代谢组学在帕金森病生物标记研究中的应用
2016-08-23 王雁 赵忠新 神经科空间
代谢组学是系统生物学的重要组成部分，具有快速、高效、非侵袭性、高灵敏度和高特异性的特点，对帕金森病(PD)生物标记的筛选有重要价值。本文围绕代谢组学的概念、研究方法及其在发现PD生物标记物方面的研究综述如下。一、PD与生物标记物PD是一种常见的神经系统变性疾病，尽早明确诊断对于PD的治疗和管理非常重要，但是现阶段临床上诊断PD的准确率仅为76%~84%[1,2,3]。使用选择性的诊断标准，例如
代谢组学是系统生物学的重要组成部分，具有快速、高效、非侵袭性、高灵敏度和高特异性的特点，对帕金森病(PD)生物标记的筛选有重要价值。本文围绕代谢组学的概念、研究方法及其在发现PD生物标记物方面的研究综述如下。
一、PD与生物标记物
PD是一种常见的神经系统变性疾病，尽早明确诊断对于PD的治疗和管理非常重要，但是现阶段临床上诊断PD的准确率仅为76%~84%[1,2,3]。使用选择性的诊断标准，例如非对称性起病、缺乏典型症状、没有其他帕金森综合征症状等，PD诊断的正确率可以上升至93%，但是敏感性很低[4]。目前使用的诊断标准很大程度上依赖于病史询问和体格检查，因此一些主观的因素很难避免。其他更加精细的检查方法，例如多巴胺摄取成像检查等，可以明显地提高诊断的敏感性，但是这些检查方法要么造价昂贵，要么缺乏可行性[5]。因此迫切需要一种灵敏度高特异性强的生物标记物来早期发现和明确诊断PD患者[6]。生物标记物是一种可客观测量和评估的指标，能够反映正常的生物过程、病理过程以及药物的治疗效果[5]。近期，代谢组学的引入为发现PD的生物标记物提供了新的解决方案[7,8]。
二、代谢组学
代谢组学是对新陈代谢过程中某一时间所有低分子量(<1 000 000)代谢产物进行定性和定量的研究，以反映生物体对外界刺激或基因修饰所发生的变化的科学[9]。这些代谢产物可包括内源性代谢产物、药物代谢物、环境化学物质、从肠道菌群产生的化学物质等等。代谢组学是继基因组学、蛋白质组学、转录组学之后一个新兴的后基因组学的研究领域，是系统生物学的重要组成部分。基因表达和蛋白质的改变必将产生细胞、组织、器官的代谢变化，而代谢物是细胞调节过程的最终产物，这一水平可以被认为是生物系统对于遗传或环境变化最终的反应[10]。代谢组学允许整体评估某个细胞状态，同时兼顾到当时的环境因素、基因表达、改变动力活性、酶的调节和代谢反应的改变[11]。代谢组学将小分子物质及其代谢产物同时准确定量，对多条代谢途径同时监控，具有快速、高效、非侵袭性、高灵敏度和高特异性的特点。
代谢组学可以相对容易地在外周组织、脑脊液或等离子体等样本中进行研究。许多不同的平台可用于研究代谢组学，最常用的分析方法有质子技术核磁共振(NMR)、液相色谱质谱分析(LCMS)、气相色谱质谱分析(GCMS)，另外还有磁共振波谱(MRS)、高效液相色谱法(HPLC)结合电化学检测、毛细管电泳等[12,13]。代谢物在时间和空间上呈高度动态，结构变化的范围巨大，因而对于测量分析产物是个挑战。但是分析方法的进步，尤其是分离科学和更敏感的仪器的引入，再加上复杂的数据处理软件、统计分析和代谢物鉴定，使得代谢组学的开展更加便利。不同分析方法的流程都基本一致：包括样品采集、样品处理、数据分析和代谢物鉴定。
代谢组学最为广泛的应用是寻找代谢生物标记物。代谢组学生物标记物可能是一个简单的分子或者几个分子的一种模式[14]。最近，代谢组学被用于多种人类疾病中，例如冠状动脉疾病、高血压、肝脏和卵巢上皮肿瘤、Ⅱ型糖尿病、运动神经元病、心肌梗死、亨廷顿病和精神分裂症等，预测疾病进展或检测治疗效果，研究可能的生物学标记物[11,15]。
三、代谢组学在PD研究中的应用
1．PD患者与健康对照的比较：
代谢组学技术的进步为了解PD的发病机制和病理过程提供了帮助[7,16]。近期的一些研究观察了PD患者与健康对照之间，以及不同亚型的PD患者之间的代谢物的差异，检测标本多是外周的体液，包括血液、血浆、尿液和脑脊液等。早期的研究首先观察了PD患者与健康人群的血液标本之间的代谢差异。例如Bogdanov等[17]使用一种液相色谱电化学序列检测(LCECA)的方法在66例PD患者和25例健康对照中进行研究，发现血浆样本中的代谢标记物能够将PD患者与健康对照明显区分开来；与对照组相比，PD患者尿酸水平明显下降，谷胱甘肽明显增加。研究还发现DNA的氧化损伤的标记物——8-羟基-2-脱氧鸟苷(8-OHdG)的水平在PD患者中显著增加，提示氧化应激在PD病理过程中发挥了作用。Ahmed等[18]通过电感耦合等离子体-原子发射分光光度法(ICP-AES)和电感耦合等离子体质谱分析方法，观察了PD患者与健康对照之间的差异，结果显示铝、铜、铁、锰、锌是区分PD与健康对照的元素；而且，铝是触发磷的关键元素，进而导致PD患者中血清内稳态的不平衡。
除了血液，脑脊液也是常用的代谢组学标本。有研究对PD患者脑脊液代谢物水平进行了观察。例如Lewitt等[19]利用代谢组学比较了PD患者和对照组死后侧脑室脑脊液(CSF)样本差异，作者采用超高效液相和气相色谱质谱(UHPLC-MS)分析方法，在2组样本之间共鉴定出19种代谢差异产物；使用这19种物质作为一个整体的生物标志物不仅能够将PD与健康对照明显区分，而且灵敏度高，特异性强，与先前的研究结果相一致[17]。该研究同样发现PD患者中氧化型谷胱甘肽减少。另外这项研究还发现3-羟基犬尿氨酸(一种在壳核组织中增加的兴奋性毒素)在PD患者中明显增加，提示在PD病理过程中兴奋性毒性物质与氧化应激的作用。还有研究使用尿液标本观察PD患者代谢组学的变化。例如Luan等[20]使用高效液相色谱法耦合高分辨率LCMS方法检测了106例PD患者和104例健康对照的401个临床尿液样本，结果发现PD患者与对照相之间有差异的代谢通路包括类固醇、脂肪酸β氧化、组氨酸代谢、苯丙氨酸代谢、色胺素代谢、核苷酸代谢和络氨酸代谢。之后他们联合GCMS和LCMS的方法，比较了特发性PD患者在3个阶段(早、中、晚期)和正常对照组尿代谢表型的差异；18个差异表达代谢物构成的代谢标记被认为与特发性PD的进展相关，在支链氨基酸代谢、甘氨酸、类固醇激素生物合成色氨酸代谢和苯丙氨酸代谢途径上观察到代谢变化[21]。上述结果尽管都是比较PD患者和正常人群，但在血液、脑脊液和尿液发现的代谢差异物并不一致，可能是由于不同种物质的代谢方式不同，在不同体液中的分布也并不均衡。进一步的代谢组学研究将有助于在血液、脑脊液、尿液等不同样本中发现PD患者的生物标记物。
有研究联合使用了代谢组学和蛋白质组学这2种组学的方法进行观察。例如Trupp等[22]使用以气相-飞行时间质谱分析为基础的代谢组学方法和以免疫分析为基础的蛋白质(肽)检测方法，分别检测了20例PD患者和20例健康对照的血和脑脊液标本中的小分子物质；结果显示在PD血浆中，某些氨基酸，例如焦谷氨酸盐和铜亮氨酸明显增高，而C16-C18饱和脂肪酸减少，提示PD患者血浆中能量代谢旁路的改变；PD患者脑脊液中的代谢水平较对照相比下降；尤其是3-羟基异戊酸、色氨酸、肌酸酐明显下降。但是联合代谢组学和蛋白质组学的形成一个单独的模型，并没有增加区别PD和健康对照之间的统计学差异。Hatano等[23]则联合使用了3种代谢组学方法：采用适用基本物种的UPLC/MS/MS方法、适用酸性物种的UPLC/MS/MS方法和GCMS的方法比较了35例原发性PD患者和15例健康对照的血清样本，发现PD患者中色氨酸、咖啡因及其代谢物、胆红素和麦角硫因水平下降，左旋多巴代谢物和胆绿素水平增高。该结果中，胆红素的变化提示PD患者中氧化应激增强，色氨酸下降提示精神症状，而咖啡因的改变则与既往研究中咖啡因在PD发病中的影响相一致。多种方法的联合使用，检测的物质范围更广，可能更有利于特异的生物标记物的发现。
2．PD不同亚型之间比较：
有的研究比较了不同亚型的PD患者之间的代谢差异。长期以来PD在很大程度上被认为是一种特发性疾病，但最近的十年，研究报道了与PD发病相关的一些遗传因素。基因LRRK2突变是已知的最常见的PD的遗传原因。一项研究比较了原发性PD、LRRK2相关PD患者、LRRK2基因携带者以及健康对照的代谢差异[24]。在这项研究中，原发性PD患者与健康对照之间，原发性PD与LRRK2相关PD患者之间，以及LRRK2相关PD患者与LRRK2基因携带者之间都存在明显的代谢差异；进一步的分析发现嘌呤代谢通路在上述人群中存在差异，但是研究并没有鉴定某种特异的差异产物。PD的进展速度是在人群中差异很大，提示缓慢或迅速的发展形式差异可以为改善PD早期检测和管理提供有价值的信息。通过随访观察PD患者的帕金森综合评分量表(UPDRS)评分，Roede等[25]将患者分为快速进展型组和慢速进展型组，研究者采用双色谱高分辨率质谱法分析，发现N8乙酰亚精胺在快速进展型PD患者的血清中显著升高，说明多胺代谢异常可能是进展迅速PD的预测指标。该结果提示运动症状的快速进展疾病表型可以通过代谢组学在PD的早期检测出来，而这种探索可能对于PD患者的个体化管理以及预后的评估提供有价值的信息。
代谢物水平受到饮食、环境、遗传背景、活动水平等许多方面的影响，这为发现一种可靠的代谢组学生物标记提出了很大的挑战。此外，多种不同的病因可能导致相同的临床表现和诊断，这可能也是上述多项PD代谢组学研究没有发现重叠的代谢差异物的原因。尽管如此，已有的结果提示PD患者的氧化应激[15,19,23]、兴奋性毒性物质[19]、氨基酸代谢[20,22,23]、多胺代谢[25]、脂肪酸[20,22]、微量元素[18]、嘌呤代谢[24]、左旋多巴代谢[23]、咖啡因代谢[23]均存在差异。但是到目前为止，尚没有一种，或者某几种代谢差异物的集合被证实可以作为PD诊断、进展、治疗、预后的生物标记物。
总之，代谢组学研究对PD生物标记物的发现进行了一定的探索，发现了一些有价值的代谢标志物，但是仍需要更多大规模研究进行深入分析和验证，为PD的早期诊断和发现有效的药物治疗靶点提供可靠的试验依据。
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