代谢组学在器官移植中的应用

李恩有 王常松 董冉

代谢组学是20世纪90年代中期继基因组学和蛋白质组学之后发展起来的一门新兴学科，是系统生物学的重要组成部分。它是关于生物体系内源性代谢物质种类、数量及其变化规律的科学，研究生物整体、系统或器官的内源性代谢物质及其所受的内在或外在因素影响。基因组学和蛋白质组学分别从基因和蛋白质层面探寻生命的活动，实际上细胞内许多生命活动是发生在代谢物层面的，如细胞信号释放、能量传递、细胞间通信等都是受代谢物调控的。因此代谢组学研究可定位为基因组学和蛋白质组学的下游研究，代谢组学的变化是机体对遗传、疾病和环境影响的最终应答反应。代谢组学研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质。先进的分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研究的基本方法。化学分析技术中最常用的是1H核磁共振、气相色谱-质谱联用和液相色谱-质谱联用［1-4］。

在器官移植中代谢组学能从移植器官再灌注损伤和器官功能两方面监测器官的生理状态。大多数器官移植相关代谢产物分析是在体外进行的，主要通过分析尿液、血浆和胆汁等体液而获得结果。最近，采用核磁共振化学位移成像技术，已经能在体内进行代谢组学分析，这一技术主要是分析无机磷或腺苷三磷酸、腺苷二磷酸和磷酸肌酸等磷酸化的代谢产物。本文就代谢组学在肝移植、心脏移植和肾移植后移植物功能和排斥反应监测中的应用情况作一简介。

1 代谢组学在肝移植中的应用

肝移植是治疗终末期肝病的有效治疗手段。新的免疫抑制剂的应用和手术技术方面的进展使肝移植受者存活率不断提高。但是，术后仍然面临肝功能衰竭、排斥反应等问题。及时了解移植肝状态，并正确治疗能显著提高受者移植后存活率［5］。传统监测移植后肝损伤的方法是检查肝功能测定转氨酶和白蛋白水平，这种方法缺乏敏感性和特异性，且不能及时反映急性期状态。病理学检查是监测肝损伤的“金标准”［6］，但有时也不能正确或及时反映移植肝状态，尤其使用免疫抑制剂后［7］。肝是体内代谢及排泄的主要器官，是全身代谢和物质转化的重要场所［8］。如果能够监测特异性的代谢物变化并找到它们与移植肝功能变化的相关性将是非常有意义的。肝是尿素循环代谢的主要器官，许多重要的生物标志物实际上是尿素、谷氨酰胺和精氨酸的代谢产物。例如，如果在供体肝内存在大量的甲基化的精氨酸衍生物就能强烈地预示最终的移植后排斥反应［9］。同样，细胞外精氨酸水平恢复的数量和比例能够很好地预测移植后24 h内的脏器功能［10］。Serkova等［11］的研究发现在肝移植后早期(2 h)血中能够检测到6种代谢标志物(乳酸、尿酸、脂肪酸、谷氨酰胺、甲硫氨酸和柠檬酸)，该6种代谢物为早期移植肝无功能的标志物，而此时常规检查尚无任何有意义的结果。说明通过检测肝内合成和利用的小分子代谢物质反映移植肝状态这一领域研究具有很大潜力。

2 代谢组学在心脏移植中的应用

心脏移植已经成为越来越多终末期心脏疾病的治疗手段。虽然免疫抑制治疗发展迅速，但是心脏移植后受者10年存活率仍仅为50%。移植后排斥反应是影响受者术后生存的主要风险因素。早期诊断和及时调整免疫抑制治疗方案十分重要。目前，心内膜心肌活组织检查仍是最特异、最敏感的诊断指标。但心内膜心肌活组织检查为有创操作，会导致较多的并发症。Sobotka等［12］在一项研究中发现，呼出气中戊烷浓度可以为心脏移植术后急性排斥反应提供诊断参考。该实验调查了37例心脏移植受者的心脏功能，使用气相色谱分析这些患者呼出气戊烷浓度，与病理学检查结果进行比较，发现出现排斥反应患者呼出气戊烷浓度增高，提示呼出气戊烷可以作为心脏移植排斥反应的一种敏感的无创性监测指标。Phillips等［13］采集了539例心脏移植受者1061个呼出气气样，与心内膜心肌活组织检查结果相比较，发现对于3级以上的排斥反应患者，呼出气中C4-C20烷烃类物质浓度增高，其敏感度较病理医师诊断的活组织检查结果更高;通过呼出气测试可以有效地监测低风险心脏移植受者的3级排斥反应，减少心内膜心肌活组织检查的次数。

除呼出气分析外，有学者还尝试着从尿液、血浆或心肌组织中找出炎症指示因子或炎症过程的小分子代谢产物。这些小分子物质包括硝酸盐类、血栓烷A2或B2以及新喋呤［14-15］。当患者存在排斥反应时这些免疫相关的代谢产物的水平会有非常明显的升高。另外一些研究通过分析血浆或血清的成分来检测或监测心脏的排斥反应。其中一项研究利用1H核磁共振选择性地分析心脏移植受者脂质或脂蛋白的谱宽以诊断急性排斥反应，其结果特异性和敏感性均大于90%［16］。

3 代谢组学在肾移植中的应用

在临床肾移植中，Foxall等［17］通过1H核磁共振质谱快速多成分分析尿素中低分子量化合物，发现代谢产物改变与早期移植肾功能障碍相关。监测肾移植代谢物改变可以更好地理解肾脏病理生理学。由于肾能产生丰富的代谢产物和大量尿液，所以有关器官移植和器官功能的代谢组学研究多集中于肾。事实上，在过去的十几年里，报道了多个与活体肾移植供者损害、移植肾功能、肾功能衰竭、急性排斥反应有关的生物标志物研究［18-23］。在这些状态下尿液和血清中氮氧三甲胺增高3～4倍。除了氮氧三甲胺水平和其他一些氨基酸水平升高以外，也发现一些炎症细胞和硝酸盐、亚硝酸盐的代谢产物。进一步检查结果显示，肾受损时似乎血清和尿中的乳酸、醋酸、琥珀酸、乙醇、尿素这些标志物含量也迅速升高。

大多数研究描述了血清、血浆或尿的代谢产物的变化，也有一些代谢组学的研究不能确定特定化合物，但可发现特征的图谱。临床上可利用这些特定的图谱来进行检测。

4 小结

代谢组学在器官移植中的应用可为我们了解整个生物系统状态提供独特的视角。相关研究尚处于起步阶段，但已提示可以鉴定出尿液、血浆及呼出气中有相当数量的代谢产物，这些代谢产物能准确地为我们提供有关器官功能、损伤及排斥反应的信息。可以预见在不远的将来，将会有更多的代谢物被鉴定出来，更多的特征图谱被发现，而这些成果将为我们监测移植物功能和排斥反应带来更直接的证据。

1 Wang Y，Tao Y，Lin Y，et al.Integrated analysis of serum and liver metabonome in liver transplanted rats by gas chromatography coupled with mass spectrometry［J］.Anal Chim Acta，2009，633(1):65-70.

2 Saude EJ，Lacy P，Musat-Marcu S，et al.NMR analysis of neutrophil activation in sputum samples from patients with cystic fibrosis［J］.Magn Reson Med，2004，52(4):807-814.

3 Hauet T，Baumert H，Gibelin H，et al.Noninvasive monitoring of citrate，acetate，lactate，and renal medullary osmolyte excretion in urine as biomarkers of exposure to ischemic reperfusion injury［J］.Cryobiology，2000，41(4):280-291.

4 Li Q，Zhang Q，Xu G，et al.Metabonomics study of intestinal transplantation using ultrahigh-performance liquid chromatography time-offlight mass spectrometry［J］.Digestion，2008，77(2):122-130.

5 Varotti G，Grazi GL，Vetrone G，et al.Causes of early acute graft failure after liver transplantation:analysis of a 17-year single-centre experience［J］.Clin Transplant，2005，19(4):492-500.

6 Bartlett AS，Ramadas R，Furness S，et al.The natural history of acute histologic rejection without biochemical graft dysfunction in orthotopic liver transplantation:a systematic review［J］.Liver Transpl，2002，8(12):1147-1153.

7 Anthony JD，Kenneth PB，Amar PD，et al.Banff schema for grading liver allograft rejection:an international consensus document［J］.Hepatology，1997，25(3):658-663.

8 Wishart DS.Metabolomics:the principles and potential applications to transplantation［J］.Am J Transplant，2005，5(12):2814-2820.

9 Martín-Sanz P，Olmedilla L，Dulin E，et al.Presence of methylated arginine derivatives in orthotopic human liver transplantation:relevance for liver function［J］.Liver Transpl，2003，9(1):40-48.

10 Silva MA，Richards DA，Bramhall SR，et al.A study of the metabolites of ischemia-reperfusion injury and selected amino acids in the liver using microdialysis during transplantation［J］.Transplantation，2005，79(7):828-835.

11 Serkova NJ，Zhang Y，Coatney JL，et al.Early detection of graft failure using the blood metabolic profile of a liver recipient［J］.Transplantation，2007，83(4):517-521.

12 Sobotka PA，Gupta DK，Lansky DM，et al.Breath pentane is a marker of acute cardiac allograft rejection［J］.J Heart Lung Transplant，1994，13(2):224-229.

13 Phillips M，Boehmer JP，Cataneo RN，et al.Heart allograft rejection:detection with breath alkanes in low levels(the HARDBALL study)［J］.J Heart Lung Transplant，2004，23(6):701-708.

14 Zhao Y，Katz NM，Lefrak EA，et al.Urinary thromboxane B2 in cardiac transplant patients as a screening method of rejection［J］.Prostaglandins，1997，54(6):881-889.

15 Mügge A，Kurucay S，Böger RH，et al.Urinary nitrate excretion is increased in cardiac transplanted patients with acute graft rejection［J］.Clin Transplant，1996，10(3):298-305.

16 Eugene M，Le Moyec L，de Certaines J，et al.Lipoproteins in heart transplantation:proton magnetic resonance spectroscopy of plasma［J］.Magn Reson Med，1991，18(1):93-101.

17 Foxall PJ，Mellotte GJ，Bending MR，et al.NMR spectroscopy as a novel approach to the monitoring of renal transplant function［J］.Kidney Int，1993，43(1):234-245.

18 Feng J，Li X，Pei F，et al.1H NMR analysis for metabolites in serum and urine from rats administrated chronically with La(NO3)3［J］.Anal Biochem，2002，301(1):1-7.

19 Hauet T，Baumert H，Gibelin H，et al.Noninvasive monitoring of citrate，acetate，lactate，and renal medullary osmolyte excretion in urine as biomarkers of exposure to ischemic reperfusion injury［J］.Cryobiology，2000，41(4):280-291.

20 Serkova N，Fuller TF，Klawitter J，et al.H-NMR-based metabolic signatures of mild and severe ischemia/reperfusion injury in rat kidney transplants［J］.Kidney Int，2005，67(3):1142-1151.

21 Le Moyec L，Pruna A，Eugène M，et al.Proton nuclear magnetic resonance spectroscopy of urine and plasma in renal transplantation follow-up［J］.Nephron，1993，65(3):433-439.

22 Al Banchaabouchi M，Marescau B，D'Hooge R，et al.Consequences of renal mass reduction on amino acid and biogenic amine levels in nephrectomized mice［J］.Amino Acids，2000，18(3):265-277.

23 Al Banchaabouchi M，Marescau B，D'Hooge R，et al.Biochemical and histopathological changes in nephrectomized mice［J］.Metabolism，1998，47(3):355-361.