代謝組學(xué)在急性冠狀動(dòng)脈綜合征中的研究進(jìn)展

張 劍，張鳳美

(1.天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院，天津300211；2.天津市第三中心醫(yī)院，天津300170)

急性冠狀動(dòng)脈綜合征(acute coronary syndrome,ACS)是一類由心臟急性缺血導(dǎo)致的臨床綜合征。ACS的發(fā)病率和死亡率一直居高不下，每年受到該疾病影響的人數(shù)可高達(dá)100多萬(wàn)人[1]。目前，診斷ACS最常見的方法是血管造影，但這是一種侵入性的成像方法，需要較高的專業(yè)技術(shù)和成本，且適用范圍存在一定局限性。研究顯示，糖尿病、吸煙、高血壓和高脂血癥等危險(xiǎn)因素與該疾病的發(fā)病有關(guān)，一部分老年女性和糖尿病患者往往沒有明顯的臨床癥狀，也沒有明顯的誘因[2]。該類疾病一旦發(fā)生往往伴隨著預(yù)后不良，嚴(yán)重影響病人的生活質(zhì)量，并且容易復(fù)發(fā)危及生命。在這種情況下，識(shí)別一組新的具有臨床價(jià)值的生物標(biāo)志物對(duì)于疾病的早期診斷和治療有重要意義。代謝組學(xué)的迅速發(fā)展對(duì)ACS的研究有著重要的推動(dòng)作用，研究中發(fā)現(xiàn)的許多小分子代謝物對(duì)ACS的發(fā)生發(fā)展機(jī)制起到了一定作用，并對(duì)疾病的早期診斷及個(gè)性化治療產(chǎn)生積極影響[3]。本文就近年來(lái)應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)在ACS研究中所取得的進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述。

1 急性冠狀動(dòng)脈綜合征病理機(jī)制探討

ACS通常因冠狀動(dòng)脈內(nèi)不穩(wěn)定的粥樣斑塊破裂或糜爛引起血小板聚集進(jìn)而造成血管管腔急性閉塞。一般認(rèn)為：動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的產(chǎn)生是動(dòng)脈壁中膽固醇、巨噬細(xì)胞和纖維蛋白多年來(lái)逐步累加的結(jié)果[4]。因此，在疾病發(fā)展到一定嚴(yán)重程度時(shí)患者才會(huì)出現(xiàn)明顯癥狀。ACS分為：ST段抬高型急性冠狀動(dòng)脈綜合征(STEMI)和非ST段抬高型急性冠狀動(dòng)脈綜合征。ST段抬高型急性冠狀動(dòng)脈綜合征是由斑塊破裂造成動(dòng)脈高度狹窄或閉塞。非ST段抬高型冠狀動(dòng)脈綜合征是狹窄部位血管不完全或暫時(shí)性阻塞的結(jié)果，根據(jù)臨床表現(xiàn)又可分為非ST段抬高型心肌梗死(NSTEMI)和不穩(wěn)定型心絞痛(UA)。其發(fā)病機(jī)制主要由于高膽固醇、高血壓、糖尿病和吸煙等多種危險(xiǎn)因素對(duì)內(nèi)皮血管造成損傷并導(dǎo)致其功能異常[5]。內(nèi)皮功能異常可降低對(duì)內(nèi)皮一氧化氮(eNOS)的生物利用度同時(shí)又可提高內(nèi)皮素-1(ET-1)的產(chǎn)量，導(dǎo)致血管止血異常和粘附分子表達(dá)增加。內(nèi)皮損傷還可代償性激活血流中的血小板并增加血小板的數(shù)量。同時(shí)，增加內(nèi)皮內(nèi)的低密度脂蛋白向動(dòng)脈壁的轉(zhuǎn)運(yùn)?；钚匝蹩蓪⒌兔芏戎鞍邹D(zhuǎn)化為氧化低密度脂蛋白。氧化低密度脂蛋白進(jìn)一步損傷內(nèi)皮細(xì)胞，造成病情加重。單核細(xì)胞和T細(xì)胞進(jìn)入內(nèi)膜，單核細(xì)胞消化脂蛋白并分化為巨噬細(xì)胞。巨噬細(xì)胞產(chǎn)生活性氧，將氧化低密度脂蛋白轉(zhuǎn)化為高度氧化的低密度脂蛋白。這類低密度脂蛋白分子被巨噬細(xì)胞吸收，轉(zhuǎn)化為泡沫細(xì)胞。泡沫細(xì)胞不斷產(chǎn)生導(dǎo)致更嚴(yán)重的損傷，最終形成動(dòng)脈粥樣硬化斑塊導(dǎo)致血栓[6]。同時(shí)，巨噬細(xì)胞還可產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶，導(dǎo)致斑塊破裂。炎癥細(xì)胞聚集在破裂斑塊的位置，斑塊內(nèi)膠原的破裂可能會(huì)損害斑塊的完整性，從而導(dǎo)致急性冠狀動(dòng)脈綜合征。

2 代謝組學(xué)簡(jiǎn)介

代謝組學(xué)所研究的對(duì)象是生物體內(nèi)分子量小于1 000的小分子代謝物，包括脂類、糖類、氨基酸、核酸等物質(zhì)[7]。研究對(duì)象分為兩類：一類是體液如血液、尿液、心包液等；另一類是組織器官如肝臟、腎臟、心臟等。在代謝組學(xué)研究過程中，前期對(duì)樣本進(jìn)行制備要選擇合適的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本、排除干擾因素、正確選擇采集部位、采集時(shí)間和標(biāo)本類型。中期對(duì)代謝物的分離與鑒定要選擇合適的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。目前，代謝組學(xué)技術(shù)主要有核磁共振技術(shù)和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)[8]。核磁共振技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)悠分兴械奈镔|(zhì)均具有相同的靈敏度、對(duì)樣品不產(chǎn)生破壞以及可以設(shè)計(jì)多種編輯手段對(duì)代謝物進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。但存在靈敏度較低，不能同時(shí)測(cè)定濃度相差較大的代謝產(chǎn)物，硬件昂貴等弊端[9]。色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)則靈敏度高、能夠?qū)Χ鄠€(gè)化合物同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)與鑒定。但樣本前處理復(fù)雜，對(duì)未知代謝物的結(jié)構(gòu)確定困難[10]。在后期的數(shù)據(jù)分析與建立模型中，代謝組學(xué)數(shù)據(jù)處理方法主要有主成分分析(principal component analysis,PCA)法和偏最小二乘法(partialleastsquare，PLS)[11]。代謝組學(xué)對(duì)疾病的研究方式可以分為靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)。靶向代謝組學(xué)是對(duì)特定代謝物進(jìn)行定性和定量的研究[12]。非靶向代謝組學(xué)則是通過疾病對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的病生理變化引起機(jī)體代謝產(chǎn)物改變，進(jìn)而尋找到與疾病高度相關(guān)的生物標(biāo)記物[13]。除此之外，代謝組學(xué)技術(shù)還在疾病診斷、生命科學(xué)、藥物研發(fā)等領(lǐng)域都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

3 代謝組學(xué)在急性冠狀動(dòng)脈綜合征中的應(yīng)用

急性冠狀動(dòng)脈綜合征的主要特征是患者出現(xiàn)嚴(yán)重的臨床癥狀較晚，微小斑塊可能早已形成，但并未被發(fā)現(xiàn)[14]。隨著時(shí)間的推移，與斑塊形成相關(guān)的無(wú)癥狀過程會(huì)導(dǎo)致組織損傷，機(jī)體代謝輪廓產(chǎn)生改變[15]。所以，急性冠狀動(dòng)脈綜合征的早期診斷對(duì)于防止動(dòng)脈粥樣硬化斑塊破裂和血栓形成至關(guān)重要。代謝組學(xué)相比血管造影是一種非侵入性技術(shù)，適用的人群更加廣泛，通過受試者在ACS特定的疾病狀態(tài)下從整體水平上對(duì)體內(nèi)小分子代謝物進(jìn)行定性或定量的評(píng)價(jià)，從而找到與疾病相關(guān)的代謝標(biāo)志物，為闡明疾病病理機(jī)制，預(yù)防和治療該類疾病提供了新的方法和思路。

3.1 對(duì)急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者代謝輪廓的區(qū)分

Goulart等[16]利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜對(duì)15例STEMI患者和19例健康受試者血漿進(jìn)行代謝組學(xué)研究。從兩者血漿樣本中分析了184種代謝物的濃度，首次采用無(wú)監(jiān)督的主成分分析探索健康受試者和STEMI患者之間的相關(guān)性。并根據(jù)主成分分析和偏最小二乘分析找到并鑒定了41種在STEMI和對(duì)照組之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的代謝物，成功區(qū)分了二者的代謝輪廓。這41種代謝物包括31種磷脂酰膽堿、4種溶血磷脂酰膽堿、4種鞘磷脂和2種生物胺，涉及到的代謝途徑包括甘油磷脂代謝、α-亞麻酸代謝和鞘脂代謝。該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些代謝物有很大的潛力成為STEMI生物標(biāo)志物和新的藥理靶點(diǎn)。吳轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)等[17]利用靶向代謝組學(xué)方法分析了72例NSTEMI患者和64例STEMI患者的血清代謝輪廓。應(yīng)用正交偏最小二乘判別分析法和Logistic回歸篩選出一系列差異代謝物。研究發(fā)現(xiàn)，亮氨酸在NSTEMI患者組顯著上升，而C5DC，C16:1-OH，C26/C20，C18:1則在STEMI患者組顯著升高，提示雖都為心臟疾病，但是不同類型的心臟疾病有不同的代謝特征。所以，該研究表明：尋找差異性代謝物能深化我們對(duì)心肌梗死的認(rèn)識(shí),為二者的新型治療方案提供可靠依據(jù)。Yu等[18]使用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析不穩(wěn)定型心絞痛患者和健康受試者之間的代謝輪廓差異，采用主成分分析和偏最小二乘法并結(jié)合t檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)兩組進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)5種潛在代謝標(biāo)志物:神經(jīng)酰胺、甘氨膽酸、別膽酸、石膽酸和LT B4。UA患者血清中LT B4水平顯著升高，LT B4可促進(jìn)單核細(xì)胞在動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展過程中轉(zhuǎn)化為泡沫細(xì)胞，并強(qiáng)烈誘導(dǎo)單核細(xì)胞趨化蛋白-1的表達(dá)及其與早期人單核細(xì)胞的相互作用。UA患者體內(nèi)甘氨膽酸、膽酸和石膽酸的水平明顯較高，表明代謝轉(zhuǎn)化和脂蛋白脂肪酸分泌超過了肝臟的吸收能力,這反映了UA患者發(fā)生了代謝紊亂。此外，在UA患者中神經(jīng)酰胺水平的顯著增加表明神經(jīng)酰胺激酶和Jun-N末端激酶途徑的激活，以及Fas系統(tǒng)的啟動(dòng)，這導(dǎo)致血管平滑肌細(xì)胞的凋亡。所以，該研究證實(shí)了利用代謝組學(xué)技術(shù)可以很好區(qū)分UA患者和健康人。

3.2 對(duì)急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者代謝通路的探究

吳倩怡等[19]利用超高效液相色譜-質(zhì)譜在代謝組學(xué)平臺(tái)上分析了15例急性 ST 段抬高型心肌梗死患者的血液，綜合主成分分析和偏最小二乘判別分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)了9種代謝物水平在急性 ST 段抬高型心肌梗死患者和健康人間有顯著性差異。進(jìn)一步探討發(fā)現(xiàn)4種特異性最高的代謝物：DHEAS、GP-NArE、PLPE和LysoPC(16:0)，并對(duì)這4種物質(zhì)在代謝通路中發(fā)揮的作用做了闡述，為疾病的診斷提供了新的思路。此外，作者還運(yùn)用化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)血清中DHEAS含量，進(jìn)一步證實(shí)了運(yùn)用代謝組學(xué)平臺(tái)尋找到特征代謝物的準(zhǔn)確性。Martin-Lorenzo等[20]利用核磁共振技術(shù)定量分析ACS患者入院和出院時(shí)尿液樣本中對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化有反應(yīng)的代謝物，并與健康個(gè)體的尿液進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)KLK1、ZG16B、L-丙氨酸、L-阿拉伯糖醇、錫羅-肌醇、2-羥基苯乙酸、3-羥基丁酸和N-乙酰神經(jīng)氨酸在ACS發(fā)病時(shí)顯著降低，出院時(shí)恢復(fù)到對(duì)照值。這些代謝標(biāo)志物主要涉及精氨酸代謝、脯氨酸代謝和谷胱甘肽代謝。研究發(fā)現(xiàn)：精氨酸、脯氨酸和谷胱甘肽的代謝物多胺腐胺和亞精胺是由鳥氨酸產(chǎn)生的。它們?cè)谝种蒲“寰奂黾觿?dòng)脈損傷中密切相關(guān)。N-乙酰半胱氨酸參與谷胱甘肽代謝，具有抗氧化和抗炎特性，并促進(jìn)斑塊穩(wěn)定。它是谷胱甘肽4個(gè)連續(xù)變異的最終產(chǎn)物。這組代謝物的發(fā)現(xiàn)將有助于確定疾病進(jìn)展和風(fēng)險(xiǎn)分層的具體特征、監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展，評(píng)估個(gè)體心血管風(fēng)險(xiǎn)。許文軒[21]等通過分析急性心肌梗死患者手術(shù)前后血漿相關(guān)代謝物含量的變化，同時(shí)對(duì)該類患者的代謝通路進(jìn)行探究，以期尋找到與急性心梗高度相關(guān)的代謝信息，對(duì)于術(shù)后的干預(yù)性治療提供參考。研究發(fā)現(xiàn)，與正常對(duì)照組血漿含量存在明顯差異的代謝標(biāo)志物主要有：溶血磷脂酰膽堿類物質(zhì)、溶血磷脂酸類物質(zhì)、孕烷三醇、N-軟脂?；拾贝?，神經(jīng)酰胺類物質(zhì)。篩查出與急性心肌梗死相關(guān)的代謝通路有兩條：甘油磷脂代謝通路和甘油脂類代謝通路。并發(fā)現(xiàn)，在這兩條代謝通路都會(huì)受到1，2-diacyl-sn-glycerol-3-phosphate這一磷脂酸類物質(zhì)的影響。該物質(zhì)廣泛參與人體各種生理反應(yīng)，主要涉及血小板聚集、平滑肌收縮、心肌舒縮等。該研究中這兩條代謝通路和相關(guān)標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)為急性心肌梗死的研究提供了新的方向，為防止疾病復(fù)發(fā)、改善患者預(yù)后提供了新的參考。

3.3 對(duì)急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者早期診斷的研究

現(xiàn)有的臨床生物標(biāo)志物無(wú)法明確診斷急性冠脈綜合征及其危險(xiǎn)分層，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)癥狀出現(xiàn)時(shí)，疾病已經(jīng)處于不可逆狀態(tài)。近年來(lái)，學(xué)者們已經(jīng)探索了大量新的潛在生物標(biāo)志物，以發(fā)現(xiàn)它們?cè)谂R床實(shí)踐中對(duì)早期診斷和正確的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)分層的價(jià)值。代謝組學(xué)的研究，因具有高靈敏度、高重現(xiàn)性使其成為識(shí)別人類疾病中病理變化的有效工具。Laborde等[22]利用氣相色譜-質(zhì)譜對(duì)非ST段抬高型急性冠脈綜合征患者和健康對(duì)照者的外周血漿進(jìn)行分析，成功鑒定出15種有顯著差異的代謝物。并通過氣相色譜-質(zhì)譜和液相色譜-質(zhì)譜的雙重驗(yàn)證，識(shí)別出由5-羥基色氨酸、2-羥基丁酸和3-羥基丁酸形成的潛在生物標(biāo)志物組。這組生物標(biāo)志物反映了心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激和缺氧狀態(tài)，因此構(gòu)成了動(dòng)脈粥樣硬化形成過程的代謝組學(xué)特征，有助于早期診斷急性冠脈綜合征。Jiang等[23]利用液相色譜質(zhì)譜技術(shù)，對(duì)急性冠脈綜合征患者穩(wěn)定斑塊和易損斑塊的血清樣本進(jìn)行代謝譜分析，以探索斑塊穩(wěn)定性的潛在生物標(biāo)志物。結(jié)果表明，穩(wěn)定斑塊和易損斑塊患者之間存在4種不同的代謝產(chǎn)物，包括甜菜堿、乙酰膽堿、1-十七烷基-sn-甘油-3-磷酸膽堿和異十一酸。并進(jìn)一步驗(yàn)證了血清代謝紊亂和斑塊穩(wěn)定性之間的相關(guān)性，建立了基于血清甜菜堿和射血分?jǐn)?shù)的模型。研究發(fā)現(xiàn)：甜菜堿是一種存在于許多生物體內(nèi)的天然化合物，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞抵抗水分滲透、作為甲基供體來(lái)增加能量代謝和增加抗氧化作用。該血清代謝譜和模型的成功建立，不僅能夠成功將急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者與健康對(duì)照組分開，還能夠運(yùn)用無(wú)創(chuàng)方式確定斑塊的穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)為急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者斑塊穩(wěn)定性的早期診斷提供了新的思路。

3.4 對(duì)急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者預(yù)測(cè)的研究

Huang等[24]利用代謝組學(xué)技術(shù)通過檢測(cè)患者是否存在左主干冠狀動(dòng)脈疾病對(duì)STEMI進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究顯示，發(fā)現(xiàn)特征標(biāo)志物9cRA對(duì)該疾病顯示出較高預(yù)測(cè)能力，并發(fā)現(xiàn)與之相關(guān)的視黃醇代謝通路。9cRA通過激活兩類核受體，維甲酸受體(RARs)和類視黃醇X受體(RXRs)來(lái)調(diào)節(jié)其靶基因的表達(dá)。9cRA功能的復(fù)雜性和多樣性通過其激活RxR的能力來(lái)表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)為代謝組學(xué)技術(shù)在STEMI的預(yù)測(cè)方面提供了新的思路。Ali等[25]采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)UA 組和健康對(duì)照組進(jìn)行血清代謝物譜分析，發(fā)現(xiàn)一種對(duì)心臟有深遠(yuǎn)影響的內(nèi)源性氣體：硫化氫(H2S)。并使用定量雙抗體夾心酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)進(jìn)一步研究血清H2S絕對(duì)水平。結(jié)果表明，與健康對(duì)照組相比，UA患者血清中H2S水平顯著升高。同時(shí)，在UA患者血清中鑒定出19種標(biāo)記代謝物，在區(qū)分UA患者與健康對(duì)照組方面顯示出很高的準(zhǔn)確性，它們都被認(rèn)為是潛在的生物標(biāo)志物。這些發(fā)現(xiàn)表明，代謝物分析技術(shù)可以詳細(xì)描述疾病發(fā)生時(shí)的代謝變化。因此，代謝組學(xué)技術(shù)提供了一個(gè)預(yù)測(cè)性生物標(biāo)志物的機(jī)會(huì)。Liu等[26]通過液相色譜-質(zhì)譜分析了161例冠心病患者(冠心病組44例，尿酸組80例，心梗組37例)和40名健康對(duì)照者的代謝譜和腸道微生物特征。結(jié)果表明：冠心病患者與健康對(duì)照組相比具有顯著不同的代謝物譜，并且代謝物水平隨著冠心病嚴(yán)重程度的不同而進(jìn)一步改變。此外，代謝物和腸道微生物群在冠心病的發(fā)展過程中進(jìn)一步轉(zhuǎn)移。這一發(fā)現(xiàn)表明：確定了與冠心病嚴(yán)重程度增加相關(guān)的腸道微生物群和宿主代謝物譜的具體特征，并進(jìn)一步建立聯(lián)系可用于構(gòu)建疾病分類器，以區(qū)分健康對(duì)照和不同的冠心病亞組，進(jìn)而對(duì)疾病的不同類型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

綜上所述，本文利用代謝組學(xué)技術(shù)分別從代謝輪廓、代謝通路、早期診斷和預(yù)后這4方面對(duì)ACS這類疾病進(jìn)行探討，更加全面、系統(tǒng)的展示了近幾年來(lái)學(xué)者們利用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)ACS疾病的不斷認(rèn)知，為臨床診斷、治療及預(yù)測(cè)方面提供了新的思路。相信經(jīng)過更多學(xué)者的不同探討，檢測(cè)技術(shù)的不斷提高和檢測(cè)方法的不斷改進(jìn)，經(jīng)過大量臨床數(shù)據(jù)的分析和合理統(tǒng)計(jì)，代謝組學(xué)技術(shù)在ACS疾病中能夠發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，為ACS患者提供新的診斷和預(yù)測(cè)方法，降低致殘率和病死率。