代謝組學(xué)技術(shù)在藥物毒性評價(jià)中的應(yīng)用

嚴(yán)妍 安柏松 房城 姜波

摘 要：代謝組學(xué)技術(shù)作為一種評估毒性的新的方法，已被廣泛應(yīng)用于藥物的毒性預(yù)測、監(jiān)測及藥物的臨床前安全評價(jià)中，本文對代謝組學(xué)技術(shù)的研究概況、研究方法及應(yīng)用進(jìn)行簡單的論述。

關(guān)鍵詞：代謝組學(xué)；毒性評價(jià)；研究方法

1 代謝組學(xué)的研究概況

代謝組學(xué)是對生物系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的一個(gè)全面評估，也是讀取基因功能，酶活性，生理過程的一個(gè)所謂的“快照”。代謝組學(xué)也是對一系列不同方法整合的一個(gè)廣義術(shù)語，其一為代謝指紋或代謝軌跡的分析，即是運(yùn)用較少的代謝物的定量分析而通過多元頻譜分析來衡量整個(gè)代謝輪廓，如建立在核磁共振光譜NMR或質(zhì)譜MS基礎(chǔ)上的主成分分析；其二為代謝標(biāo)記物的代謝組學(xué)分析，在已知代謝物濃度的基礎(chǔ)上由傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法及多元分析方法建立代謝產(chǎn)物的鑒定分析方法和代謝物含量的定量分析模式；其三為基于特定標(biāo)記物的靶向代謝組學(xué)分析，通過對某幾個(gè)選定的在某一特定的生化途徑中有貢獻(xiàn)的代謝標(biāo)記物進(jìn)行分析，來專注于研究整個(gè)代謝過程中的某一個(gè)階段。

由于不同性質(zhì)的化學(xué)品，代謝物和分子間的相互作用，代謝組學(xué)的分析需求造成了不同于基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析的極其困難的挑戰(zhàn)。先進(jìn)的核磁共振波譜（NMR）和質(zhì)譜（MS）的分析方法，在過去的十年間為人類代謝組學(xué)的分析與研究取得了大規(guī)模的突破。這一研究理論喚醒了學(xué)者們對人類疾病中新陳代謝的重要性的關(guān)注度，尤其是對癌癥的重視程度。代謝組學(xué)具有對功能基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的功能讀取作用，現(xiàn)在已被應(yīng)用于許多疾病的診斷當(dāng)中，主要是通過對代謝物譜的分析及對與代謝有關(guān)的生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)，這在藥理研究和治療中亦應(yīng)用廣泛。最新研究進(jìn)展表明代謝組學(xué)的方法能夠通過人體內(nèi)的條塊代謝網(wǎng)絡(luò)明確地跟蹤某個(gè)單個(gè)原子，并有望以空前的速度破譯人類代謝組的復(fù)雜性。這一研究方向?qū)氐赘淖兾覀儗?fù)雜的人類疾病、臨床診斷、以及個(gè)性化療法和藥物反應(yīng)的重新理解和認(rèn)識。

2 代謝組學(xué)的研究方法

代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)分析可以在光譜數(shù)據(jù)集或定量代謝數(shù)據(jù)集上使用的化學(xué)分析方法，包括主成分分析（Principal Component Analysis， PCA）、偏最小二乘判別分析 （Partial Least Squares-Discriminant Analysis， PLS-DA）、配對偏最小二乘判別分析（Orthonal Partial Least Square-Discriminate Analysis， OPLS-DA）等。化學(xué)光譜法只能給出光譜模式下的相關(guān)信息，而往往無法提供有關(guān)代謝標(biāo)記物的鑒定或分類信息，但是光譜法結(jié)合代謝組學(xué)的多元統(tǒng)計(jì)分析手段（PCA、PLS-DA和OPLS-DA）依然是目前最常應(yīng)用的手段，因?yàn)樗诓恍枰獙Υx物做出精確評價(jià)的情況下能夠?qū)Υ罅康拇x物數(shù)據(jù)集的結(jié)果做出解釋。通過這種方法，結(jié)合模式識別手段（Pattern Recognition）從特定疾病的角度來與對照組的代謝譜進(jìn)行區(qū)分，過濾掉可能與疾病無關(guān)的代謝物的“噪音”，進(jìn)而確定哪些特定的代謝標(biāo)記物引起了模式的偏差。

在理想情況下，一個(gè)代謝組學(xué)研究應(yīng)包括以下三個(gè)主要步驟：（1）數(shù)據(jù)采集。主要采集NMR譜圖或MS譜圖，以“正常”與“異常”來進(jìn)行模式識別區(qū)分。（2）光譜分析和相應(yīng)代謝產(chǎn)物的標(biāo)識及鑒定，目的是找到標(biāo)志性的反映組別差異的生物標(biāo)記物。（3）特定代謝標(biāo)記物的定量驗(yàn)證。然而，方法中的第一步，即化學(xué)光譜分析一般情況下可以忽略不計(jì)，直接對代謝標(biāo)記物進(jìn)行識別和量化，然后應(yīng)用多變量分析到大量的數(shù)據(jù)集中。模式識別方法包含了對代謝輪廓及代謝產(chǎn)物可能發(fā)生微妙的變化的分析，并始終隨著時(shí)間的推移對代謝標(biāo)記物的水平變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。除了識別多個(gè)特定的代謝標(biāo)記物外，通過參考已知的內(nèi)源性代謝物數(shù)據(jù)庫[1]，找出引起疾病發(fā)生或?qū)е录膊〖又氐拇x物的變化或差異。隨著時(shí)間的推移，代謝標(biāo)記物水平的變化有可能是對疾病的進(jìn)展或藥物毒性的一個(gè)預(yù)測。隨后，這些與疾病或毒性相關(guān)的代謝標(biāo)記物的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫被鏈接到相關(guān)的代謝通路，最終，相關(guān)的疾病作用機(jī)制的生成，將帶來藥物作用或毒性的一系列假說。

3 代謝組學(xué)在藥物毒性評價(jià)中的應(yīng)用

作為一種評估毒性的新的方法，基于核磁共振的代謝組學(xué)被用于尿液樣本的分析實(shí)驗(yàn)[2]，相比傳統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)，如AST，ALT，CK等，代謝組學(xué)分析下的尿液代謝輪廓能夠清晰地區(qū)分治療前與治療后治療組與辛伐他汀組的毒性水平。通過多元統(tǒng)計(jì)分析鑒定了與毒性相關(guān)的毒性標(biāo)志物。更重要的是，治療組被進(jìn)一步歸類分為兩個(gè)亞組：低毒性組（WT）和高毒性組（HT），這兩個(gè)組別之間的差異亦被酶活性的改變和組織病理學(xué)檢查所證實(shí)。隨后的時(shí)間依賴性的實(shí)驗(yàn)研究表明，10天的毒性通過代謝輪廓及代謝途徑，在6天內(nèi)就能夠被可靠地預(yù)測。Williams等利用高效液相串聯(lián)質(zhì)譜的分析方法從代謝組學(xué)的層面研究與D-絲氨酸引起的腎臟毒性相關(guān)的擾動(dòng)規(guī)律，在正負(fù)離子模式下的尿液代謝輪廓分析中，發(fā)現(xiàn)色氨酸，苯丙氨酸和乳酸表達(dá)水平有所升高，而甲基琥珀酸和癸二酸的表達(dá)水平與對照組比較，有降低的跡象，說明絲氨酸對腎臟的毒性損傷與抑制色氨酸的分解代謝有關(guān)。趙劍宇[3]等利用代謝組學(xué)技術(shù)對關(guān)木通毒性大鼠的代謝改變及毒性靶器官腎臟毒性的作用機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化三甲胺、牛磺酸、檸檬酸、肌酐、2-酮戊二酸等代謝產(chǎn)物均有不同程度的下降，而乙酸、丙氨酸則出現(xiàn)顯著的升高，表明染毒大鼠出現(xiàn)了腎小管壞死，這一結(jié)論與報(bào)道的腎臟病理組織學(xué)檢查結(jié)果和血漿生化檢測結(jié)果相一致。王喜軍[4]等人采用UPLC-MS分析手段研究以CCL4誘導(dǎo)的肝損傷大鼠為實(shí)驗(yàn)對象，研究肝毒性的代謝組學(xué)的變化，同時(shí)對茵陳蒿湯干預(yù)后的肝損傷大鼠的代謝軌跡的回調(diào)趨勢亦進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明，與CCL4誘導(dǎo)的肝損傷相關(guān)聯(lián)的Glycocholate 等5個(gè)生物標(biāo)記物在給予茵陳蒿湯后，代謝標(biāo)記物的表達(dá)水平與對照組比較未見明顯的差異，說明茵陳蒿湯對CCL4誘導(dǎo)的肝損傷有一定的預(yù)防作用。李建新[5]等利用代謝組學(xué)方法中的模式識別技術(shù)和主成分分析法來探討雷公藤甲素對腎臟所致的毒性作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雷公藤甲素給藥后，大鼠尿液樣品中的代謝產(chǎn)物甘氨酸、醋酸鹽、甜菜堿、丙酮的表達(dá)水平均有顯著的升高，說明雷公藤甲素對大鼠產(chǎn)生的毒性首先是對腎臟皮層S1段造成損傷，隨后是腎乳頭的損傷，最后是對腎臟皮層S3段的損傷。

參考文獻(xiàn)

[1]Lewis GD， Asnani A， Gerszten RE. Application of metabolomics to cardiovascular biomarker and pathway discovery[J].J Am Coll Cardiol.2008，52：117-123.

[2]吳澤明，孫暉，呂海濤，等.代謝物組學(xué)研究進(jìn)展及其在中醫(yī)藥研究中的應(yīng)用展望[J].世界科學(xué)技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2007，9（2）：99-103.

[3]趙劍宇，顏賢忠，彭雙清.利用代謝組學(xué)技術(shù)研究中藥關(guān)木通的腎毒性作用[J].世界科學(xué)技術(shù)：中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2007，9（5）：54-59.

[4]王喜軍，王萍，孫暉，等.茵陳蒿湯對ANIT 誘導(dǎo)的急性肝損傷的保護(hù)作用[J].中醫(yī)藥學(xué)報(bào)，2007，35（4）：17-21.

[5]李建新，華嘉，何翠翠.中藥毒性的代謝組學(xué)研究雷公藤甲素的腎臟毒性[J].亞太傳統(tǒng)醫(yī)藥，2007，3（7）：41-45.