赵黎 李青松 缪晚虹

[摘要] 代谢组学属于系统生物学的一部分，对基因功能的阐述和生命体整体观的认识具有重要意义，其依赖磁共振波谱、质谱、色谱、光谱等分析化学技术来获取数据，检查标本通常为血浆、尿液、体液或者组织，已经广泛应用于基础生命科学、临床科学、药物研发和中医药等学科。眼科学方面的研究也逐渐增多，现就代谢组学的基本原理及在干眼症、角膜疾病、晶体疾病、青光眼、眼底疾病和视神经疾病等方面的成果进行系统综述。

[关键词] 代谢组学;眼科;质谱;系统生物学

[中图分类号] R589          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）02（b）-0041-05

Research progress of metabolomics in ophthalmology

ZHAO Li   LI Qingsong   MIAO Wanhong

Department of Ophthalmology， Putuo Hospital， Affiliated Shanghai University of Traditional Chinese Medicine， Shanghai   200062， China

[Abstract] Metabonomics is a part of system biology. It is of great significance to explain gene function and to understand the overall view of life. It relies on nuclear magnetic resonance spectroscopy， mass spectrometry， chromatography， spectroscopy and other analytical chemistry techniques to obtain data. The examination specimens are usually plasma， urine， body fluid or tissue. It has been widely used in basic life science， clinical science， drug research and development， traditional Chinese medicine and other disciplines. The research in ophthalmology is also gradually increasing. This article reviews the basic principles of metabonomics and its achievements in dry eye， corneal diseases， crystal diseases， glaucoma， fundus diseases and optic nerve diseases.

[Key words] Metabolomics; Ophthalmology; Mass spectrometers; System biology

隨着生命科学的发展，对生命体的认识逐渐转变为整体水平，代谢组学属于系统生物学的一部分，对基因功能的阐述和生命体整体观的认识具有重要意义[1]，代谢组学经过20多年的发展，日趋成熟[2]，已经广泛应用于基础生命科学、临床科学、药物研发和中医药等学科。查阅文献发现代谢组学眼科学方面的研究也逐渐增多，现就代谢组学的基本原理和眼科方面的成果进行系统综述。

1 代谢组学的概念

代谢组指生命体内源性代谢物质的动态整体，包括核酸、蛋白质、脂类以及其他小分子代谢物，为区别基因组、转录组和蛋白组，目前代谢组主要研究质量< 1000的小分子代谢物，而检测、量化和编录机体内源性代谢物，并寻找其变化规律的研究方法称为代谢组学。

2 代谢组学的检测分析技术

代谢组学主要依赖分析化学技术，包括磁共振波谱、质谱、色谱、光谱等方法获取数据，当前主要分为磁共振波法（NMR）、气象色谱质谱联用法（GC/MS）和液相色谱质谱联用法（LC/MS）。NMR原理是控制并探测原子核的运动，分析待检物中分子内官能团的结构，其优点是无偏移、无损伤、所测样品中波峰与每个氢原子相对应;缺点是灵敏度较低，若被检样品浓度差别较大就无法检出。GC/MS原理是对气相色谱扫描获得每个峰的质谱图，然后通过质谱数据库尽心比对，进行鉴定;具有高分离性和高灵敏度的优点，但处理前需要衍生化。LC/MS不用衍生化，但分离效率低，耗时较长。其检测数据常用主成分分析法（PCA）和偏最小二乘法（PLS），输出结果为scoresplot和loadingsplot图。

3 代谢组学标本的选择

代谢组学样本常选取血浆、尿液、体液或者组织，但血浆和尿液只能反映全身平均综合状态，局部情况最好选取局部体液和组织。Viant等[3]在研究脑外伤动物模型时发现局部脑组织中出现代谢紊乱而血浆中没有改变。Kunikata等[4]对18例糖尿病视网膜病变研究时发现过硫化物和多硫化物在房水中和玻璃体液中升高，但是血浆中没有差异，所以对于眼科代谢组学研究时样本应尽量取眼局部组织和局部液体。

4 干眼症（DES）

DES是最常见的眼表疾病[5-7]，多见于60多岁的老年人[8-9]。直到2011年才首次采用泪液标本进行代谢组学分析，2014年Galbis-Estrada等[10]发现DES与正常人泪液差异性代谢物为N-乙酰氨基葡萄糖、谷氨酸、肌酸、氨基？譙-丁酸甲酯、胆碱、乙酰胆碱、精氨酸、磷酸乙醇胺、胆固醇/脂质、葡萄糖和苯丙氨酸等。2015年进一步研究[11]发现，正常组泪液中有丰富的糖蛋白和流动脂质，具体包括脂类/胆固醇、亮氨酸、甘油和谷氨酸，而DES中葡萄糖和乳酸含量增加，且甲酸和N-乙酰葡萄糖随着DES的炎症程度增加而降低，而服用抗氧化剂和ω-3脂肪酸3个月后，代谢物的差异性减小。Chen等[12]采用液相色谱和四极杆飞行时间串联质谱进行代谢组学分析发现DES和正常组泪液有34种差异性代谢物，其中1，2-二甲基-4-（6-甲基-4-庚烯基）-1，3-环己二烯含量降低，而其余33种代谢物升高，其中大部分具有抗炎作用和保护作用，例如3-羟基邻氨基苯甲酸、焦谷氨酸、尿苷和尿酸等。而血清检测可以反映全身综合情况，2017年一项涉及2819名大规模横断面研究发现血清雄激素水平降低与DES密切相关[13]。

5 角膜疾病

作为全身性疾病，糖尿病可引起多种病变，如糖尿病神经病变、糖尿病肾病、炎症和氧化应激导致永久性器官损伤[14-15]，眼科常见糖尿病视网膜病变、糖尿病性白内障和糖尿病性角膜病变，造成80%糖尿病患者视力严重损害[16]。Priyadarsini等[17]采用糖尿病患者角膜基质和无糖尿病患者角膜为样本进行代谢组学分析，发现糖尿病性角膜较高浓度的葡萄糖胺，哌啶酸，亚精胺和甜菜碱，但作为2型糖尿病生物标志物的乙醛酸两组间无差异，葡萄糖衍生代谢物乙醇酸和甘油酸无差异，三羧酸循环中间体琥珀酸盐、富马酸盐、苹果酸盐和草酰乙酸盐同样无差异，说明糖尿病性角膜营养不良与葡萄糖代谢无关。

6 晶体疾病

晶体的主要部分是不活跃的代谢性纤维细胞，缺乏细胞核和其他细胞器，能后分散光线，随着机体老化，晶体内代谢物质浓度会随之改变，目前晶体内代谢物转运机制仍知之甚少，Tsentalovich等[18]对6个老年性白内障晶体和9个正常晶体内代谢物进行NMR和LC-MS检测发现无白内障的晶体和白内障晶体中大部分代谢产物相似，只有极少抗氧化剂和紫外线吸收剂有差异，无白内障组核内谷胱甘肽、抗坏血酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸多于白内障组，而皮质内4-（2-氨基-3-羟基苯基）-4-氧代丁酸O-b-D-葡萄糖苷、谷胱甘肽-3-羟基犬尿氨酸、谷胱甘肽-3-羟基犬尿氨酸O-b-D-葡萄糖苷和半胱氨酰-3-羟基犬尿氨酸O-b-D-葡萄糖苷低于白内障组。Yanshole等[19]也发现，在白内障晶体中，最丰富的代谢物依次为肌醇、乳酸、乙酸盐、谷氨酸、谷胱甘肽、葡萄糖、谷氨酰胺、丙氨酸和缬氨酸。玻璃体切除术后继发白内障患者较多，Ji等[20]对10例玻璃体切除术后继发白内障的房水和10例无玻璃体切除术白内障房水进行代谢组学检测，共鉴定出263种物质，其中8种物质为差异性代谢物，代谢产物的显著变化包括戊二酸和壬二酸，它们在调节氧化应激和炎性反应中起着关键作用。

7 青光眼

青光眼是一种慢性致盲性眼病[21-22]，到2024年全世界将有1.11亿青光眼患者[23]，根据房角情况青光眼分为开角型青光眼（OAG）和闭角型青光眼（ACG），而亚洲发病率最高的还是原发闭角型青光眼（PACG）[24]。Rong等[25]分别对38例PACG患者和48名正常人志愿者进行差异性代谢物的检测，发现棕榈油酸、亚油酸、γ-亚麻酸和花生四烯酸与PACG具有密切关系，其中PACG患者棕榈油酸和γ-亚麻酸显著升高，而亚油酸和花生四烯酸显著下降，根据相关性分析发现，亚油酸和花生四烯酸与眼压呈负相关，γ-亚麻酸与眼压呈正相关。在POAG方面也有报道[26]，POAG患者棕榈酸肉碱、鞘脂，维生素D相关化合物和类固醇前体多于正常人。同样Buisset等[27]也发现POAG患者精胺和牛磺酸浓度降低，而肉毒碱浓度增加，且牛磺酸和肌酐与渗透作用有关。眼压升高是青光眼重要的危险因素，但体内涉及的具体机制并不清楚，Hysi等[28]对1763名志愿者进行代谢物水平和眼压的测量，发现抗坏血栓代谢物O-甲基抗坏血酸，循环维生素C参与了眼压的调控，能显著影响眼压的降低，减少青光眼视力丧失。剥脱综合征性青光眼（XFG）是一种特殊类型的青光眼，主要是因为年龄相关性系统性纤维病造成纤维沉淀物集聚在眼前节和房水流出通道引起房水流出受阻，Leruez等[29]对16例XFG患者和对照组的18例白内障患者血浆进行代谢组学分析发现，XFG患者血浆中链酰基肉碱（octanoyl-carnitine C8和癸酰基肉碱C10）、酪氨酸、异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸浓度高于对照组。

8 眼底疾病

视网膜缺血是视力损害和盲目的原因，它与许多威胁视力的疾病有关，如年龄相关的黄斑变性疾病、糖尿病视网膜病变和青光眼[30-31]。D′Alessandro等[32]根据HPLC法进行代谢组学分析发现激动剂奥曲肽（OCT）、垂体腺苷酸环化酶激活肽（PACAP）和P物质（SP）可以减少缺血诱导的视网膜细胞死亡、血管内皮生长因子过度表达和谷氨酸释放，可能通过抵抗缺血诱导的氧化应激并促进谷氨酸积累的减少和谷胱甘肽稳态正常化，聚集的α-酮戊二酸可能会增强谷氨酸对缺血的反应，减少过脂质氧化和炎性反应，保证糖酵解通量的正常化，从而防止乳酸的过度积累，促进乙醛酸抗氧化系统的下调，降低嘌呤代谢。孔源性视网膜脱离合并脉络膜脱离（RRDCD）是一种罕见的严重孔源性视网膜脱离（RRD），西方国家发病率为2.0%～4.5%，而中国发病率为4.2%～18.1%[33-35]，虽然对RRDCD治疗的方法研究很多，但病因和发病机制并不是很清楚，Yu等[36]对15例RRDCD和14例RRD进行玻璃体的代谢组学检测，发现RRDCD组较RRD组，L-肉碱、乙酰、琥珀酸、尿酸、丙酮酸、L-苯丙氨酸、胆碱、2-羟基乙酸、尿囊素、谷氨酰胺、尿素、乳酸、2-苯乙酰胺、甘油磷酸胆碱、丙氨酸、花生四烯酸、亚油酸、肌酸、鞘氨醇、神经鞘氨醇等与炎性反应相关的代谢物质降低，而4-氧代脯氨酸升高。中心性浆液性脉络膜视网膜病变（CSCR）的特征改变也是网膜下积液造成神经上皮的分离[37]，特殊的需要手术治疗[38]同样是网膜下液RRD与CSCR代谢产物有什么不同？Kowalczuk等[39]对CSCR组和RRD组网膜下液进行代谢组学检测，发现76种差异性代谢物，其中43种下调，33种上调，主要与糖酵解、糖异生、炎症、补体途径、细胞黏附、胆汁酸代谢以及葡萄糖代谢和盐皮质激素等有关。年龄相关性黄斑变性（AMD）是发达国家老年人视力丧失的主要原因，到2020年仅美国将达到300万人[40]，Laíns等[41]对90例AMD患者和30例对照组患者采用UPLC-MS检测发现87种差异性代谢物，其中48种代谢物贯穿AMD各個阶段。大多数代谢物参与脂质代谢和甘油磷脂代谢，包括硬脂酰-花生四烯酰甘油、二酰基甘油和1-硬脂酰-2-花萼酰甘油-甘油磷脂、α磷脂酰胆碱。进一步发现[42]在AMD的早期，主要是甲酸盐、s-肌醇和蔗糖等代谢物的减少，而晚期主要是柠檬酸盐和缬氨酸等代谢物质的减少。新生血管性年龄相关性黄斑变性（NVAMD）占大部分比例，其特征变化为血液或浆液从异常脉络膜或视网膜血管中漏出造成患者视力丧失，Osborn等[43]对26例NVAMD患者和19例对照组患者血浆进行代谢组学检测发现，NVAMD发病过程中有二肽、三肽、共价修饰氨基酸、胆汁酸和维生素D相关的代谢物参与，与酪氨酸代谢、硫氨基酸代谢和尿素代谢等代谢通路相关。

9 視神经疾病

显性视神经萎缩（DOA），主要由视神经萎缩1（OPA1）基因突变引起，该基因编码参与线粒体膜处理的鸟苷三磷酸（GTP）酶的一种动力蛋白。Bocca等[44]采用了一种超高压液相色谱和高分辨率质谱联用的非靶向临床代谢组学，发现DOA组与对照组相比主要是嘌呤代谢损伤，其中黄嘌呤、次黄嘌呤和肌苷浓度差异性显著，而在尿酸盐、胆碱、磷酸胆碱、甘油、1-油酸酯-rac-甘油、rac-甘油-1-肉豆蔻酸酯、天冬氨酸、谷氨酸和胱氨酸浓度的也有差异。Leber遗传性视神经病变是线粒体DNA相关疾病中最常见的一种，是由影响线粒体复合体Ⅰ的突变引起的。该病的临床表现通常发生在年轻人身上，其典型特征是亚急性、通常是连续的双侧视力丧失，由视网膜神经节细胞变性引起。由于线粒体DNA突变对遗传性视神经病变整体细胞代谢的确切作用尚不清楚，Chao de la Barca等[45]利用高效液相色谱-串联质谱联用技术，对16例Leber遗传性视神经病变患者和8例健康对照组成纤维细胞中的188种代谢产物进行了定量分析，发现124种精确定量的代谢物，其中所有蛋白源氨基酸、亚精胺、腐胺、异戊酰肉碱、丙酰肉碱和五种鞘磷脂物种的浓度降低，同时10种磷脂酰胆碱浓度增加。

10 展望

代谢组学在眼科学研究中仍处于探索阶段，现在各亚学科当中只局限于病因学的研究，并未真正应用到眼科临床，在各种眼科疾病的诊断和机制的研究方面具有巨大的潜力。我们设想，未来各组学联合的方法将越来越多地应用于与眼科疾病的研究，包括鉴别诊断、风险预测功能的生物标志物、评估药物和手术的疗效，为未来精准医学的发展提供动力。

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（收稿日期：2019-08-20  本文編辑：李亚聪）