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基于核磁共振的代谢组学研究在糖尿病的应用进展

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·854· 2010年l2月第27卷第12期J Clin Intern MedDecerober 2010.V01.27.N0.12 .·继续教育园地· 基于核磁共振的代谢组学研究在糖尿病的应用进展 王雅静马红 [文献标识码]A [DOI]10.3969/j.issn.1001—9057.2010.12.025 [中图分类号]R587.1 [关键词]糖尿病;代谢组学;核磁共振 代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后,系 统生物学的重要领域 。代谢组学技术可使基囚和蛋白表达 的微小变化在代谢物水平得到放大,并将代谢信息与病理生理 过程中生物学事件关联起来,从而了解机体生命活动的代谢过 程。糖尿病是一种严囊威胁人类健康的代谢性疾病,利用代湔 组学方法对糖尿病代谢产物进行分析,探索糖尿病及其并发症 发q三发展的机理,开拓 J,糖尿病研究的新视野。以下就近年来 基丁核磁共振(NMR)代谢组学技术在糖尿病研究方面的进展 进行综述. 后基因时代产物——代谢组学 代谢组学是在后基【大1组学时代兴起的 门跨领域学科,其 通过考察生物体系受刺激或扰动后(如某个特定的基因变异或 环境变化)其代谢产物的组成及其随时问的变化,来研究生物 体系的代谢途径 。如同Billy David所说:“基因组学和蛋白 质组学告诉你叮能发生什么,而代谢组学则告诉你已经发生了 什么”L 。代谢组学通过运用核磁共振、质谱(MS)、气质联用 技术(GC—MS)、液柑色谱一质谱联用(LC—MS)、高效液相色谱 (HPLC)等先进的分析技术,对细胞提取物、组织提取物和生物 体液随时问改变的代谢物进行检测,结合有效的模式识别方法 进行定性、定最和分类,并将这些代谢信息与病理生理过程中 牛物学事件关联起米,从而r解机体生命活动的代谢过程。基 于核磁共振的代谢组学技术是代谢组学普遍采用的方法,利用 高磁场巾原了核对射频辐射的吸收光谱鉴定体液中化合物结 构。具有样品预处理简单、无损伤性、尢偏向性、高通量检测、 检测方法多样等优势,目前已广泛用于包括药物毒理性评定、 生物信息学研究、肿瘤学、代谢性疾病等的检测。 代谢组学在糖尿病研究方面的应用 据国际糖尿病联盟统计,日前伞球有糖尿病患者2.46亿, 且以每年新发700万患者的速度迅猛增长。由于糖尿病发病 具有隐匿性,我国约有3/4的糖尿病患者未能得到及时诊 断 J。我困心脏病调查组发现,于 tl,内科急诊入院或在急诊留 观治疗的冠 tl,病患者中,仅测空腹血糖值将导致约50%的糖尿 病患者被漏诊 。由-j:不能得到及时有效的治疗,超过l/3 的新诊断患者已经存在各种并发疗 ,并严重威胁患者的健康 甚至生命,糖尿病及其并发症的早期诊断、治疗迫在眉睫。 作者 化:361004厦门,福建医科大学教学医院厦门大学附属中 l爰院内分泌科 糖尿病的主要病理生理变化为胰岛素绝对或相对不足引 起的糖、蛋白质、脂肪、水及电解质等代谢紊乱,为整体代谢紊 乱的内分泌代谢疾病。因此从代谢组学的角度分析糖尿病患 者体液中的代谢物是一种崭新而有效的渠道。通过对糖尿病 引起的代谢产物变化进行基于核磁共振代谢组学分析,结合各 种模式识别方法和生物信息学方法,可探索疾病发生、发展过 程及机体内物质的代谢途径,并寻找疾病生物标志物以辅助临 床诊断。近年来,国际、国内应用基于核磁共振代谢组学对糖 尿病的研究越来越多,并取得了一定成果。 1.代谢组学在糖尿病基础研究的应用 继Nicholson开创核磁共振代谢组学在糖尿病领域的应用 后,代谢组学技术逐渐被人们所认知,越来越多的研究者利用 此方法对糖尿病进行研究。Hodavance等 通过核磁共振技术 分析马的血液样品,清楚地辨识与糖尿病和胰岛素抵抗相关的 特征信号[低密度脂蛋白(LDL)、极低密度脂蛋白(VLDL)、葡 萄糖、胆碱等],认为基于核磁共振的代谢组学是研究2型糖尿 病的有效方法,并指出由于幼马胰岛素抵抗的发生率很高,可 作为研究2型糖尿病发病机理和代谢途径的模型。肥胖Zueker (fa/fa)鼠作为2型糖尿病的一种重要模型,通过基于核磁共振 的代谢组学技术研究其与正常Wistar鼠、非肥胖型Zucker鼠的 体液,可显著辨识动物模型的年龄、血统、性别、fj昼变化 J,同 时研究揭示l『肥胖Zucker(fa/fa)鼠线粒体功能及蛋氨酸代谢 的异常,可能导致肝脏能量状态的降低,其肝脏组织提取物中 脂肪酸、甘油三酯显著增加,谷胱甘肽及单链不饱和脂肪酸减 少 。。。另外一组研究利用多种代谢组学技术分析表明肥胖 Zueker鼠具有更高的血脂、胆固醇浓度,且尿素、花生四烯酸、 维生素E、牛磺胆酸也是其生物标志物。多组试验显示肥胖 Zucker鼠血浆牛磺胆酸浓度较高,叮能表明牛磺酸代谢的改变 与糖尿病进展有关¨ J。J.Shearer等 通过对高脂饮食诱发 胰岛素抵抗的C57BL\6J大鼠的血液进行代谢组学分析,证实 核磁共振技术在小样本的实验模型中可很好的预测胰岛素抵 抗,标志性代谓十产物如:赖氨酸、亮氨酸、甘氨酸、柠檬氨酸和醋 酸盐等都参与能量代谢过程,可能为胰岛素抵抗所导致代谢紊 乱的结果。 代谢组学更具有对完整组织进行代谢物分析的独特优势, 如Atherton等” 分别利用核磁共振氢谱( H一核磁共振)和多种 高通量分析方法(如GC—MS,LC—MS),进行组织提取液和完整 组织(肝脏,心脏,骨骼肌,脂肪)的代谢物分析,结果显示所有 过氧化物酶体增殖激活受体一Or.(PPAR— )表达低的组织中葡萄 2010年12月第27卷第12期J Clin InternMed ̄December 2010,Vo1,27,No.12 ·855· 糖,氨基酸(丙氨酸,谷氨酰胺)含量明显降低,乳酸含量升高, 从而表明PPAR一0【的表达下降直接导致糖酵解、三羧酸循环的 紊乱,体现了PPAR— 在脂代谢和糖代谢方面的重要作用。 Williams等 证实核磁共振、HPLC、GC—MS等方法可相互 者发生心血管疾病和视网膜病变的危险性。虽然Ronan Rous— sell2 等在一项病例对照研究中,认为基于核磁共振代调}组学 方法对糖尿病心血管疾病的预测尚缺乏足够的临床适用性。 而Brindle等 对36例严重心血管疾病患者和30例心血管动 脉硬化患者的血浆,进行代谢组学分析,结合PCA、偏最小二乘 法.判别分析(PLS—DA)以及簇类软模式法(SIMCA)、正交 信号校正一偏最小二乘法(OSC—PLS)等模式识别技术建立了判 别心血管疾病及其严重程度的新诊断方法,具有最小的侵人 间取长补短,获得更丰富的代谢物信息。有学者更提出利用计 算机辅助的模式识别和专家系统方法来阐释得到的核磁共振 数据,将其信号强度数据看作一个代谢物浓度或分泌速率的多 样本数组,进而对样本进行归类 ,找到与基因功能相关的生 物标记物,并将其与生物学途径或代谢网络关联起来,从而推 性,专一性也高达90%,并可判断心脏病的严重程度。M ̄tkinen 断出基因的功能,将生理和生化定量分析的数据与生物体的表 型和遗传差异联系起来。 2.代谢组学在糖尿病及其并发症方面的应用 Makinen等 采用 H.核磁共振显示脂蛋白脂类窗及低分 子质量代谢物窗,结合主成分分析的方法(PCA),区分了1型 糖尿病和非糖尿病样本,显示各种脂蛋白的变化对区分样本起 了决定性的作用。Allison等 也利用核磁共振分析脂蛋白代 谢组学轮廓来预测2型糖尿病的发生,证明VLDL颗粒和高密 度脂蛋白颗粒(HDL)可作为的危险因子预测2型糖尿病, 其中VLDL特别是大颗粒和中等大小颗粒的YLDL浓度与其负 相关,HDL与其成正相关,此研究与胰岛素抵抗动脉粥样硬化 研究(IRAS)相一致,显示了致动脉粥样硬化的脂蛋白异常与糖 尿病致病密切相关。Salek等 则分别比较了两种糖尿病模型 鼠(db/db鼠,Zucker肥胖鼠)及糖尿病患者尿液中的代谢物差 异,结果表明三者存在一定的代谢相似性,包括三羧酸循环,核 苷酸代谢,甲胺代谢等的紊乱,除了预期的能量代谢变化(包括 葡萄糖和脂肪酸氧化)外,在核苷酸代谢方面三者也都有所变 化。另外,Ciurtin等 从糖尿病患者和正常人尿液的 H一核磁 共振谱分析中,获得了更丰富的代谢物信息,并将代谢物的浓 度分别以绝对值和相对值表示,结果表明糖尿病人和正常人尿 液中的缬氨酸、丙酮酸、丙氨酸和乳酸的绝对值存在显著差异。 近期Lan等 通过 H一核磁共振分析1型糖尿病患者经胰岛素 治疗及急性胰岛素缺乏及正常人的血浆,发现胰岛素剥夺时乳 酸盐、醋酸盐、尿囊素、酮类增高,预示此时氨基酸及其代谢产 物紊乱,结合LC—MS/MS技术分析表明蛋白质合成及分解、糖 异生、酮体生成、氨基酸氧化、线粒体生物能学及氧化应激等代 谢途径的紊乱在1型糖尿病患者的胰岛素缺乏中可能起到重 要作用。 糖尿病的病理生理变化最终产生全身各重要器官的慢性 并发症,大血管粥样硬化引发冠心病和缺血性或出血性脑血管 病已成为糖尿病患者的首要死亡原因,而微血管病变如糖尿病 肾病、糖尿病视网膜病变也多见,是终末期肾病及失明的重要 原因。目前基于核磁共振代谢组学的研究主要集中于糖尿病 并发症方面。糖尿病患者所伴有的血脂异常是导致心脑血管 病的主要危险因素,核磁共振技术能够基于血液中各组分的扩 散系数不同,无需对血液样品进行物理或化学的分离,而直接 表征不同类型的血清脂蛋白。这种方法已经具体应用在1型 糖尿病患者 和2型糖尿病患者 的血清脂蛋白亚类定量 上,研究结果阐述了脂蛋白代谢异常和高血糖以及糖尿病并发 症之问的相关性,并具体以脂蛋白参数的变化考察了糖尿病患 等¨ 基于核磁共振的代谢组学方法(对比临床诊断数据)诊断 糖尿病肾病的灵敏度为87.1%(83.9%),特异性为87.7% (95.9%),体现了该方法对糖尿病肾病的检测和诊断能力。该 研究小组 更收集了613例1型糖尿病及患有不同并发症(糖 尿病肾病、视网膜病、心血管病、代谢综合征)的患者血清样品, 通过核磁共振质谱分析,采用聚类分析数据处理方法,获得了 各种并发症之间的关联信息。如糖尿病肾病和代谢综合征存 在明显的正相关性等。但是,由于各并发症代谢特征的交叉重 叠,未能将不同并发症完全区分开来。另外,此研究也结合了 临床常用的生化检测指标(胆固醇、脂蛋白、尿素、肌酐、甘油三 酯、糖化血红蛋白等),分别考察了不同并发症与各检测指标的 相关程度,指出高密度脂蛋白2(HDL2)是肾脏损伤的主要标志 物,甘油三酯对血管病变具有重要意义,与许多糖尿病并发症 病理生理研究结果相符,从而为糖尿病并发症的早期临床诊断 提供依据。 3.代谢组学在糖尿病治疗方面的应用 Van等 利用核磁共振方法比较了正常人和服用罗格列 酮的2型糖尿患者尿液的代谢物变化。结果表明:相对于正常 人,糖尿病患者尿液中柠檬酸、磷酸烯醇式丙酮酸盐、马尿酸以 及几种芳香氨基酸的含量明显升高;相比于糖尿病未服药组, 罗格列酮治疗组的尿液中马尿酸、芳香氨基酸含量明显降低, 并通过代谢物的变化分析了该药物的代谢途径及作用机理。 Yang Qiu等 通过一项临床研究,对2型糖尿病患者使用常用 口服药物:格列本脲、二甲双胍、罗格列酮之一者治疗前及治疗 8周后的血清、尿液进行核磁共振分析,通过多元分类技术筛选 出有意义的候选代谓十标志物,并认为其在临床治疗辅助决策选 择及临床试验患者分层方面的应用方面有一定的意义。 结语 代谢组学作为一门新兴学科在疾病诊断、药物药理分析等 方面已得到越来越广泛的应用。对于2型糖尿病这一代谢紊 乱性疾病,代谢组学具有独特的优势,可探索2型糖尿病发生 和发展过程中机体内物质的代谢途径,寻找血管并发症的特征 性标志物,并辅助其临床诊断,对高危人群作出风险评估,为广 大的糖尿病患者提供预防、治疗的依据。然而,代谢组学的研 究刚刚开始,仍存在技术不够成熟,体液中代谢物复杂、多样, 分析方法各具优劣等不足。且其最大的挑战在于对代谢产物 的识别,并进一步确认所有代谢物的功能。相信这些理论和技 术问题能在实际应用中不断地完善和提高,使其科研价值得到 更好的体现。 ·856· :2010年12月第27卷第12期J Clin Intern Med.December 2010.Vo1.27.N0.12 参考文献 [1 5』Williams R,Lenz EM,Wilson AJ,et a1.A multi analytical platform ap。 proach to the metabononlic analvsis of plasma from nolqllal and zucker 【1 J Lindon JC,Holmes E,Bollard ME,et a1.Metabonomics technologies and their applications in physiological monitoring,drug safety assessnmnt and disease diagnosis.Biomarkers,2O04,9:1I31. 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