代謝組學(xué)在心血管疾病診斷和預(yù)后中的新作用

李丹妮，于波

心血管疾病（CVDs）是全球主要死亡原因之一，且死亡率不斷上升，每年死于CVDs的人數(shù)比其他疾病的死亡人數(shù)更為明顯（約1750萬人，占全球死亡人數(shù)的31%），80%的早期心臟病是可預(yù)防的，因此應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)患有心血管疾病及高風(fēng)險(xiǎn)人群[1]。CVDs的病理生理學(xué)復(fù)雜，最近研究指出線粒體功能障礙和隨后能量代謝紊亂可能在CVDs中起到關(guān)鍵作用，特別是在心力衰竭情況下[2]。此外，與CVDs相關(guān)的并發(fā)癥也會(huì)導(dǎo)致全身和心肌的代謝改變，導(dǎo)致心功能惡化。代謝組學(xué)是一種新興技術(shù)，已應(yīng)用于心血管疾病研究中，研究與心血管有關(guān)的代謝網(wǎng)絡(luò)，從而更好地了解其病理生理機(jī)制，該技術(shù)可在生物液體或組織中測(cè)出多種代謝產(chǎn)物，確定的生物標(biāo)志物可作為診斷和判斷預(yù)后的工具，并有助于指導(dǎo)具體干預(yù)及治療時(shí)機(jī)。本文就代謝組學(xué)在心血管疾病診斷和預(yù)后中的新作用作一綜述。

1 代謝組學(xué)概述

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)之后的一個(gè)新興領(lǐng)域。代謝組學(xué)是一類通過對(duì)生物體液（血液、尿液、組織液等）及其組織中所有小分子代謝產(chǎn)物（分子質(zhì)量＜1500 U）進(jìn)行高通量檢測(cè)，分析機(jī)體在內(nèi)源性(如基因改變)或外源性（環(huán)境改變）刺激下，代謝產(chǎn)物種類和數(shù)量的動(dòng)態(tài)改變及其規(guī)律，進(jìn)一步研究其與所發(fā)生的生理或病理改變關(guān)系的科學(xué)[3]。

1.1 代謝組學(xué)的研究方法現(xiàn)階段用于生物樣本分析手段最常用的是核磁共振光譜法（NMR）、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）等技術(shù)。

NMR是目前代謝組學(xué)研究的重要手段之一，主要是代謝物在磁場(chǎng)中通過共振頻率上的化學(xué)位移來識(shí)別代謝物。目前使用最多的核磁共振法是1H、13C、31P核磁共振法。NMR能獲取復(fù)雜的代謝物的結(jié)構(gòu)和定量信息，在組織結(jié)構(gòu)鑒定中發(fā)揮著重要作用。NMR具有穩(wěn)定性好、重現(xiàn)性好、樣品制備量小、成本低、無破壞性等優(yōu)勢(shì)。但靈敏度低，特別是對(duì)于低豐度的代謝產(chǎn)物[4]。目前的技術(shù)能夠精確地量化約100種豐富的代謝物[5]。

MS是根據(jù)代謝物的質(zhì)量電荷比（m/z）來檢測(cè)和量化代謝物的。MS的主要優(yōu)勢(shì)在于樣本需求小、成本低、敏感性高，可檢測(cè)到數(shù)量級(jí)為10～15 mol的物質(zhì)[6]。MS常與其他技術(shù)如氣相色譜（GC）、液相色譜（LC）等聯(lián)用。GC-MS是目前代謝組學(xué)中最常用的分析技術(shù)[7]，能對(duì)多種代謝物進(jìn)行綜合分析，其敏感性高、分辨率高、標(biāo)準(zhǔn)圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)全，在代謝物的定性中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但受色譜性質(zhì)限制，要求代謝物具有揮發(fā)性。對(duì)于難以揮發(fā)的物質(zhì)，大部分物質(zhì)需經(jīng)繁瑣的衍生化處理。LC-MS敏感性及分辨率均高，主要用于難揮發(fā)、非揮發(fā)及熱穩(wěn)定性較差的物質(zhì)，已成為代謝物分析的首選方法，它能夠常規(guī)且同時(shí)檢測(cè)出數(shù)千種代謝產(chǎn)物[8]。

1.2 代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)處理及分析方法目前主要有非靶向和靶向兩種分析方法。非靶向方法是對(duì)大量代謝物[9]進(jìn)行非偏向的分析，通常是在研究初期進(jìn)行，以確定新的代謝物，再利用靶向代謝組學(xué)行進(jìn)一步系統(tǒng)的鑒定、驗(yàn)證[10]。靶向分析方法是有針對(duì)性的分析生物樣品中特征性的代謝物，同時(shí)可定量分析。雖然這種方法有較高的靈敏度和精確度，但一次只允許評(píng)估數(shù)百種已知的代謝物。兩種代謝組學(xué)方法均已應(yīng)用于檢測(cè)各種疾病相關(guān)代謝產(chǎn)物，靶向定量方法是驗(yàn)證各種代謝紊亂中已知診斷性生物標(biāo)志物的基本工具，非靶向方法拓寬了已知疾病中新的生物標(biāo)志物的識(shí)別范圍，并行代謝通路分析。

代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析手段主要有非監(jiān)督的分析方法和有監(jiān)督的分析方法。無監(jiān)督分析是在不對(duì)樣品加以分組的情況下直接對(duì)樣本信息進(jìn)行分析，最常用的分析方法是主成分分析（PCA）[11]。PCA模型反映了數(shù)據(jù)的原始狀態(tài)，有助于了解數(shù)據(jù)的整體情況并對(duì)數(shù)據(jù)整體把握。有監(jiān)督的分析方法是先將研究對(duì)象進(jìn)行不同類別分組，在計(jì)算數(shù)學(xué)模型時(shí)計(jì)算機(jī)能識(shí)別區(qū)分各組，忽略組內(nèi)的隨機(jī)差異，突出組間系統(tǒng)差異。常用分析方法是偏最小二乘法-判別分析和正交偏最小二乘法-判別分析[12]。

2 代謝組學(xué)在心血管疾病診斷和預(yù)后中的新作用

2.1 代謝組學(xué)與缺血性心臟?。↖HD）IHD是由心肌灌注不足引起的，包括穩(wěn)定型和不穩(wěn)定型心絞痛及心肌梗死（MI），是最常見的心血管疾病。由于心肌缺血期間氧和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)減少，一些關(guān)鍵心肌能量代謝變化導(dǎo)致心肌代謝也隨之改變。首先是葡萄糖氧化率明顯降低，而糖酵解率顯著增加，其增加程度取決于缺血的嚴(yán)重程度和持續(xù)時(shí)間。代謝組學(xué)分析也反映了心肌缺血無氧糖酵解代謝增強(qiáng)[13]。應(yīng)用LC-MS代謝譜分析36例心肌缺血患者，TCA周期一些代謝物(如草酰乙酸鹽)明顯減少[14]。脂肪酸氧化率也是降低的，IHD與健康志愿者[15]心臟手術(shù)前的動(dòng)脈和冠狀竇血液的配對(duì)采集顯示出基線短鏈（S-C）二羧酰基肉堿的增加，在冠心病患者中可預(yù)測(cè)心血管事件風(fēng)險(xiǎn)[16]。此外，代謝組學(xué)證明在老年冠心病患者中鏈（M-C）和長(zhǎng)鏈（L-C）?；鈮A增加，并獨(dú)立于標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)因子可預(yù)測(cè)后續(xù)心血管事件的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[17]。而（S-C）二羧基肉堿的來源及其對(duì)CAD病理的影響尚不清楚。氨基酸在心肌缺血時(shí)有一些作用，如谷氨酸和谷氨酰胺及支鏈氨基酸（BCAAs）可作為間變性底物向內(nèi)轉(zhuǎn)化為a-酮戊二酸或琥珀酰輔酶a為TCA循環(huán)提供燃料[18]。一項(xiàng)8例正常人和11例冠心病患者動(dòng)靜脈血比較研究中，直接表明IHD與心肌丙氨酸凈釋放和谷氨酸凈攝取有關(guān)[19,20]。循環(huán)BCAA信號(hào)也被證明可預(yù)測(cè)冠心病患者的流行和隨后的心血管風(fēng)險(xiǎn)[15,21]。然而最近代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)以LC-MS方法測(cè)定的血清BCAA水平在年齡和性別匹配的冠心病患者中較正常人升高，這與其他危險(xiǎn)因素（包括糖尿病、高血壓和血脂異常）無關(guān)[22]。

2.2 代謝組學(xué)與動(dòng)脈粥樣硬化許多代謝組學(xué)研究已經(jīng)證實(shí),多個(gè)潛在的生物標(biāo)記物可預(yù)測(cè)冠心病和隨后的心血管事件風(fēng)險(xiǎn)包括MI和死亡。復(fù)雜的研究表明循環(huán)中的三甲胺-N-氧化物（TMAO）是動(dòng)脈粥樣硬化的重要預(yù)測(cè)因子，也是MI和腦卒中的危險(xiǎn)因素[23,24]。最近研究表明TMAO也可能增加血小板的高反應(yīng)性，增強(qiáng)血小板聚集同時(shí)增加血小板對(duì)膠原的粘附[24]。此外，研究表明干擾腸道微生物群將飲食中膽堿或肉堿轉(zhuǎn)化為TMA的能力，可降低循環(huán)TMAO水平和隨后動(dòng)脈粥樣硬化病變的進(jìn)展[25]。上述研究證明，循環(huán)中磷酰膽堿、膽堿、肉堿水平的增加與心血管風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，但只在TMAO升高的個(gè)體中才能提供真正的預(yù)后價(jià)值[23]，證明了TMAO是診斷動(dòng)脈粥樣硬化及CAD的一種新的生物標(biāo)志物。

代謝組學(xué)分析鑒定了其他生物標(biāo)記物，如18:2單甘酯濃度增加或18:2溶血磷脂酰膽堿和28:1鞘磷脂水平下降與冠心病事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)[26]。研究發(fā)現(xiàn)，冠心病患病率增加與血液中不飽和脂肪酸的溶血磷脂酰膽堿水平增高，飽和脂肪酸的溶血磷脂酰膽堿降低有關(guān)[27]。此外，這些研究還發(fā)現(xiàn)含有神經(jīng)酰胺、鞘磷脂、二酰甘油或棕櫚酸的循環(huán)磷脂酰膽堿與MI的發(fā)病率增加有關(guān)。這些循環(huán)代謝物再次說明了代謝組學(xué)能夠潛在地識(shí)別導(dǎo)致疾病病理的新的代謝過程。一項(xiàng)472例中國(guó)人的LC-MS代謝研究顯示血清BCAA升高與頸動(dòng)脈內(nèi)膜中膜厚度呈正相關(guān)，是可靠的亞臨床動(dòng)脈粥樣硬化指標(biāo)[28]。這些代謝物的變化預(yù)示著動(dòng)脈粥樣硬化的危險(xiǎn)，而利用生物標(biāo)志物的檢測(cè)可對(duì)其進(jìn)行早期干預(yù)。

2.3 代謝組學(xué)與心力衰竭（心衰，HF）盡管新藥物和設(shè)備已用于治療HF，5年內(nèi)死亡率達(dá)30%～50%[29]。由于HF期間能量代謝發(fā)生了嚴(yán)重變化，多種脂肪酸代謝物的改變主要集中在?；鈮A上，?；鈮A是脂肪?；?COAS的衍生物可反映脂肪酸氧化速率的變化[30]。大量S-C、M-C和L-C?；鈮A減少及S-C/M-C或M-C/L-C?；鈮A比值的下降暗示線粒體脂肪酸吸收和氧化障礙，而廣泛的S-C、M-C和L-C?；鈮A增加及S-C/M-C或M-C/L-C?；鈮A比率的增加表明脂肪酸氧化增加[31,32]。代謝組學(xué)分析表明與慢性心衰患者相比終末期患者循環(huán)C16和C18:1?；鈮A升高，預(yù)示著HF患者死亡率和住院風(fēng)險(xiǎn)增加[33]。研究表明血液代謝組學(xué)能區(qū)分HF的嚴(yán)重程度或者區(qū)分射血分?jǐn)?shù)保留（HFpEF）和射血分?jǐn)?shù)降低（HFrEF）的心衰。Hunter等[34-36]證實(shí)與非HF患者相比HFpEF患者循環(huán)L-C腺嘌呤肉堿水平升高，而HFrEF患者則進(jìn)一步升高。相反，Bedi等[37]觀察到移植終末期心衰患者心肌組織中S-C、M-C和L-C?；鈮A含量降低。血液代謝物糖酵解率增加、葡萄糖氧化率下降可直接評(píng)估心肌代謝[38]。心衰患者心肌代謝組學(xué)分析循環(huán)中的甲基精氨酸/精氨酸比值和必需氨基酸降低且具有診斷價(jià)值，可以超過BNP判斷預(yù)后[39]。慢性心衰患者的必需和非必需氨基酸水平低，給予治療后部分氨基酸恢復(fù)正常[40]。BCAAS可能在HF發(fā)病機(jī)制中起一定作用，已證實(shí)慢性心衰患者循環(huán)中亮氨酸和異亮氨酸水平高于健康對(duì)照組，其結(jié)果與肥胖或血脂異常無關(guān)[41]。對(duì)心肌提取物研究顯示在患有HF的小鼠和人身上支鏈a-酮酸（BCKA）：a-酮異戊酸（纈草堿衍生）、a-酮異己酸（亮氨酸衍生）和a-酮-b-甲基戊酸（異亮氨酸衍生）上水平升高，而增強(qiáng)全身BCKA代謝可減輕壓力負(fù)荷所致的HF[42]。單獨(dú)使用代謝組學(xué)分析或著與HF生物標(biāo)記物（如BNP）聯(lián)合使用具有重要的診斷和預(yù)后價(jià)值。

3 總結(jié)

綜上所述，代謝組學(xué)是心血管病診斷和判斷預(yù)后的一種有力工具，但在肥胖或糖尿病的情況下，需謹(jǐn)慎判斷相關(guān)外周代謝干擾，且評(píng)估疾病器官內(nèi)或者組織活檢代謝物的變化將更有價(jià)值。代謝組學(xué)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可對(duì)生物樣品中的數(shù)千種代謝物進(jìn)行高分辨率和高通量評(píng)估階段。但人類代謝組學(xué)研究容易受到臨床混淆因素的影響，可能導(dǎo)致誤診或結(jié)論。臨床研究中常在研究對(duì)象干擾前后連續(xù)取樣以減少混淆因素的風(fēng)險(xiǎn)。此外，新興的研究技術(shù)正在將代謝組學(xué)與其他的“組學(xué)”結(jié)合以便深入了解代謝物、蛋白質(zhì)、基因和疾病狀態(tài)間的病理生理學(xué)相互作用。最先進(jìn)的代謝組學(xué)技術(shù)可以提供單個(gè)患者代謝印跡，可作為心血管疾病發(fā)展和惡化期間系統(tǒng)或心肌代謝的損害的診斷或預(yù)測(cè)工具，用于以確定具體治療的類型和時(shí)間。因此，代謝組學(xué)是一種強(qiáng)大的技術(shù)，可以預(yù)測(cè)、檢測(cè)和理解各種心臟代謝疾病狀態(tài)并監(jiān)測(cè)治療的效果，推進(jìn)個(gè)體化醫(yī)學(xué)的發(fā)展。