代谢组学在中西医结合眼科研究中的应用与展望

代谢组学是近10年发展起来的组学技术,是系统研究代谢产物的变化规律并揭示机体生命活动本质的科学,是系统生物学研究的重要学科之一。代谢组学研究具有整体性、动态性、综合性的特点,能够从代谢层面反映机体功能水平,与传统中医学的整体观、系统观十分相似。近年来中医眼科广泛运用现代研究技术和方法,结合传统眼科理论,探索眼科新的诊疗模式,从而使中西医眼科获得了极大的发展,但中医眼科疾病仍缺乏客观的诊断指标。为了更好地促进中西医结合眼病的诊疗水平,本文追踪近年来代谢组学的国内外研究进展,对代谢组学概述的基础上,就代谢组学在中西医结合眼科研究中的应用与展望做一综述。

一、代谢组学概述

1.代谢组学的概念及特点:代谢组学最早由英帝国理工大学的JeremyNicholson教授[1]于1999年提出,第二年德国Fiehn等[2]提出了metabolomics诋的概念。代谢组学研究可分为代谢物靶标分析、代谢轮廓(谱)分析、代谢组学、代谢指纹分析[3]。代谢组学的科学定义是通过目标组群分析,进行高通量检测和数据处理,研究生物体整体的动态代谢变化,特别是对内源代谢、遗传变异、环境变化乃至各种物质进入代谢系统的特征和影响的学科[4]。

代谢组学融合了生物学、分析化学和统计学等多学科知识,利用现代先进的手段检测机体在特定条件下代谢谱图的变化,并采用统计学方法研究机体的生物功能,可以更直观的揭示机体的变化。代谢组学的优点主要为[5]:(1)研究的对象范围缩小、检测容易、结果直观;(2)代谢组学研究的技术条件少,便于广泛的研究;(3)研究难度较小;(4)对机体损伤小,样品易于收集,所得到的信息量大。同时机体代谢产物变化快,受多种因素的干扰,当机体的生理出现改变时,可引起明显的代谢变化,导致假阳性结果。

2.代谢组学研究技术:代谢组学常用的研究技术有气相色谱质谱联用技术、液相色谱质谱联用技术、超高效液相色谱质谱联用技术及核磁共振技术。气相色谱质谱联用(gast·hr。matography-mass叩ectrum,GC_MS)技术,适用于易挥发性的物质,无法分析热不稳定性的物质和分子量较大的代谢产物[67],分析时需对样品进行衍生化处理,以增加样品的稳定性和挥发性,利于GC-MS的分离。液相色谱质谱联用(liquidcllrom乱ographyˉmasshpec-tmm,LC-Ms)技术优于GC-Ms技术,不需要衍生化预处理,经济实用,可分析热不稳定、不易挥发、不易衍生化及分子量较大的物质。质谱技术的多通道监测功能和液相色谱的高效分离功能,使LC-MS技术对检测样品浓度和纯度要求降低,甚至对微量物质,也能给出很好的响应[:9]。近年来发展的超高效液相色谱质谱联用技术,由于其极大地提高了检测速率、敏感性及分离效能,在代谢组学研究中已显出卓越的优势[10]。核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)技术可以定量分析低分子量的代谢产物,并可解析结构,分析速度快、选择性好,对分析的样品无破坏。但其灵敏度比MS差,不适合于痕量化合物的分析[11]。

代谢组学研究中用到的其他分析技术还有毛细管电泳质谱联用仪(capillalvclectrophoresisandmass叩ectrome岬CE-MS)[12]、电化学阵列检测(dectr。che血c耐洲ayEC-盯ray)和质谱(MS)联用技术[lR]、傅立叶变换红外光谱(允u屺rtran曲mhˉfraredspectroscopyFT-IR)[14]等。

3.统计分析方法:代谢组学研究中应用到的统计分析方法主要有非监督方法和有监督方法两大类。非监督方法(ttnmpervisedmethod)用来探索完全未知样品数据特征的方法,通过对原始数据信息依据样本特性进行归类,把具有相似特征的数据归为一类,并采用可视化技术直观形象地表达出来。非监督分析方法常见的有聚类分析和主成分分析等[15]。主成分分析是目前代谢组学研究中应用最广泛的多维分析方法,其将分散在一组变量中的信息集中到某几个主成分上,利用这些主成分来解释数据集内部结构性质。有监督方法(supervisedmethod)在已有知识的基础上,利用己知信息对未知数据进行归类、识别和预测。有监督分析方法主要有类模拟软独立建模、偏最小二乘法、偏最小二乘法一显著性分析、人工神经网络、典型判别分析等[16]。在代谢组学的统计分析中应用最广泛的软件为SIMCA_P和METLAB。

4.代谢组学研究的步骤:代谢组学研究的步骤主要分为样品的采集、前处理、分离鉴定、数据分析、潜在的生物标志物及其鉴定。

二、代谢组学在中西医结合眼科研究中的应用

目前,代谢组学在中西医结合眼科研究中的应用研究刚刚起步,主要体现在辨证分型研究、中西医结合眼病诊断研究和发病机理研究等方面。

1.辨证分型研究:糖尿病是以糖代谢紊乱为主的常见全身疾病。糖尿病引起的眼部并发症很多,包括糖尿病视网膜病变(DR)、白内障、晶状体屈光度变化、虹膜睫状体炎、虹膜红变和新生血管性青光眼等[17]。罗向霞[18]采集89例2型DR患者血浆,并以30例正常健康者作对照,采用GC-Ms检测血浆全代谢组学,建立了DR分期、分证及正常人的血浆代谢组指纹图谱,运用统计方法处理各图谱的信息,进行分期、分证组间的代谢组学差异及可能潜在生物标志物分析,说明阳虚为DR病情发展的关键病机。年龄相关黄斑变性相当于中医的“视瞻昏渺”,又称老年黄斑变性,我国老年性黄斑变性患者日益增多,成为眼科防盲研究的重点课题之一。陈丽等[19]将52例年龄相关性黄斑变性患者(AMD)分为痰浊蕴结型、痰凝瘀滞型、肝肾不足型,采用酶联免疫法检测AMD患者与健康组血浆Hc,T水平,血浆Hcy水平增高可能是痰凝瘀滞型组、肝肾不足型组的危险因素之一,为中医辨证施治提供了量化参考。

2.中西医结合眼病诊断研究:Yang等[20]利用毛细管气相色谱结合数据模式识别的方法,对2型糖尿病患者以及健康人血清中的脂肪酸进行检测,Wang等[21]利用HPLC-MS结合多元统计分析方法对2型糖尿病患者和健康人群的血浆标本中的磷脂进行分析,Makilnen等[22]采用HNMR技术与统计模型相结合的方法对1型糖尿病患者血清中低分子质量代谢物和脂蛋白进行分析,三者研究结果说明脂肪酸是糖尿病患者脂类代谢异常的重要标志,为糖尿病眼病的代谢组学研究和诊断提供了新的检测技术。

3.发病机理研究:Fris等[23]采用高分辨率魔角旋转质子核磁共振(HR-MAS1H NMR)光谱技术检测亚硒酸钠性白内障大鼠模型晶状体中的生化变化,随着牛磺酸异常,所有的氨基酸的浓度表现出显着性增加,还原型谷胱甘肽、琥珀酸和磷酸胆碱浓度显著降低。表明晶状体的浑浊程度与氨基酸谷胱甘肽、琥珀酸和磷酸胆碱浓度有关。Fris等[24]采用高分辨率核磁共振光谱检测兔眼的房水,评估房水的总剂量相同的单一和重复的兔眼紫外线辐射的影响,结果显示中波紫外线照射的兔房水中的代谢产物与照射的次数和频率存在明显的累积效应,导致蛋白质含量的增加。

三、代谢组学在中西医结合眼科的应用展望

代谢组学研究的不断发展已使其成功应用于疾病发病机制的研究、疾病的诊断、中医辨证客观诊断以及治疗、药物的毒理学分析等,越来越显示出其在医学科学领域的重要地位。下面以葡萄膜炎为例,就代谢组学在中西医结合眼科疾病研究中的应用进行展望。

1.疾病诊断:由于机体的生理及病理变化,导致疾病的发生发展,机体的代谢产物亦会产生相应的变化。应用代谢组学对由疾病引起的代谢产物进行分析统计,找到差异标志物,不仅能够更好的理解病变过程及机体内物质的代谢,也有助于疾病的及早发现和辅助临床诊断。应用代谢组学研究葡萄膜炎患者和健康人机体的代谢产物,有助于发现葡萄膜炎发病时异常的代谢产物,即此生物标志物可以作为葡萄膜炎的特异性代谢产物,通过生物标志物的检测,可有助于葡萄膜炎的临床诊断。

2.辨证分型的客观诊断:代谢组学研究思想与辨证论治的“治病求本”的特点相似,能够帮助人们更好的理解病变的代谢本质。通过代谢组学研究,可以探讨证的物质基础,发现证的疾病代谢标记物,而达到辅助临床诊断并避免了人为因素的误诊。利用代谢组学研究思路与技术对健康人、葡萄膜炎患者血清、尿代谢组进行全谱分析,建立本病的代谢组学诊断判别模型,筛选、确定葡萄膜炎各证型相关的生物标志物,探讨葡萄膜炎中医“证”的物质基础,从而阐明葡萄膜炎的中医证候本质,建立葡萄膜炎的中医辨证分型的客观化科学表达体系。

3.中药治疗作用研究:代谢组学的方法对于研究中药的药效作用及作用物质基础具有非常明显的优势,由于其系统性、整体性的特点,代谢组学能够将中药及其方剂治疗疾病过程中生物体系内所发生的各种内源性代谢物的改变和代谢通路及途径的改变全面揭示出来。利用代谢组学研究治疗葡萄膜炎的中药及方剂,可以阐明中药及方剂治疗葡萄膜炎的作用机制及物质基础。

4.临床安全评价:代谢组学可构建评价药物毒性的技术平台,研究药物毒性作用机制,定位药物毒性靶器官,确定药物毒性剂量范围,寻找药物毒性生物标志物等,展现巨大的应用价值和广阔的发展前景。治疗葡萄膜炎的中药方剂龙胆泻肝汤中含有毒性药材木通,利用代谢组学技术研究龙胆泻肝汤,可以明确其毒性成分的生物标志物及药物毒性的作用机制,从而为准确评价药物毒性提供理论依据。代谢组学作为研究机体代谢产物变化的一种新方法,能帮助人们更好、更深人地了解生物系统对环境和基因变化的响应,为揭示复杂性疾病的机理和药物的代谢模式具有独特的优势。代谢组学通过分析血液、体液组成变化,运用计量学方法对疾病组和健康对照组进行比对分析,获取疾病诱导产生的特殊代谢产物——生物标志物,这有助于了解疾病发生、发展的机制,辅助临床诊断和治疗。与传统的疾病诊断手段相比体现了诸多优势,如标本用量少、无创伤性、快速、特异性强、敏感度高,可望找到疾病诊断特异的生物学指标。随着研究方法的不断改进、分析技术的进一步提高,代谢组学朝着整合化、自动化和高通量的方向发展,在疾病诊断方面将会有更大的突破和发展,对眼科疾病的研究,必将开启科学性和定量化研究的新水平。

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