系統生物學技術在骨質疏松癥研究中的應用進展

王高祥 楚淑芳 寇鑫暉 盧趙琦,3 曾霖,3 黃倩,3 曾華 李惠林*

1.南京中醫藥大學附屬深圳市中醫院，廣東 深圳 518000 2.深圳市中醫院，廣東 深圳 518000 3.廣州中醫藥大學第四臨床醫學院，廣東 深圳 518000

目前，骨質疏松癥(osteoporosis，OP)在全球的患病人數已達到2億多，且這一數字在不斷增加。此外，OP每年在全球世界造成約900萬次骨折[1]。因此，更深入地研究OP是當務之急。基因組學、蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學和網絡藥理學是系統生物學的重要組成部分[2]。隨著系統生物學的飛速發展，這些組學技術在OP的疾病診斷、疾病機制和藥物治療等方面研究中的應用也日益增加。因此，本文綜述了近年來系統生物學技術在OP研究中的應用進展。

1 基因組學

基因組學起源于20世紀90年代末，是一項研究機體全部基因結構和功能的技術[3]。在人類基因組計劃完成后，基因組學技術在醫療科研領域逐漸普及，該技術有助于臨床和科研工作者從整體到組織、從細胞到分子全面、深入地了解疾病[4]。在過去的20年中，基因組學發展迅速，但是基因組學技術應用于OP研究的相關報道并不多[5]，目前少量相關報道主要集中在疾病靶點和藥物治療機制方面。趙旭等[6]運用基因組學技術對中藥復方左歸丸和西藥戊酸雌二醇兩種治療手段治療絕經后骨質疏松癥(postmenopausal osteoporosis，PMOP)治療前后的骨髓基因表達變化進行比較，發現兩組治療前后的差異基因表達變化均與免疫反應和炎癥有關，得出中藥復方左歸丸和西藥戊酸雌二醇都可通過減輕免疫反應和緩解骨髓微環境的炎癥來改善PMOP狀態下的骨髓微環境。Xianzuo等[7]運用基因組學和轉錄組數據的綜合分析，鑒定女性OP的調控網絡，旨在闡明OP發作的轉錄調控和遺傳性，發現JUN和ACSL5是OP的樞紐基因，并確定了與骨密度密切相關的16個mRNA和40個lncRNA，認為這些mRNA和lncRNA可能是特異性的靶點，可用于診斷OP。

2 蛋白質組學

蛋白質組學技術可以從復雜生物樣本中分離和鑒定蛋白質，能夠客觀準確地反映其在各樣本中的含量，為不同組樣本蛋白質水平的差異篩選提供了一種有力的方法[8-9]。蛋白質是機體代謝的主要執行者，也是多種疾病的作用靶點，蛋白組學通過全面地比較不同體液、組織中蛋白質的差異，客觀地反映個體生理病理狀態，在OP的診斷標志物和疾病機制等研究中發揮巨大作用[10]。Chen等[11]運用定量蛋白質組學，分析從OP不同階段的人群中提取的蛋白質，發現并驗證了4種與OP相關的外泌體蛋白：PSMB9、PCBP2、VSIR和AARS，這些外泌體蛋白可能有助于診斷OP和發現骨代謝疾病背后尚未被發現的相關機制。Huo等[12]運用蛋白質組學分析OP患者組和健康對照組兩組血清微泡蛋白質差異，發現兩組微泡中Vinculin、Filamin A、Profilin 1等蛋白存在明顯差異，這些蛋白質或許可以作為評估和診斷蛋白質流失的寶貴指標，經驗證Profilin 1蛋白的變化的可有效反映骨量的變化。Calciolari等[13]通過蛋白質組學分析OP對Wistar大鼠顱骨臨界尺寸缺損模型中骨再生治療后蛋白表達的影響，發現治療后炎癥和應激反應通路相關蛋白的過度表達，以及骨細胞前體的延遲成熟和骨細胞前體的減少/延遲分化的趨勢。Zeng等[14]運用定量蛋白質組學與綜合網絡分析方法挖掘與OP相關的新基因和通路。李生強等[15]運用蛋白質組學技術分析PMOP有哪些蛋白與非編碼RNA u431+互作關聯，發現乳鐵蛋白與之具有較強的互作功能，值得深入研究。

3 轉錄組學

在高通量測序等技術的不斷進步的今天，轉錄組學技術已經成為研究疾病發病機制和機體特定生物學過程的主要研究方法之一[16]，它可以快速、全面地分析特定的組織樣本，得到其在特定狀態下的轉錄本信息，方便快捷地篩選出與正常組織有差異的基因。盡管目前蛋白質組學能夠成功篩選出OP的分子靶標，但是轉錄組學的相關研究仍然值得關注[17-18]。Ying等[19]運用轉錄組學技術分析糖皮質激素導致的OP的特點，發現了158個糖皮質激素相關的候選基因，這些基因在OP相關通路中顯著富集，闡明了糖皮質激素相關基因的表達機制，為糖皮質激素引起的OP的診斷和治療提供新的指導。

4 代謝組學

在基因組學、蛋白組學、轉錄組學技術的基礎上，20世紀90年代出現的代謝組學也是系統生物學中的一項重要技術[20]。代謝組學是一種可定性和定量分析細胞、組織、器官或生物體液中的內源性小代謝物，并有助于理解代謝組學譜變化的研究方法[21-23]。OP是一種全身性代謝疾病，代謝組學主要研究對象是代謝產物，因此，近年來，基于代謝組學技術研究OP的報道相對較多，主要集中在OP患病前后、藥物干預前后的代謝產物變化。Zhang等[24]通過液相色譜質譜代謝組學技術觀察與OP骨密度相關的代謝標志物，納入634名相關OP患者，評估了209種血漿代謝物，并進行長達27年的隨訪評估了骨質疏松性骨折，通過孟德爾隨機分析，發現甘氨酸、磷脂酰膽堿和三酰甘油與股骨頸骨密度呈負相關，磷脂酰膽堿和三酰甘油與腰椎骨密度呈負相關。Ma等[25]等通過尿液代謝組學分析大黃苷治療PMOP生物標志物和代謝通路，發現并鑒定出 27 種生物標志物與 16 種代謝通路，主要涉及類固醇生成、長鏈脂肪酸的β氧化、谷胱甘肽代謝、肉堿合成、雌激素代謝和支鏈脂肪酸氧化等。Zhao等[26]運用代謝組學技術研究淫羊藿乙醇提取物對OP大鼠模型的藥理學作用及作用機制，發現了16種潛在的生物標志物，并通過進一步的通路實驗，發現花生四烯酸代謝通路和甘油磷脂代謝通路可能是淫羊藿乙醇提取物作用于OP大鼠模型的關鍵通路。Si等[27]通過高通量代謝組學方法評估蛇床子素對PMOP的療效，發現蛇床子可以通過影響內源性代謝物，有效減輕了卵巢切除術引起的大鼠OP，具有治療PMOP的潛力。Ye等[28]運用非靶向代謝組學策略揭示了牛骨骼膠原蛋白肽對卵巢切除引起的大鼠OP的成骨機制的影響，共鑒定了41種生物標志物，其水平在治療后發生了明顯變化。其中，在牛骨骼膠原肽組中有21種代謝物表達水平下降，20種代謝物表達水平上升，這些最終被認為是其治療OP的潛在的生物標志物。

5 網絡藥理學

網絡藥理學以系統生物學和疾病-基因-靶向醫學的概念為基礎，被證實是一種預測藥物治療在整個機體水平上對疾病的作用機理的新方法[29]。網絡藥理學取代了當前“一種藥物、一個靶點”的研究思路，采用“藥物-靶點-通路-疾病”的研究策略去研究藥物和疾病的關系，已被證實是探索藥物與疾病之間復雜關系的一種很有前景的技術[30-31]。這一新的研究技術的特點與OP多靶點的疾病特性是一致的。網絡藥理學主要被用于研究單味中藥或中藥復方在治療OP的作用靶點以及通路。Li等[32]通過整合多個數據庫和網絡藥理學層面的廣泛分析，并經過斑馬魚模型實驗驗證，研究肉蓯蓉治療OP和阿茲海默癥的雙重作用，鑒定出22個具有雙重作用的活性成分和9條相關通路，發現黃酮類、萜烯和甾醇等化合物表現出較好的療效，MAPK和TGF-β信號通路可能是肉蓯蓉治療OP和阿茲海默癥的兩個最重要通路，提高了對OP和阿茲海默癥分子機制上的聯系的理解。Liu等[33]檢索了TCMSP、TCMID、SwissTargetPrediction、DrugBank、DisGeNET、GeneCards、OMIM和TTD等數據庫，運用網絡藥理學探討山茱萸在OP治療中的潛在機制，研究發現山茱萸的活性化合物表現出與IGF1R、INSR、ESR1和MMP9的良好結合能力，主要與卵巢類固醇生成相關通路有關的蛋白質發揮作用，這些通路在雌激素生物合成中至關重要。該研究為預防和治療OP的自然療法的發展提供了新的見解。Qin等[34]運用網絡藥理學方法預測二至丸抗OP的活性成分和相關靶點，并進行功能富集分析，并進行動物實驗，試圖揭示二至丸治療OP的藥理作用和潛在分子機制，發現二至丸可通過調節雌二醇抑制骨量丟失。Zhou等[35]運用網絡藥理學和分子對接的方法研究五苓散治療的潛在機制，經篩選發現五苓散主要通過EGF、ERBB2、MTOR和HIF-1等靶標治療OP。

6 總結與展望

綜上所述，近幾年，系統生物學技術在OP的疾病診斷、發病機制和藥物治療的研究中被廣泛應用。系統生物學技術可以幫助科研工作者更高效、準確、整體地從基因、mRNA、蛋白質和代謝物層面了解OP。雖然目前系統生物學尚處于發展階段，但是其在OP研究中展現出的活力和應用價值不容小覷。從系統生物學角度，分析基因、mRNA、蛋白質和代謝產物失調在OP發病過程中的重要作用，研究藥物治療OP的作用靶點和通路，這對OP的研究具有重要意義。目前基于網絡藥理學、代謝組學、蛋白組學技術的OP研究相對較多，但基于基因組學和轉錄組學的OP研究相對較少，或許是值得關注的方向。未來，會有更多新興組學技術的不斷發展，基于系統生物學技術的OP方面的研究必不斷涌現。