代謝組學技術在代謝綜合征診療中的應用進展

唐玥，韓宇博，隋艷波，鄒國良，樊德慧，陳美慧，劉莉

(1.黑龍江中醫藥大學，哈爾濱 150040； 2.黑龍江中醫藥大學附屬第一醫院心內一科，哈爾濱 150040)

代謝綜合征是一種由快速生活方式和飲食改變等因素共同引起的代謝異常癥候群[1-2]，常聚集發病。流行病學調查顯示，我國天津地區代謝綜合征的發病率為22.76%，其中男性發病率為31.98%，女性為9.67%[3]，代謝綜合征增加了多種心血管疾病[4]及神經系統疾病[5]患病風險，給社會和家庭均帶來沉重的經濟負擔。但代謝綜合征的診療依托于其構成的每一組分，初期整體臨床癥狀不明顯，早期診斷率低，且缺乏有效的預防手段[6]。代謝組學是近年來生物信息學中繼基因組學、蛋白組學后出現的一種可更精確反映代謝物與生物體生理病理變化的學科，可通過代謝圖譜、代謝指紋圖譜和代謝足跡對人體各生理活動期內所有低分子量代謝產物進行定性和定量分析[7]。代謝組學技術還可幫助臨床醫師了解代謝綜合征的發生發展，同時監測基因、環境、藥物以及生活方式等改變對機體代謝狀態造成的影響?，F就代謝組學技術在代謝綜合征診療中的研究進展予以綜述。

1 代謝組學技術概述

代謝組學技術是一門以物理為基礎的分析化學、以數學計算建模為基礎的化學計量學、以生物化學為基礎的生命科學的融合學科，可分析生物體內源性代謝物質及變化規律。目前最常用的兩種代謝組學技術是核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)和色譜-質譜聯用。

1.1NMR NMR技術應用靜磁場和射頻磁場引起特定原子核共振釋放能量衰減差異成像原理，具有樣品預處理和制備簡單、可同時處理多種生物流體、可高水平實現實驗重現等特點，廣泛用于生物體液、組織、細胞提取液及活體組織分析。其具有無損的特性，對于未知代謝物鑒定的優勢顯著。NMR能夠完成大多數代謝物樣品檢測，且具有多參數動態分析、無偏向性分析以及對所有化合物靈敏度均相同等特性[8]。但由于靈敏度低、分辨率不高、難以檢測豐度較低的化合物以及同一代謝物會出現多個信號重疊等問題，NMR在代謝組學領域的廣泛普及受到限制[9]。

1.2色譜-質譜聯用 色譜-質譜聯用技術結合了色譜的高分離度、質譜的高靈敏度及高特異度等特點，可以快速定性代謝物并準確進行定量分析，無信號重疊，同時對低豐度化合物也較靈敏[10]，因此，對于多重反應監測至關重要，可確保多個化合物的準確定量。近年來，中心切割多維氣相色譜技術不斷革新，通過串聯多種不同的色譜柱將難以分離的物質在不同的色譜柱上高效分離，以增大峰容量、提高分辨率，使定性和定量更加準確[11]。從氣相-色譜聯用技術到液相色譜-質譜聯用技術，從超高效液相色譜-質譜聯用技術再到高效液相色譜-高分辨率質譜技術，色譜-質譜聯用技術經歷了一系列有關分離效率、檢測靈敏度等方面的變革，克服了分離組分定性困難等問題，已廣泛用于各種代謝組學研究。

2 代謝組學技術中常見代謝物對代謝綜合征的診斷

2.1血漿代謝組學診斷技術 血漿代謝物分析是代謝組學研究中最常用的方法。Gong等[12]通過靶向高效液相色譜-質譜聯用發現，代謝綜合征患者血漿代謝物中羥癸酰肉堿和甲基戊二酰肉堿水平降低均與代謝綜合征的發生風險相關。動物研究也顯示，肥胖大鼠血漿肉堿水平降低，補充肉堿可不依賴于肌肉線粒體脂肪酸氧化能力改善胰島素敏感性[13]。而胰島素敏感性降低是代謝綜合征的一個重要發病機制，因此，通過監測代謝綜合征患者血漿代謝物中肉堿水平變化，可以發現新的代謝綜合征診斷的敏感生物標志物。另外，Carioca等[14]采用電噴霧串聯質譜法對血漿樣品中的注釋代謝物進行靶向定量分析，校正混雜因素線性回歸評估代謝當量化合物平均差后發現，絲氨酸與代謝綜合征呈負相關。血漿絲氨酸和1-脫氧二氫神經酰胺譜改變與2型糖尿病及肥胖的神經病變密切相關[15]。高血糖和肥胖均是代謝綜合征的重要組分，探索代謝綜合征患者血漿代謝物中絲氨酸與神經病變的相關性可以為代謝綜合征相關神經病變的診斷提供新思路。此外，采用液相色譜四極桿飛行時間質譜技術分析發現，在代謝綜合征患者血漿中存在23個潛在生物標志物，且主要與三羧酸循環、半乳糖代謝、花生四烯酸代謝以及纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸的降解及生物合成有關；同時，使用酶聯免疫吸附法測定代謝綜合征患者與正常受試者血漿中亮氨酸和纈氨酸水平，結果也支持代謝組學實驗結果[16]。

2.2尿液代謝組學診斷技術 除血液樣本采集外，尿液樣本采集也是目前生物體液代謝組學研究較經典的采集方式。尿液樣本采集不具有侵入性，且可實現樣本的連續收集，經腎小球濾過后，氨基酸、小分子有機酸等成分被濃縮，檢測更方便。Esperanza等[17]對11例代謝綜合征患者與13例對照受試者的尿液樣本進行非靶向代謝組學分析，經甲醇提取和酸化后提交血液液相色譜-高分辨質譜，并將得到的數據在MSaboScape平臺上分析，結果發現，代謝綜合征患者與對照受試者尿液中的吲哚-3-乙酸、吲哚-3-乙酸-O-葡萄糖醛酸、N-(吲哚-3-乙?；?谷氨酰胺、吲哚-3-甲醛以及羥己肉堿水平比較差異均有統計學意義，代謝綜合征患者尿液中的吲哚-3-羧酸豐度較對照受試者高2.13倍。吲哚-3-羧酸及其相關衍生物的?；咸烟侨┧岽x產物是AMP活化的蛋白激酶的直接激活劑[18]，在體內外均具有優異的降糖效果[19]。另外，Shim等[20]采集代謝綜合征患者清晨冰凍尿液樣本評估代謝產物，結果顯示，代謝綜合征患者尿液中的γ-氨基丁酸和d-焦谷氨酸水平顯著升高，N-乙酰D-色氨酸水平顯著降低，其中γ-氨基丁酸與收縮壓等心血管代謝特征顯著相關，N-乙酰D-色氨酸與血壓、血糖、三酰甘油水平呈負相關。γ-氨基丁酸是一種非蛋白質氨基酸，具有降血壓、降血糖、增強記憶力、抗癌等功效，代謝綜合征患者的γ-氨基丁酸隨尿液大量流失，導致患者血壓、血糖均升高。因此，尿液樣本中的吲哚-3-羧酸、γ-氨基丁酸均有可能成為代謝綜合征診斷的生物標志物。

3 代謝組學技術對代謝綜合征的預測

代謝綜合征可通過改變體內葡萄糖、脂肪、氨基酸及其代謝產物相關的代謝途徑，影響易感人群的代謝水平[21]。因此，盡早發現代謝產物的微妙變化，有利于代謝綜合征的早期預測，同時還可有效降低糖尿病及心血管疾病等的發生風險。有學者通過整合臨床、社會人口統計學和飲食習慣等參數建立多維非靶向代謝組學預測模型，結果發現，在代謝綜合征發生前5年，谷氨酸、苯丙氨酸、葡萄糖、脫氧葡萄糖磷酸鹽和亞油酸-甘油磷酸膽堿5個預測生物標志物的特定代謝譜均下調，并具有微妙的表型差異[22]。此外，有研究者利用氣相色譜-質譜聯用技術和隨機森林模型代謝組學技術分析代謝當量，通過隨機森林模型重要度排序發現，2-羥基丁酸、肌醇和D-葡萄糖等代謝物可能成為代謝綜合征早期診斷的潛在生物標志物；與臨床數據建模相比，用代謝物建立模型的誤分率更低、準確率更高[23]，兩者結合或可早發現、早干預代謝綜合征易感人群，降低代謝綜合征的發病率。

4 代謝組學技術對代謝綜合征的鑒別診斷

肥胖和代謝綜合征均是2型糖尿病和心血管疾病的獨立危險因素[24-25]，兩者發病機制相似，但又不完全相同，目前臨床尚無準確的區分方法。Zhong等[26]利用質譜的靶向代謝譜分析了221種代謝物，以評估肥胖患者與代謝綜合征標準模型的關系，結果發現，嘌呤代謝以及纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、色氨酸降解等代謝途徑的特定代謝產物均與代謝綜合征存在顯著相關性；此外，通過鑒定肥胖患者與代謝綜合征標準模型發現，丙氨酸、反式-4-羥脯氨酸等15種代謝物的變量投影重要性分析值為1.59～2.43，且代謝綜合征標準模型組這15種代謝產物水平均高于肥胖患者。另外，代謝綜合征與脂肪肝發病機制相似，通常與胰島素抵抗有關[27]。有研究者通過哺乳動物與其腸道微生物共代謝物及代謝途徑區分代謝綜合征與非酒精性脂肪性肝病[8]。綜上，可有針對性地運用代謝組學技術鑒別代謝綜合征與其他相似疾病，同時還可根據組織代謝物滿足代謝當量的標準數量對代謝綜合征患者狀態進行評估，均有助于代謝綜合征與其他相似疾病的鑒別以及疾病不同階段的危險分層。

5 不同種族間代謝綜合征患者的代謝差異

不同種族代謝綜合征患者的代謝產物存在差異，了解不同種族間代謝譜的差異，對于全面了解人類代謝綜合征代謝譜的變化具有深遠意義。Roberts等[28]通過分析美國巴爾的摩老齡化縱向研究與日本鶴岡代謝組學隊列研究發現，這兩個研究中患者種族不同、特征明確；進一步通過多變量邏輯回歸確定兩個隊列中代謝產物與代謝當量的相關性，校正錯誤發現率后發現，兩個隊列中大部分代謝物存在顯著差異，但在25種差異最顯著的代謝物中，有18種代謝物在美國巴爾的摩老齡化縱向研究與日本鶴岡代謝組學隊列研究中均處于重要地位，且多為氨基酸類，涉及代謝綜合征的多種生化途徑，包括支鏈氨基酸代謝、谷胱甘肽生產、芳香氨基酸代謝、葡萄糖異生和三羧酸循環等。雖然不同種族間的代謝物水平存在差異，但通過不同隊列研究中的重疊代謝物可知氨基酸代謝改變是代謝綜合征的核心特征。

6 代謝組學技術監測代謝綜合征患者代謝物水平變化

6.1評估運動對代謝綜合征患者代謝物的影響 根據靶向代謝譜的變化，對干預治療前后生物體液代謝物水平進行精準分析，不僅可評估疾病的進展，還可評估藥物、生活方式等治療方法對代謝綜合征的改善情況。目前的代謝組學研究普遍認為，運動會使支鏈氨基酸、三羧酸循環糖酵解、氧化應激、胰島素敏感性以及脂肪酸等產生良性改變[29]。Palmn?s等[30]探索代謝產物代謝譜、體質指數與活動能量消耗及體育活動的關系，并采用質子NMR法進行血清代謝組學分析，結果顯示，代謝綜合征風險和肥胖程度較高的受試者絲氨酸、甘氨酸水平均較低，且隨著活動的增加，絲氨酸、甘氨酸水平也逐漸升高。由此可見，在超重或肥胖狀態下，較低的絲氨酸和甘氨酸水平可能由絲氨酸進入新生鞘脂合成所致。除實驗室檢查和體質指數外，運動前后的代謝物分析作為一種更精密的衡量標準在代謝綜合征評估中也具有更廣闊的應用前景。

6.2評估飲食對代謝綜合征患者代謝物的影響 牛奶具有很好的改善代謝綜合征的作用[31]。調查顯示，乳制品的攝入，特別是低脂肪含量牛奶和新鮮乳制品攝入，可改變代謝當量受試者血漿中的代謝物；乳制品的攝入增加可促進血漿C15:0脂肪酸的積累，且與循環中的溶血磷脂、鞘脂、谷氨?；被嵋约鞍兹〣4水平呈負相關[32]。Xu等[33]觀察代謝綜合征肥胖患者攝入低脂牛奶或等熱量米奶后代謝譜的動態變化，結果發現，餐后代謝譜以時間依賴的方式區分低脂牛奶和米奶消耗，代謝生物標志物(如葉酸、亮氨酸/異亮氨酸和腺嘌呤)在兩種測試飲品中也具有顯著不同的代謝趨勢。因此，基于代謝物代謝通路的數據分析，可以通過監測牛奶等膳食干預機制調節餐后代謝紊亂。

除乳制品外，橄欖果實和橄欖油的重要成分羥酪醇也可改善大鼠代謝綜合征。Lemonakis等[34]應用非靶向代謝組學UPLC-Orbitrap和UPLC-QqTOF技術鑒定慢性羥酪醇給藥對血漿代謝物的影響，結果發現有31種代謝物出現差異表達，羥酪醇可降低不飽和脂肪酸的生物合成以及亞油酸、視黃醇、鞘脂類及花生四烯酸等的代謝水平，同時上調甘油酯代謝水平。這可能是羥酪醇保護高碳水化合物、高脂肪飲食喂養大鼠心血管和肝臟以及改善代謝狀態的作用機制。

目前臨床尚缺乏針對代謝綜合征的治療藥物，大多采用不同組分藥物聯合應用，共同干預。中藥復方具有多成分、多通路、多靶點等特性，同時與代謝綜合征的復雜發病機制相吻合，因此可通過監測中藥復方治療前后代謝綜合征患者血清代謝物的變化[35-36]確定其療效，為中醫藥治療代謝綜合征提供依據。

7 小 結

隨著代謝組學技術的不斷發展，可以進一步通過尋找代謝綜合征診斷的核心靶點、監測代謝綜合征患者生物體液代謝物的變化，為代謝綜合征的診斷與鑒別診斷提供理論依據。但目前關于代謝綜合征患者代謝物的研究多為小樣本量研究，未來還需要大樣本、多中心的前瞻性研究進一步驗證關鍵代謝物生物學變化的穩定性，以篩選出早期診斷的有效生物標志物。運用代謝組學技術研究代謝綜合征發展前景廣闊，但如何應用于臨床仍需要深入研究。