腦卒中的代謝組學(xué)研究進(jìn)展*

譚 群，熊 昕

（重慶市中醫(yī)院腦病科，重慶 400011）

在我國(guó)，腦卒中為致殘和致死的主要疾病。我國(guó)每年新發(fā)腦卒中患者約200萬(wàn)例，且仍以每年8.7%的速度迅速增長(zhǎng)［1］，中國(guó)人群卒中終生風(fēng)險(xiǎn)為全球最高［2］。腦卒中的診斷和治療依賴影像學(xué)檢查，但存在轉(zhuǎn)運(yùn)患者、輻射等弊端。因此，尋找有助于腦卒中診斷和觀察病情演變的生物標(biāo)志物具有臨床意義，但目前尚無(wú)理想的卒中生物標(biāo)志物。常用的分子生物標(biāo)志物可源于血液、體液、腦脊液等，包括蛋白質(zhì)、代謝物、脂質(zhì)和核糖核酸等類型。目前常用的生物標(biāo)志物如高敏感的心肌肌鈣蛋白T可指導(dǎo)心肌梗死的診斷［3］、D-二聚體可用于肺栓塞的診斷［4］。代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)后發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科，可有效地研究整個(gè)生物體的代謝狀態(tài)，并可對(duì)低分子量代謝產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析［5］。代謝組學(xué)已廣泛運(yùn)用于心血管?。?］、糖尿病［7］、腎臟?。?］及腫瘤［9］等疾病的研究中。腦卒中可分為缺血性腦卒中和出血性腦卒中2個(gè)主要亞型。缺血性腦卒中更常見(jiàn)，其特征是血栓和動(dòng)脈阻塞導(dǎo)致血流中斷。近年來(lái)，腦卒中相關(guān)代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，多種（如氨基酸、糖、脂類、葉酸等）代謝物的質(zhì)量濃度發(fā)生了明顯變化。中醫(yī)藥治療腦卒中歷史悠久，代謝組學(xué)采用自上而下的研究策略來(lái)研究機(jī)體在受到外界刺激和擾動(dòng)后整體的代謝變化，這與傳統(tǒng)中醫(yī)藥的整體思維模式相吻合，中醫(yī)治療腦卒中會(huì)引起代謝組學(xué)變化。為此，將對(duì)不同類型腦卒中的代謝組學(xué)進(jìn)展及基于代謝組學(xué)的中醫(yī)藥治療腦卒中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1 缺血性腦卒中

腦缺血導(dǎo)致神經(jīng)元損傷，導(dǎo)致氧和能量迅速耗竭，引起氧化應(yīng)激、炎癥、血腦屏障損害及興奮性氨基酸釋放［10］。這一過(guò)程涉及糖代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝等途徑。

糖代謝：丙酮酸、乳酸、檸檬酸鹽等為糖代謝相關(guān)產(chǎn)物。張?zhí)焓娴龋?1］研究發(fā)現(xiàn)，模型大鼠局部病灶腦缺血后單磷酸腺苷含量降低，尿嘧啶及乳酸水平明顯升高。JUNG等［12］發(fā)現(xiàn)，腦梗死患者尿液中檸檬酸鹽水平降低，血液中丙酮酸和乳酸水平升高。LIU等［13］發(fā)現(xiàn)，腦缺血模型小鼠丙酮酸和乳酸水平升高。這與腦缺血發(fā)生后腦組織氧含量下降及體內(nèi)糖的無(wú)氧糖酵解增強(qiáng)相關(guān)。果糖-6-磷酸糖是糖酵解的產(chǎn)物之一，JIANG等［14］研究發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照組比較，缺血性腦血管病患者血清中的果糖-6-磷酸糖水平明顯降低。

脂質(zhì)代謝：腦缺血后低氧導(dǎo)致的能量代謝障礙，可使細(xì)胞膜離子泵的活性減弱，神經(jīng)元去極化，花生四烯酸的釋放增加。涂佳玉等［15］采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，腦梗死模型大鼠腦組織中花生四烯酸水平較對(duì)照組明顯升高?；ㄉ南┧嵩谧杂苫T導(dǎo)下發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)，其產(chǎn)物是異前列腺素F2。在急性腦梗死發(fā)病8 h內(nèi)，血漿中異前列腺素F2水平明顯升高［16］。JOVé等［17］對(duì)短暫性腦缺血發(fā)作患者的卒中復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)病24 h內(nèi)溶血卵磷脂水平降低與卒中復(fù)發(fā)明顯相關(guān)，尤其是對(duì)于復(fù)發(fā)時(shí)間短于3個(gè)月的患者。張?zhí)焓娴龋?1］研究發(fā)現(xiàn)，模型大鼠腦缺血再灌注后3 h，細(xì)胞膜磷脂大量水解，且腦組織中三磷酸腺苷（ATP）含量減少，膽堿合成卵磷脂的速度降低，導(dǎo)致腦組織甘油磷脂酰膽堿和磷酰膽堿水平降低，膽堿水平明顯升高。李深等［18］采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，急性腦梗死患者血漿丁酸和棕櫚酸水平較疾病對(duì)照患者和健康對(duì)照者升高。丁酸和棕櫚酸是脂肪酸家族成員，其中棕櫚酸對(duì)腦梗死的診斷具有較高的特異性（88.6%）。腦梗死發(fā)生后兩者含量增加提示脂肪酸代謝紊亂。

氨基酸代謝：谷氨酸是酸性氨基酸，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)作用最廣泛且含量最高的興奮性氨基酸。CASTILLO等［19］研究發(fā)現(xiàn)，腦梗死患者血漿中的谷氨酸水平在急性期明顯升高，并與病情嚴(yán)重程度和病灶體積大小呈正相關(guān)。WANG等［20］的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模型大鼠的缺血側(cè)腦組織內(nèi)谷氨酸水平異常升高導(dǎo)致的神經(jīng)毒性與神經(jīng)元損傷有關(guān)。N-乙酰天門(mén)冬氨酸（NAA）是由神經(jīng)元線粒體合成、可用于反映神經(jīng)元密度和活性的生物標(biāo)志物，分布于神經(jīng)元的胞體內(nèi)。LIN等［21］采用1H-MRS研究發(fā)現(xiàn)，腦梗死發(fā)生后，神經(jīng)元代謝受到抑制，NAA水平明顯降低。?；撬崾怯珊虬被幔ò腚装彼?、甲硫氨酸等）經(jīng)一系列酶促反應(yīng)后氧化脫羧而成的多功能β-氨基酸，與半胱氨酸的代謝密切相關(guān)。GHANDFOROUSH-SATTARI等［22］研究發(fā)現(xiàn)，缺血性腦卒中患者血漿?；撬岬馁|(zhì)量濃度與健康人群比較明顯升高，并且持續(xù)至發(fā)病第5天。李深等［18］研究發(fā)現(xiàn)，急性腦梗死患者的2-哌啶甲酸和焦谷氨酸水平升高，兩者對(duì)于腦梗死的診斷均具有較高的敏感度（分別為93.9%及90.9%）。2-哌啶甲酸是賴氨酸代謝的產(chǎn)物，參與纖維蛋白溶解；焦谷氨酸是谷胱甘肽生物合成中的重要分子，腦梗死患者中焦谷氨酸含量的減少提示機(jī)體內(nèi)氧化應(yīng)激造成的還原性物質(zhì)減少。由楊等［23］收集經(jīng)頭顱核磁共振成像確診的新發(fā)腦梗死患者，以正常患者為對(duì)照，采用串聯(lián)質(zhì)譜法檢測(cè)血漿代謝物，發(fā)現(xiàn)腦梗死患者的亮氨酸、瓜氨酸/精氨酸、甲硫氨酸/苯丙氨酸水平較低，而精氨酸水平較高。KIMBERLY等［24］發(fā)現(xiàn)，人或普通動(dòng)物發(fā)生缺血性腦卒中后，亮氨酸水平都有所降低。甲硫氨酸在甲硫氨酸循環(huán)中提供S-腺苷甲硫氨酸，轉(zhuǎn)甲基后轉(zhuǎn)變?yōu)镾-腺苷同型半胱氨酸，進(jìn)一步水解生成同型半胱氨酸，同型半胱氨酸可促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生及血栓形成，促進(jìn)腦梗死。

葉酸循環(huán)代謝類：葉酸、四氫葉酸、半胱氨酸、S-腺苷同型半胱氨酸及氧化谷胱甘肽均參與葉酸代謝，在維持脫氧核糖核酸（DNA）和蛋白質(zhì)穩(wěn)定、合成其他分子及抗氧化等方面發(fā)揮著重要作用。血清總同型半胱氨酸是卒中危險(xiǎn)因素之一［25］，其質(zhì)量濃度的升高可反映缺血性腦卒中急性期病情加重。還原型谷胱甘肽的產(chǎn)物氧化谷胱甘肽是體內(nèi)氧化應(yīng)激的生物標(biāo)志物，其質(zhì)量濃度的升高表明活性氧的產(chǎn)生失衡［14］。

2 出血性腦卒中

出血性腦卒中相關(guān)的代謝標(biāo)志物較少，可能與腦出血易診斷有關(guān)。ZHANG等［26］通過(guò)比較腦出血患者、腦梗死患者和健康人相關(guān)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，3-羥基丁酰肉堿、戊二酸肉堿、十四酰肉堿等的含量明顯不同?；谠摬町惤⑷斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能有效區(qū)分腦出血和腦梗死。膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）是星形膠質(zhì)細(xì)胞活化的標(biāo)志物，GFAP水平在健康個(gè)體血液中較低，但急性腦出血可能會(huì)突然破壞血腦屏障和快速破壞星形膠質(zhì)細(xì)胞，從而導(dǎo)致血清中GFAP的早期出現(xiàn)。在缺血性中風(fēng)中，腦細(xì)胞和血腦屏障的結(jié)構(gòu)完整性可在癥狀發(fā)作后較長(zhǎng)時(shí)間保存。壞死的細(xì)胞死亡和細(xì)胞裂解通常不會(huì)發(fā)生在血管閉塞后的前6～12 h內(nèi)。LUGER等［27］研究發(fā)現(xiàn)，腦出血患者GFAP的質(zhì)量濃度為0.16μg/L，明顯高于腦梗死患者的0.01μg/L，有助于臨床區(qū)分腦出血與腦梗死。

蛛網(wǎng)膜下腔出血對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生致命打擊。顱內(nèi)動(dòng)脈瘤是蛛網(wǎng)膜下腔出血的常見(jiàn)病因。INGALL等［28］的研究提示，蛛網(wǎng)膜下腔出血發(fā)病后24 h，48 h，7 d和28 d的病死率分別為37%，60%，75%和41.7%。蛛網(wǎng)膜下腔出血相關(guān)的代謝標(biāo)志物研究多以腦脊液為標(biāo)本。SJ?BERG等［29］采集蛛網(wǎng)膜下腔出血患者血液，發(fā)現(xiàn)第7天高水平的肌醇與1年后的良好格拉斯哥預(yù)后評(píng)分呈明顯正相關(guān)。STAPLETON等［30］收集患者發(fā)病5 d內(nèi)的血液，其牛磺酸水平升高預(yù)示著發(fā)病90 d內(nèi)更好的神經(jīng)功能預(yù)后（改良Rankin量表評(píng)分為0～2分）。HO等［31］通過(guò)腦室外引流采集蛛網(wǎng)膜下腔出血患者的腦脊液，并與未破裂動(dòng)脈瘤患者的腦脊液比較，在出血后的1 h內(nèi)檢測(cè)到大量氨基酸水平的變化。?；撬豳|(zhì)量濃度在出血后短暫最高，6 h后開(kāi)始下降（與第1～9天比較，P=0.02）。腦脊液氨基酸質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化，有助于理解蛛網(wǎng)膜下腔出血的病理生理過(guò)程，為常規(guī)實(shí)驗(yàn)室無(wú)創(chuàng)評(píng)估提供潛在的預(yù)測(cè)指標(biāo)。

3 基于代謝組學(xué)對(duì)中醫(yī)藥治療腦卒中的研究

張聰?shù)龋?2］對(duì)急性腦缺血模型大鼠腦組織勻漿液進(jìn)行的代謝組學(xué)檢測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，與假手術(shù)組比較，模型組大鼠的NAA、延胡索酸、谷胱甘肽、脫氫抗壞血酸、天門(mén)冬氨酸及S-腺苷同型半胱氨酸水平下降，精氨酸、瓜氨酸、酵母氨酸、乙內(nèi)酰脲-5-丙酸水平升高，而塞絡(luò)通組上述10個(gè)異常變化的生物標(biāo)志物水平明顯回調(diào)。

夏鑫華等［33］采用線栓法制備動(dòng)脈局灶性腦缺血大鼠模型，結(jié)果顯示，與假手術(shù)組比較，模型組大鼠的谷氨酰胺、谷氨酸、次黃嘌呤、前列腺素2、谷氨酸、焦谷氨酸、膽固醇水平明顯升高，而脯氨酸、纈氨酸和吲哚氨酸水平明顯降低；與模型組比較，補(bǔ)陽(yáng)還五湯給藥組大鼠上述指標(biāo)水平明顯回調(diào)。

郭志麗等［34］采用代謝組學(xué)方法檢測(cè)大腦中動(dòng)脈阻塞模型大鼠血清中氨基酸水平，模型組大鼠血清中，絲氨酸、天門(mén)冬酰胺、甘氨酸水平均明顯降低，谷氨酸、蘇氨酸、天門(mén)冬氨酸水平則明顯升高，丹紅注射液治療組上述指標(biāo)水平明顯回調(diào)。表明丹紅注射液能在一定程度上改善模型大鼠大腦中動(dòng)脈阻塞狀態(tài)。

陳曦等［35］復(fù)制了大腦中動(dòng)脈阻塞大鼠模型，結(jié)果中劑量（3.0 g/kg）腦脈通與陽(yáng)性對(duì)照（尼莫地平）效果類似，能抑制模型大鼠血漿中谷氨酰胺、?；撬帷⒗野彼?、乳酸水平的升高，升高脂類、膽固醇、3-羥基丁酸、NAA、乙酰乙酸谷氨酸、膽堿等的水平；同時(shí)，能有效緩解模型大鼠腦組織能量代謝紊亂，為損傷的腦組織提供能量，減輕腦缺血再灌注導(dǎo)致的病理?yè)p傷。

YANG等［36］復(fù)制腦出血大鼠模型，治療3 d后采用超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法進(jìn)行血液非靶向代謝組學(xué)檢測(cè)。與假手術(shù)組比較，模型組大鼠血清中128種代謝物發(fā)生了明顯改變，經(jīng)桃核承氣湯干預(yù)后，27個(gè)代謝物水平明顯變化，主要涉及D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代謝，丙氨酸、天門(mén)冬氨酸和谷氨酸代謝，精氨酸和脯氨酸代謝，及精氨酸的生物合成等過(guò)程。桃核承氣湯可明顯改善谷氨酸介導(dǎo)的興奮性毒性、抗氧化劑失活、線粒體穩(wěn)態(tài)/功能障礙以及與腦出血的進(jìn)展密切相關(guān)的其他代謝過(guò)程。

劉琪等［37］對(duì)高血壓腦出血術(shù)后痰瘀腑實(shí)證患者在術(shù)后第3天開(kāi)始予通腑瀉熱活血合劑治療，并收集患者術(shù)前及術(shù)后第1，3，7，12天的血漿樣本。采用核磁共振氫譜（1H-NMR）CPMG脈沖序列檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，服用該合劑后，亮氨酸水平降低，乳酸水平升高，可改善腦出血后患者體內(nèi)脂肪水平及血糖代謝狀態(tài)，穩(wěn)定細(xì)胞膜等，促進(jìn)細(xì)胞修復(fù)。

4 展望

代謝組學(xué)參考基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究思路，對(duì)生物體內(nèi)所有代謝物進(jìn)行定量分析，并尋找代謝物與生理病理變化相對(duì)關(guān)系的研究方式，是系統(tǒng)生物學(xué)的組成部分。代謝物作為生化反應(yīng)的終端產(chǎn)物，可放大基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的微量變化，并賦予了生物體的生化特征。因此，代謝組學(xué)連接了生物體的基因型和表型，是一種更直接的生理病理狀態(tài)檢測(cè)方式。中藥及其復(fù)方的藥理特點(diǎn)是藥效物質(zhì)多成分、多途徑、多靶點(diǎn)地進(jìn)行整體調(diào)節(jié)。故中藥效應(yīng)評(píng)價(jià)強(qiáng)調(diào)人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物對(duì)于藥物干預(yù)體系的整體反應(yīng)，這與代謝組學(xué)的研究思路契合。

代謝組學(xué)從糖代謝、氨基酸代謝、脂代謝、葉酸循環(huán)代謝等途徑研究腦卒中后的代謝變化，發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)志物和代謝物通路，有助于進(jìn)一步闡明中醫(yī)藥的作用機(jī)制和確切靶點(diǎn)，豐富中醫(yī)藥內(nèi)涵。目前的研究以缺血性腦卒中為主，出血性腦卒中的相關(guān)研究較缺乏。且研究的主要方式為篩選差異性代謝物，未對(duì)其特異性和敏感性進(jìn)行深入研究，未涉及代謝物相關(guān)通路。因此，需進(jìn)一步的研究來(lái)驗(yàn)證上述代謝通路，開(kāi)展中醫(yī)藥防治腦出血相關(guān)的代謝組學(xué)研究。