個體差異的存在對復(fù)雜的代謝綜合征(如糖尿病、肥胖、心血管疾病)和癌癥治療及預(yù)防帶來了巨大的挑戰(zhàn)。精準(zhǔn)醫(yī)療策略利用高通量的分子監(jiān)測技術(shù)篩選與疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物，為疾病發(fā)生的病理學(xué)機理研究及動態(tài)監(jiān)測提供了新的思路。
在精準(zhǔn)醫(yī)療的分子監(jiān)測技術(shù)中，代謝組學(xué)技術(shù)分析的結(jié)果與疾病發(fā)生的相關(guān)性最高。
本文對代謝組學(xué)技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療中的運用進行闡述，主要包括代謝組學(xué)技術(shù)的優(yōu)點，代謝表型的影響因素和代謝組學(xué)在疾病監(jiān)測中的運用，旨在促進精準(zhǔn)醫(yī)療策略在人體健康管理中的運用。
精準(zhǔn)醫(yī)療是與患者分子生物病理學(xué)特征(如代謝組信息)相匹配的個體化診斷和治療策略，為疾病的預(yù)防和治療效果的改善帶來了新的思路。代謝綜合征是引起人體患糖尿病、心血管疾病、癌癥等慢性病的主要原因。
代謝綜合征的主要癥狀為高血脂、高血壓以及高血糖等。三高是導(dǎo)致動脈梗樣硬化的主要原因。同時也和多項生理功能紊亂密切相關(guān)。代謝綜合征具有隱蔽性、突發(fā)性、危害大等特點，是引起人體健康問題的主要原因之一。
由于代謝綜合征的個體差異大，且多種癥狀往往同時出現(xiàn)，給臨床診斷和監(jiān)測帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
一、精準(zhǔn)醫(yī)療策略
1 精準(zhǔn)醫(yī)療的概念及思路
精準(zhǔn)醫(yī)療策略的提出為人體健康狀態(tài)診斷和監(jiān)測提供了新的思路。它能夠?qū)⑴R床病理學(xué)特征和微觀的分子表型完美結(jié)合，進而提出基于個體特征的精確診斷、預(yù)測和治療的策略。
2015年2月20日，美國總統(tǒng)奧巴馬提出:精準(zhǔn)醫(yī)療是解決糖尿病、癌癥等疾病，促進人類健康的利器。
該項倡議提出了精準(zhǔn)醫(yī)療的2個關(guān)鍵點:一是目前比較關(guān)注的癌癥監(jiān)測和治療;二是可用于長期人類健康、疾病全程監(jiān)測的技術(shù)。這2個關(guān)鍵問題的解決需要基于大數(shù)據(jù)背景下的現(xiàn)代分子監(jiān)測技術(shù)，如基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)以及代謝組學(xué)。
自精準(zhǔn)醫(yī)療提出后，大量研究報道了各種分子監(jiān)測技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療中的運用。如:高通量的基因測序技術(shù)在乳腺癌中的運用，代謝組學(xué)技術(shù)用于疾病的診斷及風(fēng)險因子的分析。
精準(zhǔn)醫(yī)療突破了傳統(tǒng)醫(yī)療的壁壘，而傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)只關(guān)注最終的臨床特征，忽略了疾病發(fā)展的病理學(xué)機理;治療策略缺乏風(fēng)險評估及綜合評價，不注重多種疾病并發(fā)的特性。精準(zhǔn)醫(yī)療為代謝綜合征的監(jiān)測及人類健康促進帶來了新的突破點。
2 精準(zhǔn)醫(yī)療的分子監(jiān)測技術(shù)
現(xiàn)代分子監(jiān)測技術(shù)中，基因組學(xué)及轉(zhuǎn)錄組學(xué)描述的是機體可能發(fā)生改變的生理指標(biāo)，因為基因表達，蛋白調(diào)控的下游仍存在著許多信號通路，其最終結(jié)果取決于信號通路的終端;而代謝物則是存在于信號通路的終端產(chǎn)物，反映的是機體當(dāng)時的生理狀態(tài)。
因此，機體組織的病變可通過體液中的代謝物進行早期的預(yù)判。代謝組學(xué)通過機體體液或組織中代謝物的高通量分析，結(jié)合多元統(tǒng)計學(xué)，篩選差異顯著的代謝標(biāo)志物，進而從整體上深度透析疾病的病理學(xué)機理，為疾病的預(yù)防及治療提供了科學(xué)依據(jù)?？傊?，代謝組學(xué)在機體健康狀態(tài)監(jiān)測中具有獨特的優(yōu)勢。
3 代謝組學(xué)分子監(jiān)測技術(shù)與疾病的特異度
近年來，科學(xué)家們開展了大量實驗，研究代謝組學(xué)技術(shù)在疾病監(jiān)測中的運用，旨在篩選各類疾病的生物標(biāo)志物。按代謝標(biāo)志物對相應(yīng)疾病的預(yù)測能力可將它們分2類(圖1)。
一類是具有高特異度的代謝標(biāo)志物，這類代謝標(biāo)志物在體液中濃度的高低和相應(yīng)疾病的發(fā)生顯著相關(guān)，如:代謝物N，N-二乙酰精胺用于預(yù)測結(jié)腸癌的發(fā)病率，N，N-二甲基鞘氨醇用于神經(jīng)損傷的預(yù)測，苯丙氨酸用于早期苯丙酮尿癥的預(yù)測等。
另一類是低特異度的代謝標(biāo)志物，這類代謝標(biāo)志物與多項生理指標(biāo)相關(guān)，對疾病的預(yù)測能力較差，如脂肪酸類代謝物及乙酰肉毒堿與糖尿病、癌癥、老年癡呆等多種疾病的發(fā)生相關(guān)。這些研究為臨床實踐奠定了理論基礎(chǔ)。
圖1代謝標(biāo)志物及其疾病預(yù)測的特異度
二、代謝組學(xué)技術(shù)特點
機體在環(huán)境因素作用下，復(fù)雜信號通路中基因、酶、蛋白調(diào)節(jié)最終結(jié)果的整體體現(xiàn)為代謝表型。精準(zhǔn)醫(yī)療相比傳統(tǒng)醫(yī)療最大的優(yōu)勢體現(xiàn)在它是根據(jù)個體的差異有針對性地實施治療策略，提高個體疾病治療的成功率和有效率，可減少治療后的副作用。代謝組學(xué)通過高分辨的質(zhì)譜、核磁等分析技術(shù)，檢測體液當(dāng)中的代謝產(chǎn)物，通過模式識別模型篩選和疾病相關(guān)的代謝標(biāo)志物。這些代謝標(biāo)志物的變化體現(xiàn)了機體與飲食、生活方式、腸道菌群、地理位置及遺傳背景等因素相互作用的結(jié)果。
最終體現(xiàn)在代謝表型的差異上。因此，代謝表型的不同反映了由遺傳背景及環(huán)境因素所引起的個體差異。代謝組學(xué)技術(shù)的特點體現(xiàn)為代謝表型的特點。首先人體代謝表型由遺傳背景和環(huán)境雙重因素決定。
Bollard等采用核磁共振技術(shù)分析了人、小鼠、大鼠及兔子尿液中代謝物的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)這四者的代謝表型存在著顯著的差異。說明基于動物模型的藥物療效評價存在著巨大的隱患。通過人體和實驗動物代謝表型的差異進而預(yù)測藥物作用于人體可能存在的風(fēng)險，可以減少藥物對人體的不利影響。其次，代謝表型與人所處的社會環(huán)境密切相關(guān)。
Nicholson等分析了生活圈以家庭為交流溝通單位，獨居，偶爾和周圍人交流，經(jīng)常和人交流4種不同社會環(huán)境下人體血漿及血液代謝標(biāo)記物的分布規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這4類人群的代謝表型存在明顯的差異。這說明疾病的治療效果應(yīng)該充分考慮個體所處的環(huán)境狀況。
再次代謝表型與年齡有關(guān)。
隨著人年齡的增長，尿液中人體-腸道菌群共代謝物4-甲基苯硫酸鹽和苯乙酰谷氨酰胺的濃度增加，肌肉蛋白分解的代謝產(chǎn)物肌酐酸和β-羥基-β-甲基丁酸鹽的濃度下降。這反映了隨著年齡增長腸道菌群的結(jié)構(gòu)和肌肉質(zhì)量發(fā)生了顯著改變。
代謝表型還和性別有關(guān)。
男性和女性相比，女性尿液中人體-腸道菌群541共代謝物馬尿酸鹽及三羧酸循環(huán)的中間代謝產(chǎn)物琥珀酸和檸檬酸的含量比男性高，男性尿液中人體-腸道菌群共代謝物N-氧基三甲胺、3-羥基丁酸鹽及肌酐酸的含量高。這反映了男性和女性腸道菌群結(jié)構(gòu)存在著顯著差別。
此外，代謝表型和人體飲食習(xí)慣有關(guān)。
高動物蛋白攝入的個體尿液中肌酐酸和肉毒堿的含量高，而高蔬菜水果攝入的個體尿液中二甲胺的濃度高。
最后，代謝表型與腸道菌群的結(jié)構(gòu)有關(guān)。
腸道中未被消化吸收的糖、脂肪及蛋白質(zhì)被腸道菌群利用后能夠產(chǎn)生對人體有益或有害的代謝產(chǎn)物。如擬桿菌屬，乳酸菌屬和雙歧桿菌屬可通過埃德曼降解分解腸道中未被吸收的糖類物質(zhì)，產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(如丁酸、丙酸、乙酸和乳酸)95%左右能夠被腸道吸收。
其中丁酸為腸道生理功能的發(fā)揮提供大部分的能量。梭菌屬及擬桿菌屬能夠分解蛋白產(chǎn)生苯酚、吲哚及含硫類化合物，這類物質(zhì)被人體吸收后，在體內(nèi)蓄積到一定量時會引起中毒。這說明合理的腸道菌群結(jié)構(gòu)能夠促進人體的健康。腸道菌群的代謝物被人體吸收后最終會通過尿液排出體外，因此，可通過監(jiān)測尿液中代謝標(biāo)志物的變化規(guī)律來預(yù)測人體腸道菌群的變化。
Zheng等研究了小鼠在不同劑量β-內(nèi)酰胺作用下18d內(nèi)尿液和糞便腸道菌群代謝物的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)二者具有很高的一致性。這印證了“通過尿液代謝表型監(jiān)測腸道菌群”的假設(shè)。
總之，代謝表型能夠充分的表征個體差異，滿足精準(zhǔn)醫(yī)療“個性化”的要求。同時身體健康發(fā)生改變的個體代謝表型也會發(fā)生偏移，如個體在懷孕時代謝表型會發(fā)生明顯偏移，懷孕結(jié)束后代謝表型會回到初始狀態(tài)?；加邪┌Y的個體代謝表型會發(fā)生永久性的改變。
每個個體都有其最穩(wěn)定的代謝表型，只有存在應(yīng)激時，代謝表型才會發(fā)生改變。這也說明代謝組學(xué)能夠從整體上監(jiān)測個體的健康狀態(tài)。
因此，將來精準(zhǔn)醫(yī)療的目標(biāo)是“調(diào)節(jié)個體代謝表型恢復(fù)到其最健康的狀態(tài)”。
三、代謝組學(xué)在疾病監(jiān)測中的運用
隨著代謝組學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展和多元統(tǒng)計學(xué)在生物信息學(xué)中的運用，高通量的代謝物分析及新代謝標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)成為可能。促進了精準(zhǔn)醫(yī)療在疾病監(jiān)測中的運用。目前，文獻中研究較多的有Ⅱ型糖尿病、癌癥和心血管疾病等。代謝標(biāo)志物的篩選使人們對疾病發(fā)生的機理有了全新的認(rèn)識。
1 代謝組學(xué)技術(shù)用于II型糖尿病的監(jiān)測
國際糖尿病聯(lián)盟2013年統(tǒng)計報告指出全世界約有38.2億人患有糖尿病，未診斷出糖尿病的人群中有46%的人也有可能患該病，預(yù)計2035年將會有59.2億人會患有糖尿病。
目前，之所以仍無明確的指標(biāo)可以判斷一個人是否患有糖尿病，是因為人們對糖尿病的病理生理學(xué)特征認(rèn)識還不夠充分。全世界糖尿病患者人數(shù)最多的國家是中國，為9.84億。
因此，目前急需新的診斷、預(yù)測和治療策略應(yīng)用于Ⅱ型糖尿病。控制Ⅱ型糖尿病發(fā)生的基因為處于內(nèi)含子區(qū)域的隱性基因，而現(xiàn)代的基因測序只能檢測等位基因頻率大于1%的基因，控制Ⅱ型糖尿病基因的等位基因頻率大部分小于0.01。
但該隱性基因的細微表達最終能夠在代謝物水平上得以放大，所以從代謝組學(xué)的角度探究Ⅱ型糖尿病的發(fā)病機理及篩選代謝標(biāo)志物，可為Ⅱ型糖尿病的診斷、預(yù)測及治療找到新的突破點。
?、蛐吞悄虿〉某跗诎Y狀主要表現(xiàn)在高血壓、血脂異常、胰島素增多和葡萄糖不耐癥。通過血液、尿液等體液中生理指標(biāo)的檢測對患糖尿病風(fēng)險的預(yù)測早期已有大量的研究，最主要是研究空腹血糖指數(shù)、口服葡萄糖耐量體質(zhì)指數(shù)、腰圍等與糖尿病患病風(fēng)險率之間的關(guān)系。
但是這種研究未考慮個體差異的影響，且潛在的發(fā)病機理尚不明確。與以往的研究不同，精準(zhǔn)醫(yī)療旨在根據(jù)個體特征尋找Ⅱ型糖尿病的生物標(biāo)志物。通過生物標(biāo)志物的通路分析，研究Ⅱ型糖尿病可能發(fā)生的病理學(xué)機理。
目前，文獻報道與Ⅱ型糖尿病形成相關(guān)的代謝標(biāo)記物有脂肪酸類、糖類、三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物、氨基酸類、膽堿降解中間產(chǎn)物和膽酸類。
這些代謝標(biāo)志物的改變反映了脂代謝、糖代謝、膽堿降解等代謝通路的紊亂與Ⅱ型糖尿病的形成相關(guān)。而Ⅱ型糖尿病形成初期多表現(xiàn)為多種并發(fā)癥。如高血脂、高游離脂肪酸、氧化應(yīng)激加強、高血壓和糖耐量受損等。這也進一步說明脂代謝、糖代謝等代謝通路紊亂是多種并發(fā)癥同時產(chǎn)生及Ⅱ型糖尿病初期形成的誘因。
此外，Ⅱ型糖尿病也會對骨骼肌、肝臟、心臟和脂肪組織造成明顯的影響。脂肪酸類代謝標(biāo)志物，如游離脂肪酸、乙酸、肉毒堿、乙酰肉毒堿、α-羥基丁酸、溶血磷脂酰膽堿等在Ⅱ型糖尿病患者體液中的含量會顯著上升。細胞中游離脂肪酸通過脂肪酸的β-氧化為骨骼肌和肝臟等組織提供能量。
過量的糖或脂肪攝入及運動量下降都會引起血液中游離脂肪酸含量的上升，為了能夠降低血脂水平，胰島細胞會分泌大量胰島素加強糖代謝及脂質(zhì)β-氧化，進而引起體液當(dāng)中三羧酸循環(huán)及脂質(zhì)β-氧化中間代謝產(chǎn)物濃度的上升。脂質(zhì)β-氧化的加強會造成細胞中活性氧自由基及酮體水平的提高。最終引起了細胞的氧化損傷，對骨骼肌和心臟等組織造成嚴(yán)重的損傷，引起Ⅱ型糖尿病初期癥狀的形成。
從以上綜述可知，代謝組學(xué)技術(shù)既可以通過代謝標(biāo)志物對疾病的形成做預(yù)測，也能夠通過代謝通路揭示疾病形成的機理，可從全局上控制疾病的發(fā)生。
2 代謝組學(xué)技術(shù)在癌癥監(jiān)測中的運用
代謝組學(xué)技術(shù)在癌癥中的運用主要集中于代謝標(biāo)志物的尋找和癌細胞代謝通路最佳干預(yù)靶點的分析。目前，臨床實踐中最為成功的是代謝標(biāo)志物用于卵巢癌的預(yù)測分析。卵巢癌患者血清中神經(jīng)酰胺和溶血磷脂的含量會發(fā)生改變，酮體含量會上升，丙氨酸、纈氨酸和低密度脂蛋白的含量會下降。
此外，肺癌患者尿液中馬尿酸鹽和葫蘆巴堿的含量會下降，D-3-羥基異戊二酸，α-羥基異丁酸和N-乙酰谷氨酰胺的含量會上升。
子宮內(nèi)膜癌血清中硬脂酸和乙酰肉毒堿的含量下降。三陰性乳腺癌細胞中氨基酸類(如丙氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺和谷胱甘肽)，短鏈脂肪酸(異丁酸，β-羥基丁酸)，核苷酸(ADP，ATP，UDP-葡萄糖，UDP-葡糖醛酸)的含量較高。
這些研究促進了人們對癌癥發(fā)生機理的認(rèn)識及癌癥初發(fā)征兆的預(yù)測。
Almut等研究了癌細胞的代謝通路，發(fā)現(xiàn)癌細胞三羧酸循環(huán)代謝通路中存在著異檸檬酸脫氫酶的2個突變體(IDH1和IDH2)。
這2個突變體能夠促進癌細胞的能量代謝水平，提高了癌細胞的存活率。晚期癌癥的轉(zhuǎn)移更使得腫瘤的定點切除及抗癌藥物的靶向作用效果下降。因此，尋找癌癥的代謝標(biāo)志物，對癌癥治療效果進行綜合評價，對癌癥的治療有著重大的意義。
Wu等運用代謝組學(xué)技術(shù)找到了人前列腺癌的代謝標(biāo)志物(血漿中葡萄糖、脯氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸、乙酰半胱氨酸的濃度高，脂質(zhì)的濃度低)，進而用代謝標(biāo)志物預(yù)測人是否患前列腺癌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)代謝標(biāo)志物對前列腺癌的預(yù)測準(zhǔn)確率可達到93%～97%。
這些基礎(chǔ)研究不僅可以促進人類對癌癥發(fā)生機理的認(rèn)識，為臨床癌癥治療提供新的理論依據(jù)，還能改變傳統(tǒng)放療及化療等手段對人體無差別損害的缺陷。
3 代謝組學(xué)在心血管病發(fā)病機理分析中的運用
心血管疾病，如冠狀動脈硬化，是危害人體健康的主要代謝病之一。而高脂飲食是心血管疾病的誘因之一，但目前三大主要脂類引起人心血管疾病發(fā)生的作用機理還未知。另外一個有爭議的誘因是心血管疾病可能是由感染源(如:Helico-bactorpylori，Chlamydiapneumoniae)所引起的。但人體抗生素治療效果及動物實驗結(jié)果均表明心血管疾病與感染源不相關(guān)。近年來，代謝組學(xué)研究結(jié)果表明心血管疾病的發(fā)生與人體腸道菌群結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)。
Zeneng等通過大量的臨床樣本(n=1876)研究發(fā)現(xiàn)了腸道菌群引起人心血管疾病的病理學(xué)機理。高脂飲食中的磷脂酰膽堿在腸道中被降解為膽堿，未被吸收的膽堿又被腸道菌群進一步降解，產(chǎn)生三甲胺，三甲胺被人體吸收后，在肝臟黃素單氧化酶(FMOs)的作用下產(chǎn)生N-氧基三甲胺。N-氧基三甲胺最后引起了心肌梗塞。
減少飲食中膽堿的攝入和對心肌梗塞小鼠腸道菌群進行調(diào)控均能顯著抑制心肌梗塞的發(fā)生。通過代謝通路分析表明可用于心血管病預(yù)測的代謝標(biāo)志物有磷脂酰膽堿、N-氧基三甲胺和甜菜堿。這為心血管疾病的治療提供了新的途徑。
四、展望
精準(zhǔn)醫(yī)療的策略是利用高通量的分子監(jiān)測技術(shù)分析機體體液中的代謝物，為病理學(xué)機理研究和患病風(fēng)險預(yù)測帶來了新的思路。
它能夠找到與疾病(如糖尿病、癌癥等)發(fā)生相關(guān)的標(biāo)志物，從而預(yù)測疾病的起點;還可以對臨床手術(shù)的風(fēng)險因素進行評估，從而選擇最佳的治療方案;同時能夠測試臨床治療之后疾病的控制狀況;還可監(jiān)測藥物在人體內(nèi)的變化情況，減少藥物治療的副作用;同時精準(zhǔn)醫(yī)療的思想可研究特殊環(huán)境(如航天特因環(huán)境)對人體所造成的影響，從而為健康保障提供依據(jù)。
人體由健康狀態(tài)向疾病狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從微觀上講是各器官代謝功能改變的整體結(jié)果。期間代謝物的種類及濃度不斷的發(fā)生改變。而每個個體受遺傳背景及環(huán)境因素的影響，其疾病發(fā)展的趨勢也各不相同，即同樣的疾病在不同的個體表現(xiàn)為不同的代謝物類型和代謝物濃度變化趨勢。
而精準(zhǔn)醫(yī)療的策略就是根據(jù)個體的表型制定個性化的方案，從而提高治療的效果。代謝組學(xué)技術(shù)作為分子監(jiān)測技術(shù)之一，能夠有效的監(jiān)測人體從健康狀態(tài)向病態(tài)轉(zhuǎn)變的全過程，同時代謝表型也能夠充分體現(xiàn)個體的差異特征。
因此，代謝組學(xué)技術(shù)是精準(zhǔn)醫(yī)療策略實施的“利器”。將基因組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等多項組學(xué)技術(shù)相結(jié)合，建立個體的多組學(xué)信息庫，可對人體的各項生理狀態(tài)有全局的認(rèn)識。
通過基因測序找到疾病的控制基因，通過蛋白測序研究基因如何調(diào)節(jié)下游的信號通路，最后通過代謝通路分析研究基因表達蛋白調(diào)控的最終結(jié)果。
對三種組學(xué)技術(shù)的分析結(jié)果進行關(guān)聯(lián)分析，可對疾病的發(fā)生有更全面的認(rèn)識，對疾病(特別是目前對人類危害巨大的Ⅱ型糖尿病和慢性病)的診斷、監(jiān)測和治療尋找新的切入點。
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