代谢组学在肝功能衰竭中的应用及研究进展

李莎莎，余祖江，阚全程

本文文献检索策略：

计算机检索万方数据库、中国知网及PubMed等数据库，以“肝功能衰竭”“代谢组学”及“liver failure”“metabolomics”为检索词，参考国内相关文献写作层次，收集关于肝功能衰竭代谢组学方面的研究并记录；根据诊断、病变程度及病因3个方面进行分类，分析、总结其代谢组学研究方法及特点。

我国病毒性肝炎发病率高，且每年因肝病死亡的人数达50万以上。病毒性肝炎发展至肝功能衰竭后病死率极高，但肝功能衰竭的发病机制、诊断、治疗及预防仍是目前研究的难题。肝脏是人体内最重要的解毒器官，也是物质能量的代谢中心，对各种药物、毒物和体内的大多数代谢产物具有转化作用。肝脏病变进展会导致体内物质代谢转化系统发生相应转变，并对其内源性小分子化合物产生相应影响[1]。代谢组学从小分子物质的角度研究肝功能衰竭的相关过程，通过对代谢物及其转化途径的分析可以更好地了解肝功能衰竭相关病理过程，在肝病研究中具有重要意义。此外，对肝功能衰竭的代谢组学研究有助于发现具有诊断价值的特异性标志物[2]，如乳酸、丙戊酸等，本文对以上内容进行了综述。

1 代谢组学的概念、研究层次、分类及整合

代谢组学是继基因组学、蛋白质组学、转录组学之后一个新兴的后基因组学的研究领域，是系统生物学的重要组成部分[3]。代谢组学通过研究生物体血浆、尿液、组织液、细胞培养液中的内源性代谢产物，定性、定量地反映生物体在不同时间及环境下的功能状态；此外，生物体组织、器官也可以作为样本进行代谢组学研究[4]。

基于不同研究目的和研究对象，Fiehn等[5]将代谢组学分为4个研究层次：代谢物靶标分析、代谢谱分析、代谢物组及代谢指纹分析(对样本进行快速的定性)。目前，肝功能衰竭的代谢组学研究主要于代谢指纹分析层次上开展。

代谢组学研究的技术手段主要包括核磁共振(NMR)、气象色谱(GC)、液相色谱(LC)、质谱(MS)、毛细管电泳(CE)、红外光谱、紫外光谱等，目前应用最广泛的是NMR、GC-MS联用技术及LC-MS联用技术。由于代谢组学的研究对象是内源性小分子代谢产物(相对分子质量<1 000 Da)[6-7]，如糖、脂质、胆汁酸、肉毒碱、氨基酸等，而种类繁多的内源性小分子代谢产物在体内分布范围较广，因此常需通过联合多种技术手段才能够分析出特殊条件下的各种代谢产物[8-9]。

代谢组学具有高通量性和大规模性，相对单一的研究样本、检测技术和数据处理方法需要进一步整合以满足代谢组学研究需求，因此逐渐出现了代谢组学的整合。目前代谢组学的整合主要包括：(1)研究样本的整合：体液、细胞培养液、组织等；(2)检测技术的整合：NMR与MS的联合应用，GC-MS联用技术和核磁共振氢谱(1H-NMR)等[10-11]；(3)数据处理方法的整合：对不同的多变量数据统计分析方法进一步整合，尤其是联合了无监督及有监督的多变量数据统计分析方法，以探索肝病患者与健康人之间、不同的肝病患者之间的代谢途径并发现潜在的代谢组学标志物[12-16]；(4)组学间的整合：代谢组学可以通过整合蛋白组学及基因组学从而更全面、更系统地了解生物体代谢物与蛋白、基因的关系。

2 代谢组学在肝功能衰竭中的应用及研究进展

肝功能衰竭是指短时间内出现的肝脏大面积坏死，肝脏合成清蛋白、解毒各种毒性物质、防御病毒细菌入侵及分泌细胞因子等功能均受到严重创伤，患者临床表现为凝血功能障碍、黄疸、腹腔积液及肝性脑病等[17-19]，临床症状多表现为极度乏力、食欲下降、腹胀、恶心、呕吐、医师改变等[20]。对代谢产物的分析在肝功能衰竭的早期诊断及治疗中非常重要，肝功能衰竭的代谢组学研究是一个全新的视角，在肝功能衰竭的诊断、病情严重程度判断、病因分析中具有重要的临床价值。

2.1 诊断 肝脏主要通过一些小分子物质与其他器官进行联系，代谢组学通过对这些小分子物质尤其是血液中的小分子物质进行研究，发现肝功能衰竭患者与普通肝病患者的不同之处，以便早期明确肝功能衰竭的诊断。

高效液相色谱-质谱联用技术(HPLC-MS)可以区分不同代谢产物的峰值，再应用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)发现病情恶化的代谢产物，如鹅脱氧胆碱甘氨酸、溶血磷脂酰胆碱等。Yang等[21]应用HPLC-MS对37例慢性乙型肝炎急性肝功能衰竭患者及50例健康者的血清进行代谢组学研究，并应用PLS-DA发现鹅脱氧胆碱甘氨酸(GCDCA)的个别原子及溶血磷脂酰胆碱(LPc)发生了改变，其认为这些代谢产物的变化对急性肝功能衰竭有一定的诊断价值，可能是急性肝功能衰竭的潜在生物标志物。

1H-NMR可根据不同代谢产物的信号峰值对其进行区分，代谢产物经过检测、分析和鉴定后即进入数据分析阶段，主成分分析(PCA)是最常用的数据分析技术[22]，而基于多变量的PCA可以对原始谱图降维，再对所有样本进行分析后就可以给出不同样本的代谢差异。Yang等[23]应用1H-NMR对重症乙型肝炎急性肝功能衰竭患者的血清进行代谢组学研究，并应用PCA发现重症乙型肝炎急性肝功能衰竭患者血清乙酰乙酸盐、蛋氨酸、三甲胺和葡萄糖水平较正常人明显升高，而胆碱、乳酸和脂质水平明显降低。其认为上述代谢产物的变化对区分正常人和重症乙型肝炎急性肝功能衰竭具有重要意义，可作为重症乙型肝炎急性肝功能衰竭在分子水平上的诊断依据。GS-MS联用技术可通过质谱库对代谢产物谱峰和峰相对面积进行识别，再结合PCA、典型判别分析(CDA)及其他计算方法对其进一步计算和判别。Mao等[24]通过GS-MS联用技术对不同的生物标志物进行识别，再应用3种不同的计算方法找出最优的特征子集，从而获得了93.62%的肝功能衰竭诊断正确率，并且发现了血浆柠檬酸盐是一种重要的标志物。Feng等[25]应用GC-MS联用技术对急性肝功能衰竭大鼠血清代谢产物进行研究，并联合PCA软件分析发现血清5-羟吲哚乙酸、β-羟丁酸盐、葡萄糖和磷酸盐水平增高，认为这些代谢产物变化对急性肝功能衰竭有一定的诊断价值。

2.2 病变严重程度 病变严重程度对于肝功能衰竭诊断、分类及预后判断有非常重要的意义，但传统的肝组织活检对于凝血功能严重降低的肝功能衰竭患者来说具有非常高的危险性，因此从代谢组学的角度研究肝功能衰竭严重程度对临床工作很有帮助。

NMR通过对不同样本的辐射频率进行扫描，进而形成共振峰及图谱，可完整、快速地对生物体的血浆、组织液、尿液、细胞培养液等样本进行检测，与其他检测方法相比，其优势在于重复性较好、对样本的预处理相对简单[26]。Amathieu等[14]应用500 MHz高场NMR技术分析肝硬化患者血清小分子物质，发现轻度肝功能衰竭的肝硬化患者血清磷酸胆碱及高密度脂蛋白水平较严重肝功能衰竭的肝硬化患者明显升高，而血清乳酸、葡萄糖、丙酮酸、氨基酸及肌酐水平明显降低。

在结合GS-MS联用技术和PCA等的前提下，通过终末期肝病模型(Model for end-stage liver disease，MELD)分析可以明确地对代谢组学相关数据进行分类。Yu等[27]采用GC-MS联用技术对乙型肝炎急性肝功能衰竭患者进行代谢组学研究，发现与健康人相比，其血清葡萄糖及氨基酸表现的色谱图有明显不同，提示MELD分析通过图形识别而区分不同严重程度的肝功能衰竭。

2.3 病因 肝功能衰竭是多种病因相互影响的结果，其发病机制十分复杂，但具体机制目前尚不明确；了解其病因、发病机制对更好地诊断和治疗肝功能衰竭非常必要。研究表明，引起肝功能衰竭的原因有地域差异，在我国主要是肝炎病毒引起，尤其是乙型肝炎病毒[28-29]，其次是肝毒性物质(乙醇、化学制剂)和药物等[30-31]；在欧美国家主要是药物，如对乙酰氨基酚等[32]。Yang等[33]分别采用α-萘基异硫氰酸盐及CCl4制作肝功能衰竭鼠模型进行代谢组学研究，发现两个实验组之间及其与对照组之间的血清胆汁酸峰值有明显差异，而应用CDA对血清胆汁酸水平进一步区分并进行分组的准确率高达97.5%，提示血清胆汁酸水平可以为肝功能衰竭的病因分析提供重要依据。由于国内外关于肝衰竭病因的代谢组学研究较少，其相关的作用机制仍有待深入研究，随着更多代谢组学研究方法在肝功能衰竭病因方面的应用，可以进一步从病因及发病机制方面来更好地了解肝功能衰竭这一肝脏疾病中的难题。

3 小结

代谢组学在肝功能衰竭中的应用具有很大优势，应用前景良好，虽然目前代谢组学相关的研究较多，但代谢组学的发展仍处于早期阶段，而由于检测样本的个体差异，如生理因素、技术手段、数据处理、产物识别等原因，对相关代谢产物或代谢途径尚不能进行全面的定性及定量分析。相信随着整合代谢组学的发展及其在肝功能衰竭中的不断应用，攻克肝功能衰竭，阐明其发病机制并进行有效诊断和治疗将为时不远。

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