代謝組學(xué)技術(shù)在骨質(zhì)疏松癥中的應(yīng)用研究進(jìn)展*

程 燕，張潤(rùn)峰

（1.川北醫(yī)學(xué)院，四川南充 637100； 2.四川省綿陽(yáng)市第三人民醫(yī)院·四川省精神衛(wèi)生中心，四川綿陽(yáng) 621000）

骨質(zhì)疏松癥（OP）是一種骨量降低、骨組織微結(jié)構(gòu)退化的全身進(jìn)行性骨骼疾病，易造成疼痛、骨折、駝背等［1］。2019年，全球65歲及以上人群發(fā)生的骨質(zhì)疏松性骨折超過(guò)1 000 萬(wàn)例，給家庭和社會(huì)造成了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)［2］。早預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)、早診斷和早治療可降低OP 的患病率，減少脆性骨折的發(fā)生。早期服用鈣和維生素D補(bǔ)充劑，增加日照時(shí)間是OP的預(yù)防方案［3-4］。但方法的特異性和有效性較差，缺乏針對(duì)性和靶向性，難以有效減緩骨丟失。骨代謝的穩(wěn)態(tài)依賴(lài)于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞間的動(dòng)態(tài)平衡。目前，OP的主要治療藥物包括骨吸收抑制劑、骨形成促進(jìn)劑及其他機(jī)制類(lèi)藥物。雙膦酸鹽為骨吸收抑制劑，是目前臨床治療OP 的常用藥物，但毒副作用較大，治療費(fèi)用較高，且不能恢復(fù)OP 患者的骨重塑平衡。特立帕肽是促進(jìn)骨合成的藥物，刺激新骨形成的同時(shí)也刺激了骨吸收，療效并不穩(wěn)定。由于靶向性不強(qiáng)，激素補(bǔ)充類(lèi)藥物難以進(jìn)行根本性治療［5］；雙能X 射線(xiàn)也不足以揭示骨組織的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)［6-7］。在OP預(yù)防領(lǐng)域中，應(yīng)關(guān)注更多的線(xiàn)索，特別是代謝線(xiàn)索。本研究中采用計(jì)算機(jī)檢索萬(wàn)方、PubMed 數(shù)據(jù)庫(kù)自建庫(kù)起至2023 年5 月的相關(guān)文獻(xiàn)，現(xiàn)將代謝組學(xué)技術(shù)在OP 中的應(yīng)用研究綜述如下。

1 與OP 相關(guān)的信號(hào)通路

1.1 Wnt/β-聯(lián)蛋白（β-catenin）信號(hào)通路

Wnt/β-catenin 通路主要影響骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）分化為成骨細(xì)胞的過(guò)程，是治療OP 的潛在靶點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，只有在低水平的Wnt/β-catenin 下才能促進(jìn)BMSCs的增殖和自我更新，而成骨分化則以與Wnt信號(hào)強(qiáng)度成比例的方式促進(jìn)［8］。當(dāng)BMSCs 數(shù)量不足時(shí)，則無(wú)法產(chǎn)生足量的成骨細(xì)胞，與破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收發(fā)生失衡，導(dǎo)致OP［9］。Wnt/β-catenin 通路中存在大量關(guān)鍵因子，以調(diào)控BMSCs的分化。

1.2 骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）通路

BMP 是一種較強(qiáng)的成骨因子，在骨基質(zhì)中大量存在，可定向刺激BMSCs 分化為成熟的成骨細(xì)胞。多種細(xì)胞因子共同構(gòu)成的BMP-2/Smads 信號(hào)通路在BMSCs分化為成骨細(xì)胞及骨細(xì)胞外基質(zhì)合成、分泌過(guò)程中具有中樞性作用。經(jīng)典BMP-2 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程為BMP-2與BMP受體-Ⅰ（BMPR-Ⅰ）、BMP受體-Ⅱ（BMPR-Ⅱ）結(jié)合，BMPR - Ⅱ磷酸化并激活BMPR - Ⅰ。激活的BMPR - Ⅰ與R - Smad 直接作用，促使R - Smad 磷酸化，隨后2 個(gè)磷酸化的R-Smad 和Co-Smad 形成穩(wěn)定的異源三聚體，并轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，調(diào)節(jié)細(xì)胞核內(nèi)靶基因Runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runx2）、成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子（Osx）的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控成骨細(xì)胞的分化［10］。非經(jīng)典通路指絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路，BMP 通過(guò)BMPR-1A 激活轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（TGF-β）激活激酶1（TAK1）信號(hào)通路，然后逐步參與轉(zhuǎn)錄和表達(dá)P16INK4a 等靶基因的過(guò)程，進(jìn)而影響成骨細(xì)胞的分化。

1.3 Notch 信號(hào)通路

Notch 信號(hào)通路是一種高度保守的細(xì)胞間信號(hào)通路，可調(diào)節(jié)BMSCs 的增殖、分化與凋亡，影響骨骼組織的發(fā)育和再生［11］。典型的Notch 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中，Notch胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（NICD）進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)并移動(dòng)入細(xì)胞核，并與CSL 轉(zhuǎn)錄因子和共激活因子結(jié)合，形成復(fù)合體，誘導(dǎo)Notch信號(hào)通路下游靶基因（HES，HEY）的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化。Notch 信號(hào)對(duì)成骨和破骨細(xì)胞生成具有雙重作用。

1.4 骨保護(hù)素/核因子κB 受體活化因子/核因子κB受體活化因子配體（OPG/RANK/RANKL）信號(hào)通路

OPG/ RANK/ RANKL 信號(hào)通路與成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞間的平衡關(guān)系密切。RANKL 和OPG 可反映破骨細(xì)胞活性。成骨細(xì)胞產(chǎn)生的RANKL 與破骨細(xì)胞表面的RANK 結(jié)合，導(dǎo)致骨吸收增加［12］。OPG 作為誘餌受體競(jìng)爭(zhēng)性地阻斷RANKL 與RANK 的結(jié)合，從而抑制破骨細(xì)胞的活性。當(dāng)RANKL 過(guò)度表達(dá)或OPG 水平異常低時(shí)，骨吸收將大于骨形成，導(dǎo)致OP。

2 代謝組學(xué)的研究方法

OP 代謝組學(xué)研究樣品通常包括尿液、糞便、血清、血漿、膽汁、骨細(xì)胞等［13］。目前，液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜（LCMS）法、氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜（GC - MS）法和核磁共振（1H - NMR）法是探索OP 代謝組學(xué)的主要方法［14］。1H-NMR 適用于代謝組學(xué)的初步探索，不損害樣品，預(yù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單，可用于定量數(shù)據(jù)分析，但檢測(cè)窗口較窄和缺乏靈敏度。色譜法可用于復(fù)雜骨質(zhì)疏松化合物的分離，能分離異構(gòu)體，提高對(duì)低濃度代謝物的檢測(cè)率和定量準(zhǔn)確性，但存在定性能力不足等缺點(diǎn)。隨著代謝組學(xué)的發(fā)展，相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件及平臺(tái)快速發(fā)展，且獨(dú)具特點(diǎn)［15］。

3 OP 代謝組學(xué)研究

3.1 代謝組學(xué)在OP 發(fā)病機(jī)制中的研究

3.1.1 氨基酸代謝

研究表明，甘氨酸與骨密度呈負(fù)相關(guān)。MIYAMOTO等［16］的研究發(fā)現(xiàn)，35例OP患者血清甘氨酸水平明顯高于694 例健康對(duì)照者。在墨西哥人群中進(jìn)行的2 項(xiàng)相關(guān)研究中，與對(duì)照組相比，骨密度低患者的甘氨酸水平更高［17-18］。Ramingham 后代研究納入1 552例OP患者，發(fā)現(xiàn)患者的血漿甘氨酸水平與股骨頸（FN）和腰椎（LS）骨密度呈負(fù)相關(guān)［19］。

研究證明，纈氨酸與骨密度呈正相關(guān)。LING 等［20］的研究發(fā)現(xiàn)，血清纈氨酸水平較低與FN 和LS骨密度相關(guān)，OP 的風(fēng)險(xiǎn)較高，與同一研究小組的2 項(xiàng)相關(guān)研究結(jié)果［17-18］一致。瑞典的一項(xiàng)研究結(jié)果表明，絕經(jīng)后骨密度低的婦女的循環(huán)纈氨酸低于骨密度高的婦女［21］。

亮氨酸與骨密度的關(guān)系并不一致。LING 等［20］報(bào)道了中國(guó)971 例參與者的血清亮氨酸水平與FN 和LS 骨密度呈正相關(guān)，與墨西哥人群研究結(jié)果［17-18］類(lèi)似。在波士頓波多黎各骨質(zhì)疏松研究中，OP 患者的骨密度與亮氨酸呈負(fù)相關(guān)［22］；其他氨基酸如精氨酸、賴(lài)氨酸、谷氨酸等，可促進(jìn)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化。

3.1.2 脂質(zhì)代謝

脂質(zhì)是維持細(xì)胞功能和增殖的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。多項(xiàng)研究表明，在不同的OP 樣本中多次發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)代謝物，可能通過(guò)干擾破骨作用、成骨作用及骨代謝導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。LU 等［23］的研究發(fā)現(xiàn)，鞘磷脂可能導(dǎo)致骨髓源性BMSCs 異常分化，在衰老過(guò)程中發(fā)揮作用。ZHANG等［19］的研究發(fā)現(xiàn)，鞘磷脂與骨密度降低顯著相關(guān)；ALEIDI 等［24］的研究探討了骨密度與鞘磷脂間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鞘磷脂在OP的發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵作用。

脂類(lèi)代謝中的花生四烯酸（AA）通過(guò)刺激RANKL的表達(dá)，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成，導(dǎo)致骨量流失。而二十二碳六烯酸（DHA）通過(guò)降低信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的關(guān)鍵激酶［如c - Jun 氨基末端激酶（JNK）、胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（ERK），p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38MAPKs）］阻斷RANKL的表達(dá)，從而抑制破骨細(xì)胞生成。白細(xì)胞三烯和前列腺素分別影響Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和破骨細(xì)胞再生，從而影響骨密度。

3.1.3 能量代謝

能量代謝和葡萄糖代謝的一些關(guān)鍵代謝產(chǎn)物在OP的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。多項(xiàng)研究提示，肌酸的代謝異常可能是OP 潛在發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵物質(zhì)［19，25］。通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，糖尿病OP 患者較健康志愿者的檸檬酸水平有顯著變化［25］，提示檸檬酸可作為糖尿病OP發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵指標(biāo)。檸檬酸是三羧酸循環(huán)中的中間產(chǎn)物，也是OP的潛在生物標(biāo)志物［26］。

3.2 代謝組學(xué)在開(kāi)發(fā)OP 治療藥物中的應(yīng)用

天然草藥：近年來(lái)，采用代謝組學(xué)方法對(duì)天然草藥配方和提取物進(jìn)行了更廣泛的研究，包括天然化合物草藥、天然單一草藥、天然草藥提取物。YUAN 等［27］研究了枸杞丹對(duì)激素誘導(dǎo)的OP 模型大鼠的抗OP 作用及其機(jī)制，鑒定了40種代謝產(chǎn)物，涉及氨基酸、能量、腸道菌群、脂肪的代謝。其中，淫羊藿苷是黃酮苷類(lèi)的主要成分，具有抗OP 作用。OP 發(fā)病機(jī)制中的代謝物包括牛磺酸、肌酸、纈氨酸、色氨酸、亮氨酸、丙氨酸、肌酸、牛磺酸、甘氨酸和β-葡萄糖，均受其調(diào)控顯著［28］。淫羊藿苷作為添加劑可改變54周齡OP模型母雞的牛磺酸、嘧啶、脂類(lèi)的代謝，升高BMD 水平。金垚等［29］的研究發(fā)現(xiàn)，淫羊藿苷可有效抑制PTEN，激活成骨基因表達(dá)，促進(jìn)BMSCs成骨分化，緩解大鼠OP。

激素藥物：雌二醇是臨床治療OP的主要藥物。WEI等［30］研究肌源性O(shè)P 的代謝變化和雌二醇的治療作用發(fā)現(xiàn)，氧化磷酸化、甘油磷脂代謝、色氨酸代謝、生熱代謝、組氨酸代謝、精氨酸生物合成和嘌呤代謝的變化是肌源性O(shè)P 最常見(jiàn)的致病因素。LIU 等［31］使用基于代謝組學(xué)的方法研究了破骨細(xì)胞代謝物對(duì)雌二醇的反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，氨基酸、脂質(zhì)衍生物等27種代謝物在雌激素作用后發(fā)生了顯著改變。

腸道細(xì)菌：糞便微生物群移植和益生菌補(bǔ)充作為一種減輕及治療OP 的新方法，旨在改變腸道中微生物的豐度和組成，從而影響OP 患者的體內(nèi)代謝物水平［32］。研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌通過(guò)重組腸道菌群，改變代謝物組成，特別是溶血磷脂酰膽堿水平，乳酸菌可能是某些類(lèi)型OP有效和安全的治療策略［33］。

3.3 代謝組學(xué)在OP 預(yù)防與預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

預(yù)防：反映骨代謝異常的危險(xiǎn)因素可用于OP 的早期預(yù)防。營(yíng)養(yǎng)與兒童和成年期的骨密度值密切相關(guān)。MANGANO 等［22］采用代謝組學(xué)方法來(lái)確定驅(qū)動(dòng)蔬菜和水果攝入量與OP 風(fēng)險(xiǎn)間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，蔬菜和水果可抑制脂質(zhì)代謝物的合成途徑，導(dǎo)致體內(nèi)其他代謝物的濃度增加，刺激雌激素合成，減緩OP 進(jìn)展。CHAU 等［34］研究了與咖啡相關(guān)的代謝物，并評(píng)估與OP 的相關(guān)性。結(jié)果顯示，12 種血清代謝產(chǎn)物與咖啡攝入量呈正相關(guān)，其中胡蘆巴、3-羥基吡啶和奎寧酸的相關(guān)性最強(qiáng)。

預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)OP 對(duì)保持骨骼健康至關(guān)重要。KONG等［35］在一項(xiàng)社區(qū)隊(duì)列研究中發(fā)現(xiàn)，高亞精胺濃度與OP相關(guān)性脆性骨折的風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)。進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，亞精胺及其相關(guān)代謝物可能是OP的可靠預(yù)測(cè)因子。

3.4 代謝組學(xué)和多組學(xué)整合的技術(shù)創(chuàng)新

代謝組學(xué)與生物信息學(xué)、遺傳學(xué)、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)、宏基因組學(xué)、網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的有機(jī)結(jié)合取得了很大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OP 的預(yù)防、檢測(cè)和治療的系統(tǒng)探討。

WANG 等［36］將色譜圖中色譜峰的相對(duì)保留時(shí)間與內(nèi)在峰關(guān)聯(lián)起來(lái)，獲取OP 模型大鼠血漿樣本的液相色譜- 質(zhì)譜（LC - MS）數(shù)據(jù)集，評(píng)估其脫靶性能。結(jié)果顯示，相對(duì)保留時(shí)間法缺失值少，峰值強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差低，模式識(shí)別性能好，在代謝組學(xué)研究中具有較大潛力。為提高多區(qū)域正交投影模型的可解釋性，同時(shí)整合了氧脂、鞘脂、代謝組學(xué)、脂肪酸的靶向分析。

TAO 等［37］開(kāi)發(fā)了代謝組學(xué)和金屬組學(xué)方法來(lái)解釋鹽和生野草抗OP作用的生化基礎(chǔ)，分析鐵、錳、鋅、半乳糖代謝、甘氨酸、氨循環(huán)、丙氨酸代謝、精氨酸、絲氨酸代謝、乳糖降解、脯氨酸代謝、銅、硒和尿素循環(huán)均有增加。

采用生物信息學(xué)方法研究發(fā)現(xiàn)，成骨細(xì)胞分化與對(duì)脯氨酸需求的增加有關(guān)［38］。KODRI? 等［39］結(jié)合并分析了代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)的交叉點(diǎn)，確定在OP 預(yù)測(cè)、預(yù)防、診斷和治療中發(fā)揮重要作用的共同途徑或分子。

4 結(jié)語(yǔ)

代謝組學(xué)已越來(lái)越多地用于識(shí)別疾病中的生物標(biāo)志物，具有巨大的臨床翻譯潛力，從疾病預(yù)測(cè)到治療，為全面的OP 研究提供了研究方向。LIN 等［40］采用代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)合的方法發(fā)現(xiàn)，骨舒康膠囊可能調(diào)節(jié)雙蛋白和雙代謝物，參與氨基酸代謝、核苷酸代謝、免疫過(guò)程而發(fā)揮骨保護(hù)作用，為骨舒康膠囊治療OP的分子機(jī)制提供了參考。QIU 等［41］整合了代謝組學(xué)、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多組學(xué)研究，確定了包括74個(gè)差異表達(dá)基因（DEGs）、75個(gè)差異甲基化CpG位點(diǎn)（DMCs）和23 個(gè)差異代謝產(chǎn)物（DMPs），大量的生物標(biāo)志物富集于RANK / RANKL，MAPK / TGF - β，WNT /β- catenin通路中，并確定了5 個(gè)生物標(biāo)志物（FADS2，ADRA2A，F(xiàn)MN1，RABL2A，SPRY1）與BMD 變化存在關(guān)系，為OP的發(fā)病機(jī)制研究提供了創(chuàng)新的框架和見(jiàn)解。

代謝組學(xué)可通過(guò)改變有效生物學(xué)標(biāo)志物的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)疾病的病理學(xué)過(guò)程，從而設(shè)計(jì)藥物或膳食添加劑。代謝組學(xué)的臨床發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)和困難。如需先進(jìn)的儀器和平臺(tái)獲得大量數(shù)據(jù)，以及專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理和分析軟件。目前，多數(shù)代謝組學(xué)研究產(chǎn)生相對(duì)定量的結(jié)果，但需要跨平臺(tái)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。目前，已識(shí)別的生物標(biāo)志物的結(jié)果完全依賴(lài)計(jì)算建模，故需進(jìn)一步的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)確認(rèn)其生物學(xué)意義。使用體外細(xì)胞或體內(nèi)小鼠模型的傳統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)不能完全反映人類(lèi)的功能機(jī)制，但人類(lèi)樣本中的代謝物受到飲食、體育鍛煉、藥物治療、其他健康障礙等因素的影響，故代謝組學(xué)結(jié)果的臨床轉(zhuǎn)化具有局限性。

代謝組學(xué)已成功鑒別OP 潛在的生物學(xué)標(biāo)志物，但代謝組學(xué)應(yīng)用于骨骼研究剛起步。代謝組學(xué)變化可用于OP 患者的早期診斷。代謝組學(xué)通過(guò)改變有效生物標(biāo)志物的數(shù)量調(diào)節(jié)疾病的病理學(xué)過(guò)程，并進(jìn)行新藥研發(fā)，代謝組學(xué)還可用于預(yù)測(cè)藥物的效果和副作用，骨骼再生的生物材料開(kāi)發(fā)也將是代謝組學(xué)新的研究方向。