糖尿病微血管病變代謝組學(xué)研究進(jìn)展

王焰，查云飛

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院放射科，武漢 430060)

糖尿病是一種以高血糖為特征的慢性代謝紊亂性疾病。糖尿病微血管病變是糖尿病特有的慢性血管并發(fā)癥，其中糖尿病腎臟疾病(diabetic kidney disease，DKD)、糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)和糖尿病神經(jīng)病變(diabetic neuropathy，DN)是最常見的微血管并發(fā)癥，且分別是導(dǎo)致終末期腎損傷、成人失明、非創(chuàng)傷性截肢的主要原因。1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)均會對微血管系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，因此控制血糖可延緩糖尿病微血管病變的進(jìn)展[1]。代謝組學(xué)在探索疾病的病理生理機(jī)制、發(fā)現(xiàn)特異性生物標(biāo)志物方面均具有顯著優(yōu)勢。篩選出高特異度及高靈敏度的生物標(biāo)志物對糖尿病微血管病變的預(yù)測、診斷及治療均具有重大意義。代謝組學(xué)研究可揭示常規(guī)研究方法無法發(fā)現(xiàn)的疾病相關(guān)的差異代謝通路和生物標(biāo)志物，為早期有效控制疾病發(fā)生提供新的治療靶點(diǎn)。目前糖尿病微血管病變各個靶器官代謝組學(xué)研究已取得一定進(jìn)展，但尚未見系統(tǒng)的歸納、分析?，F(xiàn)就糖尿病微血管病變代謝組學(xué)研究進(jìn)展予以綜述。

1 代謝組學(xué)技術(shù)

代謝組學(xué)主要研究生物整體、器官或組織內(nèi)源性代謝物質(zhì)代謝途徑受激或擾動后的變化或隨時間的變化。代謝組學(xué)的研究流程包括實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、樣品收集、樣品預(yù)處理、檢測及鑒定、數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析、生物標(biāo)志物篩選等步驟。常用的代謝組學(xué)分析技術(shù)包括核磁共振波譜法(nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR)、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等。目前尚無可通用的代謝組學(xué)新技術(shù)，主要的技術(shù)平臺是多種分析技術(shù)的集成。代謝組學(xué)主要通過收集動物模型或患者組織、體液，運(yùn)用檢測分析技術(shù)研究其代謝通路及代謝物的變化。代謝組學(xué)的應(yīng)用主要包括3個方面：①通過生物標(biāo)志物的富集找出疾病相關(guān)的差異代謝通路，深化對其發(fā)病機(jī)制的理解；②通過生物標(biāo)志物的對比及模型的建立實(shí)現(xiàn)疾病早期預(yù)測、診斷；③根據(jù)生物標(biāo)志物的變化趨勢進(jìn)行臨床療效評價、預(yù)后及病程監(jiān)控。

2 代謝組學(xué)在糖尿病微血管病變研究中的應(yīng)用

糖尿病微血管病變是指由長期高血糖狀態(tài)導(dǎo)致的機(jī)體代謝紊亂以及各種細(xì)胞因子和激素失衡引發(fā)的微血管形態(tài)、功能障礙，多伴隨慢性炎癥反應(yīng)、血管內(nèi)皮損傷和微血栓形成。血管再生失調(diào)、氧化和高滲應(yīng)激以及晚期糖基化終末產(chǎn)物和Toll樣受體觸發(fā)的炎癥通路的激活可能是糖尿病微血管病變關(guān)鍵的致病機(jī)制[2]，但具體機(jī)制目前尚未完全闡明。糖尿病微血管病變可導(dǎo)致多個靶器官代謝紊亂，如DKD、DR、DN、糖尿病腦微血管病變及糖尿病心肌病等。由于不同組織、器官的微血管具有各自的特點(diǎn)，對損傷、修復(fù)的反應(yīng)也不同，同時相關(guān)的代謝通路及生物標(biāo)志物也存在差異，因此開展不同靶器官的研究很有必要。

2.1DR DR是糖尿病最常見的微血管并發(fā)癥之一，分為非增殖性DR和增殖性DR兩個階段。糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變包括微循環(huán)通透性增加、內(nèi)皮細(xì)胞增生、水腫以及視網(wǎng)膜異常新生血管形成等[3]。視網(wǎng)膜微血管功能障礙導(dǎo)致的視網(wǎng)膜缺血和缺氧被認(rèn)為是DR的關(guān)鍵因素之一[4]。DR與糖代謝通路改變有關(guān)，其中，多元醇途徑通量增加可引起或加劇氧化應(yīng)激，是導(dǎo)致DR的主要因素之一。如Chen等[5]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)發(fā)現(xiàn)，DR患者血漿中與磷酸戊糖途徑有關(guān)的代謝物增多，而磷酸戊糖途徑可減緩多元醇途徑通量增加導(dǎo)致的氧化應(yīng)激。Curovic等[6]研究TIDM患者DR不同進(jìn)展階段血清代謝物的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)核糖酸、核糖醇與DR進(jìn)展有關(guān)。此外，有研究通過比較DR患者與正常對照者的房水和玻璃體發(fā)現(xiàn)，與DR相關(guān)的糖代謝途徑包括糖異生、抗壞血酸-醛糖代謝[7]。研究顯示，高血糖和抗壞血酸與血管生成有關(guān)[8-9]。

DR還與多種氨基酸代謝異常有關(guān)，包括精氨酸、瓜氨酸、支鏈氨基酸(branched chain amino acids，BCAAs)、甘氨酸、色氨酸、谷氨酸等。其中，精氨酸、瓜氨酸代謝途徑失調(diào)與DR的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[7，10-12]。糖尿病狀態(tài)下視網(wǎng)膜精氨酸酶Ⅱ過度活躍可導(dǎo)致一氧化氮合酶通路所需的精氨酸缺乏，進(jìn)而導(dǎo)致一氧化氮缺乏，引發(fā)內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙和血管舒張功能受損[7]。此外，精氨酸、瓜氨酸和一氧化氮水平也受不對稱二甲基精氨酸水平的影響，不對稱二甲基精氨酸是一氧化氮合酶的有效抑制劑，可通過增加活性氧、誘導(dǎo)細(xì)胞衰老損害內(nèi)皮功能，與糖尿病的微血管并發(fā)癥有關(guān)[12]。Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn)，BCAAs生物合成代謝途徑與DR發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，且BCAAs主要通過激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通路加速DR發(fā)展。Tomita等[13]發(fā)現(xiàn)，增殖性DR患者玻璃體液中的肌酸減少，而肌酸是甘氨酸降解的副產(chǎn)物，表明甘氨酸代謝途徑發(fā)生改變，肌酸可能有助于減少視網(wǎng)膜新生血管形成。代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，色氨酸-犬尿氨酸代謝途徑與DR高度相關(guān)[14]；此外，血漿谷氨酰胺與谷氨酸的比值也可作為預(yù)測T2DM患者DR的生物標(biāo)志物[15]。

脂質(zhì)紊亂與DR的病程進(jìn)展密切相關(guān)。Xuan等[16]利用代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，輕度DR患者血清中的13種脂質(zhì)亞類發(fā)生顯著變化。其中，多不飽和脂肪酸具有調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜毛細(xì)血管完整性、新生血管形成和炎癥的能力。Zuo等[17]研究發(fā)現(xiàn)，健康人群、T2DM患者、DR患者的多不飽和脂肪酸水平呈明顯下降趨勢，而多不飽和脂肪酸水平降低可導(dǎo)致炎癥細(xì)胞因子發(fā)生改變，從而增加DR的發(fā)生風(fēng)險。

除糖代謝、氨基酸代謝、脂代謝以外，其他代謝物也在DR發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。Xuan等[18]基于多平臺的代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，DR患者血清12-羥色胺和2-哌啶酮水平升高，其中12-羥色胺可誘導(dǎo)人視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，2-哌啶酮可促進(jìn)血管生成。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，2，4-二羥基丁酸、3，4-二羥基丁酸也與T1DM患者DR的進(jìn)展有關(guān)[6]。

2.2DKD DKD是糖尿病引起的慢性微血管并發(fā)癥之一，目前DKD的臨床診斷主要依據(jù)腎小球?yàn)V過率、尿微量白蛋白檢測和病理活檢。DKD的主要病理基礎(chǔ)是糖尿病微血管病變，早期主要改變包括腎小球系膜區(qū)增寬、腎小球毛細(xì)血管基膜增厚以及腎小球?yàn)V過率增加；后期主要改變包括腎小球、腎小管間質(zhì)纖維化以及腎小球?yàn)V過率降低等。在與DKD相關(guān)的代謝物和途徑中，最受關(guān)注的是BCAAs和芳香族氨基酸。Tofte等[19]通過非靶向代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，T1DM患者血清BCAAs水平降低，且與腎小球?yàn)V過率呈正相關(guān)，代謝性酸中毒可導(dǎo)致BCAAs代謝增加。Mutter等[20]采用NMR分析發(fā)現(xiàn)，T1DM患者尿液BCAAs水平與DKD患者病程進(jìn)展密切相關(guān)。Chou等[21]研究發(fā)現(xiàn)，T2DM合并DKD患者血漿色氨酸水平與腎小球?yàn)V過率呈正相關(guān)，色氨酸可分解為吲哚硫酸酚，從而誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，而氧化應(yīng)激是微血管病變的主要致病機(jī)制之一。此外，一項(xiàng)關(guān)于代謝組學(xué)的薈萃分析發(fā)現(xiàn)，血液谷氨酰胺可作為非侵入性早期診斷DKD的生物標(biāo)志物之一[22]。

脂肪酸代謝紊亂在DKD發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用[23]。Zhang等[24]通過代謝組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，3種非酯化脂肪酸代謝產(chǎn)物[十六酸(C16∶0)、亞油酸(C18∶2N6T)和亞油酸(C18∶2N6C)]在DKD患者中顯著升高。Saulnier等[25]通過研究T2DM合并DKD患者尿液代謝產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)，短鏈非酯化脂肪酸與糖尿病早期腎臟內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞有關(guān)。鞘磷脂是足細(xì)胞膜脂閥的結(jié)構(gòu)成分，對于維持腎小球?yàn)V過功能十分重要。有研究發(fā)現(xiàn)，微量蛋白尿、大量蛋白尿DKD患者血清中4種鞘磷脂代謝物[鞘磷脂(18∶1/16∶1)、神經(jīng)酰胺(18∶1/16∶0)、葡萄糖神經(jīng)酰胺(18∶1/18∶0)和鞘氨醇]水平均顯著升高，且這4種鞘磷脂代謝物與尿蛋白肌酐顯著相關(guān)[26]。此外，Tofte等[27]通過非靶向血清脂質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)，鞘磷脂和磷脂酰膽堿類化合物增加與T1DM患者腎功能損害風(fēng)險及全因病死率降低有關(guān)。

腎臟線粒體功能障礙是導(dǎo)致DKD的關(guān)鍵病理因素。線粒體與高血糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激顯著相關(guān)，而氧化應(yīng)激可導(dǎo)致內(nèi)皮功能受損，是糖尿病微血管和大血管病變的主要原因之一。Sharma等[28]研究發(fā)現(xiàn)，伴有終末期腎病的T1DM患者的13種尿液代謝物顯著減少，其中12種差異表達(dá)的代謝物與線粒體代謝有關(guān)，提示線粒體功能障礙是DKD的關(guān)鍵特征。此外，有研究通過非靶向代謝組學(xué)分析DKD患者的尿液代謝產(chǎn)物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)泛酸和輔酶A生物合成途徑可作為DKD的潛在治療靶標(biāo)[29]。泛酸是輔酶A的關(guān)鍵前體，在線粒體能量代謝中起重要作用。

2.3DN DN是指由慢性高血糖引起的各種病理生理學(xué)改變導(dǎo)致的神經(jīng)系統(tǒng)損傷，可累及全身任何部分，包括周圍神經(jīng)病變、中樞神經(jīng)病變，最常見的是周圍感覺神經(jīng)病變。其病理生理機(jī)制包括糖尿病微血管病變導(dǎo)致供應(yīng)神經(jīng)元的血管功能障礙以及高血糖引起的神經(jīng)細(xì)胞自身損傷，神經(jīng)細(xì)胞缺血、缺氧導(dǎo)致DN。與DKD和DR相比，基于代謝組學(xué)的DN研究較少。Freeman等[30]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的T1DM模型大鼠遠(yuǎn)端坐骨神經(jīng)線粒體氧化磷酸化顯著上調(diào)、脂質(zhì)代謝紊亂。另有研究發(fā)現(xiàn)，注射鏈脲佐菌素的小鼠22周后出現(xiàn)感覺喪失和傷害性感覺神經(jīng)分支減少；進(jìn)一步通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，小鼠坐骨神經(jīng)三羧酸循環(huán)受損，導(dǎo)致能量代謝障礙和神經(jīng)損傷[31]。此外，Mathew等[32]利用代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，三羧酸循環(huán)及氨基酸代謝與T1DM患者心臟自主神經(jīng)病變的進(jìn)展有關(guān)。目前嚴(yán)格控制血糖是治療DN最有效的方法，通過代謝組學(xué)深入研究可為DN的治療提供新思路。

2.4糖尿病腦微血管病變 通常情況下，糖尿病腦微血管病變始于微血管的血流動力學(xué)異常，進(jìn)而導(dǎo)致微血管栓塞、閉塞，引起大腦結(jié)構(gòu)和功能異常。糖尿病腦微血管病變致病機(jī)制復(fù)雜，涉及多元醇代謝異常、氧化應(yīng)激、蛋白激酶C激活等。腦微血管損傷可導(dǎo)致代謝物跨血-腦屏障異常轉(zhuǎn)運(yùn)，而對于腦脊液的代謝組學(xué)研究可在一定程度上反映腦的代謝變化。有研究通過1H-NMR分析伴有微血管并發(fā)癥的T2DM患者的腦脊液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)亮氨酸、酪氨酸、纈氨酸、丙氨酸、丙酮酸和乳酸水平均顯著升高，組氨酸水平顯著降低，提示T2DM患者腦循環(huán)有氧代謝減少，無氧糖酵解增加[33]。因此，利用代謝組學(xué)識別腦脊液生物標(biāo)志物，有助于預(yù)測和闡明糖尿病腦微血管病變的病理生理機(jī)制。

2.5糖尿病心肌病 作為糖尿病慢性微血管并發(fā)癥之一，糖尿病心肌病定義為糖尿病患者存在心肌功能障礙而無典型的心血管危險因素。心肌微血管系統(tǒng)可調(diào)節(jié)心肌血流，促進(jìn)氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)和激素向心肌輸送以及代謝終產(chǎn)物的清除。心肌微血管病變是糖尿病心肌病主要的致病機(jī)制之一，表現(xiàn)為微血管周圍纖維化、毛細(xì)血管基底膜增厚及密度降低。

代謝組學(xué)研究有助于闡明糖尿病心臟微血管病變導(dǎo)致的心肌代謝紊亂，進(jìn)而闡明糖尿病心臟微血管病變的致病機(jī)制，發(fā)現(xiàn)糖尿病心肌病的生物標(biāo)志物。Rohm等[34]通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用研究糖尿病模型小鼠的心臟組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠心臟組織丙酮酸、乳酸、丙氨酸、三羧酸循環(huán)代謝產(chǎn)物和BCCAs水平均增加，表明心肌葡萄糖氧化代謝受到抑制。此外，還有研究利用1H-NMR結(jié)合高效液相色譜發(fā)現(xiàn)，糖尿病心肌病模型大鼠心臟組織能量代謝物減少、脂質(zhì)代謝增強(qiáng)、BCCAs水平升高[35]，表明能量合成和代謝變化均與糖尿病心肌病有關(guān)。但目前關(guān)于糖尿病心肌病代謝組學(xué)的研究仍較少。

3 小 結(jié)

目前關(guān)于代謝組學(xué)與糖尿病微血管病變的研究仍處于探索階段，基于代謝組學(xué)的DR、DKD研究很多，針對DN、糖尿病心肌病、糖尿病腦微血管病變、骨髓肌肉微血管病變的代謝組學(xué)研究則較少。目前檢測通量受限及生物標(biāo)志物的結(jié)構(gòu)鑒別是代謝組學(xué)的難點(diǎn)，同時缺乏操作標(biāo)準(zhǔn)也導(dǎo)致研究結(jié)果缺乏可比性，使數(shù)據(jù)交流困難。隨著“后基因組”時代的發(fā)展，整合多組學(xué)的研究成果、建立糖尿病微血管病變的多組學(xué)整合評價體系、識別糖尿病微血管病變不同靶器官相關(guān)的生物標(biāo)志物以及實(shí)現(xiàn)對糖尿病微血管病變致病機(jī)制的深入探索等，對糖尿病微血管病變早期診斷、風(fēng)險預(yù)測、預(yù)后評估均至關(guān)重要。此外，未來的研究還可通過整合代謝組學(xué)與影像組學(xué)生物標(biāo)志物，使糖尿病微血管病變在影像上實(shí)現(xiàn)可視化，為早期診斷和預(yù)測提供幫助。