基于代谢组学转化医学研讨会在京召开 夏威夷大学教授贾伟做专题演讲

　　解放军306医院4月13日组织了多学科、多中心高端研讨会，共同探讨研究肠道菌群和肝脏的代谢(互相)作用以及在肥胖、糖尿病、以及消化道肿瘤发病机制中的影响。美国夏威夷大学终身教授、夏威夷大学癌症研究中心贾伟教授做了专题演讲。中国科学学院生物物理研究所、解放军306医院及空军总医院等多单位的设计消化、代谢、心脑血管、急救、皮肤等专业的基础及临床的学科带头人共同参加，进行了深入探讨。并将进一步加强代谢疾病的研究工作。顾建文院长、崔彦副院长、王守力主任参加了研讨会。

 　　会上贾伟教授作了专题发言，他从系统生物学的角度阐释了肠道微生态系统作为潜在的药物治疗靶点的可能性，并重点提出了基于肠道菌群的药物治疗策略和可能的干预模式。生活在人体肠道内数以万亿的细菌被统称为肠道菌群，它们和人体有着密不可分的互利互生关系。肠道菌群的组成影响着每个人的健康，研究发现，肠道菌群结构紊乱与许多疾病如糖尿病、肥胖症等有关。尽管肠道菌群能够参与机体内很多代谢过程已广为人知，但在数以万计的细菌中，究竟哪一些在发挥重要作用，具体影响哪些代谢通路，人们了解得还很粗略。而以往的研究结果多集中在菌群对脂肪的代谢上。之所以有这样的认识局限，因为在一个活的人体内观察人体与菌群之间细微的相互作用十分困难的。一方面，肠道菌群不仅数量巨大、种类繁多，而且其中绝大部分尚未被人类培养;另一方面，对于反映人体代谢变化的尿液中大量代谢物的定量检测也是一个技术难题。新型研究利用细菌DNA指纹图谱和基因组标记测序等基因组技术全面深入地刻画肠道菌群的组成结构。

　　利用基于核磁共振的代谢组技术分析志愿者尿液中代谢物的组成，可以反映人体的整体代谢状况。通过比较人们肠道菌群组成变化与他们代谢特征变化的关系，可以发现了肠道内某些特定细菌与人体尿液中的某些代谢物呈显著相关关系，这也提示这些肠道细菌对人体健康特别重要。细菌在参与宿主多种代谢过程中有着重要作用。

　　其次贾伟教授针对中药研究的瓶颈问题——复杂成分中药的药代动力学，提出采用代谢组学与生物学分析技术相结合的手段进行多组分中药药物代谢动力学研究的新策略，并提出了Poly-PK(polypharmacokinetics)的新概念，文章以普洱茶中多组分的药代动力学为例子展示和总结了Poly-PK的研究思路和方法。该研究在美国《科学》杂志为中药研究增设的副刊Science,The Art and Science of Traditional Medicine上发表综述文章。

　　普洱茶根据发酵工艺不同分为生茶和熟茶两种，生茶由晒青茶精制而成，熟茶则需经过渥堆、发酵的过程，并且一般认为普洱茶存放时间越长，茶的色泽味越好，生物活性作用也越强。前期的实验中，研究小组通过对存放1~10年的普洱熟茶成分谱的分析发现，随时间的增加，普洱茶的化学成分谱随之发生明显变化。与1年的普洱茶相比，10年的茶中的生物活性成分，如表儿茶素、葡萄糖含量增加，而茶中具有神经兴奋作用的咖啡因含量则相对减少。对不同工艺制备的茶进行比较后发现，茶叶中的色素，茶褐素(theabrownin,TB)在普洱茶中含量较高，而立顿红茶和龙井绿茶则以茶红素(thearubigin,TR)为主，这可能与普洱茶独有的渥堆发酵工艺有关。

　　很多研究表明普洱茶具有降低血脂和血清总胆固醇水平的作用，但对普洱茶中究竟哪些是真正被机体吸收利用的活性成分并不十分清楚。贾伟教授利用代谢组学平台采用Poly-PK的研究思路对普洱茶中的化学成分进行了药代动力学研究。　　

　　对志愿者饮茶后0、1、3、6、9、12、24小时的尿液样本分别进行收集，然后采用超高效液相色谱四级杆-飞行时间质谱仪和气相色谱-飞行时间质谱仪对普洱茶提取液中所含化学成分以及人喝茶后尿液中的代谢成分的变化进行了研究。采用多元相似性分析方法，将喝茶后不同时间点的尿液与0点相比较，寻找到喝茶后引起改变的内源性物质118种。将喝茶后不同时间点的尿液与茶提取液相比较，得到尿液中有19种物质成分是从普洱茶中吸收的，还有26种物质成分是从普洱茶吸收并经体内代谢产生的，接下来又通过相关性分析研究表明这几组物质间存在正相关或负相关关系。如发现咖啡因与它的代谢产物次黄嘌呤、茶碱、马尿酸、3-羟基苯乙酸呈明显正相关。而次黄嘌呤与内源性小分子物质鸟氨酸、缬氨酸、酪氨酸等呈明显正相关，茶碱与2-甲基鸟苷呈正相关而与尿素等呈负相关，升高的3-羟基苯乙酸导致氨基丙二酸二乙酯和2-氨基丁酸的升高。该研究结果阐明了喝茶后能被机体吸收的成分物质以及能产生生物活性作用的物质组成基础，并以期刊封面论文发表在2012年的Journal of Proteome Research上。

　　Poly-PK的研究思路可以针对中药多组分的特点对复杂成分进入体内后的动态代谢过程，以及对机体内源性小分子代谢物的影响同时进行评价，阐明多组分药物在体内的吸收、代谢，清晰的了解复杂成分中药中哪些可能是具有生物活性的物质成分。

　　其次他谈到在中国人群中证实支链氨基酸和芳香族氨基酸可预测糖尿病风险。近年来，几项针对西方人群的研究发现支链氨基酸和一些芳香族氨基酸的血清水平与二型糖尿病患病风险密切相关。最近，贾伟教授开展的一项靶向性代谢组学研究证实这几个氨基酸能够预测糖尿病风险的研究结论在中国人群中也同样成立。

　　这项针对中国人群的研究采用了一个具有十年随访信息的样本集(依据合作单位上海市第六人民医院的糖尿病研究队列–Shanghai Diabetes Study)，在1250例具有随访信息的样本中精选了213例样本，其中十年后51例罹患糖尿病，162例仍然保持健康。研究还使用了另一个由5000多例参加者的上海市肥胖病研究队列(Shanghai Obesity Study)，从中精选了共216例样本，包括72例健康体瘦者，72例超重/肥胖者和72例糖尿病患者。六院转化医学中心研究人员采用超高效液相-三重串联四级杆质谱仪检测了血清样本中的氨基酸水平，同时对相应的临床指标进行了分析，重点探究了支链氨基酸、芳香族氨基酸与胰岛素抵抗和罹患糖尿病风险的关系。

　　在对具有十年随访信息的样本集研究中发现，十年后患糖尿病的与仍然保持健康的相比，血清氨基酸水平在十年前就出现明显不同，尤其是亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸3个支链氨基酸和苯丙氨酸、酪氨酸2个芳香族氨基酸均明显升高，而两组的各项常规临床指标十年前均未显示出明显的异常。这一现象在对横断面研究的样本集中再次被印证，超重/肥胖者和糖尿病患者血清中的5种氨基酸水平明显高于健康体瘦者。进一步的相关性研究发现，由5种氨基酸组成的组合变量与血糖、血脂和胰岛素抵抗指数等呈明显正相关关系，同时组合变量在两个样本集的糖尿病和健康对照中均有显著性差异。因此，该研究证实3个支链氨基酸和2个芳香族氨基酸是中国人群糖尿病发生的风险因素，是早期预测糖尿病发生的潜在生物标志物。

　　缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等与神经递质合成、蛋白降解和转化、淋巴细胞生长增殖、糖原合成、能量代谢等密切相关。文献报道这几种氨基酸可以早期预测心血管疾病、肾脏疾病、胰腺癌、心源性脑卒中等。目前，对于支链氨基酸预测糖尿病发生的机制尚未完全清楚，但多数学者认为在高脂饮食或营养过剩的条件下，支链氨基酸在全身各组织中尤其是脂肪细胞中的分解代谢受到抑制，导致血液中浓度升高。包括支链氨基酸在内的多种氨基酸(尤其是亮氨酸)可以调节β细胞生长增殖和胰岛素分泌;支链氨基酸可以促进肝脏、骨骼肌对葡萄糖的摄取及糖原合成等。此外，肠道菌参与支链氨基酸的合成和芳香族氨基酸的降解，因此，糖尿病患者血清氨基酸水平的大幅升高可能与肠道菌群的变化存在密切的关系。

　　进一步研究提示游离脂肪酸可预测糖尿病风险，肥胖是2型糖尿病、心血管病等代谢性疾病的重要危险因素。但流行病学研究表明约25%~40%的肥胖者可以在相当一段时间内保持健康且不发生任何代谢性疾病，而一部分体重并未达到肥胖标准的人也有较高的代谢综合征患病风险。目前国际上将良性肥胖人群称为“代谢健康型肥胖”，而另一类称为“代谢非健康型肥胖”。但是，如何鉴别肥胖者是“健康型”还是“非健康型”，医学界并没有普遍接受的标准。

　　对此，贾伟教授带领上海市第六人民医院转化医学中心研究人员开展了4项独立研究，包括一个横断面对照(体重正常的健康者、健康肥胖者、肥胖伴糖尿病患者)样本集、一个对健康肥胖者长达10年随访的样本集、一个代谢手术后随访2年的样本集、一个为期8周低热量饮食干预的样本集，共收集452份临床血清样本。利用代谢组学平台，研究人员采用超高效液相飞行时间质谱仪检测了血清样本中的40余种游离脂肪酸，并全面分析了其与肥胖人群代谢状态的关系。

　　研究发现，体重正常的健康者与健康肥胖者血清游离脂肪酸普非常相似，但肥胖伴糖尿病患者血清游离脂肪酸明显升高，尤其是一些不饱和脂肪酸，如DGLA(C20:3 n6)升高更为突出，并且与糖尿病的临床指标明显相关;对健康肥胖者的10年随访中发现，那些未来发生糖尿病的肥胖者，在基线时血清中的不饱和脂肪酸就出现了显著变化，这些变化远远早于血糖、胰岛素等临床指标的变化;而接受代谢手术治疗的患者，这些不饱和脂肪酸在术后明显下降，且术前这些不饱和脂肪酸水平的高低可以预测术后2年内糖尿病的复发情况。

　　游离脂肪酸占血液中总脂肪酸的10%，由于含量较低且动态波动范围较宽，我们面临的一个技术难题就是一次性在血液中同时检测和定量尽可能多的游离脂肪酸。贾教授认为研究发现的这几个不饱和脂肪酸可以进一步开发成具有预测糖尿病风险及评价糖尿病治疗效果的生物标志物，目前相关的开发和技术转化工作已开始进行。

　　贾教授还谈到肠道菌群与我们的健康息息相关。2008年的三聚氰胺事件在科学上一直是个谜。而贾教授的一项研究成果，终于揭开事件谜底：这些都和人体肠道内一种菌群有关。这一研究成果被美国《科学》杂志评为“2013年世界十大科技突破”之一。

　　发生于2008年的该起奶制品污染事件，共导致逾五万名婴儿因患肾结石而就医，其中部分人出现肾衰，有4人死亡。一种用于制造塑料、涂料、化肥等化工产品的工业原料，本来是不会被人体吸收的，为什么会形成结石并致肾功能衰竭?研究发现，某些肠道细菌，尤其是克雷伯氏菌，具有代谢含氮化合物(也称为固氮)的能力，能够在肠道中代谢三聚氰胺，转化为三聚氰酸并逐步将其降解。三聚氰胺和三聚氰酸本身毒性极低，但极易互相结合形成晶体，这两类物质进入血液循环后，在肾小管中与尿酸结合形成大分子复合物类的结石，堵塞肾小管，导致肾毒性。

　　研究先在大鼠模型上得到了证实，随后经过进一步的体外实验，发现三聚氰胺可以被实验动物的粪便中培养出的肠道细菌所降解。将Klebsiella属细菌定植于大鼠的肠道中，发现三聚氰胺的毒性显著增加，肾脏中的结石数目增多。

　　据分析，只有约1%的婴儿体内具有克雷伯氏菌，而这个百分率与服用婴儿配方奶后罹患肾毒性的婴儿比例刚好契合。这一结果提示肠道细菌在因服用配方奶导致肾毒性方面发挥着至关重要的作用。研究人员指出，这一部分婴幼儿之所以发生中毒现象，是由于他们的肠道含有较高丰度的能够代谢三聚氰胺的细菌如克雷伯氏菌的缘故。

　　贾伟，现任美国夏威夷大学终身教授、夏威夷大学癌症研究中心副主任，博士，教授。贾伟教授于1991年和1996年获美国密苏里大学放射药学硕士、博士学位，他和他的研究团队自2004年起建立了基于质谱的医学代谢组学技术平台以来，其研究一直处于国际领先地位，迄今在国际学术期刊发表科技论文200余篇，专著5部。担任9家国际学术期刊编委，目前担任美国国立卫生院多家所的基金项目评委、香港科技署基金、中国国家自然科学基金委评委，曾担任国家科技部重大科学研究973(2007年蛋白质重大科学计划项目-代谢性疾病的蛋白质功能和代谢组学研究)首席科学家，现主持美国国立卫生研究院等资助的多项基金研究项目。贾伟教授的研究领域为肠道菌群和肝脏的代谢(互相)作用以及在肥胖、糖尿病、以及消化道肿瘤发病机制中的影响。

　　Dr. Wei Jiais Professor at University of Hawaii at Manoa, and Associate Director for Shared Resources at the University of Hawaii Cancer Center (a National Cancer Institute designated cancer center). Dr. Jia’s M.S. and Ph.D. were completed at the University of Missouri-Columbia in the field of radiopharmaceutical chemistry. Dr. Jia leads a state-of-art metabolomics platform and has been a leader in metabolomics-based translational research. He is the author of over 200 scientific papers and 5 books, and serves on the editorial boards for 9 scientific journals in the fields of -omics sciences and translational research. Professor Jia’s current research focuses on gut microbiome-liver metabolic interactions and defining the molecular mechanisms that link metabolic defects to metabolic disorders such as obesity and diabetes, and gastrointestinal carcinogenesis.

　　作者：娄晓同 谭崇阳 陈晓景 赵晶晶——解放军306医院