代謝組學(xué)在冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病中的研究進(jìn)展

王治財(cái)，倉(cāng)彥

冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟?。ü谛牟。┦侨蛘T導(dǎo)人死亡的主要疾?。?］。復(fù)雜的分子機(jī)制是心血管疾病發(fā)病的主要特征，代謝紊亂參與心血管疾病的進(jìn)展，促使人們運(yùn)用代謝組學(xué)去研究冠心病的發(fā)病機(jī)制及疾病進(jìn)展過(guò)程，通過(guò)代謝組學(xué)在臨床病人中識(shí)別生物標(biāo)志物及致病通路，再通過(guò)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究證明差異代謝物或通路的機(jī)制，最終運(yùn)用于臨床診斷和治療。

代謝組學(xué)是對(duì)生物系統(tǒng)中代謝物的定性和定量組成的研究［2］，應(yīng)用代謝組學(xué)去識(shí)別疾病中的生物標(biāo)志物變得越來(lái)越流行。近年來(lái)代謝組學(xué)在識(shí)別冠心病生物標(biāo)志物方面取得了很大的進(jìn)展，但是仍然不充分。對(duì)于急性冠脈綜合征病人，通過(guò)對(duì)代謝物的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了肌紅蛋白，肌鈣蛋白I 和肌鈣蛋白T 等標(biāo)志物，可以通過(guò)這些生化指標(biāo)對(duì)急性心肌梗死病人進(jìn)行診斷，但是心肌肌鈣蛋白作為診斷心肌損傷的特異度生化標(biāo)志物，靈敏度高，特異度低，且只能在癥狀出現(xiàn)后至少6 h 才能達(dá)到峰值，造成了心肌標(biāo)志物的不理想，對(duì)于慢性冠脈疾病病人尚未有顯著的診斷性生物標(biāo)志物應(yīng)用于臨床。因此我們期待利用代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)心血管疾病新的標(biāo)志物，優(yōu)化生物標(biāo)志物對(duì)冠心病的診斷標(biāo)準(zhǔn)。

疾病的發(fā)病機(jī)制和診斷疾病的生物標(biāo)志物可以通過(guò)人體體液代謝譜來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果通過(guò)代謝組學(xué)準(zhǔn)確地表征冠心病特征，進(jìn)而可以有針對(duì)性地進(jìn)行治療，避免使用不必要的治療手段和資源。

1 冠心病

1.1 冠心病的定義及流行病學(xué)特征冠心病是由動(dòng)脈粥樣硬化引起的冠脈管腔狹窄或閉塞的一種缺血性心臟病，主要包括慢性冠脈疾病和急性冠脈綜合征，其中慢性冠脈疾病主要有穩(wěn)定型心絞痛（stable angina，SA）、無(wú)癥狀性冠心病和缺血性心肌病三種類(lèi)型，急性冠脈綜合征（acute coronary syn?drome，ACS）主要有不穩(wěn)定型心絞痛（unstable angi?na，UA）、非ST 段抬高型心肌梗死（non-ST-elevation MI，NSTEMI）和ST 段抬高型心肌梗死（ST-segment elevation myocardial infarction ，STEMI）三種類(lèi)型［3］。

冠心病是世界范圍內(nèi)嚴(yán)重?fù)p害人類(lèi)健康的疾病，根據(jù)2018 年NHIS 調(diào)查數(shù)據(jù)顯示估計(jì)冠心病在白人中患病率為5.7%，在黑人中患病率為5.4%，在美國(guó)印第安人/阿拉斯加土著中患病率為8.6%，在18 歲以上的亞洲人中患病率為4.4%［4］。基于冠心病的高患病率，目前冠心病診斷金標(biāo)準(zhǔn)是冠脈造影，主要治療手段為經(jīng)皮腔內(nèi)冠狀動(dòng)脈成形術(shù)、經(jīng)皮腔內(nèi)冠狀動(dòng)脈介入術(shù)和冠脈搭橋手術(shù)，但尚未有能夠逆轉(zhuǎn)動(dòng)脈硬化性疾病的藥物。從而促使人們?nèi)ヌ剿鞴谛牟〉臋C(jī)制，以期尋找較為顯著的通路和標(biāo)志物，對(duì)冠心病起到更好的治療作用。

1.2 生物標(biāo)志物

1.2.1ACS生物標(biāo)志物 ACS心肌標(biāo)志物方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但高死亡率和發(fā)病率仍然是世界范圍內(nèi)的首要問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)理想的生化標(biāo)志物有助于對(duì)急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）病人早期診斷、個(gè)體化治療、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)測(cè)疾病的預(yù)后，從而降低病人的死亡率。

目前主要應(yīng)用于臨床的心臟標(biāo)志物有肌酸激酶（creatine kinase，CK）、肌紅蛋白、TnC、TnI 和TnT。大多數(shù)化驗(yàn)指標(biāo)對(duì)AMI 的診斷尚不充分。CK-MB在心肌損傷后4~9 h 開(kāi)始升高，對(duì)診斷AMI 具有參考價(jià)值［5］，它的缺點(diǎn)是在早期不能夠達(dá)到峰值，且存在于惡性腫瘤、肺栓塞、肌肉栓塞等疾病中造成診斷AMI 時(shí)產(chǎn)生假陽(yáng)性的結(jié)果。肌紅蛋白在AMI 病人中6~10 h 升高是AMI 的敏感標(biāo)志物，但無(wú)特異性［6］。目前參與AMI診斷的最重要的心肌肌鈣蛋白（cTn）標(biāo)志物是TnT、TnI和TnC［7］。但這些標(biāo)志物的靈敏度高，特異度低，并且在AMI 6 h 后才能出現(xiàn)峰值，因此目前存在的生物標(biāo)志物仍不夠理想。

1.2.2慢性冠脈疾病生物標(biāo)志物 生物標(biāo)志物在慢性冠脈疾病病人的診斷方面已經(jīng)取得很大的進(jìn)展，可用于識(shí)別可能需要預(yù)防性治療的阻塞性心血管疾病病人，然而目前的臨床實(shí)踐指南并不推薦在穩(wěn)定型冠心病病人的臨床實(shí)踐中常規(guī)使用生物標(biāo)志物進(jìn)行診斷。除了心肌標(biāo)志物的診斷作用，它還可以預(yù)測(cè)慢性冠心病病人發(fā)生主要不良心血管事件的風(fēng)險(xiǎn)。Rusnak 等［8］對(duì)穩(wěn)定型心絞痛病人心肌標(biāo)志物進(jìn)行綜述表明，生物標(biāo)志物（纖維蛋白原、hs-CRP、脂蛋白相關(guān)PA2、脂蛋白a、hs-肌鈣蛋白、NT-proBNP 和胱抑素C）可以檢測(cè)出超過(guò)既定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分的病人，但是滿足這些必要標(biāo)準(zhǔn)的理想生物標(biāo)志物是不存在的。Mccarthy 等［9］表明，對(duì)于臨床醫(yī)生來(lái)說(shuō)，目前穩(wěn)定型冠心病病人的預(yù)后不可預(yù)測(cè)，利用生物標(biāo)志物診斷冠心病和預(yù)測(cè)穩(wěn)定型冠心病的終點(diǎn)事件是具有挑戰(zhàn)性的，研究人員研究了大量的生物標(biāo)志物對(duì)冠心病病人的預(yù)后和診斷價(jià)值，但在穩(wěn)定型冠心病病人中使生物標(biāo)志物從基礎(chǔ)研究過(guò)渡到臨床實(shí)踐，還需要進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)。

2 代謝組學(xué)

2.1 概念及實(shí)驗(yàn)分析方法代謝組學(xué)是對(duì)體液中代謝物（小分子<1.5 kDa）的定性和定量評(píng)估。代謝物是遺傳轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程的下游，被認(rèn)為與疾病表型密切相關(guān)。代謝組學(xué)包括靶向代謝組學(xué)研究和非靶向代謝組學(xué)研究。靶向代謝組學(xué)研究是用代謝組學(xué)方法識(shí)別具有調(diào)節(jié)生物學(xué)功能的特定生物通路相關(guān)的代謝物［10］，其特征是測(cè)量預(yù)先確認(rèn)的代謝物。與靶向代謝組學(xué)相比，非靶向代謝組學(xué)顯得更為流行，它是建立在包含具有良好特征的代謝產(chǎn)物譜作為標(biāo)準(zhǔn)的“代謝產(chǎn)物庫(kù)”基礎(chǔ)上，進(jìn)行全面性測(cè)量比較進(jìn)而研究多種代謝物［11］，通過(guò)篩查差異代謝物將細(xì)胞通路與生物機(jī)制聯(lián)系起來(lái)，促進(jìn)了我們對(duì)疾病機(jī)制的理解，為其臨床轉(zhuǎn)化鋪平道路。

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）波譜在代謝組學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，不僅適用于液體樣品，也適用于固體、氣相組織樣品［12］。NMR 的優(yōu)點(diǎn)是樣品的可重復(fù)利用性、較少受儀器變異性的影響、定量的優(yōu)勢(shì)， 主要缺點(diǎn)是靈敏度和分辨率比MS 低、NMR 波譜分析的復(fù)雜性［13］。質(zhì)譜與色譜串聯(lián)技術(shù)平臺(tái)通常被用于代謝組學(xué)的檢測(cè)中，主要包括液相色譜/質(zhì)譜法（liquid chromatography/mass spectrometry，LC/MS）、氣相色譜/質(zhì)譜法（gas chroma?tography/mass spectrometry，GC/MS）及毛細(xì)管電泳/質(zhì)譜法（capillary electrophoresis/mass spectrometry，CE/MS）。其中LC/MS特別是超高效液相色質(zhì)譜（ul?tra-high-performance liquid chromatography/mass spectrometry，UPLC/MS）是最廣泛使用的方法，主要原因是LC 可用大量可訪問(wèn)的儀器、開(kāi)源數(shù)據(jù)、處理軟件分離和檢測(cè)代謝物 ；LC-MS 的缺點(diǎn)是：離子抑制。氣相色譜的優(yōu)勢(shì)是：分離效率高，保留時(shí)間重復(fù)性好［14］；缺陷是：易熱性分析物的損失、復(fù)雜的樣品制備、更高的變異性。CE可以應(yīng)用于非常低的樣品量，但是由于CE-ESI 接口的靈敏度較差，目前在商業(yè)上已經(jīng)開(kāi)發(fā)了新的可用接口可用作GC 和LCMS 的補(bǔ)充［15］，因此為這種方法開(kāi)辟了廣闊的前景。與NMR 相比，MS能夠測(cè)量更多的代謝物數(shù)量，具有更高的靈敏度［15］，卓越的色譜分辨率結(jié)合高靈敏度的MS 可以在幾分鐘內(nèi)檢測(cè)和測(cè)量數(shù)千種代謝物的水平。

2.2 代謝組學(xué)的優(yōu)勢(shì)代謝組學(xué)被越來(lái)越多地用于識(shí)別疾病中的生物標(biāo)志物、檢測(cè)疾病中的生物通路變化以及闡述心血管疾病的機(jī)制，具有巨大的臨床翻譯潛力［16-17］。與基因組學(xué)相比，基因在生命的整個(gè)周期過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定，而代謝組學(xué)可因環(huán)境等多因素改變而改變，每個(gè)生物樣本的代謝組特征代表特定狀態(tài)和時(shí)間的疾病的寫(xiě)照，從而反應(yīng)生物體特定時(shí)間和狀態(tài)的疾病特征。代謝組學(xué)是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域［18］，對(duì)研究疾病以及對(duì)外界刺激的作用和反應(yīng)條件下的機(jī)制具有重要意義［19］。研究疾病代謝物的變化主要優(yōu)勢(shì)包括：①在分子水平上增加對(duì)疾病病理生理學(xué)的理解，并產(chǎn)生新的疾病機(jī)制假說(shuō)；②確定疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和診斷的生物標(biāo)志物；③評(píng)估疾病進(jìn)展；④解釋環(huán)境和生活方式對(duì)疾病的影響；⑤評(píng)估藥物療效、毒性和藥物不良反應(yīng)［20］。代謝組學(xué)除了在疾病研究中的優(yōu)勢(shì)，在獲取途徑上比遺傳研究更容易，用于代謝組學(xué)的生物體液或組織可以輕易在病人中取樣。

與基因組學(xué)和蛋白組學(xué)相比，代謝組學(xué)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，且與疾病的表型最緊密，深入了解代謝物水平的變化能讓我們理解受干擾的細(xì)胞通路的下游效應(yīng)［21］。心臟是身體中代謝需求最大的器官，其代謝紊亂導(dǎo)致體液（包括血漿）代謝組的變化，血漿代謝物的變化反映了潛在的心臟疾病進(jìn)展。通過(guò)代謝組學(xué)的方法可以很好地抓出心血管疾病特征，定期進(jìn)行代謝組學(xué)的研究，能將冠心病的發(fā)展轉(zhuǎn)歸勾勒得更加清晰，從而透徹了解其背后的分子機(jī)制。

3 代謝組學(xué)在冠心病研究中的應(yīng)用

近年來(lái)，代謝組學(xué)在心血管領(lǐng)域快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外一些研究人員將代謝組學(xué)方法應(yīng)用于心血管疾病。Ali 等［22］采用GC/MS、固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和1H-NMR 對(duì)STEMI、UA 和健康對(duì)照組的血清代謝物譜進(jìn)行分析。多變量數(shù)據(jù)分析顯示，代謝特征能夠有力區(qū)分STEMI 病人與健康對(duì)照組和UA 病人。Würtz 等［23］利用NMR 進(jìn)行以三組人群為基礎(chǔ)的隊(duì)列代謝組學(xué)研究，以確定心血管疾病的生物標(biāo)志物，4 種代謝物，即苯丙氨酸、單不飽和脂肪酸（MUFA）、ω-6 脂肪酸和二十二碳六烯酸（DHA）與未來(lái)心血管事件有關(guān)并且指出將這4 種代謝物與已建立的風(fēng)險(xiǎn)因子結(jié)合起來(lái)，可以改善心血管風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

在靶向代謝組學(xué)研究方面，最近的一些研究表明，利用靶向代謝組學(xué)分析方法可以有效的測(cè)量一組預(yù)先選擇的、具有化學(xué)相關(guān)性的、同屬某一代謝途徑的代謝物。Goulart 等［24］用靶向代謝組學(xué)方法，通過(guò)UPLC-MS/MS 和基于MS 的流動(dòng)注射分析（MSbased flow injection analysis，F(xiàn)IA-MS）對(duì)STEMI 病人和健康對(duì)照組進(jìn)行代謝組學(xué)研究表明，STEMI 病人中磷脂酰膽堿、溶血磷脂酰膽堿、鞘磷脂和生物胺的濃度發(fā)生了變化并且確定了甘油磷脂，亞麻酸和鞘磷脂代謝的變化。Floegel 等［17］的一項(xiàng)前瞻性隊(duì)列研究證明靶向代謝組學(xué)方法可為健康人群中與心血管疾病高風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的早期代謝紊亂提供獨(dú)特的快照，共研究了105 種血清代謝物與AMI 和缺血性中風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)性。

非靶向代謝組學(xué)又稱發(fā)現(xiàn)代謝組學(xué)，相對(duì)靶向代謝組學(xué)更為流行，其應(yīng)用通過(guò)對(duì)疾病組與健康組的差異代謝物的比較，發(fā)現(xiàn)一系列有生物意義的代謝物，更好的闡明疾病的機(jī)制，具有巨大的臨床轉(zhuǎn)化能力。Gundogdu 等［25］用非靶向代謝組學(xué)方法，通過(guò)用液相色譜四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜法對(duì)STEMI 病人和對(duì)照組血清代謝物進(jìn)行差異比較的研究表明，STEMI 病人中的亮氨酸，L-脯氨酸，L-丙氨酸，甘氨酸，延胡索酸，檸檬酸，琥珀酸和肉堿水平下降，丙氨酸，馬來(lái)酸、丁酸、尿酸、油酸、棕櫚酸、LysoPC（18∶2）、甘油乙醇胺、咖啡因和L-乳酸水平升高，證實(shí)丙二酸，馬來(lái)酸、富馬酸和棕櫚酸可以作為STEMI病人早期風(fēng)險(xiǎn)分層的生物標(biāo)志物。Surendran 等［26］采用非靶向代謝組學(xué)分析LC/MS 方法對(duì)27 例STE?MI病人的血漿進(jìn)行了分析，將缺血狀態(tài)下的血漿代謝組與原發(fā)性經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療后的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了比較，有助于更好地理解人類(lèi)急性心肌缺血和再灌注過(guò)程中所涉及的機(jī)制。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)關(guān)于代謝組學(xué)在冠心病中的研究也有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，最為大型的研究是齊煉文等［27］通過(guò)非靶向代謝組學(xué)法研究了2 324 例病人（包括正常冠狀動(dòng)脈、非梗阻性冠狀動(dòng)脈粥樣硬化、SA、UA 和AMI 五組受試者）血漿代謝物，并進(jìn)行交叉比較，共鑒定出89 種差異代謝物，代謝途徑的改變包括磷脂分解代謝減少，氨基酸分解代謝增加，短鏈?；鈮A增加，三羧酸循環(huán)減少，初級(jí)膽汁酸生物合成減少。隨后采用串聯(lián)液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用及同位素標(biāo)記的標(biāo)準(zhǔn)添加進(jìn)行代謝標(biāo)記N-乙酰神經(jīng)氨酸（Neu5Ac）的靶向分析，通過(guò)體外和體內(nèi)模型研究Neu5Ac在CAD進(jìn)展中的作用［28］。

4 小結(jié)

綜上所述，代謝組學(xué)包括從臨床獲得樣本、以實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)證、最終服務(wù)于臨床實(shí)踐的過(guò)程，具有巨大的臨床轉(zhuǎn)化潛力，目前在心血管疾病研究方面還不充分。為了運(yùn)用代謝組學(xué)更全面地研究心血管疾病，需要我們做的是：標(biāo)準(zhǔn)化和協(xié)調(diào)代謝組學(xué)表型和生物標(biāo)志物建模程序，改進(jìn)現(xiàn)有的公共數(shù)據(jù)庫(kù)，促進(jìn)數(shù)據(jù)共享［29-30］。另外，多組學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)具有更為強(qiáng)大的力量，如結(jié)合多組學(xué)如基因組學(xué)、蛋白組學(xué)可以更好的闡述疾病機(jī)制［31］，促進(jìn)人們對(duì)復(fù)雜疾病的深入了解和更好表征，因此我們展望代謝組學(xué)與其他組學(xué)的整合在未來(lái)幾年將越來(lái)越多地應(yīng)用于心血管疾病的研究，增加對(duì)心血管疾病機(jī)制和病理生理學(xué)知識(shí)的闡述，識(shí)別診斷和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的生物標(biāo)志物，促進(jìn)個(gè)體化治療，改善預(yù)后。