代謝組學(xué)技術(shù)在帕金森病中的研究進展

[摘要] 目前代謝組學(xué)技術(shù)在疾病治療中的研究與應(yīng)用正處于探索階段，隨著現(xiàn)代分析技術(shù)的迅猛發(fā)展，代謝組學(xué)在各類疾病診斷與治療中已取得突破性的進展。本研究在參考國內(nèi)外大量相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，從代謝組學(xué)技術(shù)與帕金森病特點兩個方面進行分析，提出將代謝組學(xué)技術(shù)引入帕金森病的研究中可為該疾病的早期診斷和合理治療提供更科學(xué)有效的方案，有望全面系統(tǒng)地揭示帕金森病的科學(xué)內(nèi)涵。

[關(guān)鍵詞]帕金森病；代謝組學(xué)；診斷；治療

[中圖分類號] R741 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-0616（2013）14-31-03

Metabolomics technology in parkinson's disease research

ZHANG Shisen

Department of Neurology，Ningjin County People's Hospital，Ningjin 253400，China

[Abstract] Current metabolomics technologies in the treatment of diseases research and application are in the exploratory stage，with the rapid development of modern analytical techniques，metabolomics in the diagnosis and treatment of various diseases has made a breakthrough.In this study，a large number of relevant literature on domestic and international basis，from metabolomics technology and characteristics of two aspects of Parkinson's disease analysis，the metabolomics technology into the study of Parkinson's disease for that early diagnosis and reasonable to provide more scientific and effective treatment programs，is expected to reveal a comprehensive and systematic scientific connotation of Parkinson's disease.

[Key words] Parkinson's disease；Metabolomics；Diagnosis；Treatment

代謝組學(xué)是基因組學(xué)和蛋白組學(xué)之后新近發(fā)展起來的一門學(xué)科，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，被認(rèn)為是“組學(xué)”研究的最終方向[1]。代謝組學(xué)主要研究的是作為各種代謝路徑的底物和產(chǎn)物的小分子代謝物。代謝組學(xué)是對基因組學(xué)和蛋白組學(xué)預(yù)示的可能變化的真實結(jié)果的測定。因此，代謝組學(xué)處于系統(tǒng)生物學(xué)中與其他組學(xué)相聯(lián)系的樞紐位置。代謝組學(xué)的核心思想是強調(diào)外源性物質(zhì)對生物體所產(chǎn)生的整體性反應(yīng)，以生物體內(nèi)某一物質(zhì)分子整體為研究對象，研究外源物質(zhì)對機體刺激所產(chǎn)生的代謝物組對機體的系統(tǒng)作用。其主要是利用核磁共振技術(shù)和液相色譜質(zhì)譜連用等檢測技術(shù)，結(jié)合統(tǒng)計分析方法對生物體液和組織進行系統(tǒng)測量和分析，對完整的生物體中隨時間變化的代謝物進行動態(tài)跟蹤檢測和分類，然后將這些代謝信息與病理生理過程中的生物學(xué)信息相關(guān)聯(lián)，確定發(fā)生這些變化的靶器官和作用位點，進而確定相關(guān)的生物標(biāo)志物。本文主要介紹代謝組學(xué)的研究方法和帕金森病診斷治療方面的應(yīng)用[2]。

1 代謝組學(xué)研究方法

代謝組學(xué)通過定量分析生物系統(tǒng)中內(nèi)源性代謝物的變化，來評價生物體受外源性刺激的效果，并探討其機制。代謝組學(xué)的快速發(fā)展有賴于先進的分析檢測技術(shù)，同時結(jié)合了模式識別和專家系統(tǒng)等有效地計算分析方法。NMR、色譜、質(zhì)譜、毛細(xì)管電泳、各種光譜技術(shù)（IR、UV、MFS）及電化學(xué)技術(shù)都可以用作代謝組學(xué)研究[3]。

2 代謝組學(xué)的特點

與轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等比較，代謝組學(xué)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：（1）所監(jiān)測的體液主要是尿液與血清，無需靜脈穿刺和提取活性組織，損傷較小；（2）代謝組學(xué)提供整個機體功能的統(tǒng)一性信息，所獲信息量巨大；（3）高通量，單個樣品的檢測時間為5～10 s，可以檢測96孔板上的樣品；（4）代謝物能放大基因和蛋白表達(dá)的微小變化，檢測較容易；（5）代謝物種類遠(yuǎn)小于基因和蛋白的數(shù)目，且代謝組學(xué)研究不需建立全基因組測序及大量表達(dá)序列標(biāo)簽（EST）的數(shù)據(jù)庫；（6）由于給定的代謝物在每個組織中都是一樣的，故研究中采用的技術(shù)更為通用，也更易被人們接受[4]。

目前代謝組學(xué)研究還存在一下不足：（1）分析手段有限，尚無任何一項分析技術(shù)能夠同時對所有代謝物進行分析；（2）尚無有效地數(shù)據(jù)分析手段將得到的全部信息進行分析和解釋；（3）生物體代謝物組變化快，穩(wěn)定性較難控制；（4）檢測所需的儀器設(shè)備價格昂貴、操作人員的專業(yè)性很強，一般實驗室難以開展；（5）數(shù)據(jù)庫尚未完全建立，缺乏代謝物數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值；（6）當(dāng)機體的生理和藥理效應(yīng)超敏時，受試物即使沒有相關(guān)毒性，也可能引起明顯的代謝變化，導(dǎo)致假陽性結(jié)果；（7）體液的選擇有局限性，如進行神經(jīng)病理學(xué)研究時不能以尿液替代腦脊液、引起混合毒性的化學(xué)物不易選擇代表性體液[5-7]。

3 代謝組學(xué)技術(shù)在帕金森病診斷與治療中的應(yīng)用

帕金森?。≒arkinsons disease，PD）是一種以黑質(zhì)紋狀體通路的退變?yōu)橹饕卣鞯纳窠?jīng)系統(tǒng)變性疾病，是中老年人群常見多發(fā)疾病。臨床表現(xiàn)為靜止性震顫、肌強直、運動遲緩和姿勢步態(tài)異常，此病起病隱匿，早期無明顯臨床癥狀，疾病晚期，則表現(xiàn)出較明顯的運動阻礙，目前對疾病的病因仍不清楚，雖已發(fā)現(xiàn)了與家族性PD相關(guān)的多個致病基因，但大多數(shù)PD患者為散發(fā)性病例，其發(fā)病可能為環(huán)境因素與個體基因結(jié)構(gòu)改變共同作用的結(jié)果。當(dāng)臨床癥狀明顯時，已錯過最佳治療時機，不能有效逆轉(zhuǎn)疾病進程。因此，尋找具有特征性的帕金森病早期生物學(xué)標(biāo)記物，從而篩選高危人群、早期明確診斷，以利及時合理治療，以及評價病情進展和治療效果均具有重要臨床意義。而代謝組學(xué)能夠很好地解決帕金森病早期診斷，為該類疾病的有效治療贏得寶貴的時間[8]。

3.1 帕金森病的發(fā)病機制

3.1.1 DA、乙酰膽堿（Ach）等神經(jīng)遞質(zhì)失衡學(xué)說 DA為紋狀體內(nèi)的抑制性遞質(zhì)、Ach為興奮性遞質(zhì)，正常時兩者處于動態(tài)平衡狀態(tài)?；糚D時，黑質(zhì)的DA神經(jīng)元變性、脫落及黑質(zhì)-紋狀體系統(tǒng)神經(jīng)通路的神經(jīng)纖維變性，導(dǎo)致DA顯著減少，而Ach含量卻無明顯變化，DA的抑制作用降低，Ach的興奮作用相對增強，兩者動態(tài)平衡受到破壞，出現(xiàn)PD的癥狀[9]。

3.1.2 線粒體功能障礙 PD患者普遍存在著線粒體復(fù)合Ⅰ活性下降，活性氧（ROS）生成增加。線粒體上的質(zhì)子泵功能下降，膜電壓降低和滲透性通道開放，從而觸發(fā)凋亡過程。線粒體復(fù)合物Ⅰ缺失可導(dǎo)致氧化應(yīng)激和增加神經(jīng)元對興奮性毒性死亡的易感[10]。

3.1.3 氧化應(yīng)激 腦內(nèi)黑質(zhì)致密部處于較高水平的氧化應(yīng)激狀態(tài)，原因有：（1）黑質(zhì)DA的代謝過程中產(chǎn)生大量的自由基；（2）DA自身氧化形成的神經(jīng)黑色素中含大量的鐵離子，這種還原型鐵離子可與DA代謝中產(chǎn)生的氧化氫反應(yīng)生成高度獨行的羥自由基，進而導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，黑質(zhì)神經(jīng)元凋亡。氧化應(yīng)激與線粒體功能障礙互為因果，惡性循環(huán)。氧化應(yīng)激產(chǎn)生的大量自由基可損傷線粒體復(fù)合物Ⅰ。另一方面，線粒體復(fù)合物Ⅰ的抑制導(dǎo)致更多自由基的生成。這構(gòu)成了目前PD，發(fā)病機制中最為多數(shù)學(xué)者認(rèn)同的學(xué)說。

3.1.4 谷氨酸的毒性作用 在PD中，谷氨酸的神經(jīng)毒性作用機制如下：（1）親離子型谷氨酸受體中的N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）型受體受谷氨酸激活后，導(dǎo)致大量的細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流，胞內(nèi)Ca2+大量增加，激活Ca2+依賴性蛋白酶，導(dǎo)致神經(jīng)元壞死和/或凋亡。（2）谷氨酸可激發(fā)線粒體自由基的生成，因其線粒體功能障礙，這種毒性作用與NMDA受體無關(guān)[11]。谷氨酸的神經(jīng)毒性作用于PD發(fā)生之間的關(guān)系漸被重現(xiàn)，目前應(yīng)用NMDA受體拮抗劑和谷氨酸釋放抑制劑治療PD，也是PD研究的熱點之一。

3.1.5 免疫炎性機制[12] 已有多項研究認(rèn)為免疫炎性機制可能參與了PD神經(jīng)變性的發(fā)病過程。臨床發(fā)現(xiàn)PD患者血液和腦脊液中淋巴細(xì)胞數(shù)目增多，其腦脊液可引起體外培養(yǎng)的DA能神經(jīng)元死亡，同時患者體內(nèi)免疫球蛋白復(fù)合物、細(xì)胞因子和G-反應(yīng)蛋白等多項指標(biāo)發(fā)生改變。因此，目前免疫炎癥機制已成為PD發(fā)病機制研究的又一熱點。

3.1.6 細(xì)胞凋亡學(xué)說 神經(jīng)遞質(zhì)、自由基、化學(xué)毒性、營養(yǎng)缺乏、物理性損傷等都能誘發(fā)細(xì)胞凋亡。導(dǎo)致PD患者黑質(zhì)細(xì)胞凋亡的可能原因：（1）線粒體功能缺陷與氧化應(yīng)激；（2）細(xì)胞色素C：細(xì)胞色素C在細(xì)胞凋亡的啟動中作為凋亡起始因子，起著重要作用；（3）凋亡誘導(dǎo)因子：它是一種57 kD的雙功能黃素蛋白，除具有電子供體/受體功能外，還可獨立作用于和染色質(zhì)，具有促凋亡作用。（4）金屬離子：研究顯示中腦黑質(zhì)含色素的神經(jīng)元具有蓄積金屬元素的蓄積已被證實有促黑質(zhì)細(xì)胞凋亡的作用、有錳離子、Ca2+、鐵離子、鎂離子等。（5）Caspase是一種天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶，已經(jīng)證實Caspase的激活都發(fā)生在細(xì)胞凋亡之前，屬于凋亡起始因子，被活化的Caspase蛋白酶激活后通過級聯(lián)反應(yīng)激活下游的Caspase效應(yīng)分子，最后水解一系列底物，造成DNA降解，進入細(xì)胞凋亡的最終通路。（6）受細(xì)胞內(nèi)多種基因調(diào)節(jié)物影響，主要是bc-12家族（C-myc，C-fos，C-jun，ICE，p53，F(xiàn)as等）[13-15]。

3.1.7 轉(zhuǎn)運體失調(diào)學(xué)說 轉(zhuǎn)運體失調(diào)學(xué)說能解釋DA能神經(jīng)元選擇性缺失的機制。對DA毒性作用機制的研究以及能產(chǎn)生實驗性PD的毒性如6-羥基多巴胺、1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（MPTP）代謝產(chǎn)物MPP+的研究已集中在DA能神經(jīng)元兩種表達(dá)的轉(zhuǎn)運體上。神經(jīng)元細(xì)胞膜上DA轉(zhuǎn)運體（DAT）可能外源性毒物MPTP等運到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，并在此合成MPP+，而DA無需DAT就可進入細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，并被氧化產(chǎn)生高活性的苯醌和過氧化基團等有毒物質(zhì)，提示DA可對神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用，這一點與MPTP的毒性作用不同。

3.1.8 遺傳基因因素 近年來帕金森病遺傳基因的研究取得了長足的進展，先后發(fā)現(xiàn)了PARK2/ PARK18等17個PD遺傳基因。其中PARK1/PARK4、PARK3等7個基因為常染色體顯性遺傳（AD），PARK2、PARK6等6個基因為常染色體隱性遺傳（AR），PARK12呈性連鎖遺傳（XL）。通過研究PD遺傳基因有助于闡明其發(fā)病機制，為PD的治療尤其是基因診斷與治療提供科學(xué)依據(jù)。

3.1.9 環(huán)境因素 流行病學(xué)調(diào)查顯示，長期接觸殺蟲劑、除草劑或某些工業(yè)化學(xué)品等有毒的物質(zhì)可導(dǎo)致大腦神經(jīng)元損傷可能是PD發(fā)病的危險因素。

綜上所述，帕金森病的發(fā)生于神經(jīng)遞質(zhì)、磷脂、固醇等代謝紊亂及線粒體功能異常有關(guān)。大腦中的神經(jīng)遞質(zhì)一般由多巴胺（DA）、腎上腺素（EP）、去甲腎上腺素（NE）、5-羥色胺（5-HT）、組胺、乙酰膽堿（Ach）、γ-氨基丁酸（GABA）及谷氨酸（Glu）等小分子物質(zhì)組成。這些神經(jīng)遞質(zhì)在傳遞信號的同時，也能對彼此的釋放或重攝取相互影響[16-17]。因此，任何一條代謝途徑的紊亂，都可能會導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生。而代謝組學(xué)技術(shù)則能將這些小分子物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物同時準(zhǔn)確定量，對多條代謝途徑同時監(jiān)控，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究中越來越表現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢。

我們發(fā)現(xiàn)PD患者外周血淋巴細(xì)胞鉀通道Kir2水平異常增高；蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)腦脊液中SOD-1水平增高，唾液中DJ-1含量異常與PD病程相關(guān)。上述研究為尋找用于PD早期診斷和鑒別診斷的新途徑奠定了一定的基礎(chǔ)。

4 展望

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)之后，生命科學(xué)研究領(lǐng)域出現(xiàn)的又一門新興組學(xué)技術(shù)，并日益成為科學(xué)研究的熱點。代謝組學(xué)作為一種獨立的技術(shù)，將廣泛應(yīng)用于藥物靶點的發(fā)現(xiàn)，新藥的開發(fā)，毒理學(xué)研究，疾病的預(yù)防和診斷及農(nóng)業(yè)的領(lǐng)域。

代謝組學(xué)技術(shù)在臨床疾病診斷方面的突出優(yōu)勢尤為引人關(guān)注。通過對人體各種體液代謝組的研究，發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物，從而明確診斷各類臨床疾病，具有快速、高效、非侵襲性、高靈敏度和高特異性的特點。隨著代謝產(chǎn)物檢測分析技術(shù)的不斷改進以及所積累的數(shù)據(jù)和信息的不斷完善，代謝組學(xué)技術(shù)日益成熟，必將成為最有力的診斷方法之一，在疾病診斷領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

[參考文獻]

[1] Collins FS，Green ED，Guttmacher AE，et al.A vision for the future of genomics research[J].Nature，2003， 422（6934）： 835-847.

[2] Nicholson JK，Wilson ID.Understanding global systems biology：metabonomics and the continuum of metabolism[J].Nat Rev Drug Discover，2003，2（8）：668-676.

[3] Schmidt CW.Metabolomics：what's happening downstream of DNA[J].Environ Health Perspect，2004，112（7）：A410.

[4] Plumb RS，Stumpf CL，Granger JH，et al.Use of liquid chromatography/time of flight masss pectrom etry and multivariate statisticalan alysis shows promise for the detection of drug metabolites in biological fluids[J].Rapid Commun Mass Spectrom，2003，17（23）：2632-2638.

[5] Marchesi JR，Holmes E，Khan F，et al.Rapid and noninvasive metabonomic characterization of inflammatory bowel disease[J].Proteome Res，2007，6（2）：546-551.

[6] Yin P，Zhao X，Li Q，et al.Metabonomics study of ontestinal fistulas based on ultraper formance liquid chromatography coupled with Q-TOF mass spectrometry （UPLC/Q- TOF MS）[J].Proteome Res，2006，5（9）：2135-2143.

[7] Yang J，Xu GW，Hong Q，et al.Discriminaation of Type 2 diabetic patients from healthy controls by using metabonomics method based on their serum fatty acid profiles[J].Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci，2004，813（1-2）：53-58.

[8] Robertson DG，Reily MD，Sigler RE，et al.Metabonomics： evalution of nuclear magnetic resonance （NMR） and pattern recognition technology for rapid in vivo screening of liver and kidney toxicants[J].Toxicol Sci，2000，57（2））：326-337.

[9] Hewer R，Vorster J，Steffens F E，et al.Applying biofluid 1H-NMR based metabonomic techniques to distinguish between HIV-1 positive/AIDS patients on antiretroviral treatment and HIV-1 negative individuals[J].Pharm Biomed Anal，2006，41（4）： 1442-1446.

[10] 許國旺，楊軍，宋碩林，等.代謝組學(xué)及其應(yīng)用[J].生物工程學(xué)報，2005，21（1））：1-5.

[11] Plumb R，Granger J，Stumpf C，et al.Metabonomic analysis of mouse ueine by liquid-chromatography-time of flight mass spectrometry （LC-TOF-MS）：detection of strain， diurnal and gender differences[J].Analyst，2003，128（7）：819-823.

[12] Saghatelian A，Trauger SA，Want EJ，et al.Assignment of endogenous substrates to enzymes by global metabolite profiling[J].Biochemistry，2004，43（45）：14332-14339.

[13] Price KE，Vandaveer SS，Lunte CE，et al.Tissue targeted metabonomics：metabolic profiling by microdialysis sampling and microcoil NMR[J].J Pharm Biomed Anal，2005，38（5）：904-909.

[14] Morgenthal K，Weckwerth W，Steuer R.Metabolomic networks in plants： transitions from pattern recognition to biological interpretation[J].Biosustems，2006，83（2-3）：108-117.

[15] Forshed J，Torgrip RJ，Aberg KM，et al.A comparison of methods for alignment of NMR peaks in context of cluster analysis[J].J Pharm Biomed Anal，，2005，38（5）：824-832.

[16] Roessner U，Luedemann A，Brust D，et al.Metabolite profiling allows comprehensive phenotyping of genetically or environmentally modified plant systems[J].Plant Cell，2001，13（1）：11-29.

[17] Feng B，Wu S，Lv S，et al.Metabolic profiling analysis of a galactosamine/lipopolysaccharide-induced mouse model of fulminant hepatic failure[J].J Proteome Res，2007，6（6）：2161-2167.

（收稿日期：2013-05-04）