基于代謝組學技術的膝關節骨性關節炎研究進展

陳趙亮

（黑龍江中醫藥大學，黑龍江 哈爾濱150000）

膝關節骨性關節炎（Knee Osteoarthritis，KOA）是一種慢性、非炎癥性關節炎疾病，多發于中年以后人群[1]。臨床上以關節疼痛、變形和活動受限為特點。病理變化最初發生在關節軟骨，以后侵犯軟骨下骨板以及滑膜等周圍組織，以關節面及其邊緣的軟骨變性以及新骨形成為主要特征[2]。發病機制尚不明確，一般認為與衰老、創傷和遺傳等因素有關。

對于代謝組學的研究起源于20 世紀90 年代，在1999 年，代謝組學這一概念由Nicholson 首次提出[3]，他將代謝組學定義為“生命系統對病理生理刺激或遺傳修飾的動態多參數代謝反應的定量測量”。而Fiehn 等[4]于2002 年提出的代謝組學(Metabolomics)是指通過定性和定量地分析生物體內所有內源性代謝物的組成來研究生物代謝途徑的一種技術。

在膝關節骨性關節炎治療及預防方面，代謝組學技術利用十分廣泛，它可以對實驗對象的血液、尿液和關節液等多種物質進行分析，尋找其中的生物標志物及代謝途徑，為膝關節骨性關節炎的發病機制及治療方法提供有效證據，本文就近幾年代謝組學技術在KOA 領域的應用發展進行了總結，為未來進一步研究KOA 并研發治療藥物提供科學參考。

1 利用血液檢測的代謝組學研究

因血液的流動性及取樣的便利性，利用血液檢測的方法在KOA 檢測上利用廣泛，能夠較為精確的檢測出差異代謝物。陶蓓蓓等[5]在動物模型的疾病進展和治療中，利用化學同位素標記法（CIL）進行代謝組學研究，從而分離出潛在代謝標志物是一種很有效的研究方法。Chen 等利用同位素標記（CIL）液相色譜質譜（LC-MS）方法，對手術誘導的骨關節炎的大鼠模型及對照組的血漿樣本進行重復分析，在檢測到的2923 中代謝物中發現了包括2- 氨基己二酸，糖蛋白和GABA 在內的11 種代謝物可以作為KOA 進展和KOA 治療的潛在生物標志物。此外，酰基肉堿與KOA 影像學嚴重程度有關，此外中鏈和長鏈酰基肉堿與動脈硬度有關。

2 利用尿液檢測的代謝組學研究

尿液檢測的手段多用于循環系統疾病，在研究KOA 中不是十分常見，但是也有針對氨基酸及能量代謝進行了研究。王向利等[6]使用GC-TOF / MS 探討膝關節骨性關節炎大鼠尿代謝譜的變化，與對照組相比，膝關節滑膜細胞襯里在膝關節骨性關節炎組中表現出增殖，炎癥細胞浸潤和膠原纖維增生。共鑒定了23 種潛在的生物標志物，包括丙氨酸，α- 酮戊二酸，天冬酰胺，麥芽糖和谷氨酰胺等。此外，骨關節炎的代謝組學發病機理可能與氨基酸代謝紊亂，脂肪酸代謝，維生素B6 代謝和核酸代謝有關，楊松濱等[7]對膝骨關節炎患者的尿液進行了代謝分析，結果發現與對照組相比，KOA 患者尿液中烏頭酸、異檸檬酸、高香草酸及組織胺等含量升高；組氨酸、谷氨酰胺、馬尿酸及甘氨酸等代謝水平降低，這可能是由于KOA 患者體內三羧酸循環紊亂，導致關節軟骨及軟骨細胞代謝異常繼而發展成KOA。

3 利用關節液液檢測的代謝組學研究

作為最接近患處的檢測樣品，關節液能夠有效體現代謝差異，檢測出條目較為豐富的差異代謝物，在選擇生物標志物上效果顯著。Anderson 等[8]利用1H-NMR 技術對KOA 患者的關節液進行了研究，使用具有TCI 冷凍探針的700MHz Avance IIIHD Bruker NMR 光譜儀分析10 名KOA 患者的關節積液，結果較正常人體相比酪氨酸，纈氨酸，丙氨酸，2- 羥基丁酸酯，3-羥基丁酸酯，肌醇，乙酰膽堿，腺苷等顯著提升。同時觀察到KOA 關節內存在輕度至中度炎癥和滑膜增生，其中浸潤性免疫細胞群主要由T 細胞和巨噬細胞組成，關節軟骨和骨質的丟失是由包括MMP 在內的蛋白酶失調導致軟骨細胞外基質破壞引起的。Mickiewicz 等[9]利用1H-NMR 和GC-TOF-MS 技術對收集的55 個KOA 患者的膝關節與13 個正常膝關節中的滑液進行對比，通過SIMCA-P+進行數學統計，結果發現11 種代謝物在區分KOA 樣本和對照中具有統計學意義，其中果糖和檸檬酸鹽增加，O- 乙酰肉堿，N- 苯乙酰甘氨酸，甲硫氨酸，乙醇，肌酸，蘋果酸鹽，乙醇胺，3- 羥基丁酸鹽和己酰基肉堿的濃度降低。代謝組學可能作為膝關節炎早期診斷的有效的方法，應該在臨床環境中進一步驗證。通過代謝途徑分析這些代謝物與脂肪酸代謝，甘油脂代謝和三羧酸循環有關。

4 結論

目前基于代謝組學的KOA 研究中總結出了大量可能影響該疾病的代謝途徑，包括支鏈氨基酸代謝、精氨酸代謝、能量代謝和氧化代謝等多種代謝途徑。支鏈氨基酸纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸是體內蛋白質合成的重要基質和重要調節劑，是肌肉中谷氨酰胺和丙氨酸合成的主要氮源。其中丙氨酸是糖異生的重要前體，谷氨酰胺在器官中起“氮梭”的作用，是快速分裂細胞的重要燃料，還是核苷酸（例如ATP）合成的前體。KOA 患者的身體對丙氨酸和谷氨酰胺需求是巨大的，谷氨酰胺的使用經常超過其合成，導致血漿和組織中缺乏谷氨酰胺，可能導致KOA患者膝關節肌肉代謝加快，膝關節的負擔加大，加快疾病惡化過程。精氨酸是人體中的半必需氨基酸，并且作為合成許多分子的前體，包括尿素、氧化氮、谷氨酸和角蛋白等，精氨酸通過精氨酸酶分解為鳥氨酸，鳥氨酸進一步代謝為脯氨酸、多胺和谷氨酰胺。KOA 患者血漿中鳥氨酸濃度比對照組高，而精氨酸與鳥氨酸的比例卻明顯低于對照組，同樣的，KOA 患者血漿中脯氨酸濃度也比對照組高，精氨酸與脯氨酸的比例也低于對照組。表明KOA 患者精氨酸的消耗可能是由于過量精氨酸的分解代謝，鳥氨酸作為脯氨酸合成的前體，可以支持富含脯氨酸的蛋白質如膠原蛋白的產生，而KOA 患者通常都有關節軟骨缺失的癥狀，所以造成了精氨酸的大量消耗。另一方面，精氨酸是組織蛋白酶的天然抑制劑，組織蛋白酶是一種降解軟骨的內源性酶，精氨酸在抑制過程中大量消耗，多種途徑的消耗使得精氨酸得不到足量的補充，導致疾病惡化。除此之外，磷脂酰膽堿轉化為溶血磷脂酰膽堿的磷脂代謝能在調節關節癥狀，特別是關節疼痛中發揮作用。以上的多種代謝途徑都能檢測到較為良好的差異代謝物，為早期KOA 的診斷提供了一定的基礎。

5 展望

利用代謝組學技術尋找生物標志物的方法對于早期KOA的診斷具有十分重要的意義，它能準確判斷并確診KOA。在尋找生物標志物的過程中，血液、尿液、膝關節滑液都成為了有效的獲取途徑，但是到目前都沒有公認的統一生物標志物，希望未來能夠結合基因組學、蛋白組學等多種技術，建立更加全面、高效的研究體系，進而能追蹤到獲得公認的生物標志物及代謝途徑，這樣就能夠針對早期疾病變化研究出針對KOA 的特異性拮抗劑，最大程度的解決KOA 患者的痛苦。