姚晓丹 万紫苏 郑红梅 刘玉倩 王海涛

(河北师范大学体育学院人体运动生物信息测评重点实验室，河北 石家庄 050024)

糖尿病(DM)分为胰岛素依赖型DM(T1DM)和2型DM(T2DM)，超过90%是T2DM〔1〕。据估计，2017年全世界成年T2DM患者约4.51亿，而2045年将上升到6.93亿〔2〕。T2DM因遗传、环境、饮食、生活方式及其相互作用导致〔3〕，目前确切机制尚不清楚。本文综述新的技术和方法探讨T2DM的复杂机制。

1 代谢组学

代谢组学主要用于识别和测量由于内部或外部环境刺激的整个机体代谢应答反应〔4〕，是一种诊断工具，用于生物体的代谢分类，涉及定量、无创伤的分析体液，如尿液、血液和唾液等。代谢组学通过磁共振光谱(NMR)或质谱(MS)技术分析生物体中大多数的代谢物〔5〕，并确定特定的潜在生物标志物或代谢途径。代谢组学包括综合和系统的代谢物分析及因饮食、生活方式、环境、遗传性、外源因素等导致的整个生物变化的分析。代谢组学可以测量基因组学和蛋白质组学潜在变化表现出的结果，更能直接分析终端产物。因此，代谢组学用于诊断和评价T2DM比传统的方法更具有优势。

2 代谢组学在T2DM中研究状况

代谢组学能有效地将许多代谢性疾病的生物标志物和风险因素建立起联系。通过对生物体液、组织和细胞内源性和外源性代谢物全面的分析，描绘出生物体表型图，如T2DM、肥胖和癌症等疾病。通过检测生物体内源性代谢物，捕捉T2DM的生化网络和代谢途径整体变化，以阐明T2DM代谢网的扰动，确定T2DM的生物标志物〔6〕。目前监测早期阶段指标的代谢水平已成为检测疾病的一个重要途径〔7〕。T2DM在代谢组学多平台研究中表明〔8～10〕，各调控途径的代谢标志物包括糖、脂肪、蛋白质三大能源物质的调控，都与T2DM的发生和发展有密切关系。进而需要确定和定量目前T2DM代谢标志物及调控途径，以更好地研究T2DM代谢紊乱机制和预测疾病的发生。

2.1T2DM的糖代谢 糖代谢是调控机体能量生成的重要代谢途径，糖酵解是其必要过程。在正常生理条件下，糖酵解的转换是各自基因和负责调控代谢物酶的高度表达作用。在特殊情况的扰动下，如胰岛素缺乏、肥胖等，这些调控酶会出现缺陷。有研究用高脂饮食诱导胰岛素抵抗的C57BL/6模型小鼠结果证明在此情况下，糖酵解酶如烯醇化酶的表达在外周组织中下调〔11〕。胰岛素缺乏是一种常见的危险因素，与DM前期发展密切相关，胰岛素抵抗会导致某些外周组织细胞葡萄糖利用率改变和受损。由于线粒体抗氧化防御系统的损害，高血糖通过大量生产超氧化物分子诱导氧化应激，可能会导致糖代谢中许多生化调节途径改变。线粒体是通过各种代谢途径氧化营养物质的中间场所，线粒体呼吸链系统中的缺陷可能会影响某些代谢物水平(丙酮酸、丙氨酸和乳酸)，损害系统可能减慢丙酮酸氧化为乙酰-CoA速率，丙酮酸在细胞溶质积累前，会产生过量的丙氨酸和乳酸。生理上，血液和尿液中乳酸水平的稳态是通过细胞、组织和器官的代谢协调维持的，如骨骼肌、脑、红细胞和脂肪组织。乳酸是发生糖异生的碳源之一，肥胖的T2DM患者血、尿和肝组织中乳酸的浓度都升高。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠中，尿和血清中的乳酸水平均高于正常饮食的小鼠；通过代谢分析，Zucker大鼠肝脏、尿液和血液中乳酸的异常积累是由于瘦素受体缺乏〔12〕。研究表明，血液中乳酸积累的主要来源之一是因为皮下脂肪沉积和较大的脂肪量，肥胖的T2DM患者与脂肪细胞的多少有密切关系〔13〕；通过代谢组学的方法检测T1DM和T2DM患者，发现丙酮酸代谢浓度水平是正常对照组的9.4倍〔14〕。另外，用氢NMR(1H-NMR)分别分析了高脂饮食小鼠、大鼠的血浆和尿液〔12〕，也证明了整个系统生物体中丙酮酸异常积累。T2DM患者血浆丙酮酸水平突然增加也可能是线粒体中α-酮戊二酸转氨作用通过丙氨酸转氨酶(ALT)对高脂饮食产生代谢反应。T2DM患者血浆水平中ALT表达增强，随后影响三羧酸(TCA)循环中体代谢和其他中央碳代谢，高血糖也可能加速葡萄糖氧化速率，进而导致丙酮酸过量累积〔14〕。综上，T2DM整个生物系统的代谢适应与糖酵解途径发展有密切相关。DM与大量糖代谢产物密切联系，主要表现在代谢浓度的改变，包括葡萄糖、甘露糖、脱氧己糖(主要是脱氧葡萄糖)、糖醛酸、二糖(主要是麦芽糖)等，除了DM患者的葡萄糖和甘露糖高外，肝果糖代谢受损，破坏果糖的转运，多元醇通路的作用也可能有助于增加血清果糖浓度，进而可能会诱发胰岛素抵抗，影响葡萄糖代谢；糖基化蛋白的生物合成在DM组被提高了90%以上，可能导致血糖浓度的增加，包括含有N-乙酰氨基葡糖和唾液酸基团；此外，DM组的1，5-脱水葡萄糖醇(1，5-AG)浓度相对于正常组降低，与血糖和糖化血红蛋白呈负相关〔15〕。目前1，5-AG是一个监测DM患者血糖很好的指标〔16〕。

2.2T2DM的蛋白质代谢 氨基酸是包含必需和非必需基团重要的生物有机化合物，影响机体生理功能及正常代谢，并间接参与多种生物活性，如激素生物合成和神经传递。研究证明支链氨基酸(BCAAs)代谢和DM有很强的关联性〔10〕。近几年已经应用代谢组学研究各种氨基酸代谢途径的变化，也分析了氨基酸代谢酶活性的缺陷，如BCAAs缺陷酶影响血液循环中BCAAs的平衡水平。文献证明BCAAs在DM组的变化〔10，17〕。早期研究证明在T1DM和T2DM患者中，BCAAs(亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸)及γ-谷氨酰衍生物都明显增加，表明短期代谢控制受损〔17〕。也有研究证明T2DM早期1～5 w大鼠血清代谢变化，除BCAAs浓度升高外，两个芳香氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸)水平也升高，而氨基丙酸、苏氨酸浓度降低〔18〕。代谢分析表明，在肥胖/超重受试者中，这些代谢物的浓度也会发生改变。在线粒体功能障碍时，会减弱氨基酸有关的几个代谢途径。已有研究发现，在肥胖Zucker大鼠和小鼠的周边组织中，线粒体支链氨基酸转氨酶(BCATm)和支链α-酮酸脱氢酶复合物(BCKDC)活性减弱；肥胖和T2DM患者中BCAAs和两个芳香氨基酸相对浓度增加外，还有多种氨基酸如高瓜氨酸、丙氨酸和色氨酸的也增加〔16〕。

在细胞水平上，肥胖T2DM患者脂肪组织中的支链氨基酸氧化酶下调，用支链转氨酶(BCAT)基因敲除的小鼠作为诱导胰岛素抵抗模型进一步报道表明，小鼠脂肪组织中的BCAAs代谢一并受损，从而导致血清中BCAAs水平的异常积累〔19〕。血浆中BCAAs浓度升高，是因为在DM状况下，支链酮酸脱氢酶活性降低，肝外BCAAs降解减少导致血浆中浓度升高〔20〕。而BCAAs和两个芳香氨基酸可被作为预测高血糖症和T2DM的发展最佳临床指标〔21，22〕。

2.3T2DM的脂代谢 脂肪酸及其派生物是生命活动能量的重要来源。研究发现脂肪酸代谢系统的损伤，骨骼肌和心肌中长链脂肪酸积累引起氧化代谢缺陷，导致了胰岛素信号通路的异常变化〔23〕。氧化应激和脂质过氧化作用是加速T2DM并发症发展最常见的不利因素。而氧化应激对代谢性疾病病理生理特征起重要作用，特别是T2DM的分子机制，但目前有关的分子机制作用仍不明确。高代谢通量的游离脂肪酸进入线粒体可能超越线粒体脂肪酸氧化能力，最终导致活性氧和脂质中间体，造成组织损伤，即脂毒性。反过来，这些分子通过激活活性氧和炎症信号途径，影响胰岛素信号途径，从而给内质网带来压力〔24〕。代谢组学检测发现T2DM患者游离脂肪酸的相对浓度升高，一些饱和脂肪酸(SFA)、多不饱和脂肪酸(PUFA)和单不饱和脂肪酸(MUFA)的化学组成也有显著变化〔25〕。也有研究发现在糖耐量受损(IGT)受试者中，大部分游离脂肪酸增加，SFA增加比MUFA和PUFA更明显〔26〕。也有研究表明，DM使脂质稳态改变，降低了中等长链的脂肪酸和花生四烯酸(AA)，增加长链脂肪酸和PUFA〔16〕。用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)检测血浆酯化脂肪酸(EFA)和非EFA(NEFA)代谢谱，研究发现不同种类的 AA尤其是C20类的脂肪酸可能作为区分T2DM人群病理性异常的常用指标〔27〕。胰岛素功能损害或胰岛素缺乏，导致脂肪分解和脂肪组织释放游离脂肪酸〔24〕。胰岛素抵抗增加脂肪酶的活性，使血脂异常，减弱了蛋白酶的活性及清除三酰甘油(TG)的作用力，使脂代谢异常和TG高血症，脂质代谢紊乱可诱导DM发生，而DM发展可加速脂质紊乱，两者是相互作用〔25〕。 磷脂作为一类脂质，以脂肪酰基的形式构成，主要参与不同膜信号的生物学途径的活动。磷脂是构成细胞膜脂质双分子层的主要组成部分。不同类型的脂蛋白和磷脂如溶血磷脂酰胆碱(LPC)、鞘磷脂和磷脂酰胆碱(PC)分别与T2DM相关联。研究表明，PC种类与高高密度脂蛋白(HDL)和总胆固醇(TC)有关〔28〕，而磷脂酰乙醇胺(PE)种类与TG水平有关〔29〕，但有关T2DM与磷脂间的研究还不清楚。

3 代谢组学在T2DM的发展前景

目前已检测出许多与T2DM相关的代谢标志物，包括糖、脂肪、蛋白质三大能源物质。用代谢组学识别了与T2DM发展密切相关的大量新型潜在的生物标志物，且随着代谢组学平台的灵敏度和特异性的提高而提高。然而，现在代谢组学中未解决的问题之一是验证这些代谢标志物是否在该疾病的发病机制中具有致病作用。在未来，各种疾病研究中采用多组学整合交叉分析技术，可以增加对生物标志物的认识，剖析疾病的生物学机制，发现新的防治和治疗靶点。

4 参考文献

1中华医学会DM学分会.中国2型糖尿病防治指南(2013年版)〔J〕.中国糖尿病杂志，2014；22(8)：2-42.

2Cho NH, Shaw JE, Karuranga S,etal. IDF Diabetes Atlas: Global estimates of diabetes prevalence for 2017 and projections for 2045〔J〕. Diab Res Clin Pract, 2018;138:271-81.

3康继宏，宁 光，吴家睿，等.中国糖尿病防治研究的现状和挑战〔J〕.转化医学研究(电子版)，2012；2(3)：1-24.

4Theodoridis G，Gika HG，Wilson ID.LC-MS-based methodology for global metabolite profiling in metabonomics/metabolomics〔J〕.Trends Anal Chem，2008；27(3)：251-60.

5Tang HR，Wang YL.Metabonomics：a revolution in progress〔J〕.Prog Biochem Biophys，2006；33(5)：401-17.

6Arakaki AK，Skolnick J，McDonald JF.Marker metabolites can be therapeutic targets as well 〔J〕.Nature,2008；456(7221)：443.

7Wang X，Zhang A，Sun H.Future perspectives of Chinese medical formulae：chinmedomics as an effector 〔J〕.OMICS，2012；16(7-8)：414-21.

8Folli F，Corradi D，Fanti P，etal.The role of oxidative stress in the pathogenesis of type 2 diabetes mellitus micro-and macrovascular complications：avenues for a mechanistic-based therapeutic approach 〔J〕.Curr Diab Rev，2011；7(5)：313-24.

9Hafizi Abu Bakar M，Kian Kai C，Wan Hassan WN，etal.Mitochondrial dysfunction as a central event for mechanisms underlying insulin resistance：the roles of long chain fatty acids〔J〕.Diab Metab Res Rev，2015；31(5)：453-75.

10Abu Bakar MH，Sarmidi MR，Cheng KK，etal.Metabolomics-the complementary field in systems biology：a review on obesity and type 2 diabetes 〔J〕.Mol Biosyst，2015；11(7)：1742-74.

11Schmid GM，Converset V，Walter N，etal.Effect of high-fat diet on the expression of proteins in muscle，adipose tissues，and liver of C57BL/6 mice〔J〕.Proteomics，2004；4(8)：2270-82.

12Kim SH，Yang SO，Kim HS，etal.1H-nuclear magnetic resonance spectroscopy-based metabolic assessment in a rat model of obesity induced by a high-fat diet 〔J〕.Choi Anal Bioanal Chem，2009；395:1117-24.

13Kulkarni SS，Salehzadeh F，Fritz T，etal.Mitochondrial regulators of fatty acid metabolism reflect metabolic dysfunction in type 2 diabetes mellitus〔J〕.Metabolism，2012；61：175-85.

14Lu J，Zhou J，Bao Y.Serum metabolic signatures of fulminant type 1 diabetes 〔J〕.J Proteome Res，2012；11(9)：4705-11.

15Xu F，Tavintharan S，Sum CF，etal.Metabolic signature shift in type 2 diabetes mellitus revealed by mass spectrometry-based metabolomics〔J〕.J Clin Endocrinol Metab，2013；98(6)：1060-5.

16Suhre K，Meisinger C，Doring A，etal.Metabolic footprint of diabetes：a multiplatform metabolomics study in an epidemiological setting 〔J〕.PLoS One，2010；5(11)：1-11.

17Vannini P，Marchesini G，Forlani G，etal.Branched-chain amino acids and alanine as indices of the metabolic control in type 1 (insulin-dependent) and type 2 (non-insulin-dependent) diabetic patients 〔J〕.Diabetologia，1982；22(3)：217-9.

18宁 萌，李田乐，段大为，等.2型DM早期大鼠血清代谢组学分析〔J〕.生物医学工程与临床，2016；20(2)：131-5.

19Herman MA，She P，Peroni OD，etal.Adipose tissue branched chain amino acid (BCAA) metabolism modulates circulating BCAA levels〔J〕.J Biolog Chem，2010；285(15)：11348-56.

20Wang SY，Xu R，Shen Z，etal.Significance of plasma acid changes in patients with type 2 diabetes mellitus〔J〕.Hebei Med J，2013；35(17)：2585-6.

21Stancáková A，Civelek M，Saleem NK，etal.Hyperglycemia and a common variant of GCKR are associated with the levels of eight amino acids in 9，369 Finnish men〔J〕.Diabetes，2012；61(7)：1895-902.

22Diao C，Zhao L，Guan M，etal.Systemic and characteristic metabolites in the serum of streptozotocin-induced diabetic rats at different stages as revealed by a1H-NMR based metabonomic approach 〔J〕.Mol Biosyst，2014；10(3)：686-93.

23Ururahy MA，de Souza KS，Oliveira YM，etal.Association of polymorphisms in IL6 gene promoter region with type 1 diabetes and increased albumin-to-creatinine ratio 〔J〕.Diab Metab Res Rev，2015；31(5)：500-6.

24Boyle KE，Canham JP，Consitt LA，etal.A high-fat diet elicits differential responses in genes coordinating oxidative metabolism in skeletal muscle of lean and obese individuals 〔J〕.J Clin Endocrinol Metab，2011;96(3)：775-81.

25Li X，Xu Z，Lu X，etal.Comprehensive two-dimensional gas chromatography/time-of-flight mass spectrometry for metabonomics：Biomarker discovery for diabetes mellitus〔J〕.Anal Chim Acta，2009；633(2)：257-62.

26Zhao XJ，Fritsche J，Wang JS，etal.Metabonomic fingerprints of fasting plasma and spot urine reveal human pre-diabetic metabolic traits〔J〕.Metabolomics，2010；6(3)：362-74.

27Han LD，Xia JF，Liang QL，etal.Plasma esterified and non-esterified fatty acids metabolic profiling using gas chromatography-mass spectrometry and its application in the study of diabetic mellitus and diabetic nephropathy〔J〕.Anal Chim Acta，2011；689(1)：85-91.

28刘双梅，李桂林，汤晓丽，等.甲基莲心碱对2型DM模型大鼠作用的代谢组学研究〔J〕.中国药理学通报，2012；28(4)：490-5.

29van Doorn M，Vogels J，Tas A，etal.Evaluation of metabolite profiles as biomarkers for the pharmacological effects of thiazolidinediones in Type diabetes mellitus patients and healthy volunteers 〔J〕.Brit J Clin Pharmacol，2007；63(5)：562-74.