代谢组学在哮喘中的研究进展

季春梅，魏继福，李　挚，於明明，孙劲旅，孟　玲

(南京医科大学第一附属医院 江苏省人民医院药学部，南京 210029)

哮喘是一种常见的慢性支气管炎性疾病，由多种细胞参与，包括气道炎性细胞和结构细胞(如嗜酸粒细胞、肥大细胞、T淋巴细胞、中性粒细胞、平滑肌细胞、气道上皮细胞等)和细胞组分[1-2]。哮喘典型特征为可逆性气道炎性反应，这也是临床症状和气道高反应性的基础[3]。哮喘严重影响患者生活，并造成社会沉重的经济负担。目前，全世界约有3亿多人遭受哮喘干扰[4]，其发病率和死亡率逐年上升。据全球哮喘防治创议(Global Initiative for Asthma，GINA)官方网站资料显示，到2025年，哮喘患者将增至4亿[5]。哮喘主要症状为包括反复发作性喘息、气急、胸闷或咳嗽等，常在夜间和(或)清晨发作、加剧，多数患者可自行缓解或经治疗后缓解[6]。哮喘长期反复发作可能会引起多种并发症，如慢性阻塞性肺气肿、慢性肺源性心脏病、肺间质纤维化、呼吸骤停、呼吸衰竭、气胸及纵隔气肿等。

哮喘发作是一系列因素综合作用的结果，导致哮喘发病的主要危险因素分为宿主因素(遗传因素)和环境因素两个方面[2，7](图1)。环境因素中各种诱发物质都能使易感人群发生哮喘，包括室内过敏原(屋尘螨、动物过敏原和真菌)，室外过敏原(花粉、霉菌、昆虫)，传染性病原体(细菌、真菌和寄生虫)，药品、食物和食物添加剂等。

目前，哮喘的临床诊断主要依靠患者病史、症状体征和肺功能检查[8]。哮喘实验室检测方法主要有诱导痰液细胞检测、呼出气一氧化氮检测、过敏原皮肤试验、血、尿内物质(如白三烯、嗜酸粒细胞阳离子蛋白等)检测等。然而，上述方法应用效果并不理想。虽然一氧化氮水平跟气道炎性反应相关，但呼出气一氧化氮检测缺乏敏感性以及特异性。目前，尚缺乏一系列长期研究，可将呼出气一氧化氮和其他痰中炎性标志物、呼出气中冷凝物、肺功能和症状结合判断。

由于哮喘表型的复杂性加上遗传异质性及环境因素影响，易导致误诊和漏诊。因此，研究者正不断努力应用代谢组学寻找有效生物标记物，用于哮喘诊断、监控和治疗。本文将综合评论代谢组学这一新技术运用于哮喘诊断、治疗的可行性，并分析代谢组学在哮喘中的研究进展。

图1诱发哮喘的相关因素

Fig1Related factors induced asthma

代谢组学基本概况

代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学后，系统生物学的又一重要组成领域。代谢组学是一门快速发展的新兴科学，最早源于Devaux提出的代谢轮廓分析。在1999年Nicholson等[9]正式提出代谢组学(metabonomics)这一概念。

代谢组学是分析小分子代谢物(相对分子质量<1 000)在生物体细胞、组织及血、尿、唾液等生物组织中浓度比重变化的一门科学[10-12]。小分子代谢物是机体代谢活动的最终产物，因而测得的代谢物浓度变化能在一定程度上反应疾病所致生化效应。代谢组学可监测出患者和正常人群的代谢差异。

随着现代新兴分析技术的快速发展，对新标记物的测量更加可行，这也意味着更有希望将代谢组学运用于呼吸系统疾病的监测。这些新兴的分析技术不仅会增加检测的灵敏度，还融合了统计分析，可以在一次分析中同时检测多个潜在生物标志物。代谢组学检测分析主要依赖于核磁共振技术(nuclear magnetic resonance，NMR)、液相色谱-质谱分析法(liquid chromatograph-mass spectrometer，LC-MS)、气相色谱-质谱分析法(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)、红外光谱和拉曼光谱等。目前，最为常用的技术是质谱分析法(mass spectrometer，MS)和NMR[13-14]。虽然，NMR技术不及MS的灵敏度高，但是在检测过程中样本不被破坏，因此可多次重复检测。MS检测下限比较低，因而具有更高的灵敏度和准确性，但所能提供的代谢物结构信息不如NMR。此外，应用MS技术检测样本前需要对样本进行预处理，需要用色谱分离技术(LC和GC)将样本中不同组分分开。

获取的代谢组学数据可用多元统计分析方法(主成分分析、偏最小二乘法、多维等级法等)进行统计和归类分析，从而提取与代谢特征或代谢时空的整体变化密切相关的小分子[15]。经典代谢组学流程如图2所示。

在过去几年内，研究者们不断努力应用代谢组学寻找有效生物标记物，用于哮喘的诊断，监控和治疗。早期代谢组学的研究如表1所示。

图2代谢组学研究流程图

Fig2Flow chart of Metabonomics

代谢组学在哮喘中的研究进展

随着代谢组学及其技术的不断发展，研究方法日趋成熟，其对哮喘代谢信息的研究更加全面。这对阐明哮喘的发病机制研究，早期诊断及防治，病理生理学方面的研究产生积极影响。

哮喘发病机制研究

哮喘的发病机制十分复杂，迄今为止仍未完全明了。不同类型的哮喘发病机制不尽相同，也可能交互重叠。多数人认为，过敏反应、气道慢性炎性反应、气道反应性增高及植物神经功能障碍等因素相互作用，

共同参与哮喘的发病过程。代谢组学能检测出哮喘患者和正常人群体内小分子代谢物的差异，寻找出与哮喘发病机制相关的代谢标志物，从而解释哮喘的发病机制，并找出合适的治疗方法。Jung等[20]收集了39例哮喘患者和26名正常对照者血清，用基于1H-NMR的代谢组学方法探究哮喘患者代谢异常情况。该研究发现，哮喘患者体内甲硫氨酸、谷氨酰胺和组氨酸浓度高于正常人，而甲酸、甲醇、乙酰胆碱、精氨酸、葡萄糖等浓度低于正常人；由此提出，精氨酸、DNA等甲基化的增强能提高气道炎性反应风险，甲基化程度可能跟哮喘的发展和恶化有关。

哮喘早期诊断

哮喘的正确诊断是治疗前提，对哮喘药物治疗和临床实验研究(如代谢组学在哮喘治疗)等至关重要。但由于目前存在许多与哮喘症状相似的疾病，易造成误诊。鉴于此，在过去的几十年，人们不断努力寻找用于哮喘的诊断、监控和治疗的关键代谢物。

用代谢组学检测哮喘患者呼出气体冷凝物(exhaled breath condensate，EBC)是目前哮喘诊断研究的热点。2007年，Carraro等[16]对25例哮喘儿童和

表1　代谢组学在哮喘中应用

NMR：磁共振技术；LC：质谱分析法；LC-MS：液相色谱-质谱分析法；GC-MS：气相色谱-质谱分析法

11名同龄正常儿童进行对比，首次尝试将基于NMR的代谢组学技术运用于EBC检测；根据NMR检测数据，研究者发现，在3.2～3.4 ppm光谱区域的氧化物及1.7～2.2 ppm光谱区域的乙酰化物含量存在明显变化，可根据这些变化将哮喘儿童与正常儿童区分开，其成功率高达86%，而传统检测呼出一氧化氮和1 s用力呼气容积(forced expiratory volume in one second，FEV1)的成功率仅有81%。

代谢组学仅需要收集患者生物体液，对其伤害小，使其适应性强，利用相应计算机模式识别技术，可分析判断出哮喘的严重程度。2013年Carraro等[17]继续将代谢组学运用到EBC检测的研究中，证明了代谢组学应用于EBC分析可以明确区分不同严重程度哮喘患者生化代谢作用，且能鉴别出患有严重哮喘的患者。

此外，代谢组学研究还集中在识别尿液和血液等样本中的生物标记物，据此同样能够准确诊断哮喘患者。如Mattarucchi等[18]于2011年将基于LC-MS的代谢组学技术运用到哮喘患者尿液样本的检测中，并从中寻找到代表性标记物作为哮喘诊断的依据，参与研究的实验者中包括41例哮喘患者和12名正常人。该实验证明了从尿液样本中得来的代谢信息具有识别哮喘和获知在炎性反应中起重要作用的代谢物的能力。

2013年Ried等[19]尝试将MS代谢组学运用于哮喘，该研究旨在探索哮喘、参与研究者患哮喘风险以及等位基因代谢物之间的关系。该试验收集试验者血清进行研究，发现卵磷脂、磷脂酰胆碱浓度变化可用于识别诊断哮喘。

总之，通过代谢组学技术(NMR、MS)收集检测患者的生物液体(EBC、血液、尿液)能寻找出辅助临床诊断的有效生物标记物。通过观察这些生物标记物的变化能帮助临床有效、无创性的识别诊断哮喘。另外，代谢组学亦能提高患者的适应性。

哮喘病理生理学研究

哮喘是一类由过敏原引发的气道炎性反应，气道炎性反应是哮喘病理生理学各阶段中最主要的病理改变。如过敏原在呼吸道激发上皮破坏，基底膜增厚，平滑肌肥大等组织病理学改变。气道、支气管黏膜均有辅助T细胞2细胞因子大量表达的辅助性T细胞、嗜酸粒细胞和肥大细胞浸润，同时产生组胺、白三烯、前列腺素、血小板活化因子、趋化因子和缓激肽等，最终形成呼吸道慢性炎性反应。

正常机体代谢紊乱性变化往往能在尿液和血液等体液中得到体现，代谢组学研究通过对机体的尿液和血液等体液进行检测和分析，了解和认识哮喘发生过程中伴随的生物化学变化，从而能发现早期生物标记物，用于哮喘的早期诊断。此外，对显著变化的关键代谢物进行分析，可进一步了解哮喘的病理生理机制，对哮喘预防和治疗具有重大指导意义。

2013年Ried 等[19]首次尝试将代谢组学和基因组信息结合用以探究哮喘的病理生理机制，由此更好的了解哮喘发病机制，遗传变异调查和预测，以及哮喘诊断和治疗。

新药研发及药物疗效监测

代谢组学可用于药物药效及毒性的筛选和评价、作用机制研究和合理治疗用药等方面的研究。目前，代谢组学在哮喘药物开发领域的研究较少。一方面由于对哮喘代谢组学研究仍缺乏深入认识，另一方面由于人体代谢物种类繁多及人体代谢的复杂程度，上述因素限制了代谢组学在哮喘的药物研发中的应用。

代谢组学可以监测哮喘患者服药后体内小分子的代谢情况，有助了了解机体内内源性代谢物的变化，能直接反映出机体内生物化学过程和状态的变化。另外，还可通过代谢组学进一步探索药物作用靶点、作用机制，以追求更好的治疗效果。

代谢组学现存问题及展望

目前，代谢组学技术仍存在一些问题。作为一门新兴科学，其发展尚不完善，如分析手段有限、检测仪器的价格昂贵等，真正找到并能用于临床的标志物并不多，在实践上还需更多研究。另外，疾病诊断过程中由于受各种生理因素，如饮食、健康状态、年龄、昼夜节律、压力、遗传变异等的制约，这些都会影响代谢组学检测的准确性。

虽然存在一些技术问题，但代谢组学作为一种新型诊断哮喘的方法是十分可行的。随着研究的深入，利用代谢组学技术筛选和监测正常人群和哮喘患者组织和体液中小分子代谢物变化进行哮喘研究，从而获知哮喘的病理机制，为哮喘的临床诊断及后期治疗提供依据。另外，通过探究与哮喘相关的小分子代谢物异变变化，也可为寻找新的治疗途径提供思路。随着代谢组学研究的不断深入，其将为疾病的诊断提供新方法，尤其在哮喘的诊断和治疗上。

总之，将代谢组学运用于哮喘的诊断治疗、发病机制以及病理生理学方面的研究是可行的，这也将是未来的研究热点之一。

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