基于代谢组学技术的膝关节骨性关节炎研究进展

陈赵亮

（黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨150000）

膝关节骨性关节炎（Knee Osteoarthritis，KOA）是一种慢性、非炎症性关节炎疾病，多发于中年以后人群[1]。临床上以关节疼痛、变形和活动受限为特点。病理变化最初发生在关节软骨，以后侵犯软骨下骨板以及滑膜等周围组织，以关节面及其边缘的软骨变性以及新骨形成为主要特征[2]。发病机制尚不明确，一般认为与衰老、创伤和遗传等因素有关。

对于代谢组学的研究起源于20 世纪90 年代，在1999 年，代谢组学这一概念由Nicholson 首次提出[3]，他将代谢组学定义为“生命系统对病理生理刺激或遗传修饰的动态多参数代谢反应的定量测量”。而Fiehn 等[4]于2002 年提出的代谢组学(Metabolomics)是指通过定性和定量地分析生物体内所有内源性代谢物的组成来研究生物代谢途径的一种技术。

在膝关节骨性关节炎治疗及预防方面，代谢组学技术利用十分广泛，它可以对实验对象的血液、尿液和关节液等多种物质进行分析，寻找其中的生物标志物及代谢途径，为膝关节骨性关节炎的发病机制及治疗方法提供有效证据，本文就近几年代谢组学技术在KOA 领域的应用发展进行了总结，为未来进一步研究KOA 并研发治疗药物提供科学参考。

1 利用血液检测的代谢组学研究

因血液的流动性及取样的便利性，利用血液检测的方法在KOA 检测上利用广泛，能够较为精确的检测出差异代谢物。陶蓓蓓等[5]在动物模型的疾病进展和治疗中，利用化学同位素标记法（CIL）进行代谢组学研究，从而分离出潜在代谢标志物是一种很有效的研究方法。Chen 等利用同位素标记（CIL）液相色谱质谱（LC-MS）方法，对手术诱导的骨关节炎的大鼠模型及对照组的血浆样本进行重复分析，在检测到的2923 中代谢物中发现了包括2- 氨基己二酸，糖蛋白和GABA 在内的11 种代谢物可以作为KOA 进展和KOA 治疗的潜在生物标志物。此外，酰基肉碱与KOA 影像学严重程度有关，此外中链和长链酰基肉碱与动脉硬度有关。

2 利用尿液检测的代谢组学研究

尿液检测的手段多用于循环系统疾病，在研究KOA 中不是十分常见，但是也有针对氨基酸及能量代谢进行了研究。王向利等[6]使用GC-TOF / MS 探讨膝关节骨性关节炎大鼠尿代谢谱的变化，与对照组相比，膝关节滑膜细胞衬里在膝关节骨性关节炎组中表现出增殖，炎症细胞浸润和胶原纤维增生。共鉴定了23 种潜在的生物标志物，包括丙氨酸，α- 酮戊二酸，天冬酰胺，麦芽糖和谷氨酰胺等。此外，骨关节炎的代谢组学发病机理可能与氨基酸代谢紊乱，脂肪酸代谢，维生素B6 代谢和核酸代谢有关，杨松滨等[7]对膝骨关节炎患者的尿液进行了代谢分析，结果发现与对照组相比，KOA 患者尿液中乌头酸、异柠檬酸、高香草酸及组织胺等含量升高；组氨酸、谷氨酰胺、马尿酸及甘氨酸等代谢水平降低，这可能是由于KOA 患者体内三羧酸循环紊乱，导致关节软骨及软骨细胞代谢异常继而发展成KOA。

3 利用关节液液检测的代谢组学研究

作为最接近患处的检测样品，关节液能够有效体现代谢差异，检测出条目较为丰富的差异代谢物，在选择生物标志物上效果显著。Anderson 等[8]利用1H-NMR 技术对KOA 患者的关节液进行了研究，使用具有TCI 冷冻探针的700MHz Avance IIIHD Bruker NMR 光谱仪分析10 名KOA 患者的关节积液，结果较正常人体相比酪氨酸，缬氨酸，丙氨酸，2- 羟基丁酸酯，3-羟基丁酸酯，肌醇，乙酰胆碱，腺苷等显著提升。同时观察到KOA 关节内存在轻度至中度炎症和滑膜增生，其中浸润性免疫细胞群主要由T 细胞和巨噬细胞组成，关节软骨和骨质的丢失是由包括MMP 在内的蛋白酶失调导致软骨细胞外基质破坏引起的。Mickiewicz 等[9]利用1H-NMR 和GC-TOF-MS 技术对收集的55 个KOA 患者的膝关节与13 个正常膝关节中的滑液进行对比，通过SIMCA-P+进行数学统计，结果发现11 种代谢物在区分KOA 样本和对照中具有统计学意义，其中果糖和柠檬酸盐增加，O- 乙酰肉碱，N- 苯乙酰甘氨酸，甲硫氨酸，乙醇，肌酸，苹果酸盐，乙醇胺，3- 羟基丁酸盐和己酰基肉碱的浓度降低。代谢组学可能作为膝关节炎早期诊断的有效的方法，应该在临床环境中进一步验证。通过代谢途径分析这些代谢物与脂肪酸代谢，甘油脂代谢和三羧酸循环有关。

4 结论

目前基于代谢组学的KOA 研究中总结出了大量可能影响该疾病的代谢途径，包括支链氨基酸代谢、精氨酸代谢、能量代谢和氧化代谢等多种代谢途径。支链氨基酸缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸是体内蛋白质合成的重要基质和重要调节剂，是肌肉中谷氨酰胺和丙氨酸合成的主要氮源。其中丙氨酸是糖异生的重要前体，谷氨酰胺在器官中起“氮梭”的作用，是快速分裂细胞的重要燃料，还是核苷酸（例如ATP）合成的前体。KOA 患者的身体对丙氨酸和谷氨酰胺需求是巨大的，谷氨酰胺的使用经常超过其合成，导致血浆和组织中缺乏谷氨酰胺，可能导致KOA患者膝关节肌肉代谢加快，膝关节的负担加大，加快疾病恶化过程。精氨酸是人体中的半必需氨基酸，并且作为合成许多分子的前体，包括尿素、氧化氮、谷氨酸和角蛋白等，精氨酸通过精氨酸酶分解为鸟氨酸，鸟氨酸进一步代谢为脯氨酸、多胺和谷氨酰胺。KOA 患者血浆中鸟氨酸浓度比对照组高，而精氨酸与鸟氨酸的比例却明显低于对照组，同样的，KOA 患者血浆中脯氨酸浓度也比对照组高，精氨酸与脯氨酸的比例也低于对照组。表明KOA 患者精氨酸的消耗可能是由于过量精氨酸的分解代谢，鸟氨酸作为脯氨酸合成的前体，可以支持富含脯氨酸的蛋白质如胶原蛋白的产生，而KOA 患者通常都有关节软骨缺失的症状，所以造成了精氨酸的大量消耗。另一方面，精氨酸是组织蛋白酶的天然抑制剂，组织蛋白酶是一种降解软骨的内源性酶，精氨酸在抑制过程中大量消耗，多种途径的消耗使得精氨酸得不到足量的补充，导致疾病恶化。除此之外，磷脂酰胆碱转化为溶血磷脂酰胆碱的磷脂代谢能在调节关节症状，特别是关节疼痛中发挥作用。以上的多种代谢途径都能检测到较为良好的差异代谢物，为早期KOA 的诊断提供了一定的基础。

5 展望

利用代谢组学技术寻找生物标志物的方法对于早期KOA的诊断具有十分重要的意义，它能准确判断并确诊KOA。在寻找生物标志物的过程中，血液、尿液、膝关节滑液都成为了有效的获取途径，但是到目前都没有公认的统一生物标志物，希望未来能够结合基因组学、蛋白组学等多种技术，建立更加全面、高效的研究体系，进而能追踪到获得公认的生物标志物及代谢途径，这样就能够针对早期疾病变化研究出针对KOA 的特异性拮抗剂，最大程度的解决KOA 患者的痛苦。