基于核磁共振氫譜的膝關節骨性關節炎肝腎虧虛證血清代謝組學研究

邵勤，周小莉，張瑩，吳斌，王莎莎

?

基于核磁共振氫譜的膝關節骨性關節炎肝腎虧虛證血清代謝組學研究

邵勤，周小莉，張瑩，吳斌，王莎莎

重慶市中醫院，重慶 400021

目的 研究膝關節骨性關節炎（KOA）肝腎虧虛證的內源性代謝物，探討KOA肝腎虧虛證辨證的物質代謝輪廓。方法 選取KOA肝腎虧虛證和非肝腎虧虛證患者各50例及20例健康志愿者，空腹8 h后收集血清5 mL，采集核磁共振氫譜（1H-NMR），采用主成分分析法和偏最小二乘法判別分析的模式識別分析法進行多元統計分析。結果1H-NMR能識別的代謝物23種，KOA患者與健康志愿者比較差異有統計學意義（＜0.05，＜0.01）。KOA肝腎虧虛證患者軟骨基質代謝、能量代謝、脂類代謝、疼痛及炎癥相關的代謝物與非肝腎虧虛證組比較差異有統計學意義（＜0.05）。結論 KOA肝腎虧虛證患者有獨特的1H-NMR代謝輪廓，KOA辨證分型具有代謝物質基礎。

代謝組學；核磁共振氫譜；膝關節骨性關節炎；肝腎虧虛

膝關節骨性關節炎（knee-joint osteoarthritis，KOA）是一種以進行性膝關節軟骨變性、破壞及骨質增生為特征的中老年人的常見病和多發病，是引起膝關節疼痛甚至病殘的常見原因，嚴重影響患者的生活質量和自理能力[1]。KOA屬中醫學“痹證”“骨痹”等范疇，中醫治療KOA療效顯著[2-3]。“證”是中醫辨證論治的起點和核心，但其理論的科學性一直缺乏有力的直接證據，這也是長期阻礙中醫學發展的難題[4]。近年來，基于核磁共振氫譜（1H-NMR）的代謝組學檢測方法為中醫證候客觀化研究提供了新的思路和手段[5]。本研究采用1H-NMR代謝組學檢測技術分析KOA肝腎虧虛證患者血清的代謝組學變化，尋找KOA肝腎虧虛證的代謝輪廓，為其“證”的本質研究提供物質基礎。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取本院2014年1月－2016年3月KOA患者。肝腎虧虛證患者50例，其中男16例，女34例；年齡55～75歲，平均年齡（62.8±6.9）歲；病程最短3個月，最長20年，平均病程（3.9±3.1）年。非肝腎虧虛證患者50例，其中男15例，女35例；年齡55～75歲，平均年齡（62.7±8.6）歲；病程最短1個月，最長11年，平均病程（3.5±2.9）年。正常組選取本院門診體檢的健康志愿者20例，其中男7例，女13例，平均年齡（61.9±4.1）歲。3組性別、年齡、體質指數（BMI）比較差異均無統計學意義（＞0.05），具有可比性；非肝腎虧虛證組、肝腎虧虛證組病程、西安大略-麥克馬斯特（WOMAC）[6]評分比較，差異無統計學意義（＞0.05），具有可比性，見表1。本研究經本院倫理委員會批準。

表1 一般資料3組比較

1.2 西醫診斷標準

采用2010年《骨關節炎診斷及治療指南》[7]KOA標準。患者符合分類標準（1）（2）均可。

（1）臨床標準：①近1個月大多數時間有膝關節疼痛；②有骨摩擦音；③晨僵時間≤30 min；④年齡≥38歲；⑤有骨性膨大。滿足①②③④或①②⑤或①④⑤即可診斷。

（2）臨床＋放射學＋實驗室標準：①近1個月大多數時間有膝關節疼痛；②X線示骨贅形成；③關節液檢查符合骨性關節炎（OA）；④年齡≥40歲；⑤晨僵≤30 min；⑥有骨摩擦音。滿足①②或①③⑤⑥或①④⑤⑥即可診斷。

1.3 中醫辨證標準

采用《中藥新藥臨床研究指導原則（試行）》[8]及《中醫內科常見疾病診療指南》[9]中肝腎虧虛證辨證標準。主癥：關節疼痛，腰膝酸軟，痿弱乏力。次癥：骨節肥大，活動不利，運動牽強。舌質淡紅，苔薄白，脈滑或弦。

1.4 納入標準

①年齡55～75歲；②患者符合上述西醫診斷標準；③肝腎虧虛證組符合肝腎虧虛證辨證標準；④近4周未使用糖皮質激素及近2周內未用其他方法治療；⑤所有受試者均簽署知情同意書。

1.5 排除標準

①患有影響關節的疾病，如類風濕關節炎、銀屑病、代謝性骨病及急性創傷等；②合并心腦血管、肝、腎、造血系統及內分泌系統等嚴重原發性疾病；③精神病患者。

2 方法

2.1 血清樣本收集與處理

患者及健康志愿者均空腹8 h，8:00－10:00空腹靜息狀態下采集靜脈血5 mL。3000 r/min離心10 min，收集血清于EP凍存管中，-80 ℃冰箱保存，備用。

2.2 檢測樣本制備

在1H-NMR檢測前，-80 ℃冰箱取出血清，梯度解凍。取300 μL 血清置離心管中，加入0.2 mol/L磷酸鹽緩沖液（0.2 moL/L Na2HPO4/NaH2PO4，pH7.4）200 μL，4 ℃、14 000×離心10 min，取上清液，置于5 mm核磁管中，再加入100 μL氘代重水，震蕩混勻，4 ℃冰箱保存備用。

2.3 核磁共振氫譜數據采集與處理

使用Bruker UltraShield?500 MHz核磁共振波譜儀，采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill自旋回波序列結合預飽和方法采集信號。自由感應衰減（FID）采樣點為32 k，采集累加次數128，控制溫度在298 K。信號經過32 k傅立葉變換轉為NMR圖譜。將圖譜文件夾導入MestReNova 10.0分析軟件進行分析、積分，積分區間為δ 0.5～9.0，積分間隔0.004 ppm，為消除剩余水峰引起的影響，將δ 4.6～5.1區域設為零積分分段。對所產生的積分數據進行歸一化處理。

2.4 模式識別分析

將數據導入SIMCA-P12.0軟件進行多元統計分析，進行主成分分析（PCA）。為消除相關因素（如個體差異）對分組的影響，強化組間差異，進一步采用正交信號校正處理，再行偏最小二乘法判別分析（PLS-DA）的模式識別分析。分析結果以得分圖表示，直觀給出各樣本分布。

2.5 統計學方法

采用SPSS17.0統計軟件進行分析。計量資料以±表示，組間比較采用獨立樣本檢驗；計數資料組間比較采用卡方檢驗。＜0.05表示差異有統計學意義。

3 結果

3.1 3組血清代謝物核磁共振氫譜圖譜

根據文獻[10]和人類代謝組數據庫信息（HMDB），結合二維譜圖對1H-NMR圖中進行檢測的血清代謝物的核磁共振信號歸屬，能識別的代謝物共23種，見圖1。

注：A.正常組；B.非肝腎虧虛證組；C.肝腎虧虛證組；

1.脂質（m-0.84）；2.亮氨酸（d-0.97，d3.69）；3.纈氨酸（d-1.04，d-3.57）；4.脂肪酸（s-1.29）；5.乳酸（d-1.33，q-4.11）；6.丙氨酸（d-1.48）；7.醋酸（s-1.93）；8.N-乙酰基半乳糖胺（s-2.01）；9.羥脯氨酸（m-2.13）；10.丙酮（s-2.23）；11.丙酮酸（s-2.38）；12.γ-氨基丁酸（m-2.41）；13.肌酸（s-3.03）；14.β-葡萄糖（d-3.24，t-3.40）；15.肌醇（t-3.27，d-3.63）；16.鯊肌醇（S-3.35）；17.牛璜酸（t-3.43）；18.α-葡萄糖（d-3.50，d-3.71，d-5.23）；19.甘氨酸（s-3.55）；20.L-色氨酸（d-3.59）；21.酪氨酸（d-3.94，d-6.87，d-7.19）； 22.組氨酸（S-7.01，s-7.75）；23.苯丙氨酸（m-7.33）

圖1 3組血清代謝物1H-NMR圖譜

3.2 3組血清代謝物主成分分析和偏最小二乘法判別分析

對各組血清代謝譜的數據進行PCA和PLS-DA，見圖2。PCA積分圖（a）成分積分值主要集中分布于散點圖（95%置信區間）的3個區域，正常組和肝腎虧虛證組分布集中，非肝腎虧虛證組分布較為分散。PLS-DA積分圖（b）3組樣本在t[1]維能較好地分開，說明組間差異顯著。

a b

3.3 3組血清代謝物歸一化面積比較

為了進一步說明各組代謝物的區別，找出分組貢獻較大的代謝物，將PCA和PLS-DA結果得到的代謝物經內標校正的峰值面積歸一化進行統計學分析，KOA患者軟骨基質降解相關的代謝物纈氨酸、羥脯氨酸、N-乙酰基半乳糖胺、甘氨酸、組氨酸與正常組比較，差異有統計學意義（＜0.05，＜0.01），肝腎虧虛證組低于非肝腎虧虛證組（＜0.05）；KOA患者能量相關的代謝物α-葡萄糖、β-葡萄糖、肌酸低于正常組（＜0.05，＜0.01），肝腎虧虛證組葡萄糖水平明顯低于非肝腎虧虛組（＜0.05），乳酸水平低于非肝腎虧虛證組（＜0.05），肌酸、丙酮酸明顯高于非肝腎虧虛證組（＜0.05）；KOA患者脂類代謝相關的代謝物脂質、脂肪酸水平高于正常組（＜0.05，＜0.01），肝腎虧虛證組脂質、脂肪酸水平低于非肝腎虧虛證組（＜0.05）；KOA患者疼痛、炎癥相關代謝物乳酸、丙氨酸、丙酮酸較正常組顯著升高（＜0.05，＜0.01），肝腎虧虛證組的γ-氨基丁酸、組氨酸水平低于非肝腎虧虛證組（＜0.05），L-色氨酸水平高于非肝腎虧虛證組（＜0.05）。結果見表2。

表2 3組血清代謝物歸一面積比較（±s,×100，cm2）

注：與正常組比較，*＜0.05，**＜0.01；與非肝腎虧虛證組比較，#＜0.05；s.單峰；d.雙峰；t.三峰；q.四峰；m.多重峰

4 討論

“證”是對疾病發展過程中某一階段的病機概括，具有整體性和動態性。代謝組學從微觀入手，系統研究機體在新陳代謝動態進程中所有代謝物的變化規律，二者的思路和研究方法具有趨同性。從系統生物學角度看，疾病是因蛋白質網絡和基因調節網絡異常而致，而中醫的“證候”可能是由于這種異常所引發的一種特異性變化狀態，表現為體液中內源性成分的變化，這一改變可以組、群、譜的特征出現[11]。本研究發現，3組血清樣本1H-NMR檢測的代謝圖譜差異有統計學意義。

4.1 與軟骨基質降解相關的代謝物變化

與軟骨基質膠原和蛋白聚糖相關的代謝產物產生的氨基酸類物質是患者體內能檢測到的最大代謝物群，而且在OA的不同病理階段呈動態變化[12]。本研究發現，KOA患者與基質降解相關的甘氨酸和組氨酸較正常組高，而與基質合成相關氨基酸（纈氨酸、羥脯氨酸等）減少。原因可能是本研究中KOA患者以早中期為主，此病理階段的軟骨基質以降解為主，伴有基質合成不足。N-乙酰基半乳糖胺是硫酸軟骨素相關的代謝產物，而硫酸軟骨素是關節軟骨基質蛋白聚糖的重要成分之一，既往研究表明，N-乙酰基半乳糖胺可作為OA疾病進展的一個重要的生物標志物[13]。肝腎虧虛證患者血清中甘氨酸、組氨酸、纈氨酸、羥脯氨酸、N-乙酰基半乳糖胺含量均低于非肝腎虧虛證患者，可能肝腎虧虛證患者處于KOA慢性期，病程較長，軟骨基質的合成和降解低于非肝腎虧虛證患者。

4.2 與能量代謝相關的代謝物變化

OA病變過程中，機體啟動自身調控機制代償性維持相關的修飾蛋白和膠原蛋白的形成，這些生化過程中需要額外能量，KOA患者α-葡萄糖、β-葡萄糖較正常人低[14]。本研究也發現KOA患者伴有α-葡萄糖、β-葡萄糖降低。肌酸在細胞能量代謝中起著舉足輕重的作用，其作為“ATP運輸機”攜帶ATP到被利用的位點。退化的軟骨中低濃度的肌酸可能會干擾細胞能量代謝[15]。

在病理狀態下，由于機械壓力、氧化應激等原因，關節組織中葡萄糖分解生成丙酮酸超過了三羧酸循環的氧化能力，剩余的丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下形成乳酸，導致組織中乳酸產生增加、積累，進一步導致細胞凋亡或死亡。同時，也可導致關節在酸性環境下細胞基質合成下降，基質降解增加，進一步加重軟骨退變[16]。本研究發現，患者血清中乳酸、丙氨酸、丙酮酸顯著高于正常組，提示KOA關節內環境存在缺氧和酸中毒等內環境紊亂狀態，這也是患者出現關節肌肉酸軟疼痛的原因之一。

肝腎虧虛證組葡萄糖、乳酸水平明顯低于非肝腎虧虛證組，而肌酸、丙酮酸明顯高于非肝腎虧虛證組，提示肝腎虧虛證患者能量代謝紊亂程度高，處于相對能量不足狀態，可導致氣血運行不暢，“不通則痛”。這與肝腎虧虛證患者常伴有腰膝酸軟乏力等有關。

4.3 與脂類代謝相關的代謝物變化

目前研究發現，OA不是單一與衰老和生物學應力相關的疾病，也與代謝紊亂多種因素相關，脂肪代謝參與疾病的起始和進展，在OA軟骨細胞中有大量脂肪沉積[17]。本研究發現，在KOA患者血清中，其脂質含量明顯高于正常組，其水解產物脂肪酸增加。脂肪酸在線粒體中β氧化生成的大量乙酰輔酶A，除氧化磷酸化提供能量外，也可合成酮體，包括乙酰乙酸、β-羥丁酸、丙酮。本研究中，KOA患者血清中丙酮含量高于正常組。肥胖是OA發病的危險因素，可加重關節局部機械應力，同時也與脂類代謝異常密切相關。肝腎虧虛證患者脂質、脂肪酸水平低于非肝腎虧虛證患者，考慮與非肝腎虧虛證患者痰濁瘀滯證型與脂質代謝異常更密切相關。

4.4 與疼痛、炎癥相關的代謝物變化

既往研究發現，在KOA患者的大腦前扣帶皮質發現γ-氨基丁酸異常增多，提示其可作為KOA產生慢性關節疼痛潛在的代謝標志物[18]。本研究發現，KOA患者的γ-氨基丁酸顯著高于正常組。同時，KOA患者血清中的乳酸、丙氨酸、丙酮酸明顯升高，這也是患者出現關節肌肉酸軟疼痛的原因之一。L-色氨酸在人類各種慢性炎癥性疾病中扮演重要角色，與OA關節慢性炎癥的微環境相關[19]。在OA患者中，在組氨酸脫羥酶的催化下，組氨酸促進組織胺的合成，加劇關節軟骨的破壞和關節炎癥反應。KOA炎癥相關代謝物的改變，也表明OA不僅是一種“磨損和撕裂”病變，同時也是慢性炎癥病變[20]。肝腎虧虛證患者的γ-氨基丁酸、組氨酸水平低于非肝腎虧虛證患者，而L-色氨酸水平高于非肝腎虧虛證患者，這也可能是肝腎虧虛證患者急性疼痛及急性炎癥較非肝腎虧虛證患者少，常呈慢性疼痛和慢性炎癥臨床表現的原因。

本結果表明，KOA肝腎虧虛證與非肝腎虧虛證的血清樣本中有多種代謝物含量存在明顯差異，利用PCA和PLS-DA模式識別分析法可將患者進行較理想的區分，提示KOA辨證分型具有客觀存在的物質基礎。這些內源性代謝物與證候的相關性及其在證候發生機制中的作用有待于進一步研究。

致謝：重慶大學化工學院熊燕教授對本研究予以大力支持和悉心指導，在此表示感謝！

[1] LITWIC A, EDWARDS M H, DENNISON E M, et al. Epidemiology and burden of osteoarthritis[J]. Br Med Bull,2013,105：185-199.

[2] 周小莉,張瑩,邵勤,等.基于關節超聲評價獨活寄生湯治療肝腎虧虛型膝關節骨性關節炎臨床療效[J].中國中醫藥信息雜志,2015,22(1)：18-21.

[3] 任偉亮,朱艷風,韓昆,等.骨氏葆方治療腎虛血瘀型膝重度骨關節炎的臨床研究[J].南京中醫藥大學學報,2016,32(2)：118-121.

[4] 張靜,劉龍,顏新,等.中醫證本質研究與代謝組學技術：現狀與思考[J].中西醫結合學報,2012,10(10)：1069-1076.

[5] 韓淳淳,周紅光,陳海彬,等.代謝組學在中醫基礎理論研究中的應用[J].中國中醫藥信息雜志,2013,22(1)：18-21.

[6] POLLARD B, JOHNSTON M, DIXON D. Exploring differential item functioning in the Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index (WOMAC)[J]. BMC Musculoskelet Disord,2012, 13：1471-1474.

[7] 中華醫學會風濕病學分會.骨關節炎診斷及治療指南[J].中華風濕病學雜志,2010,14(6)：416-419.

[8] 鄭筱萸.中藥新藥臨床研究指導原則(試行)[M].北京：中國醫藥科技出版社,2002：349-353.

[9] 中華中醫藥學會.中醫內科常見疾病診療指南[M].北京：中國中醫藥出版社,2008：129-131.

[10] JEREMY K, NLCHOLSON, PETA J D, et al. 750 MHz1H and1H-l3C NMR spectroscopy of human blood plasma[J]. Anal Chem,1996,67：793- 811.

[11] 楊松濱,李昕,蘇明明,等.膝骨關節炎患者尿液代謝產物譜及與證候相關性研究[J].上海中醫藥大學學報,2009,32(1)：33-37.

[12] ZIGNEGO D L, HILMER J K, JUNE R K. Mechanotransduction in primary human osteoarthritic chondrocytes is mediated by metabolism of energy, lipids, and amino acids[J]. J Biomech,2015, 48(16)：4253-4261.

[13] MALEMUD C J. Biologic basis of osteoarthritis：state of the evidence[J]. Curr Opin Rheumatol,2015,27(3)：289-294.

[14] PACHOLCZYK-SIENICKA B, RADEK M, RADEK A, et al. Characterization of metabolites determined by means of1H HR MAS NMR in intervertebral disc degeneration[J]. MAGMA,2015,28(2)：173-183.

[15] NEVES M J, GUALANO B, ROSCHEL H, et al. Beneficial effect of creatine supplementation in knee osteoarthritis[J]. Med Sci Sports Exerc,2011,43(8)：1538-1543.

[16] STOGOV M V, OVCHINNIKOV E N, SAZONOVA N V. Metabolic status of patients of different age groups on the stahes of osteoarthritis[J]. Adv Gerontol,2015,28(1)：86-90.

[17] KOSINSKA M K, MASTBERGEN S C, LIEBISCH G, et al. Comparative lipidomic analysis of synovial fluid in human and canine osteoarthritis[J]. Osteoarthritis Cartilage,2016,24(8)：1470- 1478.

[18] KANG K Y, LEE S H, JUNG S M, et al. Downregulation of tryptophan-related metabolomic profile in rheumatoid arthritis synovial fluid[J]. J Rheumatol,2015,42(11)：2003-2011.

[19] YAMAURA K, AKIYAMA S, UENO K. Increased expression of the histamine H4 receptor subtype in hypertrophic differentiation of chondrogenic ATDC5 cells[J]. J Cell Biochem,2012,113(3)：1054- 1060.

[20] BERENBAUM F. Osteoarthritis as an inflammatory disease (osteoarthritis is not osteoarthrosis!)[J]. Osteoarthritis Cartilage,2013,21(1)：16-21.

Metabolomic Study on Serum of Liver-Kidney Deficiency Syndrome of Knee-Joint Osteoarthritis Based on1H-NMR

SHAO Qin, ZHOU Xiao-li, ZHANG Ying, WU Bin, WANG Sha-sha

Objective To study the endogenous metabolites of liver-kidney deficiency syndrome in knee-joint osteoarthritis (KOA) and explore the metabolic profile of KOA liver-kidney deficiency syndrome. Methods Totally 50 cases of KOA with liver-kidney deficiency syndrome and 50 cases of KOA with non-liver-kidney deficiency syndrome were collected respectively, and 20 cases of healthy volunteers were collected as the normal group. The serum samples of subjects were collected after fasting for 8 h. Hydro-Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR) spectrometer was collected. Principal component analysis and partial least squares discrimination analysis were used to conduct multivariate statistical analysis. Results1H-NMR could identify 23 kinds of metabolites, and there was statistical significance between KOA patients and healthy volunteers (<0.05,<0.01). There was statistical significance in cartilage matrix metabolism, energy metabolism, lipid metabolism, pain, inflammation-related metabolites in patients with KOA liver-kidney deficiency syndrome and patients with KOA non-liver-kidney deficiency syndrome (<0.05). Conclusion Patients with KOA liver-kidney deficiency syndrome have a unique1H-NMR metabolic profile, KOA syndrome has a metabolic material basis.

metabolomics;1H-NMR; knee-joint osteoarthritis; liver-kidney deficiency

10.3969/j.issn.1005-5304.2017.06.007

R274.94

A

1005-5304(2017)06-0027-05

重慶市自然科學基金（cstc2011jjA10108）；重慶市衛生局中醫藥科技重點項目（ZY20131024）

周小莉，E-mail：tiny1976@163.com

（2016-11-27）

（修回日期：2017-01-25；編輯：季巍巍）