心臟外科圍術期代謝組學的變化

吳文濤，周成斌

［1.華南理工大學醫(yī)學院，廣州 510006；2.廣東省心血管病研究所心臟外科廣東省華南結構性心臟病重點實驗室廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學科學院），廣州510080］

提要： 心臟外科圍術期往往伴隨著復雜的代謝改變，認識這些變化對于圍術期管理有指導意義。代謝組學作為最新的組學研究工具，能夠檢測生物體液或組織中成千上萬個代謝物，有利于研究心臟外科圍術期重要臟器損傷的發(fā)病機制，開發(fā)新的臟器保護措施。本文就心臟外科圍術期代謝組學的變化進行綜述。

代謝組學是繼基因組學、轉錄組學和蛋白質組學之后的一個新興領域，是一類通過對生物體液（血液、尿液、組織液等）及其組織中所有小分子代謝產(chǎn)物（分子質量＜1 500 U）進行高通量檢測，分析機體在內源性（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)量的動態(tài)改變及其規(guī)律，并進一步研究其與所發(fā)生的生理或病理改變的關系的科學［1］。心臟外科手術通常具有較高的圍術期風險，不僅是由于心臟疾病本身的復雜性，更是因為圍術期急劇的病理生理改變，包括體外循環(huán)［2］、心肌缺血-再灌注損傷［3］、開胸應激創(chuàng)傷［4］、大量輸血和血液稀釋等。這些病理生理過程往往涉及一系列代謝途徑和產(chǎn)物的改變，對患者圍術期的康復有重大影響。通過檢測生物體液或組織中成千上萬個代謝物，尋找有差異的代謝物和代謝通路，有利于監(jiān)測圍術期重要臟器損傷，研究發(fā)病機制和保護措施。本文擬對心臟外科圍術期代謝組學的變化進行綜述。

1 代謝組學概述

代謝組學是一種新興的組學技術，其發(fā)展代表著代謝研究的方向性轉變：從集中于單一的代謝通路到試圖全面理解復雜的代謝網(wǎng)絡［5］。

1.1 代謝組學研究平臺

核磁共振波譜（nuclear magnetic resonance，NMR）和質譜（mass spectrometry，MS）是目前代謝組學的主要研究平臺，通常與色譜技術結合使用，對生物體液中的大量代謝物進行高通量檢測［6］。NMR 主要通過代謝物在磁場作用下共振頻率的化學位移來識別代謝物，能提供復雜的混合代謝物的結構信息和定量信息，而且只需要很少的樣品量，但其動態(tài)范圍有限，靈敏度低［7］。MS 在過去十年的發(fā)展很大程度上促進了代謝組學的發(fā)展和其在臨床篩查和診斷中的應用。代謝物成分通常先使用液相色譜（liquid chromatography，LC）或氣相色譜（gas chromatography，GC）進行分離，以促進分析物的定性和定量［40］。GC-MS具有分辨率高、選擇性好、標準譜數(shù)據(jù)庫全等優(yōu)勢，但其樣本處理過程較為繁瑣，且受色譜性質限制，要求代謝物具有揮發(fā)性。LC-MS 現(xiàn)已成為代謝組學分析的首選方法，其優(yōu)勢包括：靈敏度、分辨率高，可以分析不穩(wěn)定、不易衍生化、難揮發(fā)和分子量較大的代謝物，但其依賴自建庫、有一定限制性。MS/MS（串聯(lián)質譜）允許使用2 個或2 個以上的質量分析階段來聚焦于混合物中的離子碎片，可以提高分辨率和準確性［8］。

1.2 代謝組學研究方法

目前主要有非靶向和靶向兩種研究方法。非靶向代謝組學能對所有小分子代謝物同時進行檢測分析，其具有無偏向、高通量、樣本無需特殊處理且一次進樣分析等優(yōu)勢，但其只能獲得半定量的結果。故非靶代謝組學通常在研究初期進行，篩選出有差異的代謝物，然后利用靶向代謝組學進一步鑒定和驗證［9］。靶向代謝組學是對某一類代謝物的分析，特別針對一種或幾種途徑的代謝產(chǎn)物。其靈敏度高，能做到絕對定量，但一次只能評估近百種已知代謝物，并且成本很高。兩種代謝組學方法均已應用于檢測各種疾病相關代謝產(chǎn)物，非靶向方法常用于假設生成和新生物標志物的發(fā)現(xiàn)［39］，靶向定量方法則是驗證各種代謝紊亂中已知生物標志物的基本工具［10］。

2 心外科圍術期代謝組學研究進展

2.1 體外循環(huán)過程中的代謝組學變化

體外循環(huán)（cardiopulmonary bypass，CPB）是一種非生理性轉流方式，與術后機體代謝紊亂和器官功能障礙有關，可能的機制：CPB 流期間各器官灌注不足和轉流后的再灌注損傷，血液與人工管道的碰撞激活炎癥級聯(lián)反應，血液稀釋、血液破壞和大量輸血導致術后止凝血功能障礙等［11］。Maltesen 等［12-14］為研究缺血再灌注損傷導致的代謝物變化，收集了50 例患者在CPB 前后多個時間點的血漿樣本，運用NMR 法構建了一個包含600 多份樣本的縱向血清代謝物數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)乳酸、檸檬酸循環(huán)代謝物、嘌呤、煙酸、酪氨酸、透明質酸、酮、脂肪酸和脂質代謝物等水平的變化與手術創(chuàng)傷和缺血再灌注損傷有關，證明了長時間手術應激可能與厭氧環(huán)境和脂肪酸、脂質和糖蛋白水平下降有關，并且代謝失衡在術后20 h 仍然存在。鄒麗華等［15］運用GC-MS 比較了新西蘭兔對照組、缺血組、缺血再灌注組心肌組織的代謝譜，提出體外循環(huán)心肌缺血期間，僅涉及到部分脂肪酸代謝、鳥氨酸循環(huán)、嘧啶代謝產(chǎn)物的差異變化。再灌注早期心肌恢復血供，脂肪酸、氨基酸、核苷酸代謝明顯上調，但同時參與氧化應激的氨基酸、不飽和脂肪酸也明顯增加，抗氧化劑谷氨酰胺生成減少，推斷再灌注損傷可能與心肌代謝中參與氧化應激代謝物質上調相關。

急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）是心臟手術后常見的并發(fā)癥，發(fā)生率高達30%，有1%～6%的患者需要透析［16］。Davidson 等［36］運用串聯(lián)質譜法對57 例出生時間＜120 d的嬰兒和新生兒的165種血清代謝物進行靶向代謝組分析，發(fā)現(xiàn)術前代謝譜無法有效區(qū)分AKI 組和非AKI 組，但術后24 h 的血清代謝譜對重度AKI 有一定的預測作用。為了尋找CPB術后AKI的早期標志物，Zacharias 等［17-18］運用NMR法分別檢測了106例患者CPB前后的尿標本和85例患者CPB 前后的血標本，發(fā)現(xiàn)尿肌酐、肉堿、氨甲環(huán)酸和血肌酐、Mg2+、乳酸可作為AKI 損傷的早期標志物。Begar 等［19］對40 例患兒CPB 前后的尿標本進行了基于LC-MS 的代謝組分析，提出HVA-SO4 可作為兒童CPB 后AKI 的生物標志物。

腦保護也是CPB 心臟手術圍術期臟器保護的重要組成部分，Zou 等［20］運用GC-MS 比較了新西蘭兔深低溫停循環(huán)組和深低溫體循后+順行性腦灌組的腦組織標本，發(fā)現(xiàn)兩組的代謝譜有顯著差異，證明了順行性腦灌對腦組織代謝有明顯保護。

CPB 術后肺功能障礙是CPB 心臟手術最常見的并發(fā)癥，可延長住院時間，增加發(fā)病率和病死率。一項研究比較了兩種肺保護方案（肺動脈HTK 灌注組、肺動脈氧和血灌注組、無肺動脈灌注標準組）的肺組織代謝譜情況，發(fā)現(xiàn)CPB 中HTK 的肺灌注似乎可以預防嚴重酸中毒、過度脂肪酸氧化和肺缺血-再灌注損傷時的炎癥［21］。

2.2 心臟手術與代謝組學

2.2.1 先天性心臟病圍術期代謝組學變化 接受復雜心臟手術的嬰兒死亡率為10%，并發(fā)癥的風險為30%～40%。Davidson 等［22］運用LC-MS/MS 對82 例出生時間＜120 d 的嬰兒和新生兒的血清進行了代謝組學分析，發(fā)現(xiàn)所有接受CPB 心臟手術的患兒術后代謝譜都有明顯改變，具體表現(xiàn)在氧化應激途徑激活以及氨基酸的減少；幾種特定的代謝物標志物，包括天門冬氨酸、谷氨酸、甲基煙酰胺、葫蘆巴堿和鹽酸，可能有助于區(qū)分高危嬰兒和術后癥狀較輕的嬰兒；他們還發(fā)現(xiàn)了新生兒與1～4 個月大的嬰兒在術前代謝譜上的顯著差異，這支持了出生后第一個月代謝成熟的概念。Correia 等［23］運用NMR 鑒定了8 種代謝物（3-d-羥基丁酸、丙酮、乙酰乙酸、檸檬酸、乳酸、肌酸、肌酐和丙氨酸）與手術和疾病嚴重程度相關，并證明了術中嚴格的血糖控制并不影響術后的代謝狀況和臨床結果。

研究表明，先天性心臟?。ㄏ刃牟。┗純河休^高風險發(fā)展為廣泛的神經(jīng)發(fā)育后遺癥，但缺乏早期預后指標［24］。Vedovelli 等［25］用1H NMR 分析了28 例先心病患兒的術前尿液標本，經(jīng)過長期隨訪，證明了運用代謝組學進行聚類分析能夠正確識別大多數(shù)有神經(jīng)發(fā)育后遺癥的兒童（靈敏度為85%），差異代謝物主要為檸檬酸循環(huán)中間產(chǎn)物和葡萄糖的堆積。Simonato 等［26］則發(fā)現(xiàn)犬尿氨酸途徑可作為大動脈轉位術后腦損傷的早期標志物。Sabapathy 等［37］運用LC-MS/MS 比較了17 例接受腔肺吻合術的單心室患兒術前、術后2 h、術后24 h、術后48 h 的血清代謝物，繪制了犬尿氨酸（KP）代謝通路隨時間變化的詳細譜圖，發(fā)現(xiàn)KP 通路中間代謝物的積累與腎損傷、腦損傷有一定相關性，可能是高危先心病患者新的治療靶點。

2.2.2 冠狀動脈旁路移植術圍術期代謝組學變化 冠狀動脈旁路移植術（coronary artery bypass graft，CABG）是絕大多數(shù)左主干或三支冠狀動脈病變患者的首選治療方案。其中，左胸內動脈（left internal thoracic artery，LITA）因其具有良好的長期通暢性和良好的臨床療效而成為冠狀動脈旁路移植術的常用移植物［27］。Kim 等［28］運用GCTOF-MS 比較了升主動脈和LITA 的血漿代謝物，從代謝組學的角度探索了LITA 長期通暢的機制：LITA 血漿中有更高濃度的半胱氨酸和硫化氫，通過清除反應性自由基發(fā)揮抗氧化作用，從而抑制動脈硬化、促進血管舒張。冠狀動脈旁路移植術后不良事件發(fā)生率較高，術后新發(fā)心房顫動（postoperative atrial fibrillation，POAF）發(fā)生率高達20%～50%［29］。Li 等［30］綜合運用蛋白質組學和代謝組學，證明了術前較低的血漿PLTP、APO-C3、較高的CETP 和GPX3 與POAF 相關，PPARα 和谷胱甘肽代謝通路失調可能是POAF 的發(fā)病機制。另一項研究表明，由短鏈二羧基肉堿、酮化代謝物和短鏈肉堿組成的代謝譜，可以獨立于標準的臨床風險預測因子預測冠狀動脈旁路移植術后的不良結果，代謝組學可作為開發(fā)冠狀動脈旁路移植術不良預后生物標志物的新工具［31］。

目前關于非CPB 下冠狀動脈旁路移植術是否更優(yōu)并無定論，Kirov 等［32］比較了CPB 和非CPB 下冠狀動脈旁路移植術患者的主動脈和冠狀靜脈竇血液的代謝譜，發(fā)現(xiàn)并無明顯差別。CPB 下冠狀動脈旁路移植術仍是“金標準”，關于是否使用CPB 進行冠狀動脈旁路移植術還需要更多驗證［38］。

2.2.3 瓣膜病與代謝組學 經(jīng)胸超聲心動圖是瓣膜病診斷的“金標準”，但其無法早期預測瓣膜病，并且依賴于醫(yī)師的主觀經(jīng)驗。代謝組學能夠充分顯示異常血流動力學條件下心血管的代謝改變，已被用于開發(fā)快速、簡便、無偏倚的瓣膜病早期診斷工具。Wang 等［33］比較了二葉式主動脈瓣（bicuspid aortic valve，BAV）患者和健康人群的血清代謝組學結果，共發(fā)現(xiàn)41 種差異代謝物，其中甘油-n-油基乙醇胺（GNOE）、單甘油酯（MG）（18∶2）具有明顯的預測價值，并利用這兩種代謝物構建了BAV 診斷的新模型。Alvarez 等［34］為研究主動脈瓣狹窄患者發(fā)生病理性鈣化的機制，綜合運用蛋白質組學和代謝組學，發(fā)現(xiàn)鈣化型主動脈瓣狹窄患者相較于主動脈瓣反流患者表現(xiàn)出明顯的缺血、促凝、促炎和脂代謝受損，琥珀酸、焦谷氨酸、丙氨酸等17 種代謝物存在明顯差異。Jiang 等［35］發(fā)現(xiàn)二尖瓣疾病常伴隨著能量代謝、氨基酸代謝和鈣代謝等紊亂，鑒定出了18 種差異代謝物，其中甲酸和乳酸顯著下調，對二尖瓣疾病有很高的診斷潛力。

綜上所述，代謝組學是研究心外科圍術期代謝變化的一種有力工具，不僅能幫助我們探索圍術期病理生理變化的發(fā)生機制、開展臟器保護工作，更有助于我們開發(fā)新的預后標志物，早期識別不良后果，從而進行干預。但需要注意的是，圍術期的代謝組學研究易受到麻醉和用藥的干擾，需要開發(fā)新的工作流程來降低這些因素的影響。此外，多組學聯(lián)合運用正逐漸成為當前組學研究的趨勢，綜合運用轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等工具，更有助于我們繪制患者個性化的組學圖譜，從而將高通量測序技術和精準醫(yī)療理念相結合。