代謝組學(xué)在冠心病中的研究進(jìn)展

王清騰 金映筑 羅振華 李偉

(1.貴州醫(yī)科大學(xué)，貴州 貴陽 550025； 2.貴州省人民醫(yī)院，貴州 貴陽 550100)

心血管疾病是世界范圍內(nèi)疾病死亡的主要原因之一[1]。冠心病作為心血管疾病中最為常見的疾病，其發(fā)病仍呈逐年上升趨勢[2]。冠心病作為代謝紊亂性疾病，主要病理機(jī)制為內(nèi)皮功能障礙和慢性炎癥，同時(shí)發(fā)生異常復(fù)雜代謝，進(jìn)而誘發(fā)的血管壁病變。冠心病是一個(gè)漸進(jìn)的演變過程，這也是冠心病早期不被重視的主要原因。相比于其他疾病，冠心病發(fā)病率的急劇上升且逐漸年輕化，極大地增加了人們的經(jīng)濟(jì)以及生活負(fù)擔(dān)[3]。目前已有大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床研究證實(shí)，心血管疾病的發(fā)生與異常代謝相關(guān)[4-6]。代謝組學(xué)主要是通過對(duì)容易獲得的生物體液中大量代謝物進(jìn)行的定性和定量分析，來解釋差異代謝物在其參與的代謝通路所發(fā)揮的生物學(xué)作用[7]，為疾病的早期診斷、病程進(jìn)展及診療提供可靠依據(jù)。目前代謝組學(xué)已廣泛應(yīng)用于冠心病的研究，尤其是在穩(wěn)定型心絞痛(stable angina pectoris，SAP)、不穩(wěn)定型心絞痛(unstable angina pectoris,UAP)及急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)方面的研究，取得了豐碩的成果。

1 代謝組學(xué)的基本概況

隨著基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，代謝組學(xué)的出現(xiàn)已成為生命科學(xué)研究的必然趨勢。代謝組學(xué)概念是英國學(xué)者Nicholson等[8]基于磁共振波譜對(duì)生物體液、細(xì)胞及組織的多組分代謝成分的大量研究提出的。在過去的十年中，代謝組學(xué)有了爆發(fā)式的發(fā)展，質(zhì)譜及磁共振技術(shù)的不斷改進(jìn)提高，使得在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究中檢測出數(shù)百甚至數(shù)千種代謝物成為可能[9]。

代謝組學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢[10]：(1)基因和蛋白質(zhì)微小變化可在代謝物中得以反映和放大；(2)不需要全基因組學(xué)測序和進(jìn)行大量表達(dá)序列標(biāo)記；(3)通過生物體液代謝物組分分析，檢測生物體生理或病理變化；(4)不同生物體體中代謝物基本相似，應(yīng)用更為普遍。代謝組學(xué)技術(shù)的不足[11]：(1)仍未定性的代謝物占絕對(duì)數(shù)量與可能的代謝物空間相比，公共可用的光譜庫的尺寸較小，仍有很高百分比的峰未被識(shí)別；(2)大規(guī)模光譜分配的精確統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證受限。

目前代謝組學(xué)主要的分析研究平臺(tái)包括[12]，核磁共振波譜法(nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR)、氣相色譜-質(zhì)譜法(gas chromatography/mass spectrometry，GC/MS)、液相色譜-質(zhì)譜法(liquid chromatography/mass spectrometry，LC/MS)。它們在代謝組學(xué)研究方面均有各自的應(yīng)用和優(yōu)勢。

NMR是最具選擇性的分析技術(shù)之一，能在短時(shí)間內(nèi)提供高度的結(jié)構(gòu)信息[13]。NMR也是一種無損和高度可再現(xiàn)的技術(shù)，在進(jìn)行生物樣品中的代謝物檢測時(shí)不需大量的樣品制備。但它在應(yīng)用過程中仍存在較多問題，如高光譜擁擠、大分子存在、分子相互作用、動(dòng)態(tài)范圍、巨大的溶劑濃度和靈敏度等，所以在進(jìn)行代謝物鑒定時(shí)需應(yīng)用先進(jìn)的核磁共振技術(shù)和分析策略，以獲得更高的準(zhǔn)確性。

質(zhì)譜聯(lián)合色譜是生物合成途徑對(duì)代謝組影響進(jìn)行全面分析的最廣泛應(yīng)用的平臺(tái)[14]。其中GC/MS是最為常用的分析平臺(tái)。由于化合物庫的可用性，使用GC/MS進(jìn)行化合物鑒定非常簡單。與GC/MS相比，LC/MS可檢測更廣泛的代謝物，從高分子量到低分子量化合物，以及親水和疏水代謝物。此外，LC/MS不需要衍生化或GC/MS所需的特殊樣品分析準(zhǔn)備。缺點(diǎn)是由于基質(zhì)效應(yīng)使得LC/MS的峰容量和穩(wěn)定性不足。

代謝組學(xué)作為一種深度表型工具，自20世紀(jì)90年代末問世以來取得了長足的進(jìn)步[15]。但由于代謝組學(xué)中高分辨率平臺(tái)、聯(lián)用技術(shù)、小型化和數(shù)據(jù)采集工具包的優(yōu)化和發(fā)展給代謝組學(xué)數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析、解釋和集成帶來了新的挑戰(zhàn)[16]。

2 代謝組學(xué)在冠心病中的應(yīng)用

2.1 代謝組學(xué)在探尋冠心病生物標(biāo)志物方面的研究

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，冠心病的發(fā)病率逐年上升，且越來越年輕化。然而，目前對(duì)于冠心病的臨床診斷標(biāo)志物仍缺乏特異性和局限性。隨著代謝組學(xué)的迅速發(fā)展，探尋冠心病的生物標(biāo)志物已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，特別是在SAP、UAP和AMI方面已有了很大的進(jìn)展。

2.1.1 SAP

SAP是冠心病的常見表現(xiàn)類型。臨床特點(diǎn)主要表現(xiàn)為可逆性的心肌供需不調(diào)，考慮與缺血或缺氧有關(guān)，可在運(yùn)動(dòng)或情緒波動(dòng)等情況下發(fā)病，休息或服用硝酸甘油后緩解[17]。有研究表明，SAP患者存在顯著的殘余血栓風(fēng)險(xiǎn)[18]。現(xiàn)已有幾項(xiàng)關(guān)于SAP的代謝組學(xué)研究，用以發(fā)現(xiàn)特異性和敏感性高的生物學(xué)標(biāo)志物，主要發(fā)現(xiàn)見表1[19-21]。

如表1所述，雖結(jié)果有所不同，但它們提供了對(duì)SAP病理生理過程的初步認(rèn)識(shí)，有利于SAP標(biāo)志物的進(jìn)一步研究，特別是膽堿和氧化三甲胺具有更高的研究及診斷價(jià)值。

表1 SAP在代謝組學(xué)研究中的主要信息

2.1.2 UAP

UAP是繼發(fā)于冠狀動(dòng)脈閉塞的急性加重[22]。特征是心絞痛癥狀逐漸增加，休息或夜間發(fā)作或心絞痛持續(xù)時(shí)間延長。由于UAP獨(dú)特的病理生理機(jī)制和臨床預(yù)后，如果不及時(shí)治療，患者可發(fā)展為急性心肌梗死。為了尋找敏感和特異的生物標(biāo)志物并進(jìn)行早期診斷，對(duì)UAP進(jìn)行了多項(xiàng)臨床和實(shí)驗(yàn)代謝組學(xué)研究，主要發(fā)現(xiàn)見表2[23-26]。

如表2所述，有兩項(xiàng)基于氫-1核磁共振波譜法的血液代謝組學(xué)研究顯示了氨基酸代謝和UAP之間的相關(guān)性。這可能意味著氨基酸代謝可用作UAP的潛在診斷標(biāo)記。

表2 UAP在代謝組學(xué)研究中的主要信息

2.1.3 AMI

AMI是由急性冠狀動(dòng)脈閉塞和血流中斷引起的心肌缺血性壞死。目前有關(guān)AMI代謝組學(xué)的生物標(biāo)志物的臨床和實(shí)驗(yàn)研究較多[27]。然而對(duì)于AMI來說，目前無一種能令人信服地證明它們能像肌鈣蛋白、肌酸激酶同工酶和肌紅蛋白那樣確定預(yù)后，詳見表3[28-31]。

表3 AMI在代謝組學(xué)研究中的主要信息

2.2 代謝組學(xué)在女性冠心病中的研究

盡管冠心病是世界范圍內(nèi)高死亡率的疾病之一，但其作為一種男女共患性疾病的重要性并未得到充分重視。現(xiàn)階段對(duì)冠心病的研究主要集中在男性，而對(duì)于女性的研究相對(duì)較少。有研究發(fā)現(xiàn)，患冠心病的女性比男性預(yù)后更差[30]。女性傾向于在晚年出現(xiàn)冠狀動(dòng)脈疾病，即使在年輕時(shí)，她們接受的循證治療也比男性少。與男性相比，女性更容易受到導(dǎo)致心血管疾病發(fā)病率和死亡率的代謝異常后果的影響[32]。有代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，冠心病患者的代謝物在性別上有一定的差異性，詳見表4[10,33-34]。

表4 冠心病在代謝組學(xué)研究中性別差異的主要信息

3 思考與展望

目前代謝組學(xué)技術(shù)已取得了較大的發(fā)展，但作為一種新興的科學(xué)技術(shù)，同樣面臨著很多問題。一方面，在數(shù)據(jù)分析上需其他專業(yè)技術(shù)支撐，對(duì)研究人員綜合素質(zhì)要求較高，現(xiàn)有分析儀器還處在實(shí)驗(yàn)室階段，在樣本提取及數(shù)據(jù)處理方法上還需進(jìn)一步完善。另一方面，對(duì)于冠心病代謝組學(xué)的研究，目前主要研究局限于組間代謝物差異，尚未明確有代謝物作為指導(dǎo)臨床的特異性代謝產(chǎn)物。盡管如此，但代謝組學(xué)作為其他組學(xué)的進(jìn)一步延續(xù)，完善了生命科學(xué)體系。相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新，代謝組學(xué)在冠心病領(lǐng)域方面的研究將展現(xiàn)出廣闊的前景。