劉晏東 鄧強 彭冉東 王雨榕 李中鋒 許多芳 楊海云

1.甘肅中醫(yī)藥大學,甘肅 蘭州 730030

2.甘肅省中醫(yī)院,甘肅 蘭州 730050

3.甘肅省中醫(yī)藥研究院,甘肅 蘭州 730050

“肌少癥”(sarcopenia,SP)最早是由Irwin Rosenberg[1]于1988年提出,最初只被用來定義老年人的肌肉萎縮。直到2018年,歐洲老年人肌少癥工作組[2]才將SP定義擴展為:“肌肉的質(zhì)量、力量以及功能的喪失”。SP可導致虛弱、跌倒、骨折、獨立性喪失甚至死亡等嚴重的不良結(jié)局。其高致殘率和致死率給個人健康和社會經(jīng)濟都帶來了巨大的負擔。美國一項針對老年人的調(diào)查發(fā)現(xiàn),SP患病率高達36.5 %[3]。英國學者對社區(qū)居住的老年人(平均年齡為67歲)進行篩查發(fā)現(xiàn),男性SP患病率為4.6 %,女性為7.9 %[4]。而在全世界范圍內(nèi),SP總患病率的估計值在3 %～38 %之間[5-9]。

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)的病理特征是骨密度進行性下降和骨微結(jié)構(gòu)惡化[10],其發(fā)病機制與多種內(nèi)、外源性危險因素有關(guān),這些因素使得骨重塑失衡,骨吸收多于骨形成。OP嚴重影響患者生活質(zhì)量,可導致患者骨折、疼痛和殘疾[11]。此外,OP對公共衛(wèi)生和社會經(jīng)濟造成的影響不容忽視;到2020年為止,OP在全球的罹患人數(shù)已達到了2億,其發(fā)病率僅次于心血管疾病和糖尿病,成為影響高齡人群健康的第三大慢性病[12]?！豆琴|(zhì)疏松防治中國白皮書》調(diào)查顯示,我國至少有2.1億人骨量低于正常標準,存在罹患OP的風險,這一數(shù)據(jù)在未來將持續(xù)增長[13]。

Binkley等[14]在2009年首次提出“肌少-骨質(zhì)疏松癥(osteosarcopenia, OS)”概念并進一步闡釋“肌骨串擾”學說。OS表現(xiàn)為SP與OP共存,但OS的危害遠遠大于單純的SP或OP[15]。SP與OP具有相同的臨床和生物學特征,發(fā)生發(fā)展的伴隨程度較高。在肌-骨亞單位的調(diào)控機制方面,肌骨具有同源性(間充質(zhì)干細胞);肌細胞分泌的肌因子可調(diào)節(jié)骨代謝,而骨細胞也可通過分泌IGF-1等因子影響肌肉代謝[16]。OS流行病學調(diào)查發(fā)現(xiàn),中國老人OS的患病率為18 %,在澳大利亞則高達40 %[17]。

1999年,Nicholson等[18]首次提出“代謝組學”的概念,認為細胞的上游生物破壞會導致一系列代謝變化,因此代謝組擁有能夠預(yù)測表型的豐富信息。代謝組學是建立在基因組學、轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學基礎(chǔ)上的又一新興組織學科,其最初的用途是在疾病的診斷中識別生物標志物,而隨著生物信息學和檢測分析技術(shù)的不斷發(fā)展,代謝組學已成為研究生物過程中活性因素的重要技術(shù),其終極目標是對來自細胞、器官、組織或體液中的低分子量分子進行高通量表征以反映疾病的病理生理過程和潛在治療靶點等[19]。因為肌骨衰減疾病都會發(fā)生劇烈的代謝變化,而代謝組學的主要研究目標恰恰是代謝物,所以說代謝組學在某種程度上與SP、OP及OS具有相通性。

1 代謝組學對OP的研究

OP的診斷主要取決于骨密度和骨轉(zhuǎn)換標志物。然而,這些指標不夠敏感和準確,且無法精準反映OP的病理進展。OP通常以骨重塑失衡為特征,而代謝組學研究OP所涉及的代謝物途徑、組成和濃度的改變可以為OP的診斷、治療、預(yù)后以及理解OP的機制提供新的導向。

1.1 臨床診斷

應(yīng)用代謝組學可以人體的代謝物進行定性、定量分析以診斷OP,更為關(guān)鍵的是進一步判別疾病所處的病理階段。Lee等[20]基于氣相色譜質(zhì)譜技術(shù)(gaschromatography-massspectrometry,GC-MS),通過使用主成分分析和偏最小二乘判別分析,顯示了去勢SD大鼠和假手術(shù)大鼠之間的代謝差異,該研究將較低濃度的苯丙氨酸、色氨酸和丁氨酸鑒定為潛在的主要生物標志物。Ma等[21]也比較了去勢SD大鼠和假手術(shù)大鼠之間的代謝差異,該研究采用GC-MS技術(shù)鑒定潛在生物標志物并且利用主成分分析和偏最小二乘法進行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果顯示,花生四烯酸、同型半胱氨酸、乙二酸、油酸、甘油酸、尿酸、甘油酸和十八碳二烯酸代謝升高,而丙氨酸、蘋果酸、檸檬酸和二十二碳六烯酸代謝降低;郭勝男等[22]應(yīng)用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法篩查原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥患者的差異代謝物,分析得到157個差異性代謝物,其中γ-氨基丁酸、L-異亮氨酸、黃嘌呤、十二烷二酸等93個代謝物上調(diào),谷氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、肌氨酸、苯乙酰甘氨酸等64個代謝物下調(diào)。尹恒等[23]通過超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)(liquid chromatograph mass spectrometer,LC-MS)檢測兩組(肝腎陰虛型OP組和健康組)受試者的血清代謝物,并進行差異分析,共篩選出15個差異代謝物(氨基酸類6個、生物堿類2個、膽紅素類2個、磷脂類1個、惡唑類1個、酚酯類1個、低聚肽類1個、二萜類1個)。Aleidi等[24]進行代謝組學分析發(fā)現(xiàn),OP患者與健康人相比共有94種代謝產(chǎn)物發(fā)生變化,其中52種表達上調(diào),42種表達下調(diào)。此外,研究還發(fā)現(xiàn)組氨酸代謝、氨酰tRNA生物合成、乙醛酸和二元酸代謝、不飽和脂肪酸(FAs)的生物合成對骨骼的影響值最高。這些發(fā)現(xiàn)與先前的代謝組學研究結(jié)果基本一致,均強調(diào)氨基酸、碳水化合物、核苷、脂質(zhì)和脂肪酸代謝在OP中的重要影響[25]。綜上所述,代謝組學可以檢測出健康人和OP患者體液中的代謝物種類和濃度差異, 并準確篩選出一些OP代謝標志物[26]。這也證明代謝組學可以在診斷OP方面發(fā)揮重要作用,但該類實驗大多為以動物作為模型, 臨床研究較少。

1.2 發(fā)病機制

代謝組學不僅可以將代謝物進行差異分析,還可以將代謝數(shù)據(jù)與生物學意義相關(guān)聯(lián)。由于OP代謝物可能隨著骨穩(wěn)態(tài)失衡表現(xiàn)出動態(tài)變化,所以在各種復(fù)雜情況下對代謝物進行縱向時間順序測量可以探索更精確的OP病理機制和進展[27]。世界上首次針對OP的代謝組學研究比較了高骨密度組和低骨密度之間的代謝差異,并篩選出了4種差異代謝物(乳酸、丙酮、乙酸鹽和谷氨酰胺)。之后的大量代謝組學研究證明,OP的病理機制與氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、能量代謝以及腸道微生態(tài)紊亂密切相關(guān)[28]。Huang等[29]研究發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者的精氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和纈氨酸水平升高,而血清中肌酸水平降低,這表明OP的病理發(fā)展可能與一氧化氮生成增多、胰島素樣生長因子-1刺激減弱以及肌因子過度分解有關(guān)。Qi等[30]研究發(fā)現(xiàn),絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者的高密度脂蛋白膽固醇濃度偏低,而低密度脂蛋白膽固醇、三酰甘油和總膽固醇濃度較高。Xue等[31]的研究結(jié)果表明,去勢小鼠血清中低密度脂蛋白、膽堿、甘油磷脂和脂質(zhì)水平升高,這表明OP的加重與脂質(zhì)代謝有關(guān)。此外,骨重塑過程需要大量的能量,如果能量代謝紊亂,骨重塑過程就可能受到影響。動物研究表明,卵巢切除術(shù)和雌激素缺乏會導致能量消耗減少、葡萄糖水平升高、內(nèi)臟脂肪組織聚集和胰島素抵抗逐漸增加,從而影響骨代謝。Wen等[32]通過16 S RNA測序確定了絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松小鼠腸道微生物群的豐度,發(fā)現(xiàn)厚壁菌和擬桿菌的比例顯著增加,并使用LC-MS技術(shù)進一步分析小鼠糞便和血清中代謝物的變化,結(jié)果顯示腸道微生物群和糞便、血清中的代謝物變化可能是絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥發(fā)生發(fā)展的原因。Zhao 等[33]通過對OP小鼠進行代謝組學研究發(fā)現(xiàn),磷脂、鞘脂、甘油?；?、脂肪酰基和甾醇的表達均有較為明顯的變化。從代謝組學角度去理解代謝物變化與OP間的關(guān)系并探索相關(guān)病理機制,可為臨床的靶向治療等提供極大的幫助。

1.3 中藥干預(yù)

中藥治療OP的優(yōu)勢是多成分通過多通道作用到多靶點,但同時也極具復(fù)雜性和干擾性,并且面臨著分子機制不明確,難以實現(xiàn)精準治療的困境。而通過代謝組學能夠篩選出中藥干預(yù)前后的代謝物差異,以明確中藥治療OP的潛在靶點及其分子機制[34]。淫羊藿是一種對OP有明確治療作用的傳統(tǒng)中藥,但其具體分子機制尚不明確。Zhao等[36]利用超高效LC-MS技術(shù)分析了淫羊藿提取物干預(yù)下OP大鼠的血清,結(jié)果顯示16種潛在標志物發(fā)生了顯著的代謝變化;通路分析顯示花生四烯酸、甘油磷脂和醚脂的代謝為主要的作用途徑,從而調(diào)控大鼠骨代謝水平。杜仲具有改善骨代謝,促進骨重建的作用。Wang等[37]通過超高效GC-MS技術(shù)發(fā)現(xiàn)杜仲提取物可使去勢大鼠血清中甘氨酸、賴氨酸、色氨酸、二十二碳六烯酸及葡萄糖5種代謝物回調(diào),這可能是杜仲通過調(diào)控氨基酸代謝和氧化應(yīng)激等途徑影響骨代謝。葛根素可以改善絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥,而葛根素抗OP療效的內(nèi)在機制仍然模糊不清。Li等[38]基于血清代謝組學發(fā)現(xiàn)葛根素可通過調(diào)節(jié)磷脂代謝和多不飽和脂肪酸的生物合成改善去勢大鼠的脂質(zhì)代謝,并激活Wnt途徑和抑制PPARγ途徑減少間充質(zhì)干細胞的成脂分化,促進新骨生成。名方青娥丸已被用于治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥,但起效機制仍不清楚。Xie等[39]通過超高效LC-MS技術(shù)確定了青蛾丸干預(yù)下去勢大鼠血清中19種內(nèi)源性代謝物的變化,為以后研究青蛾丸治療OP的機制奠定了基礎(chǔ)。金天格的主要成分是人工虎骨,可以有效增加骨密度。方穎琪等[40]通過檢測金天格干預(yù)下OP大鼠的代謝物發(fā)現(xiàn),金天格有可能是通過調(diào)控色氨酸、維生素B6、甘油磷脂的代謝和氨基?；?tRNA的生物合成以抗OP。劉文靜等[41]基于代謝組學研究發(fā)現(xiàn)健骨顆?？筄P的機制與不飽和脂肪酸、類固醇激素的生物合成及泛酸和輔酶A的生物合成等代謝通路有關(guān)。

2 代謝組學對SP發(fā)病機制的研究

代謝組學對SP的研究較少且主要集中在發(fā)病機制方面,研究顯示在肌肉減少狀態(tài)下炎癥浸潤、代謝刺激和胰島素抵抗可能導致氨基酸代謝失調(diào)。此外,主要的脂質(zhì)類別和線粒體功能在肌肉減少過程中也受到影響[42-43]。

2.1 脂質(zhì)代謝失調(diào)

組成脂質(zhì)的多樣化分子在肌肉中具有重要作用,肌細胞內(nèi)脂質(zhì)含量增加是肌肉代謝失常的常見特征[44]。研究發(fā)現(xiàn),老年人細胞內(nèi)脂質(zhì)的體積和密度均高于年輕人[45-46];另外,與健康人相比,SP患者骨骼肌中主要磷脂類別的總豐度顯著增加。代謝組學研究發(fā)現(xiàn)總磷脂酰膽堿和磷脂酰乙醇胺水平與肌肉質(zhì)量和功能呈負相關(guān),這表明磷脂可能與SP的發(fā)生具有因果關(guān)系[47]。楊蕾[48]通過代謝組學研究發(fā)現(xiàn)SP患者的1-棕櫚酰-2-油?；字８视汀⑸窠?jīng)酸、旋藻酸、硫酸吲哚酚和脫氧核糖-5-磷酸鹽等不飽和脂肪酸含量顯著增長。此外,脂質(zhì)代謝(主要為脂肪酸、磷脂和脂肪因子)與腸道菌群的相互作用對骨骼肌線粒體能量代謝也有深遠的影響[49]。目前有關(guān)SP脂質(zhì)的代謝組學研究相對較少,只是確定了肌肉減少的常見脂質(zhì)特征;所以在這一方面需要更多的代謝組學研究來驗證這種特征,并為脂質(zhì)失調(diào)引起的SP提供更深度的分子機制。

2.2 氨基酸代謝失調(diào)

多項代謝組學研究已經(jīng)證明SP患者的氨基酸水平異常,尤其是支鏈氨基酸及其相關(guān)代謝物的濃度與SP患者的肌肉橫截面積顯著相關(guān)[50-52]。其中,亮氨酸及其代謝物(α-羥基異己酸酯)和兩種色氨酸相關(guān)代謝物(C-糖基色氨酸和吲哚丙酸酯)濃度對肌肉橫截面積的影響率高達21 %[53]。部分相關(guān)研究的局限性在于沒有將氨基酸濃度與肌肉功能聯(lián)系起來,而肌肉功能恰恰是診斷SP的重要指標。一項將肌肉功能與肌肉質(zhì)量共同納入SP診斷標準的研究發(fā)現(xiàn),SP患者血清中的亮氨酸、異亮氨酸和色氨酸顯著高于相同年齡的健康人[54]。其他非支鏈氨基酸或必需氨基酸相關(guān)代謝物(脯氨酸、天冬氨酸和谷氨酸)的失調(diào)也與肌肉減少有關(guān)[55]。張明銘等[56]研究發(fā)現(xiàn)骨保護素基因敲除可能是通過影響氨基酸代謝來調(diào)節(jié)亞精胺和泛酸等代謝物的水平,從而導致骨骼肌萎縮。早期組學研究試圖闡釋肌肉流失的機制,然而,得出的結(jié)論存在局限性,盡管氨基酸可能為肌肉減少提供代謝特征,但無法確定氨基酸代謝異常與肌肉減少之間的因果關(guān)系,氨基酸在肌肉損耗過程中的確切作用仍不清楚。

2.3 能量代謝失調(diào)

線粒體作為肌細胞的代謝中心,在SP的發(fā)病和治療中發(fā)揮著重要作用[57]。線粒體不僅在氧化磷酸化、堿性磷酸酶合成以及能量代謝中起重要作用,而且還具有調(diào)節(jié)衰老肌細胞核結(jié)構(gòu)和肌纖維可塑性的能力,表明線粒體是維持肌細胞活性的能量庫[58]。Meng等[59]研究發(fā)現(xiàn),去氧化和衰老都會導致線粒體質(zhì)量和功能的下降,進而導致脂質(zhì)代謝的變化,表明線粒體衰變是SP發(fā)病的驅(qū)動因素。另有研究發(fā)現(xiàn),有肌肉減少風險的老年人的磷酸肌酸恢復(fù)率顯著低于健康同齡人[60],這也表明線粒體功能降低是導致肌肉衰減的原因,因此我們普遍認為線粒體參與肌肉質(zhì)量和功能的調(diào)節(jié)[61]。筆者認為,根據(jù)代謝物的變化來干預(yù)線粒體功能以改善SP癥狀是一個具有潛力的領(lǐng)域。例如運動可有效減緩SP進展,而線粒體則扮演動力源的角色;在此過程中,機械負荷調(diào)節(jié)骨骼肌中的線粒體電子傳遞以改善氧化磷酸化,提高自噬水平和抗氧化能力。

3 SP與OP的共通之處

在SP和OP的病理發(fā)展過程中,二者在不同水平上具有潛在的聯(lián)系。炎癥、內(nèi)分泌、旁分泌、生物力學和遺傳基因等都是二者共同的致病因素[15-16]。二者的密切關(guān)聯(lián)還體現(xiàn)在臨床癥狀、伴隨程度、信號通路及治療靶點等方面,下文主要論述二者之間的代謝聯(lián)系。在雌激素方面,Wei等[62]基于UHPLC-Q-TOF/MS檢測技術(shù)對OS小鼠模型的雌激素代謝變化以及雌二醇治療效果進行研究發(fā)現(xiàn),去勢小鼠的代謝物發(fā)生了代謝重構(gòu)。此外,該研究還鑒定出了65種差異代謝物,其中58種差異代謝物可以通過補充雌激素來逆轉(zhuǎn)。通路分析發(fā)現(xiàn)OS與嘌呤、甘油磷脂、色氨酸、組氨酸的代謝,精氨酸的生物合成以及氧化磷酸化等有關(guān)。Miyamoto等[63]應(yīng)用CE-TOFMS檢測技術(shù)對OS患者的血清進行全面代謝組學隊列研究發(fā)現(xiàn),血清甘氨酸、血清?；撬岬乃浇档鸵约肮习彼岬乃缴呖稍谝欢ǔ潭壬项A(yù)測OS的病理發(fā)展,但其具體機制尚不清楚。肌肉和骨骼通過骨因子和肌因子參與全身代謝功能,而脂質(zhì)是骨因子和肌因子的關(guān)鍵部分。比如胰島素樣生長因子-1(骨因子)可在骨吸收發(fā)生時分泌并激活成骨細胞,還可通過脂質(zhì)介導抑制肌肉不良代謝以提高肌肉質(zhì)量[16]。另有研究表明,老年人的肌肉和骨骼中的二酰基甘油和神經(jīng)酰胺顯著失調(diào)[64],說明脂質(zhì)代謝變化與肌、骨的質(zhì)量直接相關(guān)。SP和OP共有的高代謝特征決定了代謝組學技術(shù)在肌骨共病視域的研究中具有不可替代的重要性。

綜上,近十年來,運用代謝組學研究肌骨衰減疾病取得了重大進展。這些研究不僅會促進新生物標志物的發(fā)現(xiàn),也為深入了解肌骨病變的深層機制和病理進程提供了新導向和新策略。隨著中醫(yī)藥在肌骨衰減疾病中發(fā)揮出日益重要的作用,我們發(fā)現(xiàn)代謝組學的綜合、動態(tài)等分析特性與中醫(yī)的整體觀念和辨證論治等思想是相通的,可以為肌骨衰減疾病的中醫(yī)辨證論治提供新思路和新方法。應(yīng)用代謝組學研究中藥治療肌骨衰減疾病不僅可以彌補蛋白組學分析所存在的數(shù)據(jù)丟失、信息干擾等不利因素,還有利于明確多種有效成分在代謝水平上的相互作用以及復(fù)雜的代謝途徑。此外,多種代謝波動所構(gòu)成的作用網(wǎng)絡(luò)還可顯示中藥治療肌骨病變前后機體的整體變化。雖然目前大多數(shù)有關(guān)中藥治療肌骨病變的代謝研究采用的是網(wǎng)絡(luò)藥理學結(jié)合非靶向代謝組學的方法和思路,但是這也為未來采用靶向代謝組學進行相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。但由于大部分肌骨衰減疾病的代謝組學研究皆為橫斷面設(shè)計,所以無法確定代謝通路失調(diào)的確切位置,從而影響了靶向治療的開發(fā)。肌骨衰減疾病具有復(fù)雜的生物學信息,任何一種單獨的技術(shù)都無法全面分析其微觀變化。在未來,只有充分利用多組學技術(shù)進行綜合分析才會更加全面的掌握有關(guān)分子層面的動態(tài)改變。