙酰糖蛋白，含量下降酪氨酸和5-羥色胺；尿液中含量上升的丙氨酸和檸檬酸，含量下降的苯丙氨酸等。這些生物標志物具有作為抑郁癥診斷標志物的潛力。通過對抑郁癥模型和抑郁癥患者的生物標志物及其涉及的代謝通路整理分析發現，抑郁癥的發病機制主要包括能量代謝異常、HPA 軸過度興奮、神經細胞損傷、氨基酸代謝、氨基酸類神經遞質代謝異常及神經信號傳導障礙、氧化應激與炎癥反應等。總結發現，抑郁癥患者與CUMS 模型受到影響的生物標志物和代謝通路十分相似，說明CUMS 造模過程可以在一定程度上模擬抑郁癥患者體內的代謝特征，即CUMS 造模方法具有合理性。

6 展望

本文通過對近年來關于抑郁癥模型動物和抑郁癥患者生物樣品的代謝組學研究進行整理分析，總結了具有抑郁癥診斷潛力的標志物、抑郁癥可能的發病機制等內容，但是由于可參考文獻數量有限，一些標志物和代謝通路的規律性總結會有一定的局限性，相信隨著相關研究的增多，這些研究成果一定會給抑郁癥的診斷、發病機制和治療提供極大的幫助。