代谢组学技术在帕金森病中的研究进展
[摘要] 目前代谢组学技术在疾病治疗中的研究与应用正处于探索阶段，随着现代分析技术的迅猛发展，代谢组学在各类疾病诊断与治疗中已取得突破性的进展。本研究在参考国内外大量相关文献的基础上，从代谢组学技术与帕金森病特点两个方面进行分析，提出将代谢组学技术引入帕金森病的研究中可为该疾病的早期诊断和合理治疗提供更科学有效的方案，有望全面系统地揭示帕金森病的科学内涵。
[关键词]帕金森病；代谢组学；诊断；治疗
[中图分类号] R741 [文献标识码] A [文章编号] 2095-0616（2013）14-31-03
Metabolomics technology in parkinson"s disease research
ZHANG Shisen
Department of Neurology，Ningjin County People"s Hospital，Ningjin 253400，China
[Abstract] Current metabolomics technologies in the treatment of diseases research and application are in the exploratory stage，with the rapid development of modern analytical techniques，metabolomics in the diagnosis and treatment of various diseases has made a breakthrough.In this study，a large number of relevant literature on domestic and international basis，from metabolomics technology and characteristics of two aspects of Parkinson"s disease analysis，the metabolomics technology into the study of Parkinson"s disease for that early diagnosis and reasonable to provide more scientific and effective treatment programs，is expected to reveal a comprehensive and systematic scientific connotation of Parkinson"s disease.
[Key words] Parkinson"s disease；Metabolomics；Diagnosis；Treatment
代谢组学是基因组学和蛋白组学之后新近发展起来的一门学科，是系统生物学的重要组成部分，被认为是“组学”研究的最终方向[1]。代谢组学主要研究的是作为各种代谢路径的底物和产物的小分子代谢物。代谢组学是对基因组学和蛋白组学预示的可能变化的真实结果的测定。因此，代谢组学处于系统生物学中与其他组学相联系的枢纽位置。代谢组学的核心思想是强调外源性物质对生物体所产生的整体性反应，以生物体内某一物质分子整体为研究对象，研究外源物质对机体刺激所产生的代谢物组对机体的系统作用。其主要是利用核磁共振技术和液相色谱质谱连用等检测技术，结合统计分析方法对生物体液和组织进行系统测量和分析，对完整的生物体中随时间变化的代谢物进行动态跟踪检测和分类，然后将这些代谢信息与病理生理过程中的生物学信息相关联，确定发生这些变化的靶器官和作用位点，进而确定相关的生物标志物。本文主要介绍代谢组学的研究方法和帕金森病诊断治疗方面的应用[2]。
1 代谢组学研究方法
代谢组学通过定量分析生物系统中内源性代谢物的变化，来评价生物体受外源性刺激的效果，并探讨其机制。代谢组学的快速发展有赖于先进的分析检测技术，同时结合了模式识别和专家系统等有效地计算分析方法。NMR、色谱、质谱、毛细管电泳、各种光谱技术（IR、UV、MFS）及电化学技术都可以用作代谢组学研究[3]。
2 代谢组学的特点
与转录组学和蛋白质组学等比较，代谢组学的优势主要体现在：（1）所监测的体液主要是尿液与血清，无需静脉穿刺和提取活性组织，损伤较小；（2）代谢组学提供整个机体功能的统一性信息，所获信息量巨大；（3）高通量，单个样品的检测时间为5～10 s，可以检测96孔板上的样品；（4）代谢物能放大基因和蛋白表达的微小变化，检测较容易；（5）代谢物种类远小于基因和蛋白的数目，且代谢组学研究不需建立全基因组测序及大量表达序列标签（EST）的数据库；（6）由于给定的代谢物在每个组织中都是一样的，故研究中采用的技术更为通用，也更易被人们接受[4]。
目前代谢组学研究还存在一下不足：（1）分析手段有限，尚无任何一项分析技术能够同时对所有代谢物进行分析；（2）尚无有效地数据分析手段将得到的全部信息进行分析和解释；（3）生物体代谢物组变化快，稳定性较难控制；（4）检测所需的仪器设备价格昂贵、操作人员的专业性很强，一般实验室难以开展；（5）数据库尚未完全建立，缺乏代谢物数据的标准值；（6）当机体的生理和药理效应超敏时，受试物即使没有相关毒性，也可能引起明显的代谢变化，导致假阳性结果；（7）体液的选择有局限性，如进行神经病理学研究时不能以尿液替代脑脊液、引起混合毒性的化学物不易选择代表性体液[5-7]。
3 代谢组学技术在帕金森病诊断与治疗中的应用
帕金森病（Parkinsons disease，PD）是一种以黑质纹状体通路的退变为主要特征的神经系统变性疾病，是中老年人群常见多发疾病。临床表现为静止性震颤、肌强直、运动迟缓和姿势步态异常，此病起病隐匿，早期无明显临床症状，疾病晚期，则表现出较明显的运动阻碍，目前对疾病的病因仍不清楚，虽已发现了与家族性PD相关的多个致病基因，但大多数PD患者为散发性病例，其发病可能为环境因素与个体基因结构改变共同作用的结果。当临床症状明显时，已错过最佳治疗时机，不能有效逆转疾病进程。因此，寻找具有特征性的帕金森病早期生物学标记物，从而筛选高危人群、早期明确诊断，以利及时合理治疗，以及评价病情进展和治疗效果均具有重要临床意义。而代谢组学能够很好地解决帕金森病早期诊断，为该类疾病的有效治疗赢得宝贵的时间[8]。
3.1 帕金森病的发病机制
3.1.1 DA、乙酰胆碱（Ach）等神经递质失衡学说 DA为纹状体内的抑制性递质、Ach为兴奋性递质，正常时两者处于动态平衡状态。患PD时，黑质的DA神经元变性、脱落及黑质-纹状体系统神经通路的神经纤维变性，导致DA显著减少，而Ach含量却无明显变化，DA的抑制作用降低，Ach的兴奋作用相对增强，两者动态平衡受到破坏，出现PD的症状[9]。
3.1.2 线粒体功能障碍 PD患者普遍存在着线粒体复合Ⅰ活性下降，活性氧（ROS）生成增加。线粒体上的质子泵功能下降，膜电压降低和渗透性通道开放，从而触发凋亡过程。线粒体复合物Ⅰ缺失可导致氧化应激和增加神经元对兴奋性毒性死亡的易感[10]。
3.1.3 氧化应激 脑内黑质致密部处于较高水平的氧化应激状态，原因有：（1）黑质DA的代谢过程中产生大量的自由基；（2）DA自身氧化形成的神经黑色素中含大量的铁离子，这种还原型铁离子可与DA代谢中产生的氧化氢反应生成高度独行的羟自由基，进而导致脂质过氧化，黑质神经元凋亡。氧化应激与线粒体功能障碍互为因果，恶性循环。氧化应激产生的大量自由基可损伤线粒体复合物Ⅰ。另一方面，线粒体复合物Ⅰ的抑制导致更多自由基的生成。这构成了目前PD，发病机制中最为多数学者认同的学说。
3.1.4 谷氨酸的毒性作用 在PD中，谷氨酸的神经毒性作用机制如下：（1）亲离子型谷氨酸受体中的N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）型受体受谷氨酸激活后，导致大量的细胞外Ca2+内流，胞内Ca2+大量增加，激活Ca2+依赖性蛋白酶，导致神经元坏死和/或凋亡。（2）谷氨酸可激发线粒体自由基的生成，因其线粒体功能障碍，这种毒性作用与NMDA受体无关[11]。谷氨酸的神经毒性作用于PD发生之间的关系渐被重现，目前应用NMDA受体拮抗剂和谷氨酸释放抑制剂治疗PD，也是PD研究的热点之一。
3.1.5 免疫炎性机制[12] 已有多项研究认为免疫炎性机制可能参与了PD神经变性的发病过程。临床发现PD患者血液和脑脊液中淋巴细胞数目增多，其脑脊液可引起体外培养的DA能神经元死亡，同时患者体内免疫球蛋白复合物、细胞因子和G-反应蛋白等多项指标发生改变。因此，目前免疫炎症机制已成为PD发病机制研究的又一热点。
3.1.6 细胞凋亡学说 神经递质、自由基、化学毒性、营养缺乏、物理性损伤等都能诱发细胞凋亡。导致PD患者黑质细胞凋亡的可能原因：（1）线粒体功能缺陷与氧化应激；（2）细胞色素C：细胞色素C在细胞凋亡的启动中作为凋亡起始因子，起着重要作用；（3）凋亡诱导因子：它是一种57 kD的双功能黄素蛋白，除具有电子供体/受体功能外，还可独立作用于和染色质，具有促凋亡作用。（4）金属离子：研究显示中脑黑质含色素的神经元具有蓄积金属元素的蓄积已被证实有促黑质细胞凋亡的作用、有锰离子、Ca2+、铁离子、镁离子等。（5）Caspase是一种天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶，已经证实Caspase的激活都发生在细胞凋亡之前，属于凋亡起始因子，被活化的Caspase蛋白酶激活后通过级联反应激活下游的Caspase效应分子，最后水解一系列底物，造成DNA降解，进入细胞凋亡的最终通路。（6）受细胞内多种基因调节物影响，主要是bc-12家族（C-myc，C-fos，C-jun，ICE，p53，Fas等）[13-15]。
3.1.7 转运体失调学说 转运体失调学说能解释DA能神经元选择性缺失的机制。对DA毒性作用机制的研究以及能产生实验性PD的毒性如6-羟基多巴胺、1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（MPTP）代谢产物MPP+的研究已集中在DA能神经元两种表达的转运体上。神经元细胞膜上DA转运体（DAT）可能外源性毒物MPTP等运到细胞质内，并在此合成MPP+，而DA无需DAT就可进入细胞质内，并被氧化产生高活性的苯醌和过氧化基团等有毒物质，提示DA可对神经元产生毒性作用，这一点与MPTP的毒性作用不同。
3.1.8 遗传基因因素 近年来帕金森病遗传基因的研究取得了长足的进展，先后发现了PARK2/ PARK18等17个PD遗传基因。其中PARK1/PARK4、PARK3等7个基因为常染色体显性遗传（AD），PARK2、PARK6等6个基因为常染色体隐性遗传（AR），PARK12呈性连锁遗传（XL）。通过研究PD遗传基因有助于阐明其发病机制，为PD的治疗尤其是基因诊断与治疗提供科学依据。
3.1.9 环境因素 流行病学调查显示，长期接触杀虫剂、除草剂或某些工业化学品等有毒的物质可导致大脑神经元损伤可能是PD发病的危险因素。
综上所述，帕金森病的发生于神经递质、磷脂、固醇等代谢紊乱及线粒体功能异常有关。大脑中的神经递质一般由多巴胺（DA）、肾上腺素（EP）、去甲肾上腺素（NE）、5-羟色胺（5-HT）、组胺、乙酰胆碱（Ach）、γ-氨基丁酸（GABA）及谷氨酸（Glu）等小分子物质组成。这些神经递质在传递信号的同时，也能对彼此的释放或重摄取相互影响[16-17]。因此，任何一条代谢途径的紊乱，都可能会导致中枢神经系统疾病的发生。而代谢组学技术则能将这些小分子物质及其代谢产物同时准确定量，对多条代谢途径同时监控，在中枢神经系统研究中越来越表现出不可替代的优势。
我们发现PD患者外周血淋巴细胞钾通道Kir2水平异常增高；蛋白质组学分析发现脑脊液中SOD-1水平增高，唾液中DJ-1含量异常与PD病程相关。上述研究为寻找用于PD早期诊断和鉴别诊断的新途径奠定了一定的基础。
4 展望
代谢组学是继基因组学、转录组学、蛋白质组学之后，生命科学研究领域出现的又一门新兴组学技术，并日益成为科学研究的热点。代谢组学作为一种独立的技术，将广泛应用于药物靶点的发现，新药的开发，毒理学研究，疾病的预防和诊断及农业的领域。
代谢组学技术在临床疾病诊断方面的突出优势尤为引人关注。通过对人体各种体液代谢组的研究，发现生物标志物，从而明确诊断各类临床疾病，具有快速、高效、非侵袭性、高灵敏度和高特异性的特点。随着代谢产物检测分析技术的不断改进以及所积累的数据和信息的不断完善，代谢组学技术日益成熟，必将成为最有力的诊断方法之一，在疾病诊断领域具有广阔的应用前景。
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（收稿日期：2013-05-04）