刘 振，周 宁，2，刘 通，王洋洋，刘振辉，张雅文，郑晓珂，2△，冯卫生，2△

（1河南中医药大学，2河南省中药开发工程技术研究中心，河南郑州 450046）

抑郁症（depression）是一种常见的情感障碍性疾病，以显著而持久的情绪低落为主要特征，同时伴有睡眠质量差、食欲减退、思维迟钝、精神不集中、兴趣缺失等症状，严重者会有自杀倾向。近年来抑郁症的发病率越来越高，给社会带来的各种负担也越来越重。据世界卫生组织报道，全球抑郁症患者超过3亿，约占全球总人口的4.4%［1-2］，2020 年抑郁症将成为仅次于心血管疾病的第二大人类健康负担，所造成的经济负担约2.5 万亿美元，占全球疾病总负担的10%［2-3］。但抑郁症的发病机制十分复杂，主要包括遗传、下丘脑-垂体-肾上腺（hypothalamic-pituitaryadrenal gland，HPA）轴、细胞因子、神经营养因子等多种影响因素，涉及到生理生化、心理与社会环境等诸多方面，相应抗抑郁药物的治疗机制尚无法阐明［1］。因此抑郁症的诊断主要是医生依据汉密尔顿抑郁量表（Hamilton depression scale，HAMD）并结合患者的临床症状、情绪表现、主诉等进行评分和判断。

代谢组学（metabolomics）是一门新兴的系统生物学研究方法，通过对机体内源性小分子代谢物及其涉及的代谢通路进行分析，对探究代谢物与生理病理变化之间的相互关系以及药物治疗机制具有一定的指导意义，已经在医药领域中的各个方面得到广泛应用，比如疾病诊断、药理毒理、新药研发、药物筛选等［4］。近年来，应用代谢组学的方法对抑郁症的研究越来越多，有助于更深层次地探究抑郁症的发病机制、抗抑郁药的治疗机制等。

本文综合整理和分析了多篇基于代谢组学技术研究抑郁症患者和抑郁动物模型的文献，从抑郁症诊断生物标志物、代谢通路、发病机制等方面进行分析，总结了代谢组学技术在抑郁症研究中取得的最新成果和进展，以期为抑郁症的相关研究提供有价值的信息和思路。

1 抑郁症患者代谢组学诊断标志物的研究

代谢组学是对机体内源性小分子代谢产物的定性、定量分析，可以用于探究疾病状态下代谢产物的异常变化，这些异常的代谢产物可以作为疾病诊断的生化指标。血液和尿液是代谢组学中最常用的生物样品，以其中的代谢产物作为疾病诊断的检测指标方便易得。近年来，代谢组学在疾病诊断方面的研究越来越多。本文汇总了基于代谢组学的抑郁症患者相关研究文献中出现次数（频数）较高、在样品中变化比较规律的主要标志物，包括：丙氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、葡萄糖、谷氨酸、亮氨酸、乳酸、柠檬酸、牛磺酸、异亮氨酸、谷氨酰胺、缬氨酸、丙酮酸、色氨酸、甘氨酸、N-乙酰糖蛋白等，见表1。经整理后发现，抑郁症患者血液样品中谷氨酸、乳酸、亮氨酸、异亮氨酸和N-乙酰糖蛋白以上升趋势为主，酪氨酸、牛磺酸、葡萄糖、5-羟色胺、丙酮酸和甘氨酸以下降趋势为主；尿液中的丙氨酸、柠檬酸、牛磺酸、葡萄糖和甘氨酸以上升趋势为主，苯丙氨酸以下降趋势为主。因此，上述代谢物具有作为抑郁症诊断标志物的潜力，为抑郁症临床诊断标志物提供了参考和备选。

表1 抑郁症患者中的生物标志物汇总Table 1.Summary of biomarkers in depressed patients

2 对抑郁症患者进行发病机制的探讨

2.1 抑郁症患者生物标志物通路的富集分析 把表1 中的标志物上传到MetaboAnalyst 4.0 在线数据分析软件进行Pathway Analysis 功能分析，结果显示，这些标志物主要涉及的信号通路（均为Impact＞0.2）有：（1）苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成；（2）D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢；（3）牛磺酸和亚牛磺酸代谢；（4）淀粉和蔗糖代谢；（5）苯丙氨酸代谢；（6）丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢；（7）甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢，见图1和表2。

Figure 1.Pathway Analysis results of high-frequency consensus markers in depressed patients.图1 抑郁症患者高频共有标志物的Pathway Analysis结果

表2 抑郁症患者体内代谢通路分析结果总结Table 2.Summary of metabolic pathways in depressed patients

2.2 抑郁症患者生物标志物的生物学功能分析大量研究表明，抑郁症患者体内谷氨酸-谷氨酰胺紊乱与抑郁症的发病机制息息相关，过高的谷氨酸会产生神经毒性，造成神经损伤［23］；谷氨酰胺是谷氨酸的合成前体，在脑组织中主要通过星形胶质细胞实现谷氨酰胺-谷氨酸之间的转化［23］，谷氨酰胺水平上升可能是对抗高浓度谷氨酸神经毒性的补偿行为［4-5］。本文涉及到的文章里患者血液中谷氨酸含量全部表现为上升趋势；而谷氨酰胺水平变化紊乱，表明抑郁症患者体内谷氨酸-谷氨酰胺系统代谢紊乱。

色氨酸作为5-羟色胺合成的前体，其含量可以反应体内5-羟色胺的情况，血液中色氨酸水平与色氨酸-犬尿氨酸代谢途径息息相关［6，17］。研究发现抑郁症患者血液样品中5-羟色胺都呈现下降趋势，而色氨酸含量升降不一，意味着患者体内色氨酸代谢途径紊乱，5-羟色胺合成降低。苯丙氨酸是必需氨基酸，可作为酪氨酸和体内儿茶酚胺（酪胺、多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素）的合成前体［4］。抑郁症患者血液和尿液样品中酪氨酸含量主要呈现出下降趋势，推测其多巴胺和去甲肾上腺素合成可能也会降低，抑郁患者血液样品中苯丙氨酸含量升降不一，而酪氨酸水平降低，表明抑郁症患者体内酪氨酸和苯丙氨酸代谢途径紊乱，推测可能是由于苯丙氨酸羟化酶的活性降低造成的［24］。以上结果表明抑郁症患者体内单胺类神经递质代谢途径紊乱，单胺类神经递质含量可能呈现出下降趋势，比如5-羟色胺下调。

文献报告显示患者血液中葡萄糖和丙酮酸含量以下降为主，但是患者尿液中葡萄糖含量升高，丙酮酸是糖酵解的产物并参与三羧酸循环［1］，理论上葡萄糖和丙酮酸的缺乏会导致三羧酸循环受阻，患者体内柠檬酸水平会下调，但是相关研究中患者尿液中的柠檬酸水平却出现了上调变化，可能是由于患者体内出现柠檬酸堆积而导致尿液中水平上调［6］。丙氨酸是一种生糖氨基酸，高度集中在肌肉中作为其主要的能量来源，并且丙氨酸、甘氨酸与丙酮酸都可以相互转化［17］，因此它们是葡萄糖代谢的重要参与者和调节剂，并参与能量代谢。在血液样品中丙氨酸含量变化比较紊乱，甘氨酸以降低为主，在尿液中两者均以上升为主，推测患者体内甘氨酸和丙氨酸代谢出现紊乱。此外，患者血液和尿液样品中都检测到异常的乳酸，可能出现了乳酸堆积现象。因此，根据抑郁症患者体内葡萄糖、丙酮酸、丙氨酸、甘氨酸、柠檬酸和乳酸含量的变化推测抑郁症患者体内糖酵解、三羧酸循环等能量代谢途径发生紊乱，这一现象可能与抑郁症患者活动能力下降相吻合。

研究表明抑郁症的发生与氧化应激关系密切［4］，乙酰糖蛋白是一种急性期蛋白，是一种炎症介质，其水平变化可以直观反映机体对内外因素（感染或压力等）的反应［5］。文献数据表明，N-乙酰糖蛋白含量在患者血液样品中都呈上升趋势，提示抑郁症患者机体氧化应激程度提高，并可能伴有炎症反应加剧现象。

亮氨酸、异亮氨酸及缬氨酸是人体的必需氨基酸，都属于支链氨基酸。研究表明，支链氨基酸与神经递质5-羟色胺合成密切相关，与5-羟色胺合成前体存在竞争性抑制作用［5］，并且缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成途径在调节机体应激、蛋白质合成及能量代谢等方面都起着重要作用［4］。本文总结发现患者体内血液中异亮氨酸以上升为主，而亮氨酸与缬氨酸变化有升有降，说明患者体内支链氨基酸代谢比较紊乱，也印证了抑郁症患者体内单胺类神经递质合成不足，出现氧化应激、炎症反应及能量代谢紊乱的现象。

对上述标志物及其涉及到的代谢通路和生物学功能分析进行网络图构建，如图2 所示。通过上述分析得知，抑郁症患者体内神经递质代谢、苯丙氨酸代谢、酪氨酸代谢、谷氨酸-谷氨酰胺系统代谢、糖酵解途径及三羧酸循环等出现紊乱，与图1 涉及的代谢途径相吻合；并且可能伴有氧化应激程度升高、炎症反应发生等。由此推测抑郁症患者的发病机制可能与这些代谢途径和生物学功能紊乱有关。

3 基于慢性温和应激刺激抑郁症动物的实验研究

3.1 抑郁症动物模型研究概况 随着抑郁症研究的逐渐增多，建立合理且可操作性强的动物模型至关重要，常用的造模方法有慢性不可预知性温和应激（chronic unpredicted mild stress，CUMS）模型、慢性社会挫败应激（chronic social defeat stress，CSDS）模型、习得性无助（learned helplessness，LH）模型、慢性束缚应激（chronic restraint stress，CRS）模型、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导法和皮质酮（corticos⁃terone，CORT）诱导法等。应激刺激与抑郁症的发生发展密切相关，应激刺激不仅可以诱发抑郁症，而且可以加重抑郁程度。人长期处于慢性、低强度的日常生活压力下是诱发抑郁症的主要原因之一，这与CUMS抑郁动物模型的诱因十分相似，本部分对近年来基于CUMS 抑郁动物的相关文献进行筛选并总结分析。

3.2 CUMS抑郁症动物模型的生物标志物小结及通路富集分析 本文总结了CUMS 抑郁模型相关文献中出现频率较高的生物标志物，并对比其变化规律，结果如表3 所示。在CUMS 模型生物样品中主要受到影响的标志物包括葡萄糖、谷氨酸、谷氨酰胺、乳酸、丙氨酸、苯丙氨酸、肌酸等。在CUMS 动物血液样品中葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺和甘氨酸的含量以上升为主，亮氨酸、丙酮酸、肌酸、色氨酸和酪氨酸以下降为主，而谷氨酸、丙氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸的变化比较紊乱，没有较为规律的升降趋势；在CUMS动物尿液样品中谷氨酰胺水平以上升为主，柠檬酸和色氨酸以下降为主；在CUMS 动物脑组织样品中谷氨酰胺水平以上升为主，乳酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、脯氨酸和色氨酸以下降为主，N-乙酰天冬氨酸和谷氨酸变化比较紊乱。

Figure 2.The biomarkers and their metabolic network map of depressed patients.Red solid circle：biomarker content rises in the sample；green solid circle：biomarker content decreases in the sample；red hollow circle：biomarker content presumably rises in the body；green hollow circle：biomarker content presumably decreases in the body；gray solid circle：biomarker content varies in the sample.TCA：tricarboxylic acid cycle；HPA：hypothalamic-pituitary-adrenal axis；blood：serum or plasma samples.图2 抑郁症患者生物标志物及其代谢网络图

将表3 中主要的生物标志物导入MetaboAnalyst 4.0 在线数据库进行通路分析。如图3 和表4 所示，抑郁症动物体内发生紊乱的主要代谢通路包括：（1）苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成；（2）D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢；（3）淀粉和蔗糖代谢；（4）苯丙氨酸代谢；（5）丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢；（6）甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢。

3.3 CUMS抑郁症动物生物标志物的生物学功能分析 谷氨酸是一种兴奋性的神经递质，脑组织中一半以上的神经元依赖其进行信号传导［25-26，37］，过高的谷氨酸会引起神经毒性，谷氨酰胺-谷氨酸循环对其在机体内的含量至关重要［23］。在CUMS 抑郁模型动物血液、脑组织中谷氨酸的含量变化趋势比较紊乱，谷氨酰胺含量在血液和脑组织样品中以上升为主。以上结果说明在CUMS抑郁模型动物体内谷氨酸-谷氨酰胺代谢紊乱，推测可能与慢性应激刺激导致动物大脑中星形胶质细胞的损伤有关［23］。N-乙酰天冬氨酸在神经细胞线粒体中合成，是哺乳动物中枢神经中浓度第二高的高分子，其前体N-乙酰天冬氨酰谷氨酸可以抑制谷氨酸的释放［36］，并且脑内过低的N-乙酰天冬氨酸含量意味着神经元受到损伤［38］。本文发现N-乙酰天冬氨酸在CUMS 动物脑内含量变化有升有降，意味着其脑内N-乙酰天冬氨酸代谢紊乱。甘氨酸不仅是一种抑制性的神经递质，对于神经突触的重塑性也十分重要。甘氨酸含量在CUMS 抑郁模型动物血液样品中以上升为主，甘氨酸过量积累也可能与抑郁症的病理生理有关［26，31，37］，并且脑组织中甘氨酸减少可能意味着抑郁动物脑内神经过度兴奋。以上总结说明CUMS 处理过程会导致动物体内氨基酸类神经递质代谢发生紊乱，并且可能出现相应的神经细胞损伤。

苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸均属于芳香族氨基酸［33］。色氨酸是合成5-羟色胺的前体［23，25］，而5-羟色胺水平下降是抑郁症一大显著特征［54］。CUMS 抑郁模型动物血液和尿液样品中色氨酸含量主要以降低为主，意味着5-羟色胺合成可能也会降低，推测CUMS 处理过程使抑郁症模型动物体内色氨酸-5-羟色胺代谢出现障碍。酪氨酸是一种必需氨基酸，是合成多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素等儿茶酚胺类神经递质的前体［8］。苯丙氨酸可以经过苯丙氨酸羟化酶的作用合成酪氨酸［24］，并且苯丙氨酸与色氨酸具有竞争性［59］。CUMS 模型动物血液和尿液中苯丙氨酸含量变化紊乱，而血样中酪氨酸含量呈下降趋势，推测苯丙氨酸羟化酶的活性可能降低，进而导致酪氨酸含量下降及苯丙氨酸代谢紊乱。这表明CUMS 处理造成动物抑郁症状可能与色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等氨基酸代谢途径紊乱有关。

表3 CUMS抑郁症模型的生物标志物汇总Table 3.Summary of biomarkers in CUMS depression animal models

Figure 3.Pathway Analysis results of high-frequency consensus markers in CUMS depression model animals.图3 CUMS抑郁症模型动物共有高频标志物Pathway Analysis分析结果

表4 CUMS抑郁症模型动物体内代谢通路分析的结果总结Table 4.Summary of metabolic pathways in CUMS depression model animals

CUMS动物血液样品中葡萄糖的变化比较紊乱，但是其含量以上升为主。葡萄糖是哺乳动物主要的供能物质，葡萄糖紊乱标志着机体能量代谢受到影响。葡萄糖稳态与体内多种生理活动息息相关。大鼠长期处于应激刺激下会造成HPA 轴持续性兴奋，进而导致皮质酮过度分泌［60］，皮质酮可以调节糖代谢，使糖原、脂类、蛋白等物质更多地转化成葡萄糖，提高血糖浓度［28］。因此，推测CUMS 动物血液样品中葡萄糖的升高可能是由于其长期处于应激刺激下导致HPA 轴过度兴奋引起的，说明CUMS 过程诱发模型动物出现抑郁症状很可能是HPA轴过度兴奋引起的。

CUMS动物血液样品中乳酸上升，说明抑郁模型动物体内糖酵解途径增强，造成乳酸堆积。脑组织的能量供给是由糖酵解过程提供的，在CUMS 动物脑组织中乳酸的含量降低，可能是脑供能不足的表现。肌酸-磷酸肌酸系统对细胞能量转运至关重要，并且是脑内的重要供能物质［30，33］，在抑郁大鼠血液样品中检测到肌酸水平以降低为主，脑内含量变化紊乱，说明CUMS 抑郁模型动物脑部能量供应受到影响。柠檬酸是三羧酸循环中的中间产物，影响机体的能量代谢和糖酵解过程［53-54］，其含量变化在CUMS抑郁动物血液样品中表现比较紊乱，而在尿液样品以下降为主，结合血液样品中葡萄糖的含量变化，说明CUMS 处理过程会导致动物体内三羧酸循环反应紊乱。丙氨酸和甘氨酸可以与丙酮酸可以相互转化，并生成乙酰辅酶A 进入到三羧酸循环中参与能量代谢［17，31］。总结发现，在CUMS动物血液样品中丙酮酸水平都呈现下降趋势，甘氨酸含量以上升为主，而丙氨酸含量升降参半，没有明显规律，同样说明其体内能量代谢紊乱。因此，综合CUMS 抑郁模型动物体内乳酸、肌酸、甘氨酸、柠檬酸、甘氨酸、丙氨酸、丙酮酸及葡萄糖的含量变化，推测CUMS 处理过程会导致动物体内能量代谢紊乱，出现供能不足，这与抑郁症动物运动能力下降，活动减少的症状相符合。

胆碱的代谢产物包括甲胺、二甲胺、三甲胺等单胺类物质；氧化三甲胺（trimethylamine oxide，TMAO）是三甲胺经过肠道微生物调节的代谢产物［32，40-41］。CUMS 动物血液样品中TMAO 都呈现下降趋势，说明CUMS 抑郁模型动物体内肠道菌群紊乱，其调节功能受到影响，这可能与抑郁症动物食欲减退密切相关。

与抑郁症患者相似，CUMS 动物体内亮氨酸、异亮氨酸及缬氨酸相关代谢也受到影响。在血液样品中异亮氨酸和缬氨酸变化紊乱，亮氨酸以降低为主，而在脑组织中三者皆出现下降趋势。这说明CUMS动物体内支链氨基酸代谢比较紊乱，也出现了单胺类神经递质合成不足、氧化应激、炎症反应及能量代谢紊乱的现象。

对上述标志物及其涉及的代谢途径和生物学功能进行代谢网络图构建，结果如图4 所示。通过上述分析得知，动物经过CUMS 处理可能会引起神经递质代谢紊乱，包括5-羟色胺、多巴胺和去甲肾上腺素合成减少以及甘氨酸合成增加；慢性应激刺激导致星形胶质细胞损伤和HPA 轴持续兴奋（皮质酮过度分泌）；能量代谢紊乱，包括糖酵解上调（乳酸堆积）、三羧酸循环紊乱等。由此推测CUMS 处理造成模型动物出现抑郁症状可能是由于上述通路受到影响造成的。

Figure 4.The metabolic network in CUMS depression model animals.Red solid circle：biomarker content rises in the sample；green solid circle：biomarker content decreases in the sample；red hollow circle：biomarker content presumably rises in the body；green hollow circle：biomarker content presumably decreases in the body；gray solid circle：biomarker content varies in the sample.TCA：tricarboxylic acid cycle；HPA：hypothalamic-pituitary-adrenal axis；TMAO：trimethylamine oxide；brain：hippocampus or other brain tissues；blood：serum or plasma samples.图4 CUMS抑郁症模型动物体内代谢网络图

4 抑郁症动物模型与抑郁症患者发病机理的对比分析

抑郁症患者和CUMS 抑郁模型动物生物样品中出现的共有标志物包括谷氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、谷氨酰胺、丙酮酸、乳酸、柠檬酸、葡萄糖、甘氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和丙氨酸，见图5A。其中乳酸在抑郁症患者和抑郁症模型动物血液样品中的含量都以上升趋势为主，酪氨酸和丙酮酸在血液样品中以下降趋势为主；但尿液中柠檬酸含量，以及血液中甘氨酸、葡萄糖等含量的主要变化趋势则相反。这些标志物变化趋势的不同也可能是由于研究对象、个体差异、检测方法等因素造成的。以上结果说明CUMS 造模方法对动物体内整体代谢的影响与抑郁症患者具有很大的相似性，但是个别标志物及其在机体内的变化趋势可能会有一定差异，提示采用动物模型研究抑郁症时，与抑郁症患者一致的指标可能是潜在的研究靶点。

通过对两者总结的标志物在MetaboAnalyst 4.0进行Pathway Analysis 功能分析可知，CUMS 模型动物和抑郁症患者体内主要受到影响的共同代谢通路包括：苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成；D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢；淀粉和蔗糖代谢；苯丙氨酸代谢；丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢；甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢，见图5B。这些结果表明，模型动物体内受到CUMS 处理影响的代谢通路与抑郁症患者体内受影响的代谢通路具有极高的相似性，即CUMS 造模方法在一定程度上可以模拟抑郁症患者体内的代谢特征。

Figure 5.Venn diagrams of biomarkers（A）and metabolic pathways（B）in CUMS depression model animals and depressed patients.图5 抑郁症模型动物与抑郁症患者标志物及代谢通路的Venn图

5 结论

在抑郁症患者中发现，特定生物样品中含量变化具有规律性的生物标志物包括：血液中含量上升的谷氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和N-乙酰糖蛋白，含量下降酪氨酸和5-羟色胺；尿液中含量上升的丙氨酸和柠檬酸，含量下降的苯丙氨酸等。这些生物标志物具有作为抑郁症诊断标志物的潜力。通过对抑郁症模型和抑郁症患者的生物标志物及其涉及的代谢通路整理分析发现，抑郁症的发病机制主要包括能量代谢异常、HPA 轴过度兴奋、神经细胞损伤、氨基酸代谢、氨基酸类神经递质代谢异常及神经信号传导障碍、氧化应激与炎症反应等。总结发现，抑郁症患者与CUMS 模型受到影响的生物标志物和代谢通路十分相似，说明CUMS 造模过程可以在一定程度上模拟抑郁症患者体内的代谢特征，即CUMS 造模方法具有合理性。

6 展望

本文通过对近年来关于抑郁症模型动物和抑郁症患者生物样品的代谢组学研究进行整理分析，总结了具有抑郁症诊断潜力的标志物、抑郁症可能的发病机制等内容，但是由于可参考文献数量有限，一些标志物和代谢通路的规律性总结会有一定的局限性，相信随着相关研究的增多，这些研究成果一定会给抑郁症的诊断、发病机制和治疗提供极大的帮助。