代谢组学研究与肝病诊断临床应用前景

发布时间:2020-06-17       作者:刘树业       来源:临床实验室        浏览:2688       收藏: 0

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作者:刘树业 刘爽 田亚琼 张磊

单位:天津市第三中心医院检验科

精准医学是医疗保健的重要途径和方向,旨在改善患者的特异性和个体化诊断、医疗决策、药物、治疗和预后,提高生活质量[1]。在这种个性化医疗中,每个病人都根据自己的特殊需要得到独特的治疗。目前的临床检查与最先进的分子谱相结合,以创建诊断、预后和治疗策略,精确地定制每个患者的需求,从而提高效率和减少副作用[2]。在这种环境下,需要获得准确的患者表型信息,包括临床、基因组、转录组和代谢组数据。

代谢组学是对作为代谢中间产物或终点的小分子(代谢物)的综合分析。由于代谢物对外部和内部刺激的变化比基因和蛋白质更快,代谢组学为研究年龄、药物或疾病状况等广泛因素的生理变化提供了更灵敏的工具。因此,代谢组学正越来越多地被用于疾病病理状态的研究。

一、代谢组学特点与诊断标志物

Jeremy Nicholson和他的同事在1999年提出了代谢组学的概念,希望能够通过代谢物谱的变化发现生物标志物,而代谢谱的变化可能由于疾病或遗传等体质差异或药物管理或接触毒物引起的外源性变化造成的[3]

代谢是基因组的下游,更接近生物体的表型,因此它受到疾病的影响[4]。此外,虽然基因组在患者的一生中保持稳定,但代谢组会随着环境和疾病的动态变化而变化。这使得代谢组可以为评估和了解疾病的生理学提供更加详细的分析。除疾病外,代谢组还受到一系列其他因素的影响,包括年龄、性别、饮食和微生物群。尽管这些因素增加了一般人群代谢谱的变化,但它们也有助于了解每个人的健康状况。因此,代谢组的分析考虑了这些因素,这些因素也可能影响任何潜在的诊断或临床结果。代谢组学试图确定许多不同代谢途径的整体代谢谱,包括脂质、碳水化合物、蛋白质和脂肪酸代谢途径,这些代谢物是在特定时间点内存在或从特定对象体内排泄出来的。正因为如此,它可以为寻找许多不同疾病的生物标志物提供一个理想的工具。

代谢组学最常用的两种研究方法是质谱法(可以与色谱分析的一般步骤相结合,提高分辨率)以及核磁共振光谱法。这两种方法都能够达到分析目的,并且可以相互补充。

二、代谢组学与肝病诊断及治疗监测

肝脏是人体最大的消化腺,也是人体的重要器官之一。负责消化、代谢、解毒、药物的生物转化等重要功能,维持全身的稳态。肝脏疾病的发生和进展涉及酒精、药物滥用、感染、外源性感染以及代谢性疾病等多种因素,而肝脏疾病造成的肝功能的损伤也对多种内源性疾病造成重要影响。

1. 代谢组学与非酒精性脂肪性肝病:非 酒 精 性 脂 肪 性 肝 病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)的发病率逐年增高。NAFLD是代谢综合征在肝脏的表现[5],是遗传因素和环境因素相互作用的结果。NAFLD的病理变化从单纯性肝脂肪变进展为脂肪性肝炎,并可最终进展至中晚期肝纤维化,最终导致肝硬化和肝细胞肝癌(hepatocellular carcinoma,HCC)[6]。糖脂代谢的改变在NASH的发病机制中起重要作用。临床上,NASH患者常表现为胰岛素抵抗、中枢性肥胖、糖耐量降低、2型糖尿病、动脉性高血压以及高甘油三酯血症[7,8]。因此准确诊断和鉴别非酒精性脂肪性肝炎(NASH)和纤维化对NAFLD的治疗和管理是必要的。传统的金标准是肝活检,也是一种有创操作,但存在着可行性、采样误差、观察者内和观察者间的变异性和潜在的并发症等主要缺陷[9],不适合大规模人群的筛查和监测,而非侵入性工具监测NAFLD的严重程度和进展是临床迫切需要的诊断方法。

Puneet Puri等对NAFLD中的血浆代谢组学进行了广泛的研究。他们通过质谱分析了血浆脂质和类花生酸代谢产物,发现随着疾病的进展,11-HETE(花生四烯酸的一种非酶氧化产物)、胆汁酸盐、谷胱甘肽相关代谢产物以及葡萄糖、甘露糖、乳酸盐和丙酮酸盐等常规代谢产物水平均增高。对胆汁盐的深入研究表明,在非酒精性脂肪性肝炎患者中结合胆汁酸盐明显增高[10]。Kalhan等发现甘胆酸盐、牛黄胆酸盐和甘氨鹅脱氧胆酸在NAFLD患者的血清中升高,肉毒碱以及丁酰肉毒碱等分子在非酒精性脂肪性肝炎患者血清中明显升高,但长链脂肪酸的含量减低。Papandreou等[11]人对随访3.8年的非酒精性肝脂肪变性患者发生的脂质生物合成重排进行了分析。他们将45例患者分为3个亚组:健康对照组、肝脂肪变性组和随访期间肝脂肪变性逆转组。基线时,与健康对照组相比,肝脂肪变性患者甘油三酯和胆固醇酯、几种单醚甘油磷酸胆碱、酰基甘油磷酸胆碱、神经酰胺和神经酰胺对鞘磷脂的储存和运输较少。p-醚酰基甘油磷脂酰胆碱、神经酰胺和鞘磷脂在逆转组和对照组之间有显著差异。研究指出,代谢谱的改变不仅存在于肝脂肪变性患者中,也存在于肝脂肪变性逆转患者中,这可能是因为负性代谢状态需要很长时间才能完全回归。这提示我们,代谢谱中蕴含的信息不仅能指示机体状态,还可以用于探索疾病的动态变化。

Goffredo等人[12]分析了78例非酒精性脂肪肝青少年的代谢组学特征。NAFLD患者血浆缬氨酸、异亮氨酸、色氨酸和赖氨酸水平较高。研究表明,较高的缬氨酸基线水平可以很好地预测肝脂肪的大量积累。代谢组学不仅有望用来诊断NAFLD,还能在一定程度上揭示NAFLD的发病机制,具有较大的应用前景。此外,代谢组学方法可以促进诊疗、饮食和药物治疗的个性化发展。

2. 代谢组学与病毒相关性肝病:病毒性肝病是由多种不同肝炎病毒引起的一组以肝脏损伤为主的传染病,其中乙型病毒性肝炎是流行最为广泛的一种,每年导致全球3.5亿人感染,而我国恰恰是乙型肝炎的高发地区[13]。虽然国家对于病毒性肝病的诊治十分重视,且一些抗病毒药物在临床上也得到了广泛的应用,但该病的典型病程仍未得到有效地遏制,成为严重威胁我国人民健康的突出问题。因此,在慢性肝病防治方面,我们仍然任重而道远。值得高兴的是,许多学者利用代谢组学工具针对性地研究病毒性肝病的各种表现,取得了有意义的成果。

急慢性肝功能衰竭(acl-on-chronic liver failure,ACLF)是慢性HBV感染患者常见的终末期肝病类型,其特点是慢性肝病的潜在病情迅速恶化,多器官衰竭,短期死亡率高。Nie CY[14]等人采用高效液相色谱-质谱联用(UPLC-MS)寻找乙型肝炎相关ACLF的诊断和预后无创、可靠的生物标志物。利用动态追踪模型显示17种代谢物与乙型肝炎相关ACLF的预后有关,特征代谢物与终末期肝病评分模型具有很强的相关性。这一研究结果有助于探讨乙型肝炎相关ACLF在代谢水平上的表现和进展的机制,为乙型肝炎相关ACLF的诊断和预后的生物标志物的鉴定提供了重要信息。

肝脏作为人体最大的消化腺,对调节能量、蛋白质和氨基酸等新陈代谢功能至关重要。那么对于乙肝患者,准确有效的评价其营养状况和代谢特点则更有利于个性化医疗的开展。Qing Ye[15]等人对乙肝肝硬化患者与入组志愿者进行血清UPLC-MS分析,发现血清中溶血磷脂酰胆碱、甘油磷酸胆碱、鸟氨酸和葡萄糖醛酸等多种代谢物与Child-Pugh评分相关,能够作为评价乙型肝炎肝硬化患者营养状况和代谢特点的敏感指标,有助于判断患者预后并做为营养治疗的重要依据,更有利于患者个性化诊疗方案的制定。

对大多数肝癌患者来说,最有效的诊断工具是确定其肿瘤的分化程度。然而,目前最有效的确定肿瘤分化程度的方法是肝活检,但肝活检又存在出血和其他并发症的风险。此时,代谢组学呈现出其优势,挖掘一种无创的诊断工具成为众多学者的目标。为了筛选出与乙肝病毒相关肝癌分化程度相关的血清特征代谢物,Lei Zhang[16]等采用UPLC-MS技术分析内源性代谢产物,进行多元统计分析后,筛选出5种特征代谢产物,包括溶血磷脂酰胆碱(16:0)、油酰胺、单甘酯(0:0/15:0/0:0)、溶血磷脂酰胆碱(18:0)和溶血磷脂酰胆碱(22:5(7Z、10Z、13Z、16Z、19Z))。这些代谢物对不同分化程度的不同类型HCC均有良好的鉴别能力,其曲线下面积达0.942,具有良好的临床应用价值。随后,Lei Zhang及其团队又对不同巴塞罗那分期的乙肝肝癌患者的血清代谢轮廓进行探索[17],以正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)模型参数(R2X=67.2%,R2Y=82%,Q2Y=61.1%)诊断HCC与HBV相关的不同BCLC分期。研究成功筛选出了能够反映HCC进展的代谢离子,并且具有较高的诊断价值,可以用于诊断乙肝相关肝癌和检测疾病发展进程。确认了肝癌的分化程度和分期的代谢轮廓之后,为了更好地利用代谢轮廓进行临床应用,该团队继续对特征代谢离子的检测方法进行进一步探索,利用代谢组学代谢靶标分析技术,建立了一种定量检测人血清中溶血磷脂酰胆碱(LPC)类物质的方法[18]。运用高效液相色谱与串联质谱联用(HPLC-MS/MS)分析平台,将利血平为内标物,构建了定量检测LPC14∶0、LPC 15∶0、LPC 16∶0、LPC 17∶0和LPC 18∶0系列物质的检测方法,并验证了上述5种代谢离子对不同巴塞罗那分期乙肝肝癌患者的鉴别能力。通过这一系列努力,学者们应用HPLC-MS/MS分析平台获得了许多有意义的数据。实验室研究从代谢轮廓分析到代谢物定量测量,为临床诊治提供了更加准确的依据,这也使得代谢组学从基础向临床又迈进了一步。

三、代谢组学临床应用前景与展望

代谢组学研究是一种强大的方法,它着眼于生物体的全局性和动态性变化,分析生物系统中的所有代谢产物。广义地说,机体的所有病生理变化都离不开代谢!因此,通过这种方法,我们可以去探究每个个体病理条件下与稳态紊乱相关的代谢变化及其相关关系。近十年来,代谢组学可谓蓬勃发展,国际学术组织的成立以及相关合作项目的实施使得基础研究的质量大大提高,然而,代谢组学的研究与应用,从基础走向临床依旧面临着比较复杂的环境。目前肝病代谢组学的临床研究与应用已经走在前列,相信假以时日,代谢组学一定会在临床应用方面大放异彩。

参考文献

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