季春梅，魏繼福，李　摯，於明明，孫勁旅，孟　玲

(南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院 江蘇省人民醫(yī)院藥學部，南京 210029)

哮喘是一種常見的慢性支氣管炎性疾病，由多種細胞參與，包括氣道炎性細胞和結構細胞(如嗜酸粒細胞、肥大細胞、T淋巴細胞、中性粒細胞、平滑肌細胞、氣道上皮細胞等)和細胞組分[1-2]。哮喘典型特征為可逆性氣道炎性反應，這也是臨床癥狀和氣道高反應性的基礎[3]。哮喘嚴重影響患者生活，并造成社會沉重的經(jīng)濟負擔。目前，全世界約有3億多人遭受哮喘干擾[4]，其發(fā)病率和死亡率逐年上升。據(jù)全球哮喘防治創(chuàng)議(Global Initiative for Asthma，GINA)官方網(wǎng)站資料顯示，到2025年，哮喘患者將增至4億[5]。哮喘主要癥狀為包括反復發(fā)作性喘息、氣急、胸悶或咳嗽等，常在夜間和(或)清晨發(fā)作、加劇，多數(shù)患者可自行緩解或經(jīng)治療后緩解[6]。哮喘長期反復發(fā)作可能會引起多種并發(fā)癥，如慢性阻塞性肺氣腫、慢性肺源性心臟病、肺間質纖維化、呼吸驟停、呼吸衰竭、氣胸及縱隔氣腫等。

哮喘發(fā)作是一系列因素綜合作用的結果，導致哮喘發(fā)病的主要危險因素分為宿主因素(遺傳因素)和環(huán)境因素兩個方面[2，7](圖1)。環(huán)境因素中各種誘發(fā)物質都能使易感人群發(fā)生哮喘，包括室內過敏原(屋塵螨、動物過敏原和真菌)，室外過敏原(花粉、霉菌、昆蟲)，傳染性病原體(細菌、真菌和寄生蟲)，藥品、食物和食物添加劑等。

目前，哮喘的臨床診斷主要依靠患者病史、癥狀體征和肺功能檢查[8]。哮喘實驗室檢測方法主要有誘導痰液細胞檢測、呼出氣一氧化氮檢測、過敏原皮膚試驗、血、尿內物質(如白三烯、嗜酸粒細胞陽離子蛋白等)檢測等。然而，上述方法應用效果并不理想。雖然一氧化氮水平跟氣道炎性反應相關，但呼出氣一氧化氮檢測缺乏敏感性以及特異性。目前，尚缺乏一系列長期研究，可將呼出氣一氧化氮和其他痰中炎性標志物、呼出氣中冷凝物、肺功能和癥狀結合判斷。

由于哮喘表型的復雜性加上遺傳異質性及環(huán)境因素影響，易導致誤診和漏診。因此，研究者正不斷努力應用代謝組學尋找有效生物標記物，用于哮喘診斷、監(jiān)控和治療。本文將綜合評論代謝組學這一新技術運用于哮喘診斷、治療的可行性，并分析代謝組學在哮喘中的研究進展。

圖1誘發(fā)哮喘的相關因素

Fig1Related factors induced asthma

代謝組學基本概況

代謝組學是繼基因組學、轉錄組學和蛋白質組學后，系統(tǒng)生物學的又一重要組成領域。代謝組學是一門快速發(fā)展的新興科學，最早源于Devaux提出的代謝輪廓分析。在1999年Nicholson等[9]正式提出代謝組學(metabonomics)這一概念。

代謝組學是分析小分子代謝物(相對分子質量<1 000)在生物體細胞、組織及血、尿、唾液等生物組織中濃度比重變化的一門科學[10-12]。小分子代謝物是機體代謝活動的最終產(chǎn)物，因而測得的代謝物濃度變化能在一定程度上反應疾病所致生化效應。代謝組學可監(jiān)測出患者和正常人群的代謝差異。

隨著現(xiàn)代新興分析技術的快速發(fā)展，對新標記物的測量更加可行，這也意味著更有希望將代謝組學運用于呼吸系統(tǒng)疾病的監(jiān)測。這些新興的分析技術不僅會增加檢測的靈敏度，還融合了統(tǒng)計分析，可以在一次分析中同時檢測多個潛在生物標志物。代謝組學檢測分析主要依賴于核磁共振技術(nuclear magnetic resonance，NMR)、液相色譜-質譜分析法(liquid chromatograph-mass spectrometer，LC-MS)、氣相色譜-質譜分析法(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)、紅外光譜和拉曼光譜等。目前，最為常用的技術是質譜分析法(mass spectrometer，MS)和NMR[13-14]。雖然，NMR技術不及MS的靈敏度高，但是在檢測過程中樣本不被破壞，因此可多次重復檢測。MS檢測下限比較低，因而具有更高的靈敏度和準確性，但所能提供的代謝物結構信息不如NMR。此外，應用MS技術檢測樣本前需要對樣本進行預處理，需要用色譜分離技術(LC和GC)將樣本中不同組分分開。

獲取的代謝組學數(shù)據(jù)可用多元統(tǒng)計分析方法(主成分分析、偏最小二乘法、多維等級法等)進行統(tǒng)計和歸類分析，從而提取與代謝特征或代謝時空的整體變化密切相關的小分子[15]。經(jīng)典代謝組學流程如圖2所示。

在過去幾年內，研究者們不斷努力應用代謝組學尋找有效生物標記物，用于哮喘的診斷，監(jiān)控和治療。早期代謝組學的研究如表1所示。

圖2代謝組學研究流程圖

Fig2Flow chart of Metabonomics

代謝組學在哮喘中的研究進展

隨著代謝組學及其技術的不斷發(fā)展，研究方法日趨成熟，其對哮喘代謝信息的研究更加全面。這對闡明哮喘的發(fā)病機制研究，早期診斷及防治，病理生理學方面的研究產(chǎn)生積極影響。

哮喘發(fā)病機制研究

哮喘的發(fā)病機制十分復雜，迄今為止仍未完全明了。不同類型的哮喘發(fā)病機制不盡相同，也可能交互重疊。多數(shù)人認為，過敏反應、氣道慢性炎性反應、氣道反應性增高及植物神經(jīng)功能障礙等因素相互作用，

共同參與哮喘的發(fā)病過程。代謝組學能檢測出哮喘患者和正常人群體內小分子代謝物的差異，尋找出與哮喘發(fā)病機制相關的代謝標志物，從而解釋哮喘的發(fā)病機制，并找出合適的治療方法。Jung等[20]收集了39例哮喘患者和26名正常對照者血清，用基于1H-NMR的代謝組學方法探究哮喘患者代謝異常情況。該研究發(fā)現(xiàn)，哮喘患者體內甲硫氨酸、谷氨酰胺和組氨酸濃度高于正常人，而甲酸、甲醇、乙酰膽堿、精氨酸、葡萄糖等濃度低于正常人；由此提出，精氨酸、DNA等甲基化的增強能提高氣道炎性反應風險，甲基化程度可能跟哮喘的發(fā)展和惡化有關。

哮喘早期診斷

哮喘的正確診斷是治療前提，對哮喘藥物治療和臨床實驗研究(如代謝組學在哮喘治療)等至關重要。但由于目前存在許多與哮喘癥狀相似的疾病，易造成誤診。鑒于此，在過去的幾十年，人們不斷努力尋找用于哮喘的診斷、監(jiān)控和治療的關鍵代謝物。

用代謝組學檢測哮喘患者呼出氣體冷凝物(exhaled breath condensate，EBC)是目前哮喘診斷研究的熱點。2007年，Carraro等[16]對25例哮喘兒童和

表1　代謝組學在哮喘中應用

NMR：磁共振技術；LC：質譜分析法；LC-MS：液相色譜-質譜分析法；GC-MS：氣相色譜-質譜分析法

11名同齡正常兒童進行對比，首次嘗試將基于NMR的代謝組學技術運用于EBC檢測；根據(jù)NMR檢測數(shù)據(jù)，研究者發(fā)現(xiàn)，在3.2～3.4 ppm光譜區(qū)域的氧化物及1.7～2.2 ppm光譜區(qū)域的乙?；锖看嬖诿黠@變化，可根據(jù)這些變化將哮喘兒童與正常兒童區(qū)分開，其成功率高達86%，而傳統(tǒng)檢測呼出一氧化氮和1 s用力呼氣容積(forced expiratory volume in one second，F(xiàn)EV1)的成功率僅有81%。

代謝組學僅需要收集患者生物體液，對其傷害小，使其適應性強，利用相應計算機模式識別技術，可分析判斷出哮喘的嚴重程度。2013年Carraro等[17]繼續(xù)將代謝組學運用到EBC檢測的研究中，證明了代謝組學應用于EBC分析可以明確區(qū)分不同嚴重程度哮喘患者生化代謝作用，且能鑒別出患有嚴重哮喘的患者。

此外，代謝組學研究還集中在識別尿液和血液等樣本中的生物標記物，據(jù)此同樣能夠準確診斷哮喘患者。如Mattarucchi等[18]于2011年將基于LC-MS的代謝組學技術運用到哮喘患者尿液樣本的檢測中，并從中尋找到代表性標記物作為哮喘診斷的依據(jù)，參與研究的實驗者中包括41例哮喘患者和12名正常人。該實驗證明了從尿液樣本中得來的代謝信息具有識別哮喘和獲知在炎性反應中起重要作用的代謝物的能力。

2013年Ried等[19]嘗試將MS代謝組學運用于哮喘，該研究旨在探索哮喘、參與研究者患哮喘風險以及等位基因代謝物之間的關系。該試驗收集試驗者血清進行研究，發(fā)現(xiàn)卵磷脂、磷脂酰膽堿濃度變化可用于識別診斷哮喘。

總之，通過代謝組學技術(NMR、MS)收集檢測患者的生物液體(EBC、血液、尿液)能尋找出輔助臨床診斷的有效生物標記物。通過觀察這些生物標記物的變化能幫助臨床有效、無創(chuàng)性的識別診斷哮喘。另外，代謝組學亦能提高患者的適應性。

哮喘病理生理學研究

哮喘是一類由過敏原引發(fā)的氣道炎性反應，氣道炎性反應是哮喘病理生理學各階段中最主要的病理改變。如過敏原在呼吸道激發(fā)上皮破壞，基底膜增厚，平滑肌肥大等組織病理學改變。氣道、支氣管黏膜均有輔助T細胞2細胞因子大量表達的輔助性T細胞、嗜酸粒細胞和肥大細胞浸潤，同時產(chǎn)生組胺、白三烯、前列腺素、血小板活化因子、趨化因子和緩激肽等，最終形成呼吸道慢性炎性反應。

正常機體代謝紊亂性變化往往能在尿液和血液等體液中得到體現(xiàn)，代謝組學研究通過對機體的尿液和血液等體液進行檢測和分析，了解和認識哮喘發(fā)生過程中伴隨的生物化學變化，從而能發(fā)現(xiàn)早期生物標記物，用于哮喘的早期診斷。此外，對顯著變化的關鍵代謝物進行分析，可進一步了解哮喘的病理生理機制，對哮喘預防和治療具有重大指導意義。

2013年Ried 等[19]首次嘗試將代謝組學和基因組信息結合用以探究哮喘的病理生理機制，由此更好的了解哮喘發(fā)病機制，遺傳變異調查和預測，以及哮喘診斷和治療。

新藥研發(fā)及藥物療效監(jiān)測

代謝組學可用于藥物藥效及毒性的篩選和評價、作用機制研究和合理治療用藥等方面的研究。目前，代謝組學在哮喘藥物開發(fā)領域的研究較少。一方面由于對哮喘代謝組學研究仍缺乏深入認識，另一方面由于人體代謝物種類繁多及人體代謝的復雜程度，上述因素限制了代謝組學在哮喘的藥物研發(fā)中的應用。

代謝組學可以監(jiān)測哮喘患者服藥后體內小分子的代謝情況，有助了了解機體內內源性代謝物的變化，能直接反映出機體內生物化學過程和狀態(tài)的變化。另外，還可通過代謝組學進一步探索藥物作用靶點、作用機制，以追求更好的治療效果。

代謝組學現(xiàn)存問題及展望

目前，代謝組學技術仍存在一些問題。作為一門新興科學，其發(fā)展尚不完善，如分析手段有限、檢測儀器的價格昂貴等，真正找到并能用于臨床的標志物并不多，在實踐上還需更多研究。另外，疾病診斷過程中由于受各種生理因素，如飲食、健康狀態(tài)、年齡、晝夜節(jié)律、壓力、遺傳變異等的制約，這些都會影響代謝組學檢測的準確性。

雖然存在一些技術問題，但代謝組學作為一種新型診斷哮喘的方法是十分可行的。隨著研究的深入，利用代謝組學技術篩選和監(jiān)測正常人群和哮喘患者組織和體液中小分子代謝物變化進行哮喘研究，從而獲知哮喘的病理機制，為哮喘的臨床診斷及后期治療提供依據(jù)。另外，通過探究與哮喘相關的小分子代謝物異變變化，也可為尋找新的治療途徑提供思路。隨著代謝組學研究的不斷深入，其將為疾病的診斷提供新方法，尤其在哮喘的診斷和治療上。

總之，將代謝組學運用于哮喘的診斷治療、發(fā)病機制以及病理生理學方面的研究是可行的，這也將是未來的研究熱點之一。

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