代謝組學在診斷標誌物篩選研究中的應用
代謝組學(metabonomics)的概念是Nicholson等在1999年率先提出的。相對於基因組學、轉錄組學以及蛋白質組學,代謝組學更關注生物體的表型,因此也是腫瘤潛在生物標誌物篩選中最有前景的發展方向。近年來代謝組學迅速發展並滲透到多項領域，比如疾病診斷、醫藥研製開發、營養食品科學、毒理學、環境學，植物學等與人類健康護理密切相關的領域。基因組學和蛋白質組學分別從基因和蛋白質層面探尋生命的活動，而實際上細胞內許多生命活動是發生在代謝物層面的，如細胞信號釋放，能量傳遞，細胞間通信等都是受代謝物調控的。代謝組學正是研究代謝組——在某一時刻細胞內所有代謝物的集合——的一門學科。基因與蛋白質的表達緊密相連，而代謝物則更多地反映了細胞所處的環境，這又與細胞的營養狀態，藥物和環境污染物的作用，以及其它外界因素的影響密切相關。因此有人認為，「基因組學和蛋白質組學告訴你什麼可能會發生，而代謝組學則告訴你什麼確實發生了。
近年來隨著各種資料庫的不斷完善與健全，越來越多的代謝物質被鑒定與發現，各種基礎研究領域開始關注代謝組學及其二維分析。由於具有快速、高效、非侵襲性、高靈敏度和高特異性的特點，因此在各種疾病診斷研究與農學研究領域開始受到廣泛關注。今天代謝小蜜蜂就給大家分析幾篇代謝組學在疾病診斷領域研究的相關論文與方法。
一、腫瘤代謝標誌物的篩選與研究
腫瘤是嚴重危害人類生命健康的疾病，發病率與死亡率逐年增加。近年來，與腫瘤相關的代謝組學研究逐漸受到重視。代謝組學研究在腫瘤的發病機制、早期診斷、個體化治療以及預後判斷等方面具有獨特優勢。1846年，第一個腫瘤標誌物由H Bence-Jones所證實的本周氏蛋白（Bence Jones Protein)，對多發性骨髓瘤有一定的診斷作用。百年後的今天，隨著代謝組學的發展，高效的篩選生物標誌物已成為極大的可能。
前列腺癌biomarker發現。2009年nature刊發了美國密歇根大學霍華休斯醫學院研究者的一項基於GC/MS代謝組學研究的前列腺癌生物biomarker的研究成果。研究者對前列腺癌患者血清、組織、尿液樣本中的代謝組進行系統分析，一共262個臨床樣本，分別選自前列腺癌患者（59個活檢陽性，51個活檢陰性作為對照）的42個組織，110份尿液和血漿，以代謝物差異性來區分出良性前列腺癌、臨床局限性前列腺癌、轉移性癌。研究發現肌氨酸在侵入性前列腺癌組織中含量很高，同時作者檢測活檢陽性和陰性人群尿液樣本，這些樣本中往往前列腺抗原含量是上升的。也就是說活體穿刺陰性並不能完全排除未患癌。這也顯示出肌氨酸作為判斷前列腺癌轉移的重要意義。該研究中還利用遺傳技術將甘氨酸生成肌氨酸的酶定向敲除，發現敲除了生成肌氨酸的酶將大大降低前列腺癌的惡性程度，反過來，外源添加肌氨酸或降低肌氨酸脫氫酶，將導致前列腺良性上皮細胞的惡化。這說明肌氨酸在癌細胞轉移中可能扮演了重要的角色，肌氨酸代謝通路有可能成為前列腺癌治療的新靶點。
肝癌代謝組學研究獲進展。2013年，中科院大連化學物理研究所研究員許國旺團隊與上海東方肝膽醫院王紅陽院士課題組合作，將基於液相色譜—質譜用於肝癌組織非靶標代謝組學研究並取得了重要進展，相關成果在美國《癌症研究》上在線發表。研究人員基於超高效液相色譜—高分辨質譜分析平台，對50例肝癌患者的癌組織、癌旁近端組織和遠端組織進行了非靶標代謝譜分析，。結果表明，肝癌患者出現了大量的代謝異常，主要包括糖酵解加速、三羧酸循環抑制、糖異生和β-氧化加快以進一步提供能量、脂肪酸代謝相關的Δ-12脫氫酶活性顯著下調。此外，谷胱甘肽等抗氧化分子水平增高，炎症相關的多不飽和脂肪酸和磷脂酶A2水平下降。
白血病biomarker發現。2014年刊發在blood上的一篇關於急性髓細胞白血病（AML）葡萄糖代謝機制研究發現發現急性髓細胞白血病患者（AML）的糖酵解代謝活性越高，其生存就越差。研究團隊獲得兩組（測試組：229個AML患者和260個對照血漿樣本；驗證組：171個AML患者和233個對照血漿樣本）受測對象的血漿代謝組數據，利用非靶向代謝物檢測技術測得100個代謝物中有6種代謝物在組間有顯著性差異，其中甘油-3-磷酸、乳酸、檸檬酸在AML患者血清中含量較對照顯著下降，而丙酮酸、α-酮戊二酸和2-HG在AML患者中顯著增加，進一步將這 6 種代謝產物組合來評估 AML 患者的預後發現： 患者的生存期( OS) 和無事件發生期( EFS) 與乳酸、丙酮酸、α-酮戊二酸、2-HG、甘油-3-磷酸的含量成負相關，但與檸檬酸含量成正相關。這六個biomarker的發現對於急性髓細胞白血病（AML）預後評價有重要的價值。
「代謝組學」可區分胰腺癌和胰腺炎。2017年，發表在Gut雜誌研究成果表示，「代謝組學」可區分胰腺癌和胰腺炎。研究人員表示，「代謝組學」的代謝動態圖像已被用來識別能區分胰腺癌和慢性胰腺炎的新的血液代謝物生物標誌物，與傳統診斷方法相比具有較高的靈敏度且適用於疾病更早期階段。生物標誌物特徵區分胰腺癌與慢性胰腺炎，假設累積發病率為1.95%，曲線下面積為0.96，敏感性為89.9%，特異性為91.3%。
二、帕金森代謝標誌物的篩選與研究
PD患者與健康對照的比較：代謝組學技術的進步為了解PD的發病機制和病理過程提供了幫助。近期的一些研究觀察了PD患者與健康對照之間，以及不同亞型的PD患者之間的代謝物的差異，檢測標本多是外周的體液，包括血液、血漿、尿液和腦脊液等。早期的研究首先觀察了PD患者與健康人群的血液標本之間的代謝差異。例如Bogdanov等使用一種液相色譜電化學序列檢測(LCECA)的方法在66例PD患者和25例健康對照中進行研究，發現血漿樣本中的代謝標記物能夠將PD患者與健康對照明顯區分開來；與對照組相比，PD患者尿酸水平明顯下降，谷胱甘肽明顯增加。研究還發現DNA的氧化損傷的標記物——8-羥基-2-脫氧鳥苷(8-OHdG)的水平在PD患者中顯著增加，提示氧化應激在PD病理過程中發揮了作用。Ahmed等通過電感耦合等離子體-原子發射分光光度法(ICP-AES)和電感耦合等離子體質譜分析方法，觀察了PD患者與健康對照之間的差異，結果顯示鋁、銅、鐵、錳、鋅是區分PD與健康對照的元素；而且，鋁是觸發磷的關鍵元素，進而導致PD患者中血清內穩態的不平衡。
除了血液，腦脊液也是常用的代謝組學標本。有研究對PD患者腦脊液代謝物水平進行了觀察。例如Lewitt等利用代謝組學比較了PD患者和對照組死後側腦室腦脊液(CSF)樣本差異，作者採用超高效液相和氣相色譜質譜(UHPLC-MS)分析方法，在2組樣本之間共鑒定出19種代謝差異產物；使用這19種物質作為一個整體的生物標誌物不僅能夠將PD與健康對照明顯區分，而且靈敏度高，特異性強，與先前的研究結果相一致。該研究同樣發現PD患者中氧化型谷胱甘肽減少。另外這項研究還發現3-羥基犬尿氨酸(一種在殼核組織中增加的興奮性毒素)在PD患者中明顯增加，提示在PD病理過程中興奮性毒性物質與氧化應激的作用。還有研究使用尿液標本觀察PD患者代謝組學的變化。例如Luan等使用高效液相色譜法耦合高解析度LCMS方法檢測了106例PD患者和104例健康對照的401個臨床尿液樣本，結果發現PD患者與對照相之間有差異的代謝通路包括類固醇、脂肪酸β氧化、組氨酸代謝、苯丙氨酸代謝、色胺素代謝、核苷酸代謝和絡氨酸代謝。之後他們聯合GCMS和LCMS的方法，比較了特發性PD患者在3個階段(早、中、晚期)和正常對照組尿代謝表型的差異；18個差異表達代謝物構成的代謝標記被認為與特發性PD的進展相關，在支鏈氨基酸代謝、甘氨酸、類固醇激素生物合成色氨酸代謝和苯丙氨酸代謝途徑上觀察到代謝變化。上述結果儘管都是比較PD患者和正常人群，但在血液、腦脊液和尿液發現的代謝差異物並不一致，可能是由於不同種物質的代謝方式不同，在不同體液中的分布也並不均衡。進一步的代謝組學研究將有助於在血液、腦脊液、尿液等不同樣本中發現PD患者的生物標記物。
有研究聯合使用了代謝組學和蛋白質組學這2種組學的方法進行觀察。例如Trupp等使用以氣相-飛行時間質譜分析為基礎的代謝組學方法和以免疫分析為基礎的蛋白質(肽)檢測方法，分別檢測了20例PD患者和20例健康對照的血和腦脊液標本中的小分子物質；結果顯示在PD血漿中，某些氨基酸，例如焦谷氨酸鹽和銅亮氨酸明顯增高，而C16-C18飽和脂肪酸減少，提示PD患者血漿中能量代謝旁路的改變；PD患者腦脊液中的代謝水平較對照相比下降；尤其是3-羥基異戊酸、色氨酸、肌酸酐明顯下降。但是聯合代謝組學和蛋白質組學的形成一個單獨的模型，並沒有增加區別PD和健康對照之間的統計學差異。Hatano等則聯合使用了3種代謝組學方法：採用適用基本物種的UPLC/MS/MS方法、適用酸性物種的UPLC/MS/MS方法和GCMS的方法比較了35例原發性PD患者和15例健康對照的血清樣本，發現PD患者中色氨酸、咖啡因及其代謝物、膽紅素和麥角硫因水平下降，左旋多巴代謝物和膽綠素水平增高。該結果中，膽紅素的變化提示PD患者中氧化應激增強，色氨酸下降提示精神癥狀，而咖啡因的改變則與既往研究中咖啡因在PD發病中的影響相一致。多種方法的聯合使用，檢測的物質範圍更廣，可能更有利於特異的生物標記物的發現。
PD不同亞型之間比較：有的研究比較了不同亞型的PD患者之間的代謝差異。長期以來PD在很大程度上被認為是一種特發性疾病，但最近的十年，研究報道了與PD發病相關的一些遺傳因素。基因LRRK2突變是已知的最常見的PD的遺傳原因。一項研究比較了原發性PD、LRRK2相關PD患者、LRRK2基因攜帶者以及健康對照的代謝差異。在這項研究中，原發性PD患者與健康對照之間，原發性PD與LRRK2相關PD患者之間，以及LRRK2相關PD患者與LRRK2基因攜帶者之間都存在明顯的代謝差異；進一步的分析發現嘌呤代謝通路在上述人群中存在差異，但是研究並沒有鑒定某種特異的差異產物。PD的進展速度是在人群中差異很大，提示緩慢或迅速的發展形式差異可以為改善PD早期檢測和管理提供有價值的信息。通過隨訪觀察PD患者的帕金森綜合評分量表(UPDRS)評分，Roede等將患者分為快速進展型組和慢速進展型組，研究者採用雙色譜高解析度質譜法分析，發現N8乙醯亞精胺在快速進展型PD患者的血清中顯著升高，說明多胺代謝異常可能是進展迅速PD的預測指標。該結果提示運動癥狀的快速進展疾病表型可以通過代謝組學在PD的早期檢測出來，而這種探索可能對於PD患者的個體化管理以及預後的評估提供有價值的信息。
代謝物水平受到飲食、環境、遺傳背景、活動水平等許多方面的影響，這為發現一種可靠的代謝組學生物標記提出了很大的挑戰。此外，多種不同的病因可能導致相同的臨床表現和診斷，這可能也是上述多項PD代謝組學研究沒有發現重疊的代謝差異物的原因。儘管如此，已有的結果提示PD患者的氧化應激、興奮性毒性物質、氨基酸代謝、多胺代謝、脂肪酸、微量元素、嘌呤代謝]、左旋多巴代謝、咖啡因代謝均存在差異。但是到目前為止，尚沒有一種，或者某幾種代謝差異物的集合被證實可以作為PD診斷、進展、治療、預後的生物標記物。總之，代謝組學研究對PD生物標記物的發現進行了一定的探索，發現了一些有價值的代謝標誌物，但是仍需要更多大規模研究進行深入分析和驗證，為PD的早期診斷和發現有效的藥物治療靶點提供可靠的試驗依據。
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