高血壓代謝組學(xué)研究進(jìn)展

魯婕雨，石文翔，孔祥清

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，江蘇 南京 210029

高血壓作為心血管疾病中最為常見(jiàn)的疾病之一，是腦卒中、心衰、主動(dòng)脈夾層、終末期腎病等多種疾病的重要危險(xiǎn)因素［1］。根據(jù)最新數(shù)據(jù)，2015 年全球約有780 萬(wàn)人的死亡，合約14%的全因死亡與血壓控制欠佳相關(guān)［2］。而嚴(yán)格的血壓控制可以明顯降低相關(guān)心血管事件的發(fā)生率以及高血壓人群的全因病死率［3］。遺憾的是，盡管進(jìn)行了很多嘗試，高血壓的知曉率、診斷率、治療率、達(dá)標(biāo)率仍十分不理想，僅有50%的患者可以將血壓控制達(dá)標(biāo)［4］。因此，進(jìn)一步探索危險(xiǎn)因素、發(fā)病機(jī)制、預(yù)測(cè)及診斷標(biāo)志物，為高血壓的早期干預(yù)及預(yù)防提供證據(jù)尤為重要。同時(shí)一線藥物的多樣化及應(yīng)答不理想、適用人群不明確也是導(dǎo)致血壓控制達(dá)標(biāo)率低下的主要原因，高血壓藥物的作用機(jī)制、療效安全性評(píng)估及治療方案改良也是高血壓研究的重要方向之一。

由于血壓升高是代謝綜合征的一個(gè)重要臨床表現(xiàn)，越來(lái)越多的研究也開(kāi)始意識(shí)到新陳代謝在原發(fā)性高血壓發(fā)生發(fā)展中的重要性。代謝組學(xué)作為組學(xué)研究中一類主要分析小分子化合物（主要為50～1 500 Da）總體特征的研究，顯示了基因及外界干預(yù)（包括環(huán)境、藥物等）對(duì)體內(nèi)代謝狀態(tài)的影響，填補(bǔ)了組學(xué)研究在新陳代謝表型方面的空白［5］。近年來(lái)，磁共振（magnetic resonance，MR）波譜及質(zhì)譜（mass spectrum，MS）技術(shù)的不斷進(jìn)步使得高分辨度、高靈敏度地定量或定性檢測(cè)多種小分子代謝物質(zhì)成為可能，在此基礎(chǔ)上，代謝組學(xué)研究得以發(fā)展。相較于常規(guī)檢測(cè)，代謝組學(xué)對(duì)于低豐度小分子物質(zhì)的檢測(cè)更加靈敏，可以同時(shí)獲得數(shù)百至上千種代謝物質(zhì)的定性定量結(jié)果，可以用于了解整體代謝特征及發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)記物，這些都是常規(guī)檢測(cè)無(wú)法完成的。除了定性及定量檢測(cè)，代謝通量檢測(cè)也在近年迅速發(fā)展為代謝組學(xué)一個(gè)重要的研究方向。結(jié)合放射性同位素示蹤技術(shù)，MS或MR可以檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)的代謝物流動(dòng)改變，從而更加精確地探究代謝物水平改變究竟是來(lái)源于產(chǎn)量還是消耗的改變，因此可以更加清晰地展現(xiàn)整個(gè)代謝過(guò)程的變化［6］?，F(xiàn)如今，代謝組學(xué)研究已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于心血管疾病的機(jī)制探究、生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)等方面。

1 高血壓代謝組學(xué)方法學(xué)進(jìn)展

代謝組學(xué)研究通過(guò)樣品制備、代謝物分析和數(shù)據(jù)分析三個(gè)步驟獲取代謝組學(xué)信息，從方法上主要分為靶向及非靶向兩種。靶向的代謝組學(xué)研究針對(duì)某一種或某幾種已知代謝物進(jìn)行定性及絕對(duì)定量研究，主要使用MS技術(shù)，常用于確認(rèn)某種已知物質(zhì)是否與疾病相關(guān)等驗(yàn)證目的。由于存在待測(cè)代謝物的標(biāo)準(zhǔn)品作為對(duì)照，其結(jié)果相對(duì)于非靶向研究來(lái)說(shuō)更加準(zhǔn)確。而非靶向的代謝組學(xué)研究可通過(guò)MR或MS定性和量化樣品中盡量多的化合物，主要用于新的生物標(biāo)記物和代謝途徑的發(fā)現(xiàn)［7］。MR 是一種快速有效、重復(fù)率高的非靶向代謝組學(xué)檢測(cè)技術(shù)，它根據(jù)分子中的不同原子核產(chǎn)生的不同共振頻率獲取被探測(cè)分子的化學(xué)和結(jié)構(gòu)信息。但其缺點(diǎn)在于NMR靈敏性及分辨率較低，可確定的代謝物數(shù)量十分有限。而MS則可以與液相色譜（liquid chro?matogram，LC）、氣相色譜（gas chromatogram，GC）等相結(jié)合，根據(jù)離子和碎片離子的質(zhì)量?電荷（m/z）比進(jìn)行電離和分離獲取被測(cè)物質(zhì)的信息，可以同時(shí)檢測(cè)數(shù)百個(gè)代謝物。但即使如此，由于代謝物的物化特性的多樣性，目前的技術(shù)仍然不能實(shí)現(xiàn)單一技術(shù)檢測(cè)完整代謝組［8］。另外，由于單純使用質(zhì)譜檢測(cè)難以提供除了分子式以外的其他信息，加上目前數(shù)據(jù)庫(kù)的覆蓋率不足，代謝物注釋也是非靶向代謝組學(xué)研究的瓶頸之一。近年，結(jié)合應(yīng)用LC、串聯(lián)質(zhì)譜（MS/MS）及離子淌度（ion mobility，IM）分離技術(shù)可以分別提供保留時(shí)間（retention time，RT）、MS/MS光譜和碰撞截面（collision cross section，CCS）信息，為區(qū)分同分異構(gòu)體提供一些線索，但在非靶向代謝組學(xué)分析中準(zhǔn)確識(shí)別代謝物仍然并不容易［9］。

從研究對(duì)象方面來(lái)說(shuō)，代謝組學(xué)可將血液、尿液、組織、培養(yǎng)基等多種樣品作為檢測(cè)樣本。血液和尿液的提取由于是微創(chuàng)甚至無(wú)創(chuàng)的，因而可以進(jìn)行多次采集，反映出短時(shí)間內(nèi)的新陳代謝改變，較為全面地展示多系統(tǒng)綜合的代謝變化，一般來(lái)說(shuō)是最為常見(jiàn)的代謝組學(xué)研究樣本，但它們都難以顯示組織內(nèi)及系統(tǒng)間的代謝變化，因此在某些需要高選擇性代謝信息的實(shí)驗(yàn)中，組織樣本是必需的［10］。

2 發(fā)病機(jī)制研究

除由腎臟疾病、腎血管疾病、原生性醛固酮增多等原因引起的繼發(fā)性高血壓外，大多數(shù)高血壓患者無(wú)法找到明確的單一發(fā)病原因，因此原發(fā)性高血壓一直被認(rèn)為是一個(gè)由表觀遺傳學(xué)、生活方式等多種因素調(diào)控的疾病表型［11］。近年代謝組學(xué)研究也為高血壓發(fā)病機(jī)制提供了新的證據(jù)和思路，主要集中在脂質(zhì)代謝改變、腸道微生物菌群這兩個(gè)方面。

脂質(zhì)代謝變化是高血壓發(fā)生發(fā)展中的重要特征之一。在未服用降脂藥的人群當(dāng)中，多種脂質(zhì)（神經(jīng)酰胺、三?；视?、總甘油脂、油酸等）的循環(huán)水平與舒張壓的縱向變化正相關(guān)，而膽固醇水平與舒張壓變化呈負(fù)相關(guān)［12］。其中油酸等游離脂肪酸（free fatty acid，F(xiàn)FA）與高血壓的關(guān)系最常被提及。Liu等［13］進(jìn)行的一項(xiàng)基于氣相色譜/飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)的代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，診斷高血壓的患者血清中的游離脂肪酸水平較對(duì)照組人群明顯升高，還有研究者認(rèn)為這種相關(guān)性在女性中更加明顯［14］。FFA 的血清水平過(guò)高往往與胰島素抵抗同時(shí)出現(xiàn)，這可能與FFA 再酯化產(chǎn)物二酰基甘油激活蛋白激酶C（pro?tein kinase C，PKC）有關(guān)，但FFA 對(duì)于血壓的影響并不局限于通過(guò)胰島素抵抗實(shí)現(xiàn)［15］。過(guò)多的FFA 積聚在體內(nèi)體外都被證明可以激活經(jīng)典的促炎NF?κB通路，導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子（TNF?α、IL?6等）的表達(dá)升高，并通過(guò)激活NAD（P）H氧化酶誘導(dǎo)活性氧（reac?tive oxyen speeies，ROS）的生成，減少內(nèi)皮細(xì)胞NO的生成，導(dǎo)致氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，從而引起內(nèi)皮功能障礙［16-18］。另外，Kulkarni等［19］通過(guò)脂質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)在墨西哥裔美國(guó)人當(dāng)中，血漿甘油二酯水平與血壓及高血壓發(fā)生率獨(dú)立相關(guān)。加壓素可以結(jié)合g 蛋白偶聯(lián)受體并激活細(xì)胞內(nèi)磷脂酶C，二?；视褪沁@個(gè)反應(yīng)的最終產(chǎn)物，它可以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度和PKC 活性，從而在高血壓病理生理過(guò)程中發(fā)揮作用［19］。

另一個(gè)重要機(jī)制則與腸道菌群有關(guān)。無(wú)論在高血壓還是高血壓前期患者當(dāng)中，不少腸道微生物的水平與正常對(duì)照組相比會(huì)有明顯的區(qū)別，促炎和條件致病菌（如普雷沃菌、克雷伯菌）比例升高。另外，將高血壓患者的糞菌移植入小鼠體內(nèi)可以使小鼠血壓顯著升高，相反，將正常動(dòng)物的糞菌移植入高血壓動(dòng)物模型中可以明顯降低血壓［20-22］。這些都表明了腸道菌群在高血壓發(fā)生發(fā)展中的重要作用。Cheema 等［23］則發(fā)現(xiàn)血管緊張素Ⅱ（angiotensinⅡ，AngⅡ）介導(dǎo)的高血壓產(chǎn)生的血漿及糞便代謝物完全依賴于腸道微生物。短鏈脂肪酸是腸道微生物產(chǎn)生的代表性物質(zhì)，在近年的代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)其循環(huán)水平在高血壓人群及動(dòng)物模型中都有明顯降低，而糞便中短鏈脂肪酸含量升高［24］。短鏈脂肪酸可以通過(guò)腎臟及血管系統(tǒng)的受體調(diào)節(jié)血管張力和腎素分泌［25-26］，同時(shí)破壞腸道上皮屏障引起腸道炎癥［27］。短鏈脂肪酸在循環(huán)內(nèi)的減少及在腸腔內(nèi)的積聚還可以通過(guò)潛在的調(diào)節(jié)交感迷走神經(jīng)平衡、神經(jīng)炎癥等作用達(dá)到升高血壓的效果［28］。除此之外，高鹽飲食可以減少腸道中乳酸菌含量，減少吲哚產(chǎn)生，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)［29］，也可以減少腸道脆弱擬桿菌，降低花生四烯酸水平，增加腸源性皮質(zhì)醇產(chǎn)生從而誘導(dǎo)高血壓的發(fā)生［30］。腸道菌群還可以調(diào)節(jié)患者對(duì)高血壓藥物的反應(yīng)［31］。

3 生物標(biāo)志物篩選

除上述在機(jī)制研究方面做出貢獻(xiàn)的結(jié)果以外，仍有許多化合物的水平在正常人群與高血壓人群中有著顯著的區(qū)別，可以作為生物標(biāo)記為其他潛在發(fā)病機(jī)制的發(fā)現(xiàn)、早期診斷、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供線索。最早的代謝組學(xué)研究就曾指出在高血壓患者與血壓臨界患者當(dāng)中有一系列代謝物的改變是類似的，尤其是與極低密度膽固醇和低密度膽固醇相關(guān)的脂蛋白，這提示了在血壓未上升至高血壓定義之前，患者體內(nèi)很有可能已經(jīng)存在一些相關(guān)的代謝產(chǎn)物變化，可以為早期診斷提供線索［32］。目前已經(jīng)有一系列針對(duì)高血壓與健康人群中代謝差異的研究，如高血壓人群與健康對(duì)照人群比較，油酸［12-13，33］乳酸［34-35］、蔗糖［13，36］、十六烷二酸［35］升高，甘氨酸［37-41］、蘇氨酸［39-41］、絲氨酸［37，40］、蛋氨酸［41-42］、天冬氨酸［38，41］、尿嘧啶［34，42］降低。這些化合物與高血壓的因果關(guān)系尚不明確，但也提示了一些潛在的可能發(fā)病機(jī)制。十六烷二酸的循環(huán)水平在3個(gè)獨(dú)立人群中被發(fā)現(xiàn)與血壓呈正相關(guān)，且經(jīng)十六烷二酸處理的小鼠腸系膜動(dòng)脈對(duì)去甲腎上腺素的反應(yīng)性增加，但經(jīng)典高血壓模型高鹽飲食并無(wú)法引起循環(huán)十六烷二酸水平升高，提示十六烷二酸可能通過(guò)一種新的機(jī)制影響血壓［35］。與十六烷二酸水平密切相關(guān)的幾個(gè)基因也被證實(shí)與高血壓相關(guān)［43］。

另外，十六烷二酸的水平與心源性卒中、心衰發(fā)生率也有正相關(guān)關(guān)系［44-45］。除十六烷二酸外，還有不少化合物都曾被報(bào)道與各類高血壓并發(fā)癥相關(guān)。l?色氨酸、3?甲氧基胺、蛋氨酸、高半胱氨酸、半胱氨酸、異亮氨酸、肉堿、精氨酸、亞油酸和鞘氨醇的血清定量濃度在后來(lái)診斷為中風(fēng)的患者中明顯較高［46］。循環(huán)游離脂肪酸水平與左心室射血分?jǐn)?shù)呈反比，可以用于預(yù)測(cè)心衰的發(fā)生［47］。尿液中3?脲丙酸鹽、草酰乙酸鹽、蘋果酸鹽和胍乙酸鹽水平也被證實(shí)與蛋白尿之間存在聯(lián)系［48］。而以溶血卵磷脂血漿水平下調(diào)為特征的高血壓個(gè)體與溶血卵磷脂水平較高的個(gè)體相比，早期血管老化的風(fēng)險(xiǎn)要高3.8倍［49］。

4 高血壓干預(yù)后的代謝改變

高血壓干預(yù)后的代謝改變也可以從側(cè)面為發(fā)病機(jī)制提供線索，同時(shí)對(duì)治療方法改進(jìn)、個(gè)體化治療方案制定、療效及安全性評(píng)估等方面提供潛在幫助。由于高血壓狀態(tài)部分受生活狀態(tài)影響，飲食控制及運(yùn)動(dòng)也是控制血壓的重要方法。停止高血壓的飲食方法（dietary approaches to stop hypertension，DASH）可以明顯改變尿液中n ?甲基脯氨酸、水黃堿、色氨酸等物質(zhì)含量［50］。控制鈉鹽攝入可以改變絲氨酸、色氨酸等物質(zhì)的尿液、循環(huán)水平［51-52］，運(yùn)動(dòng)則可以調(diào)節(jié)血漿中脂肪酸、氨基酸水平［53］，這些物質(zhì)參與了一氧化氮產(chǎn)生、氧化應(yīng)激、滲透壓調(diào)節(jié)等廣泛的生物途徑，在調(diào)節(jié)血壓中發(fā)揮了作用。

除生活方式發(fā)生改善外，各類抗高血壓藥物也會(huì)在患者體內(nèi)引起一系列代謝改變，這些改變或許與藥物發(fā)揮作用或產(chǎn)生不良反應(yīng)相關(guān)。一線藥物比索洛爾、氨氯地平、氯沙坦都可以降低循環(huán)中乙酰肉堿的水平。噻嗪類利尿劑則傾向于增加尿素循環(huán)代謝產(chǎn)物尿素和瓜氨酸。對(duì)于服用β?受體阻滯劑的患者，血清中焦谷氨酰胺、同瓜氨酸、水楊酸的濃度增加，血清素、脂肪酸含量降低。而使用血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑（angiotensin converting enzyme inhibitor，ACEI）時(shí)，HWESASXX 和des?arg（9）?緩激肽水平升高，苯丙基苯丙氨酸和天冬苯丙氨酸循環(huán)水平降低［54-55］，這些物質(zhì)或許可以作為提示藥物活性的標(biāo)志物被應(yīng)用于臨床。其中天冬苯丙氨酸是血管緊張素轉(zhuǎn)化酶引起的膽囊收縮素（CCK?8）裂解的產(chǎn)物，其循環(huán)水平與血壓呈正相關(guān)，可以提示ACEI 療效［56］。Sonn 等［57］曾報(bào)道2?氧戊二酸鹽的升高與ACEI藥物應(yīng)答欠佳相關(guān)。另外，des?arg（9）?緩激肽可能與血管水腫、咳嗽等不良事件等有關(guān)［58］。Cheng 等［59］則發(fā)現(xiàn)血清磷脂酰膽堿、溶血磷脂酰膽堿、鞘磷脂等化合物水平可能與氨氯地平導(dǎo)致的腸道炎癥、消化道不良反應(yīng)相關(guān)。

5 小結(jié)與展望

代謝組學(xué)研究為高血壓的發(fā)病機(jī)制、生物標(biāo)記物、藥物療效安全性評(píng)估等方面提供了許多新的線索，甚至有研究者試圖根據(jù)代謝特征將原發(fā)性高血壓、代謝綜合征等相關(guān)疾病重新分類［60］。但縱觀現(xiàn)有的代謝組學(xué)研究結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)相同結(jié)果的重復(fù)率并不高。由于檢測(cè)方法限制，非靶向的代謝組學(xué)研究很難完全準(zhǔn)確地識(shí)別化合物并絕對(duì)定量，不同的檢測(cè)儀器、樣品處理方式、檢測(cè)參數(shù)都有可能使得檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生改變，而影響最終結(jié)論。但即使在同一次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，不同種族［61］、性別［62］、生活方式的目標(biāo)人群所展示的代謝特點(diǎn)也并不完全相同。因此，研究方法的規(guī)范化及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的拓展及重復(fù)將成為此類研究發(fā)展的重點(diǎn)。今后，多變量參與的精準(zhǔn)分析或許可以幫助臨床醫(yī)生理解多因素與代謝狀態(tài)改變的關(guān)系，最終掌握每一個(gè)特定個(gè)體的代謝特征，從而為高血壓的治療或預(yù)防制定更加個(gè)性化的方案。