代谢组学方法在疾病诊断中的应用

代谢组学方法在疾病诊断中的应用
医堂杂007年9月11日第87卷第34期NadMedJChina,~ember11.2007.V ol87.N0.34 代谢组学方法在疾病诊断中的应用
蔡润策贾伟平
代谢组学的概念最早由Nichdson等于1999年提出,其
意义为对生物体在受到病理生理上的刺激以及某种基因修
饰所带来的代谢物的动态变化进行研究,从而得到生物体
代谢物随时间以及生化过程的变化而改变的信息….它主
要关注小分子代谢物(MW<1000),包括糖,脂质,氨基酸,
维生素等.核磁共振,色谱质谱是其主要的样品检测技术,
模式识别是其主要的数据分析技术.虽然代谢组学应用于
临床疾病诊断起步较晚,但与传统诊断方法相比已显示出它
的强大优势,近年来发展迅速.本文就代谢组学方法在疾病
诊断中的应用作以综述.
一
,代谢组学方法在疾病诊断中的应用范围
1.先天性疾病:对于先天性疾病,既往主要依赖酶学检
测,但耗时,耗力,检出率低.如尿黑尿酸病,早在300多年
前就作为一组综合征报道,但机制一直不明,现Lindon等
利用磁共振(Mm)技术分析病人尿液,发现尿中存在着大量
的尿黑酸,追其根源为体内缺乏尿黑酸氧化酶,故酪氨酸不
能彻底分解为延胡索酸和乙酰乙酸,使得中间产物——尿黑
酸大量积聚,并从尿中排出,进一步研究证实这是一种常染
色体隐性遗传性代谢性疾病.又如Co~tantinou等利用建
立在氢谱磁共振('H-Mm)基础上的代谢组学方法研究苯丙
酮尿症和枫糖尿症的诊断,发现两组病人与对照组相比主要
是苯丙氨酸和支链氨基酸的含量不同.用主成分分析和偏
最小二乘法判别分析建立的模型都可以将3组分开.从而建立了快速,无痛的新生儿代谢异常诊断方法.
2.感染性疾病:细菌性脑膜炎是一种临床常见急症,是
否能够对它作出快速而准确的诊断是决定其预后的关键因素.目前对它最敏感的常规检查是在脑脊液中发现病原微生物,但这项检查是比较耗时的.而快速检查(如脑脊液中
淋巴细胞,蛋白质,葡萄糖测定及革兰染色等)又缺乏特异性和敏感性.在应用代谢组学方法快速诊断脑膜炎的研究中, Mui~n等采用H.MRI的方法分析正常人和各种类型的
脑膜炎病人的脑脊液,通过主成分分析(PCA)可以将细菌性脑膜炎的脑脊液和正常人,病毒性脑膜炎及真菌性脑膜炎的脑脊液区分开来,从而可以指导抗生素的应用,缩短病程,改善预后.
3.心血管疾病:冠心病的发病率逐年上升,虽然目前通
用的x线血管造影法确诊率高,但创伤大,花费高,副作用多.Brindle等将x线血管造影明确诊断的病人进行分
作者单位:2~233上海市第六人民医院上海市糖尿病研究所通讯作者:贾伟平,Email:呷**************
2443?
.
综述.
组,同时用NMR技术分析血清样本,结合模式识别技术建立了合适的模型.借助此模型,对于可疑病人诊断的灵敏度高达92%,特异性为93%.该模型还可能判别轻,中,重的严
重程度和累及血管的数目.该方法具有最小限度的侵入性, 仅需几滴血液,就可利用磁共振指纹谱和计算机模式识别技术,判断出心脏病的严重程度.它优于传统的血管造影术,
用于检测心脏病时具有快速,廉价,安全的优点且副作用少.
识别心肌缺血对于诊断冠心病和选择,评价治疗方案都
十分重要.sabatjne等在运用代谢组学方法诊断心肌急
性缺血方面作出了尝试.他将18例经心肌灌注显像诊断为可诱导性心肌缺血的病人分配在试验组,18例心肌供血正常者分在对照组,用液相色谱质谱联机(LC/MS)分析两组
在运动负荷试验前后的代谢产物,应用模式识别技术也实现了试验组与对照组的分离.并发现运动负荷前后两组代谢产物的变化趋势出现不一致,而变化最不一致的一组代谢物可能就是心肌缺血的生物标记物,其中有6种是柠檬酸循环的中间代谢物,提示可能与缺血时心肌的能量代谢异常有关.
4.恶性肿瘤:肿瘤,特别是无症状的早期肿瘤,尤其需
要借助于敏感性高的综合检测手段.代谢组学的出现为恶性肿瘤的早期诊断带来的契机.HoeU8等利用磁共振联
合主成分分析对脑肿瘤组织进行检测,其中脑膜瘤诊断的准确率达85%,神经胶质瘤则为62%.Beckonert等用代谢
组学方法研究乳腺癌,成功地将乳腺癌组织分为呈低度恶化,中度恶化和高度恶化3组.Odunsi等结合人血清的磁
共振图谱和PCA的方法,不仅可以检测出上皮细胞卵巢癌, 还可以将卵巢癌病人和良性卵巢囊肿病人区分开.xu
等¨们采用毛细管电泳方法,以尿中15种核苷浓度为数据矢量,用PCA法处理数据,对分别患有10多种癌症的68位癌症病人和54位正常人进行分类研究,识别率达72%.对
用高效液相色谱法(HPLC)测定的206位正常人和296位肿瘤病人尿中15种核苷排放水平进行研究,也可得到类似的结果.
5.内分泌代谢病:Yang等¨首次用代谢组学的方法研
究2型糖尿病的诊断,他们用气相色谱分析2型糖尿病病人和正常人血浆中的各种脂肪酸,用PCA方法预分析得到的
数据,确定胆固醇酯,游离脂肪酸和磷酯中的组分可用于分
类,进一步采用直线判别分析确立的模型对2型糖尿病的识
别率达96.2%,敏感性和特异性分别达85.3%和90.9%,
由此推断出血清脂肪酸水平与2型糖尿病呈线性关系.
二,疾病诊断中代谢组学的样品检测技术
医堂壶!生!旦旦笙?卷第34期NatlMedJChina,September11.2007.V ol87.No.34 人的体液中包含着复杂的内源性代谢物信息,要提取出
如此复杂的信息,就要应用先进的检测技术.目前核磁共
振,色谱,质谱及联用技术是疾病诊断研究中的主要检测
技术.
1.磁共振(MRI):MRI检测所需样品量较少,不需要复
杂的样品处理,且样品还可回收用于其他分析.所以它是应
用代谢组学方法诊断疾病时最为常用的样品检测技术,而这
其中H—MRI在疾病诊断的体液分析中占据着重要地位.如
前面介绍的Constantinou等对先天性代谢异常疾病的研
究,Muireann等对脑膜炎的研究,Sabatine等对急性心
肌缺血的研究,Hoells等对脑肿瘤的研究,Beckonea等
对乳腺癌的研究都不约而同地采用了H—MRI的方法.它能
够实现对样品的非破坏性,非选择性分析,满足了代谢组学
中的对尽可能多的化合物进行检测的目标,具有较好的重
复性.
2.气相色谱(GC):GC法广泛用于微量,痕量组分的分
析.但是,GC受组分挥发性和热稳定性的限制,需对样品进
行衍生化处理.Y ang等用毛细管柱气相色谱分析血清
中各种脂肪酸的含量,为诊断2型糖尿病提供了一种新方
法.Y amaguchi等在筛查过氧化物酶体功能紊乱的研究
中,用气相色谱方法从尿液样品中成功分离并检测到多中有
机酸,并据此实现了对3种过氧化物酶体紊乱疾病的快速
诊断.
3.HPLC法:此法因不受样品挥发性的约束,而适用范
围较广,尤其适用于挥发性低,热稳定性差的物质.Y ang
等在对肝癌诊断的研究中采用HPLC方法,实现了对尿
样中核苷的代谢靶标分析和代谢轮廓分析,基于尿中l5种核苷的PCA方法对肝癌的诊断率为83%,显着高于传统的单个的肿瘤标志物AFP的诊断率(73%).应用此方法还可
将肝癌病人和肝炎及肝硬化病人区分开,显着降低肝癌诊断的假阳性率.
4.联用技术:质谱作为强有力的仪器分析手段,能够提
供大量的分子结构信息.色谱技术为质谱分析提供了纯化的试样,质谱则可提供准确的结构信息,使样品的分离,定性,定量一次完成,且具有较高的灵敏度和选择性.目前在
疾病诊断中常用的联用技术是气质联用(GC/MS)和液质联用(LC/MS).
GC/MS技术分析速度快,灵敏度高,有利于微量物质的
分析.Ohdoi等在研究Lesch—Nyhan综合征的诊断时,采
用GC/MS技术检测尿样,并结合稳定同位素稀释法诊断率可达到93%,发现次黄嘌呤,黄嘌呤,鸟嘌呤明显上升,腺嘌
呤则下降.还证实用此方法还可以将已经接受别嘌呤醇治疗的病人从正常对照者中辨别开来.
LC/MS技术与GC/MS相比,优点在于样品预处理简
单,无需衍生化,检测物质的范围更广.此法适合那些不稳定,不易衍生化,不易挥发或分子量较大的化合物.Kennya 等¨用液相色谱飞行时间质谱法研究先兆子痫的早期诊断和生物标记物,从病人组和对照组的血浆样品中检测到了数百种代谢物,用其中的3个主要的代谢物就可以将先兆子痫病人与相配对的对照者区分开,并且3种代谢物的高低一定程度上反映了病情的轻重,提示它们可能就是先兆子痫的生
物标记物.
磁共振是代谢物组学提出之初普遍采用的方法,色谱,
质联及其联用技术是新近才在代谢组学中被广泛应用的的检测技术.MRI以其非破坏性和普适性已成为主要分析手段,但其缺点是灵敏度不高,对于浓度相差很大的成分无法同时分析,在复杂系统分析中尚有难度.而色谱质联联
用技术具有较好的分离特性,灵敏度高,适合分析痕量组分, 但是质谱的离子抑制效应可能掩盖某些响应值较低的组分而造成一定的偏差.可见各种检测技术都各有其优势,采用不同的方法得到的代谢物组信息也可能有差异,所以最好的方法是同时采用多种检测技术,最终才能获得一个完整的, 全方位的代谢物图谱.
三,疾病诊断中代谢组学的数据分析处理技术
通过以上高通量检测技术得出的代谢物信息是海量的,
必须借助数据分析处理技术才能实现对样本分类和判别的目的.疾病诊断中的数据分析技术主要是模式识别,它主要包括主成分分析和偏最小二乘法一判别分析.
1.主成分分析法(PCA):PCA法是在运用代谢组学方
法诊断疾病中最常用的模式识别方法.主成分(PC)是由原
始变量按一定的权重经线性组合而成的新变量,第一个PC 包含了数据集的绝大部分方差.第二个次之,依此类推.据此,由前两个或三个PC作图,就可以直观地在二维或三维空间研究样本与变量的相互关系.如Constantinou等对苯
丙酮尿症和枫糖尿症的研究,Muireann等对脑膜炎的研究,Sabatine等对心肌急性缺血的研究,xu等¨对恶性
肿瘤的研究,Y ang等对2型糖尿病的研究中都采用了
PCA方法,用PCA得分图均明确地将患病组与对照组区分开,并用PCA投影图提示了可能的疾病标志物.
2.偏最小二乘法一判别分析(PLS—DA):偏最小二乘法是
主成分分析,典型相关分析和多元线性回归分析3种分析方
法的综合,具有这三者的优点.它与主成分分析法都试图提
取出反映数据变异的最大信息,不同点在于主成分分析法只
考虑一个自变量矩阵,而偏最小二乘法还有一个"响应"矩
阵,因此具有预测功能19].Wang等.加用HPLC—MS的方法
分析34例2型糖尿病病人和35名正常对照者的血清,得到
83种磷酯,以它们为变量建立起的PCA图区分以上两组的
正确率只有69.1%,将同样一组数据首先进行信号校正,然
后在用PLS—DA的方法进行区分,准确率显着提高到了
88.2%.
代谢组学在疾病诊断中的应用已逐渐成为代谢组学研
究的热点.运用代谢组学的方法诊断疾病具有快速,准确,
费用低,创伤性小等优点.同时更重要的是通过代谢组学分
析,可以发现多种与疾病相关的生物标记物和代谢途径,为
阐明疾病的机制提供了一个强有力的武器.但同时代谢组
学应用于疾病诊断也存在着不足,首先,目前尚无一种技术
2007生11日第87卷第34期NadMedJChina.September11,2007.V0l87.Nn34 可以全面检测人体液样品的全部代谢物,无论是磁共振还是
质谱技术都只能检测样品中的部分代谢物,一些具有生物意
义的代谢物可能被忽略掉;其次,应用代谢组学方法诊断疾
病要受到环境和生理变化的影响.诸如性别,年龄,饮食,健
康状况,昼夜节律等的差异都可能影响分析结果,这给疾病
的诊断带来困难,所以如何限定检测条件及开发更好的滤噪
技术是十分重要的问题.相信随着代谢组学应用于疾病诊
断的经验积累以及全面检测代谢物组的更高技术的开发,代
谢组学在研究疾病发生机制及临床诊断中的地位将进一步
确立,为疾病的诊治提供更大帮助.
参考文献
[1]NicholsonJK,LindonJC,HolmesE.Metabonomics:
understandingthemetabolicresponsesoflivingsystemstopatho—physiologicalstimuliviamuhivariatestatisticalanalysisof
biol0gicalNMRspectroscopicdata.Xenobiotica,1999,29:l181一ll89.
[2]LindonJC,NicholsonJK,EverettJR.NMRspectroscopyof bioffuids.AnnRepNMRSpectro.1999,38:l-7.
[3]ConstantinouMA,PapakonstantinouE,SpraulM,eta1.H NMR—basedmetabonomicsforthediagnosisofinborneri'orsof metabolisminurine.AnalChimActa.2005.542:l69一l77. [4]MuirearmC,MatthewO,WiHiamA,eta1.Protonnuclear magneticresonance—basedmetabonomicsforrapiddiagnosisof meningitisandyentriculitis.ClinlnfectDis.20o5.4l:l582一
l590.
[5jBrindleJT,AnttiH,HolmesE,eta1.Rapidandnoninvasive diagnosisofthepresenceandseverityofcoronaryheartdisease usingH.NMR.basedmetabonomics.NatureMed.20o2,8: 1439.1444.
[6]SabatineMS,IJiuE,Mo~owDA,eta1.Metabolomic identificationofnovelbiomarkersofmyocardialischemia. Circulation,2005,l12:3868—3875.
[7]HoellsSL,MaxweHRJ,PeerAC,eta1.Aninvestigationoftumor Hnuclearmagneticresonancespectrabytheapplicationof chemometrictechniques.MagnResonMed.1992,28:214-236. [8jBeckone~O,MannedahnJ,BankU,eta1.Visualizingmetabolic changesinbreast?cancertissueusingH—NMRspectroscopyand selforganizingmaps.NMRBiomed.2003.16:l?l1.
[9]OdunsiK,WollmanRM,AmbrosoneCB,eta1.Detectionof
[10]
[12]
[13]
[14]
[15j
[16]
[17]
[18]
[19j
[20j
2445?
epithelialovariancancerusingH.NMR—basedmetabonomics.1nt JCancer.20o5.1l3:782-788.
XuGW,LiebichH.Normalandnlodifiednucleosidesinurineas potentialtumormarkersdeterminedbyMEKCandHPLC.AmClin Lab.20o1.20:22-32
Y angJ,XuGW,KongHW.eta1.Artificialneuralnetwork classificationbasedonhigh?performanceliquidchromatographyof urinaryandserumlmcleosidesfortheclinicaldiagnosisofcancer. JChromatogrB,2002.782:27.33.
ZhengYF,XuGW,IJiuDY,ela1.Studyofurinarynucleosidesas biologicalmarkerincancerpatientsanalyzedbymicellar electrokineticchromatography.Electrophoresis,2002,
23:4104.
4109.
Y angJ,XuGW,HongQF,eta1.Discriminationoftype2 diabericpatientsfromhealthycontrolsbyusingmetabonomics methodbasedontheirserumfattyacidprofiles.JChromatogrB,
2Oo4.8l3:53-58.
Y amaguehiS,lgaM,KimuraM,eta1.Urinaryorganicacidsin peroxisomaldisorders:asimplescreeningmethod.JChromatogrB BiomedSciApp1.2001.758:8l-86.
Y angJ,XuGW,ZhengYF,eta1.Diagnosisoflivercancerusing HPLC—basedmetabonomicsavoidingfalse—positiveresultfrom hepatitisandhepatocirrhosisdiseases.JChromatogrB,2004,
8l3:59.65.
OhdoiC.NyhanWL.KuhamT.ChemicaldiagnosisofLesch. Nyhansyndromeusinggaschromatography—massspectrometry detection.JChromatogrB,2003.792:l23.130.
KennyaLC,DunnbWB,EllisbD1,eta1.Novelbiomarkersfor pre?eclampsiadetectedusingmetabolomicsandmachinelearning. Metabolomics.20o5.3:4247.
SurrmerLW,MendesP,DixonRA.PIantmetabolomics:large. sealephytochemistryinthefunctionalgenomicsera. Phytochemistry.20o3.62:817-836.
GeladiP.KowalskiBR.Pattialleast—squaresregression:a tutoria1.AnalChimActa.1986.185:l—l7.
WangC,KongHW,GuanYF,eta1.Plasnmphospholipid metabolicprofilingandbiomarkersoftype2diabetesmellitus basedonhigh?performanceliquidchromatography/electrospray massspectrometryandmultivariatestatisticalanalysis.Anal Chem.20o5.77:41084ll6.
(收稿日期:2006.12-26)
(本文编辑:李群)
本刊"I临床医学影像''栏目征稿
医学影像学检查是临床常用的诊断手段.影像学改变
是病理改变的反映,但不同的病理改变往往有相似的影像学表现,这给诊断带来很大困难.为了促进临床影像诊断经验的交流和诊断,鉴别诊断水平的提高,中华医学杂志自
2001年第1期开辟"临床医学影像"栏目,为特殊的,少见
的,但具有临床启发意义的影像学表现提供一个展示园地,
使局部的,个人的经验尽快地为广大临床医师借鉴,为临床医学影像诊断积累宝贵的第一手资料.本栏目是一个以图.
读者.作者.编者.
片展示为主的栏目,要求提供高质量的影像图片,图片必须清晰,对比度好,病变特征显示明确.每篇文章可提供2—
4幅不同影像技术的图片,如X线,CT,磁共振成像,超声,核素显像或病理图片等.文字部分则宜简练,描述患者的简要病史,主要影像学表现,经病理或临床科学手段确定的最后诊断结果,不进行讨论,不引用参考文献,字数在400字以内.欢迎踊跃投稿.。