综述|基于代谢组学研究药物成瘾的生物标志物
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药物成瘾促进了癌症，心理疾病，心脏，肝脏和肺部感染的发生。可以标志药物滥用的基因虽然已被确定，但成瘾最初的发生是由服用麻醉药品所带来的代谢失调引起的，分析技术的进步使得体液和排泄物中可用于标志药物成瘾生化特征的数千个信号分子的检测成为可能。现在，在未知其他环境因素是否存在的条件下，这些手段有望揭开药物影响人类代谢的机制。
论文ID
原名：Using Metabolomics to Investigate Biomarkers of Drug Addiction
译名：基于代谢组学研究药物成瘾的生物标志物
期刊：Trends Mol Med
IF：11.021
发表时间：2018年
通信作者： Susan Sumner
通信作者单位：Department of Nutrition, Nutrition Research Institute, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC, USA
综述内容
1 代谢组学和Dole–Nyswander理论
药物成瘾是一种慢性疾病，是一个全球性的社会问题。一种治疗麻醉药物成瘾的方法出现在20世纪60年代，Marie Nyswander和Vincent Dole开启了美沙酮维持治疗的临床实验。在此期间，研究人员确信没有证据支持瘾君子具有反社会倾向或者毒瘾个性。同时他们注意到美沙酮可以减少阿片成瘾者的欲望，使他们恢复正常的生活方式。这类似于胰岛素治疗糖尿病恢复正常的稳态。总之，基于上述发现，他们认为代谢失调导致了持续的神经化学紊乱，并进一步导致了心理疾病。代谢组学已被临床和实验室运用于诊断，预防和治疗疾病的生物标志物，并可能揭开和药物成瘾，戒断和复发相关的潜在代谢失调的机制。代谢组学使得细胞，组织和生物液体的小分子分析成为可能。体液和组织富含小分子内源性代谢物，非靶向代谢组学可以提供个体，细胞或组织系统的生化组学。事实上，许多代谢物参与了多种多样的生化通路，它们在生物样本中的质量和数量代表了一个全面综合的代谢状态。通过研究代谢紊乱，可以揭开疾病或生物体的特定表型的潜在机制。例如，通过比较吸毒期，戒断期，持续禁毒期，复发或非吸毒人员可以鉴定出和成瘾相关阶段的生物标志物。这些生物标志物可以被用来确定成瘾是如何导致代谢失调和毒害相关模式。代谢组学研究药物成瘾尚处于起步阶段，大量文献报道代谢组学指标可以和性别，种族，年龄，毒品使用，化学暴露，酒精使用，烟草制品使用，压力，体重，血压，疾病状态，心理健康，行为，营养以及肠道菌群的变化相关，总而言之，这些内源性和外源性成分构成了暴露组学。就上述观点，我们概述了代谢组学研究药物滥用的合理性，浅谈学习，设计的注意事项，重视这块领域的最新进展，并提出代谢组学有助于药物滥用失调生物标志物发现的设想。
2 为什么应用代谢组学研究药物滥用？
成瘾者内源性代谢物的鉴定可以为临床提供相关的生物标志物。构建代谢紊乱通路可以促进我们了解药物成瘾的潜在病因。Dole–Nyswander理论暗示了代谢在药物成瘾，复发和戒断中的起到的作用，部分原因是这些人在用药后才出现这些不当行为，而不是用药之前。此外，美沙酮实验表明基于个人代谢率可以确定美沙酮剂量。
阿片类药物与哺乳动物大脑、脊髓，消化道和免疫细胞的不同部位的受体结合。事实上，哺乳动物γ-氨基丁酸神经元和星形胶质细胞也可以分泌内源性阿片类物质，如内啡肽和脑啡肽，可以发挥止痛，调节情绪，免疫应答，以及对事物或者其他物质的渴求的效应。罂粟包含多种化学成分，阿片是主要成分，被运用于缓解疼痛和获得娱乐性质的欣快感。已知外源性阿片与内源性阿片一样可以和u，δ和ƙ受体结合，并参与γ-氨基丁酸抑制神经递质信号通路，抑制神经末梢环腺苷酸的产生。因此，鸦片和吗啡的使用将会对内源性生化途径产生显著影响，包括神经元兴奋，调节疼痛反应，欲望和欣快感。从另一个角度来看，人们越来越关注吸毒与癌症终点之间的关联。例如，一项来自戈勒斯坦省的群组流行病学研究发现（包括大约50000名来自伊朗地区的受试者）自述吸毒者的食管癌，胰腺癌，膀胱癌和胃肠道癌发生率升高。代谢组学技术在上述研究的使用或可揭开药物滥用的代谢表型，而代谢表型波动下的生物标志物有助于疾病诊断和监测干预以及确定药物靶点和针对性营养干预。
3 代谢组学方法的学习与设计
目前代谢组学主要研究人类、动物和植物。考虑到代谢组学受到很多因素的干扰，比如基因、生活方式、微生物种群和暴露程度，因此在推定代谢生物标志物的时候一定要考虑到这些干扰因素。此外，样本的收集与保存应与临床及流行病研究一致，确保不要混杂一些人工因素如抗凝血剂的类型、收集容器、稳定剂或者储存时间。
此外，体内实验还应考虑剂量以及不同时间段如成瘾、戒断或复发，来确保早期生物标志物的鉴定。另外，这些代谢物在不同的物种间几乎一致，因此大鼠、小鼠或非人类灵长类动物的实验可进一步运用到对人的研究。此外，细胞实验有助于揭开阿片干扰细胞代谢的机制。这样的实验可能揭开阿片成瘾的生物标志物和信号通路，进一步设计药物靶点或针对性进行营养干预。
目前最普遍的代谢组学分析方法主要是气质联用、液质联用和核磁共振。靶向代谢组学经常被运用于对某种特殊的代谢物或通路进行分析。总之，我们已经建立了检测，识别并定量外源和内源代谢物的分析方法。
相比之下，非靶向代谢组学更加适用于假想研究，这种情况下，高分辨率轨道阱或者飞行时间质谱可以捕捉数千个代谢物的信号，接下来的数据分析可以找到重要的生物标志物。代谢组学具体方法的选择主要取决于以下因素如1.感兴趣的代谢物或通路；2.低丰度或难以识别的代谢物；3.对样品进行无损害分析便于保留；4.大规模流行病学研究需要采用高通量分析。
4 毒品滥用的最新发现
对人和动物样本进行代谢组学研究可以找到阿片成瘾的生物标志物，同时应避免烟酒的使用以防干扰结果。作者报道了与正常猴海马和前额叶皮质相比，吗啡的吸食会对肌醇、牛磺酸、乳酸、磷酸胆碱、肌酐、N-乙酰天门冬氨酸、G-氨基丁酸、谷氨酸、谷胱甘肽、蛋氨酸和同型半胱氨酸的浓度造成影响。此外，吗啡使用后给予美沙酮或可乐定有助于逆转代谢紊乱，这证明采用代谢组学在评价阿片戒断和干预的分子机制层面上具有很好的适用性。总之，美沙酮逆转了代谢紊乱，进一步支持了Dole–Nyswander理论。
海洛因的吸食激活了了特定的代谢通路，最近，气质联用测定每日两次腹腔注射海洛因并持续十天，停药4天，并继续给药4天后的SD大鼠的尿液和血清代谢物的浓度变化，该研究报道了数种代谢物，如磷酸肌醇和5-羟色胺。此外，海洛因造成大鼠进食行为无序，并通过增加三羧酸循环的活性加速能量代谢以及脂肪酸代谢，当戒断海洛因吸食后，这些症状恢复正常。在作者的另一项研究中，5天内不断增加雄性SD大鼠腹腔注射甲基苯丙胺的剂量，然后停药2天，气质联用测定血清以及尿液代谢组学发现能量代谢紊乱，包括脂肪酸β氧化，三羧酸循环的加剧，以及支链氨基酸的显著减少，但绝大部分在戒断期得到了恢复。此外，在两个单独的研究中，通过超高效液相色谱串联飞行时间质谱法分析香烟吸食者和薄荷醇吸食者的血液代谢组学。在薄荷醇吸食者中发现了和薄荷-葡萄糖醛酸浓度相关的42种代谢物的显著性改变，包括细胞运动，死亡以及癌症相关的分子如ABCB4、C3、CASR、CCK、IDO1、L-色氨酸和UMOD。此外，在香烟吸食者中发现31种代谢物的改变，和正常组相比，薄荷-葡萄糖醛酸的浓度降低以及12种癌症相关的生物标志物和13种甘油磷脂的变化。
非靶向流动注射飞行时间质谱法作为一种新的代谢组学手段已被运用于酒精中毒（慢性间歇性酒精蒸气暴露导致酒精依赖），作者报道了一种可以辨别饮酒年数和酗酒相关的指纹图谱，事实上酒精造成了大鼠能量代谢相关产物的变化。一项来自急性酒精性肝炎的血清组学发现谷胱甘肽相关的多种代谢产物发生了改变，并且这15个代谢物和患者6个月生存率相关。
最近，基于核磁代谢组学发现葡萄酒饮用者的尿中发现了酒石酸、葡糖醛酸乙酯、2，3-丁二醇、甘露醇和乙醇，以及内源性应答代谢物如3-甲基-2-氧化钒酸盐。相关性分析认为，同时测定酒石酸乙酯和葡糖醛酸乙酯比单独生物标志物的测定更有价值。采用气质联用测定SD 大鼠使用曼陀罗后的代谢组学的变化，研究证明迷幻剂曼陀罗的使用造成了代谢物的浓度发生了改变，15种尿液代谢物如丙二酸，甘氨酸和半乳糖酸以及10种血浆代谢物如丙氨酸、丁二酸和L-蛋氨酸和氨基酸，脂质以及能量代谢相关。另一项采用质谱法研究了吗啡、甲基苯丙胺和可卡因成瘾后SD 大鼠血浆和尿液的变化，研究表明代谢物的水平（如3-羟基丁酸、L-色氨酸、胱氨酸、乳糖、亚精胺和硬脂酸）取决于样本和药物的类型。这些差别至少部分说明了特定药物对大脑回路机制的不同效应。这些类型的研究有助于预测药物成瘾的机制和程度。
采用高分辨飞行时间质谱分析非法吸食3，4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺的血液样本，结果发现，与正常人相比，某些内源性代谢物，如酰基肉碱、腺苷、肌苷、腺苷酸和s-腺苷-L-同型半胱氨酸的水平发生了变化。作者认为这些代谢物和能量过度消耗、药物引起的神经毒性和5-羟色胺综合征有关。为了评价阿片对不同啮齿类模型的作用，比较同等剂量可卡因服用后大鼠和小鼠的尿液代谢组学，作者得出尽管苯甲酰-儿茶素水平相似，但氧化产物如N-羟基苯甲酰，去甲秋水仙碱和羟基苯甲酰鸟苷在大鼠中水平更高。这些实验表明了可卡因代谢的物种特异性变化。这种变化也适用于人类。
此外，应用环境压力离子迁移率质谱法在大鼠神经代谢组学中发现可卡因导致代谢紊乱，结果显示可卡因对大鼠纹状体、前额皮层和伏隔核的不同部位的葡萄糖和氨基酸代谢造成了影响。事实上，可卡因对丘脑糖酵解的影响最大。
胆碱对于乙酰胆碱的产生很重要，乙酰胆碱是神经递质，以及哺乳动物脑发育的一种前体。阿片的使用导致了癌症风险的增加，特别是叶酸摄入减少的国家，对胆碱代谢物造成了潜在的影响，见图1。此外，酒精会加剧代谢紊乱，因为乙醇可以干预甜菜碱向二甲基甘氨酸的转变，进而抑制蛋氨酸合成以及乙酰胆碱转变成乙酰辅酶A。人类实验表明过度吸烟导致低浓度胆碱，甲基供体如胆碱和叶酸会对可卡因和阿片造成影响。因此，烟草会降低胆碱浓度，造成了叶酸和胆碱通路的不平衡。
图1. 饮酒和吸烟对叶酸和胆碱代谢的影响
结论
代谢组学提供了一种强有力的手段，用来揭开外界对个体以及系统整体生化的影响。药物、化学、营养或压力对代谢表型造成了影响，因此，动物实验和细胞实验对于控制实验条件相当重要，并进一步对人类进行验证。此外，对一些重要领域进行时间和剂量控制如1. 研究外周代谢物与阿片受体结合造成脑内生化代谢紊乱；2. 宫内暴露和新生儿接触阿片类药物对后期生活生化的影响；3.研究阿片的性别差异；4. 特定营养吸收和阿片使用对成瘾的影响；5. 肠道菌群对阿片受体结合和代谢的作用。此外，我们认识到叶酸的最适水平对维持孕妇的健康很重要，低水平或者高水平的叶酸都会导致癌症风险的增加。总之，阿片成瘾以及相关的癌症风险都可以通过营养干预来减少，我们建议将此纳入更广泛的研究。我们预期通过大量分析人类代谢组学，将发现诊断意义上的生物标志物和营养干预的靶点，这些举措将会有助于形成药物滥用、成瘾和戒断的干预策略。
评语
药物成瘾最初发生在麻醉药品的使用所带来的代谢失调，得益于分析技术的进步并通过大数据分析人类代谢组学，将会形成有效干预药物滥用、成瘾和戒断的靶点。