文献综述 Open Access
Copyright ©The Author(s) 2014. Published by Baishideng Publishing Group Inc. All rights reserved.
世界华人消化杂志. 2014-08-28; 22(24): 3592-3599
在线出版日期: 2014-08-28. doi: 10.11569/wcjd.v22.i24.3592
炎症性肠病的实验室检查及代谢组学的研究进展
李潘, 崔伯塔, 段义农, 张发明
李潘, 崔伯塔, 张发明, 南京医科大学第二附属医院肠病中心 江苏省南京市 210011
李潘, 段义农, 南通大学医学院病原生物学系 江苏省南通市 226001
李潘, 在读硕士, 主要从事炎症性肠病的研究.
作者贡献分布: 本文综述由李潘与崔伯塔完成; 段义农与张发明审校.
通讯作者: 张发明, 副教授, 副主任医师, 210011, 江苏省南京市姜家园121号, 南京医科大学第二附属医院肠病中心. fzhang@njmu.edu.cn
电话: 025-58509883
收稿日期: 2014-06-09
修回日期: 2014-06-18
接受日期: 2014-07-05
在线出版日期: 2014-08-28

目前, 炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)的诊断和预后主要基于病史、临床表现、内镜、组织学、影像学和实验室检查, 但是仍然面临较大的挑战. 已有研究表明, 将代谢组学应用于IBD的研究具有重要价值. 本文就IBD的实验室检查手段和代谢组学用于IBD的研究进展进行综述.

关键词: 炎症性肠病; 诊断; 预后; 代谢组学

核心提示: 本文对炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)的实验室检查现状和代谢组学研究进展进行了综述, 重点强调了代谢组学在IBD的诊断、预后评估和机制研究方面的可行性.
引文著录: 李潘, 崔伯塔, 段义农, 张发明. 炎症性肠病的实验室检查及代谢组学的研究进展. 世界华人消化杂志 2014; 22(24): 3592-3599
Laboratory evaluation and metabolomics in inflammatory bowel disease
Pan Li, Bo-Ta Cui, Yi-Nong Duan, Fa-Ming Zhang
Pan Li, Bo-Ta Cui, Fa-Ming Zhang, Medical Center for Intestinal Diseases, the Second Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing 210011, Jiangsu Province, China
Pan Li, Yi-Nong Duan, Department of Pathogen Biology, Medical College of Nantong University, Nantong 226001, Jiangsu Province, China
Correspondence to: Fa-Ming Zhang, Associate Professor, Associate Chief Physician, Medical Center for Intestinal Diseases, the Second Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, 121 Jiangjiayuan Road, Nanjing 210011, Jiangsu Province, China. fzhang@njmu.edu.cn
Received: June 9, 2014
Revised: June 18, 2014
Accepted: July 5, 2014
Published online: August 28, 2014

Diagnosis and prognosis of inflammatory bowel disease (IBD) remain a challenge for physicians, and they are often based on history, clinical symptoms and endoscopic, histological, radiological and laboratory findings. Studies have shown that metabolomics may have important value in the diagnosis and prognosis of IBD. This paper will review the latest progress in laboratory evaluation and metabolomics in IBD.

Key Words: Inflammatory bowel disease; Diagnosis; Prognosis; Metabolomics
0 引言

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是一类反复发作的慢性胃肠道炎症性疾病, 包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)和克罗恩病(Crohn's disease, CD). IBD的发病机制不明确, 遗传、环境、免疫和肠道菌群失调都是其重要的致病因素. 目前, IBD的诊断主要基于病史、临床表现、内镜、组织学、影像学和实验室检查. 但是由于缺乏灵敏性和特异性高的诊断指标, 使得IBD的诊断、病程分期、疗效评价和预后评估仍然存在较大挑战. 自2007年Marchesi等[1]首次尝试使用核磁共振氢谱(proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, 1H-NMR)技术研究IBD患者粪便标本中的小分子代谢产物以来, 代谢组学已广泛用于IBD的临床研究. 本文综述了目前IBD的实验室检查手段和代谢组学在IBD研究中的应用.

1 IBD的实验室检查
1.1 IBD实验室诊断现状

临床上IBD的诊断主要依靠病史、临床表现、内镜、组织学、影像学和实验室检查, 而这时疾病处于进展期, 疾病的诊断往往延迟[2,3]. 尽管借助上述诊断方法能排除具有相似临床表现的非IBD患者, 对UC和CD进行鉴别诊断, 但仍有5%-10%的结肠病变患者诊断不明确, 这类患者既有UC的某些临床特征, 又有CD的某些特征, 即结肠IBD类型待定(colonic IBD type unclassified, IBDU)[2,4]. 内镜和组织活检是目前诊断IBD最常用的方法, 非侵袭性检查方法起着辅助诊断的作用. 但内镜诊断有很大成分的主观性, 且受限于临床医生的水平. 通过内镜行组织活检是一种侵袭性检查, 不同程度上给患者带来痛苦. 而IBD的实验室检查方法[2,3,5](表1), 由于缺乏特异性的诊断指标, 也不能满足临床诊断的需要.

表1 IBD的实验室检查指标.
检查指标UCCD指标特点
ESR升高升高非特异性炎症指标
CRP升高升高
粪钙卫蛋白升高升高
缺铁性贫血是是提示营养不良
低白蛋白血症是是
血小板增多是是
ANCA阳性率(%)[2]50-70<10免疫球蛋白(IgA或IgG), 联合应用有助于疾病诊断, 但灵敏性差
ASCA阳性率(%)[3]1545-60
GAB阳性率(%)[5]15.4-46.61.4-33
PAB阳性(%)[5]0-22.726-39
异常免疫反应[3]-GP2、CUZD1自身免疫反应
IBD: 炎症性肠病; UC: 溃疡性结肠炎; CD: 克罗恩病; ESR: 红细胞沉降率; CRP: C反应蛋白; ANCA: 抗中性粒细胞胞浆抗体; ASCA: 抗酿酒酵母抗体; GAB: 抗小肠环状细胞抗体; PAB: 抗胰腺腺泡抗体; GP2: 酶原颗粒膜糖蛋白2; CUZD1: CUB带状疮疹透明区样域蛋白1.

红细胞沉降率(erythrocyte sedimentation rate, ESR)、C反应蛋白(c-reactive protein, CRP)和粪钙卫蛋白(faecal calprotectin)可用于辅助临床诊断、判断疾病的活性和指导临床治疗, 3项指标升高提示疾病处于活性期或者复发, 患者肠道存在炎症, 但他们都不是炎症的特异性指标[3,6-9]. IBD患者由于饮食营养成分摄入不足, 丢失过多和肠黏膜受损引起的吸收障碍, 部分IBD患者表现出体质量不足且存在缺铁性贫血、低蛋白血症和血小板增多等症状[2,3]. 在IBD的诊断中用得最多的血清学指标是抗中性粒细胞胞浆抗体(antineutrophil-cytoplasmic antibodies, ANCA)和抗酿酒酵母抗体(anti-Saccharomyces cerevisiae, ASCA). ANCA和ASCA的联合检测有助于对UC和CD鉴别诊断, Bossuyt等[10]在研究中发现ANCA阳性、ASCA阴性在UC患者中特异性达到81%-98%; ANCA阴性、ASCA阳性在CD患者中特异性高达92%-97%. ANCA和ASCA的联合检测也有助于结肠IBD类型待定的诊断. 其他血清学指标也有助于UC和CD的鉴别诊断, 如UC患者血清中的抗小肠杯状细胞抗体(anti-goblet cell antibodies, GAB)[2]和CD患者血清中的抗胰腺腺泡抗体(autoantibodies against exocrine pancreas, PAB)及与异常免疫反应相关的PAB的自身抗原酶原颗粒膜糖蛋白2(zymogen granule membrane glycoprotein 2, GP2)、CUB带状疮疹透明区样域蛋白1(CUB and zona pellucida-like domains 1, CUZD1)[3,11-13]. 尽管上述血清学指标联合运用对于IBD的鉴别诊断具有一定的价值[10,14], 但是ANCA和ASCA等指标并不能准确反映肠道黏膜损害程度且灵敏性较差[2,3,15,16]. 因此, 还需要进一步的研究来证实上述实验室指标在IBD诊断中的价值.

1.2 IBD预后评估

IBD的治疗目标是诱导和维持临床缓解期, 通过内镜、影像学和实验室检查进行疗效评价和预后评估是一种有效的方法, 但是也存在一定的挑战, 如表2[6]. 通过内镜可以观察黏膜的愈合情况, 但是黏膜愈合程度与IBD预后的关系尚无确切定义. 内镜检查作为一种侵袭性的检查方法, 价格昂贵, 同时需要严格的肠道准备, 特别是在低龄患儿中难以实施, 从而限制了其使用. CRP、粪钙卫蛋白和ESR作为非特异性的炎症指标, 在IBD的灵敏性和特异性较低, 且需排除生物标本的检测和保存导致的结果变异. 影像学检查对于IBD的疗效评价和预后评估意义不大, 且价格也较高. 因此, 需要探索更加有效可行的检查方法来满足临床的需求.

表2 IBD预后检查方法的比较.
目标内镜实验室检查
影像学
CRP粪钙卫蛋白ESR
用于预后评估是是是是是
用于药物、手术治疗疗效评价是是是是是
用于长期随访调查是不清楚不清楚不清楚不清楚
可负担检查方法否是是是否
非侵袭性检查方法否是是是是
检查方法结果稳定性是否否否不清楚
IBD: 炎症性肠病; ESR: 红细胞沉降率; CRP: C反应蛋白.
2 代谢组学在IBD研究中的应用
2.1 代谢组学的研究方法与临床应用

代谢组学的概念最早来源于Devaux等[17]上世纪70年代提出的代谢轮廓分析(metabolic profiling). Nicholson等[18]和Fiehn[19]后来分别提出了metabolomics和metabolomics的概念, 目前, 国内的代谢组学研究小组用metabolomics一词来表示代谢组学. 代谢组学具有高通量、高精确性、高灵敏性的优势, 能定性或定量检测机体在新陈代谢的动态进程中所产生的小分子代谢物的变化[20,21]. 代谢组学的分析流程包括样品制备、数据采集和数据分析及解释3个部分[22]. 代谢组学分析的样品主要为各类生物标本, 常用到尿液、血液、唾液、粪便提取物、局部病理组织如结肠组织等. 样品中的代谢产物常用1H-NMR、气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)和液相色谱-质谱联用技术(liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)等方法进行检测. 数据的分析和解释则需借助于生物信息学平台进行数据处理, 最常用的是主成分分析(principal component analysis, PCA)和偏最小二乘判别分析法(partial least squares discriminant analysis, PLS-DA)[23]. 自上世纪90年代末出现以来, 代谢组学已广泛应用于药物毒性及机制研究[24], 微生物及植物代谢组学研究[25], 营养科学[26]和疾病诊断[27]等多个领域的研究.

目前, 代谢组学作为一种颇具前景的疾病诊断方法已广泛应用于肿瘤[28-30]、糖尿病[31]、心血管疾病[32]、过敏性疾病[33]、风湿性关节炎[34]和多发性硬化症[35]等疾病的研究. 代谢组学研究表明, 参与疾病进程的小分子代谢物(如氨基酸及其衍生物、酮类、有机酸、脂肪酸、胺类、核苷和糖类等)不仅可作为疾病诊断的候选生物指标, 而且有助于疾病的判别分析.

2.2 代谢组学在IBD的临床研究进展

近几年代谢组学已广泛用于IBD的临床研究, 如表3. 在IBD的疾病进程中发生变化的小分子代谢产物主要是氨基酸及其衍生物、短链脂肪酸、马尿酸、脂类和糖类等, 而这些物质大部分都是肠道菌群参与代谢人体摄入的营养物质和异源性物质的代谢产物. 通过粪便标本进行代谢组学分析是最常用的方式. Marchesi等[1]于2007年首次尝试使用代谢组学来阐释肠道菌群与IBD发病机制之间的关系. Le Gall等[36]研究发现UC患者肠道菌群的多样性与代谢产物的组成具有直接联系. IBD患者存在肠道营养吸收不良, 这与研究者发现粪便标本中氨基酸的含量升高相吻合[1,37]. 尿液的代谢组学分析也是研究者关注的对象, 马尿酸是其中最具代表性的物质. 国外学者[38-41]对IBD患者的尿液标本分析发现, 肠道菌群代谢产物马尿酸的含量低于健康人, 表明马尿酸有可能成为诊断IBD的生物指标. 血清、血浆和结肠黏膜组织也能反映宿主的新陈代谢, 但是受肠道菌群代谢活性的影响较小[27]. 与尿液和粪便标本相比, 血清和血浆代谢物谱受环境因素影响较小且个体差异不大[42]. 活性期IBD患者血清低密度脂蛋白(low-density lipoprotein, LDL)和极低密度脂蛋白(very-low-density lipoprotein, VLDL)含量低于缓解期[41], 该结果可能与炎症反应时磷脂酶A2的活性升高, 加速LDL、VLDL水解有关[43]. 这与2013年我们报道的用粪菌移植[44,45]挽救治疗严重CD的检查结果相似: 粪菌移植治疗前, 患者的LDL-c浓度为1.8 mmol/L, 此时处于活动期, 粪菌移植后3 mo, LDL-c上升到了2.5 mmol/L, 其他检查结果显示患者此时处于临床缓解期[46]. 因此, LDL、VLDL有可能作为判断IBD治疗预后的生物指标. 我们的研究同时发现活动期IBD患者血清甘油三酯含量(0.5 mmol/L)明显低于缓解期(2.4 mmol/L)[46]. 该结果可能与促炎症细胞因子, 如肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)和白介素-1(interleukin-1, IL-1)等影响脂蛋白脂肪酶的表达, 从而促进脂蛋白中甘油三酯的水解有关[47,48].

表3 代谢组学在IBD临床研究中的运用.
作者标本分析方法标本来源结果或意义
Marchesi等[1]2007粪便1H-NMRCD(10)、UC(10)、Controls(13)CD患者短链脂肪酸、甲胺、三甲胺含量降低; UC和CD患者氨基酸含量升高; 代谢组学第一次用于IBD临床标本研究, IBD与肠道菌群有关
Jansson等[37]2009粪便ICR-FT/MSCD(10)、Controls(7)CD患者黏膜损伤部位(回肠、结肠)不同, 其酪氨酸、苯丙氨酸新陈代谢及胆Ö酸、脂肪酸生物合成路径存在明显差异
Le Gall等[36]2011粪便1H-NMRUC(13)、IBS(10)、Controls(22)UC患者牛磺酸和尸胺含量升高, DGGE发现UC患者肠道菌群多样性的变化; 代谢产物的成分与肠道菌群的组成具有相关性
Huda-Faujan等[64]2010粪便HPLCCD(2)、UC(6)、Controls(50)IBD患者乙酸、丙酸、丁酸含量低于对照组, 乳酸、丙酮酸含量高于对照组, 提示肠道菌群代谢产物短链脂肪酸与IBD的发病机制相关
Walton等[65]2013粪便GC-MSUC(20)、CD(22)、IBS(26)、Controls(19)CD患者挥发性有机代谢产物中脂类和短链脂肪酸衍生物及吲哚含量高于对照组, 治疗后, 挥发性的代谢物与对照组相似
Williams等[38]2009尿液1H-NMRCD(86)、UC(60)、Controls(60)CD患者马尿酸盐、对甲酚硫酸盐含量降低, 甲酸含量升高, 表明不同疾病肠道菌群特异性代谢产物存在差异
Stephens等[40]2013尿液1H-NMRCD(20)、UC(20)、Controls(40)IBD患者三羧酸循环中间代谢产物、氨基酸代谢产物、葫芦巴碱、肌酸、尿素和牛磺酸等代谢产物含量发生改变; CD和UC可以鉴别诊断, 手术治疗患者则无差别
Schicho等[39]2012尿液、血清、血浆1H-NMRCD(20)、UC(20)、Controls(40)血液中氨基酸、肌酸、肌酐、尿素循环代谢物、单糖、尿液中马尿酸等代谢产物含量发生改变
Dawiskiba等[41]2014尿液、血清1H-NMRUC(24)、CD(19)、Controls(17)活性期IBD与缓解期的区别: 血清中N-乙酰化合物、苯丙氨酸含量升高, LDL、VLDL含量降低; 尿液中甘氨酸含量升高, 乙酰乙酸含量降低.与IBD相关性最高的代谢产物包括乙酰乙酸、马尿酸、牛磺酸、柠檬酸、琥珀酸、甘氨酸、丙氨酸、甲酸等
Hisamatsu等[66]2012血浆AA analyzerCD(165)、UC(222)、Controls(210)IBD患者血浆氨基酸含量变化可以诊断和监视IBD
Williams等[52]2012血清1H-NMRCD(24)、UC(20)、Controls(23)CD和UC患者间脂质、胆碱代谢具有明显差异, IBD患者的脂蛋白(尤其是HDL)、胆碱、氨基酸代谢不同于对照组
Zhang等[67]2013血清1H-NMR活性期UC(20)、Controls(19)活性期UC患者3-羟基丁酸酯、葡萄糖、苯丙氨酸含量升高, 脂质含量降低
Sharma等[51]2010结肠组织1H-NMRUC(12)、CD(9)、Controls(25)IBD患者氨基酸、膜复合物(胆碱、甘油磷酰胆碱、肌醇)、乳酸、甲酸含量低于对照组, 葡萄糖含量高于对照组; IBD患者内镜下正常与损伤黏膜组织代谢产物无差异
Ooi等[49]2011结肠组织、血清GC-MSUC结肠组织(22)、UC血清(13)、CD(21)、Controls(17)UC患者结肠组织氨基酸和三羧酸循环中间代谢物含量降低; UC患者血清中氨基酸和三羧酸循环中间代谢物与CD患者和对照组存在差异
Balasubramanian等[50]2009结肠组织1H-NMR活性期UC(20)、缓解期UC(11)、活性期CD(20)、缓解期CD(6)、Controls(26)活性期IBD患者α-葡萄糖含量升高, 氨基酸、膜复合物、乳酸、琥珀酸含量降低; 缓解期UC患者, 乳酸、甘油磷酰胆碱、肌醇含量降低, 缓解期CD患者乳酸降低; 活性期UC患者甲酸低于活性期CD患者
Bjerrum等[68]2009结肠组织、尿液1H-NMR活性期UC(41)、静止期UC(33)、Controls(25)活性期UC患者结肠组织观察到高浓度的抗氧化剂和氨基酸, 脂质、甘油磷酰胆碱、肌醇、甜菜碱含量降低; 20%的静止期UC患者代谢轮廓和活性期UC患者相似
CD: 克罗恩病; UC: 溃疡性结肠炎; Controls: 健康人; IBD: 炎症性肠病; LDL: 低密度脂蛋白; VLDL: 极低密度脂蛋白;
1H-NMR: 核磁共振氢谱; GC-MS: 气相色谱-质谱联用技术; ICR-FT/MS: 傅立叶变换离子回旋共振质谱; HPLC: 高效液相色谱.

此外, Ooi等[49]和Stephens等[40]发现IBD患者对能量需求升高. 与粪便标本观察到的结果不同, IBD患者结肠黏膜细胞中氨基酸的含量降低, 特别是谷氨酰胺[49-51], 而谷氨酰胺是除丁酸外结肠细胞重要的能量来源, 占到30%左右, 这可能与机体修复受损的黏膜需要大量能量有关[27]. 而代谢组学用于UC和CD的鉴别诊断则存在一定的争议: Dawiskiba等[41]和Schicho等[39]研究发现, 尽管UC和CD患者代谢物谱存在差异, 但是不足以对两者进行鉴别诊断; 相反, Williams等[38,52]和Stephens等[40]则认为代谢组学可用于UC和CD的鉴别诊断.

上述研究结果提示UC和CD之间及IBD的不同分期之间代谢物谱存在差异, 有助于IBD的诊断和预后评估, UC和CD的鉴别诊断则值得商榷; 生物标本中肠道菌群相关代谢产物的变化提示肠道菌群与IBD的发病机制密切相关.

2.3 代谢组学在IBD动物模型的研究进展

代谢组学也用于IBD动物模型的研究, 如IL-10敲除小鼠模型[53-56]、用于模拟克罗恩病的TNF△ARE/WT模型[57]和DSS诱导的溃疡性结肠炎模型[58-60]. 与人一样, 通过1H-NMR、GC-MS和LC-MS等技术对动物模型的血清、尿液、粪便提取物和肠组织进行代谢产物分析. 在克罗恩病模型中, 胆固醇、甘油三酯和磷脂的含量发生改变, 表明炎性脂质介质作为潜在的IBD生物指标的重要性[57]. IL-10敲除小鼠模型代谢组学研究表明, 与能量相关的代谢产物如乳酸、丁酸、柠檬酸含量发生变化[53,54]. 在DSS诱导的溃疡性结肠炎模型中, 急性期和缓解期的代谢产物存在差异, 表明代谢组学可用于判断疾病的进展情况[58]. Zhang等[61]从溃疡性结肠炎模型大鼠尿液和血浆中检测出5种和7种与肠道屏障功能、微生物群内稳态、免疫调节和炎症反应相关的代谢产物. 代谢组学也广泛用于IBD治疗药物的监测. 通过NMR技术分析小鼠的尿液和粪便提取液, 可用于监测抗生素的使用对小鼠生命活动的影响[62]. Kim等[63]使用洛哌丁胺诱导SD大鼠便秘模型, 用代谢组学分析发现了10种与便秘相关的代谢产物, 其中氨基酸4种: 丙氨酸、谷氨酸盐、谷氨酰胺、甘氨酸, 6种内源性代谢产物: 乙酸、葡萄糖、甘油、乳酸、琥珀酸、牛磺酸, 对于理解便秘的发病机制提供了帮助.

3 结论

现有实验室检查手段对于IBD的诊断和预后评估有价值, 但是也存在不足之处. 代谢组学因其取材方便和非侵袭性的特点而受到越来越多的关注, 也因其高通量、高灵敏性和高精确性的优势使其近几年成为IBD研究的热点. 但是, 代谢组学对技术条件的要求高, 一定程度上也限制了其临床运用, 从标本中发现的候选诊断指标还需临床证实. 重视IBD的代谢组学研究, 对于疾病诊断、预后评估和机制研究具有重要意义.

评论
背景资料

目前, 炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)的诊断和预后评估存在一定挑战. 代谢组学作为一门系统研究机体代谢产物的变化规律, 揭示机体生命活动代谢本质的科学, 已广泛应用于IBD的临床研究.

同行评议者

白爱平, 副教授, 江西省南昌大学第一附属医院消化病研究所

研发前沿

与基因和蛋白质相比, 小分子代谢物能够更准确的反映生物机体的状态. 代谢组学通过定量或定性的对参与疾病进程的小分子代谢产物进行动态检测, 对疾病的研究具有重要的价值.

相关报道

IBD生物标本的代谢组学分析表明, IBD患者与健康人、IBD不同分期、溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)和克罗恩病(Crohn's disease, CD)之间小分子代谢物[如短链脂肪酸、马尿酸、柠檬酸、谷氨酰胺、丙氨酸、低密度脂蛋白(low-density lipoprotein, LDL)和极低密度脂蛋白(very-low-density lipoprotein, VLDL)等]存在差异.

创新盘点

本文系统回顾了IBD实验室检查现状和代谢组学在IBD的临床应用. 重点强调代谢组学在IBD的诊断、预后评估和机制研究方面的可行性和应用前景.

应用要点

IBD生物标本的代谢组学分析可能发现对IBD的诊断、预后评估和机制研究具有重大价值的候选生物指标.

同行评价

本文对IBD的实验室检查及代谢组学研究进展等进行了综述, 具有一定的新颖性.

编辑:郭鹏 电编:闫晋利

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