酒精性肝病的代谢组学研究进展

厉颖 李灿委 范孟然 刘卫红 高鹏飞，4

大理大学1药学院，2公共卫生学院，3农学与生物科学学院（云南大理671000）；4云南省昆虫生物医药研发重点实验室（云南大理671000）

酒精性肝病（alcohol liver disease，ALD）是长期过度饮酒导致的肝损伤［1］。ALD 的早期表现为脂肪肝，可发展为肝脏炎症、肝纤维化、肝硬化甚至肝细胞癌；据统计，90%饮酒过量的人可发展为肝脂肪变性，其中35%可发展为肝脏炎症［2］；多种因素可影响ALD 的发生和发展，如性别和种族差异、代谢紊乱和免疫功能等［3］。ALD 早期一般无明显症状，确诊时通常已是晚期，传统的生化指标检测方法灵敏度较低，而组织病理学检测具有侵入性。因此，深入探究ALD 的发病机制，寻找灵敏度高、特异性强的非侵入性检测方法用于ALD 的防治尤为必要。

许多研究［4-6］显示，ALD 患者及动物模型的脂质、氨基酸等代谢物发生变化，利用代谢组学方法可监测生物体内代谢物的改变。代谢组学是对某一生物或细胞中相对分子量小于1 000 的小分子代谢产物进行定性和定量分析的一门学科［7］。代谢产物是基因表达的终产物，其变化被视作生物系统对遗传变异或环境扰动的最终响应，利用该技术可深入了解疾病生物化学途径中的整体变化，为疾病的发病机制研究提供参考［8］。本文通过查阅中国知网、Pubmed 等数据库，总结近年来代谢组学在ALD 中的研究进展，为相关研究提供参考。

1 代谢组学概述

代谢组学通过揭示内在和外在因素影响下代谢整体的变化轨迹，反映某种病理生理过程中发生的一系列生物事件。多种分析技术在代谢组学中广泛应用，如核磁共振谱（NMR）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）等；检测样本一般为细胞、生物体液、组织等。代谢组学已广泛应用于检测生物体内源性代谢产物的变化，为疾病的诊断与治疗提供参考［9］。

2 代谢组学在ALD 中的应用

2.1 代谢组学在ALD 早期诊断中的应用目前，ALD 的诊断主要基于生化检测、询问病史等，诊断准确率有待提高；活检准确性较高，但具有侵袭性［10］。代谢组学技术可根据特征性的生物标志物，为ALD 的诊断提供参考。

肝内游离脂肪酸积累是ALD 肝脏早期的重要变化之一［11］。过氧化物酶体增殖活化受体-α（peroxisome proliferators-activated receptors α，PPARα）在脂肪细胞分化及脂质代谢过程中发挥重要作用，经酒精处理的PPARα敲除小鼠可导致与人类早期ALD 类似的肝脏病理变化［12］。LI 等［13］采用UPLC-QTOF-MS 技术研究发现，在PPARα缺失的ALD 小鼠模型中，肝脏甘油三酯水平显著增加，提示脂肪变性可加速肝脏炎症和纤维化进展。MANNA 等［14］利 用UPLC-ESI-QTOF-MS 技术进行ALD 小鼠模型的尿液代谢组学研究，结果显示PPARα缺失的ALD 小鼠中，尿液吲哚-3-乳酸水平升高；基于不同遗传背景进一步研究发现，PPARα缺失的ALD 小鼠尿液吲哚-3-乳酸和苯乳酸水平升高［15］，提示吲哚-3-乳酸和苯乳酸可能是ALD 早期诊断特异性高的潜在生物标志物。

2.2 代谢组学在阐明ALD 发病机制中的应用

2.2.1 脂质代谢长期饮酒患者的肝脏，由于脂质代谢的改变可发展为脂肪变性、肝纤维化乃至肝硬化［16］。有研究采用UPLC-QTOF-MS 和GC-MS技术分别探究ALD 大鼠和小鼠的肝脏脂质谱，发现酒精摄入可使肝脏中与脂质代谢过程相关的脂肪酸和磷脂水平发生紊乱，硬脂酸、软脂酸、油酸、肉豆蔻酸、磷脂酰胆碱、溶酶体水平升高，提示酒精摄入抑制了脂肪酸氧化和卵磷脂胆固醇酰基转移酶的活性，促进了脂肪酸的生物合成。以上研究表明，脂肪酸和磷脂的生物合成和代谢与ALD的发病机制密切相关［17-18］。

2.2.2 氨基酸代谢多项研究通过分析ALD 患者及动物模型肝脏、血浆、血清中氨基酸的代谢变化，发现多种氨基酸水平发生改变，包括谷氨酸、苏氨酸、同型半胱氨酸等［4-5，19-20］。ALD 从炎症向纤维化进展的一个重要特征是含硫氨基酸的代谢紊乱，酒精摄入导致内质网中的同型半胱氨酸积累和半胱氨酸缺乏，同型半胱氨酸作为应激原可导致肝细胞凋亡［21-22］。有学者分别采用NMR 和CE-MS技术，研究酒精偏好大鼠与ALD患者肝脏和血清中的代谢物变化，发现二者谷氨酸水平均升高，谷氨酸含量增加可激活肝星状细胞中代谢性谷氨酸受体-5，促进酒精性肝脂肪变性，以上研究提示谷氨酸可能是ALD 的潜在生物标志物［4，19］。

2.2.3 能量代谢肝脏是人体最大的能量代谢器官，肝脏损伤会在不同程度上扰乱能量代谢，柠檬酸、乳酸和丙氨酸等是与能量代谢密切相关的产物［23］。NICHOLAS 等［24］基于NMR 技术研究发现，与对照组相比，乙醇处理可降低大鼠肝脏和血清中的乳酸和丙氨酸水平，乳酸是糖酵解的代谢产物，也是三羧酸循环（TCA）的底物。在肝脏细胞中，乳酸经丙酮酸的氨基转换作用生成丙氨酸，其水平降低表明糖酵解过程紊乱。柠檬酸是TCA 循环的重要中间产物，FANG 等［6］采用UPLC-Q/TOFG2Si-HDMS 技术研究发现，ALD 大鼠尿液中柠檬酸水平降低，提示ALD 大鼠体内糖的有氧糖酵解部分被抑制。以上研究表明，ALD 代谢物质差异的产生机制与无氧糖酵解和有氧代谢失衡有关，其中乳酸与柠檬酸变化与ALD 的发病机制关系密切。

2.2.4 肠道微生物代谢肠道微生物的代谢产物包括短链脂肪酸（SCFAs）、胆汁酸、色氨酸等，肠道微生物代谢紊乱可加剧ALD［25］。SCFAs 包括乙酸、丙酸、异丁酸等，可促进人体内有益细菌的生长［26］。COUCH 等［27］基于GC-MS 技术研究发现，酗酒者粪便中丙酸和异丁酸丰度降低，丙酸和异丁酸是维持结肠上皮细胞屏障完整性的必要物质，提示酗酒者肠屏障的完整性被破坏。HE 等［28］采用不同代谢组学技术亦发现酒精摄入可降低ALD小鼠粪便中SCFAs 水平。以上研究表明，ALD 的发病机制与肠道微生物介导SCFAs 的变化密切相关，且丙酸和异丁酸可能是ALD 的潜在生物标志物。

胆汁酸是消化道内重要的消化液，酒精摄入可增加肝脏胆汁酸的生成，加速肠腔内初级胆汁酸向次级胆汁酸的转化［29］。有研究分别采用GCMS 和UPLC-MS 技术探究酒精性肝硬化患者粪便和血清中的胆汁酸水平，发现粪便和血清胆汁酸水平均升高，导致产生炎症反应，加速ALD的发展，提示ALD 的病因与胆汁酸的代谢异常相关［30-31］。

2.3 代谢组学在中草药治疗ALD 中的应用目前，ALD 的治疗主要依赖于合成药物，如硫普罗宁、双环醇和联苯双酯等，但疗效不甚理想［32］。近年来，许多研究将ALD 的药物研究聚焦于中草药，详见表1。

一些学者采用不同的代谢组学技术，探究中草药对ALD 的治疗作用。结果显示，姜黄素可通过抑制乙醛酸、丙酮酸代谢和脂肪酸的生物合成，预防酒精性脂肪肝的发展［33］；桑黄可调节脂肪酸、初级胆汁酸的生物合成和甘油磷脂代谢，发挥对ALD 小鼠的保肝作用［34］；猫儿屎籽油可调节ALD小鼠肠道的氨基酸和脂质代谢异常，改善肠道微生物代谢紊乱［35］。此外，栀子苷、三七总皂苷和栀子大黄汤可缓解ALD 的氧化应激状态，调节氨基酸代谢、能量代谢和肠道微生物代谢紊乱，改善ALD 的代谢异常［36-38］。

综上研究，中草药可通过介导脂质代谢、氨基酸代谢、肠道微生物代谢和能量代谢，发挥对ALD的干预作用。

表1 代谢组学在中药调控ALD 中的应用Tab.1 Application of metabolomics in the regulation of ALD by traditional chinese medicine

3 结论与展望

利用代谢组学技术可识别ALD 的早期生物标志物，探索其发病机制，对ALD 的诊断及治疗具有一定的参考意义。ALD 的代谢组学研究仍面临很多挑战。目前基于代谢组学的ALD 研究样本主要包括血液、尿液和组织样本，血液和组织样本的采集具有侵入性，非侵入性样本尿液代谢物浓度波动范围大，成分复杂，给后续的数据分析带来极大地挑战；其次，生物标记物验证容易受到环境暴露和遗传因素差异造成个体间代谢物变化的影响；而且，生物标记物的机制研究不足，临床应用有限。

在样本选择方面，可考虑分析唾液、汗液、粪便等非侵入性样本中的代谢物变化寻找生物标记物；其次，代谢组学可与蛋白质组学和转录组学等技术结合，深入探索酒精与ALD 病理过程之间的联系，减少环境、遗传等因素的干扰；近来，代谢物变化与肠道菌群、免疫间相互作用的研究已成为代谢组学的一个新方向，后续研究可将代谢组学与其它学科结合，深入探索ALD 的发病机制。