代谢组学在心血管疾病诊断和预后中的新作用

李丹妮，于波

心血管疾病（CVDs）是全球主要死亡原因之一，且死亡率不断上升，每年死于CVDs的人数比其他疾病的死亡人数更为明显（约1750万人，占全球死亡人数的31%），80%的早期心脏病是可预防的，因此应尽早发现患有心血管疾病及高风险人群[1]。CVDs的病理生理学复杂，最近研究指出线粒体功能障碍和随后能量代谢紊乱可能在CVDs中起到关键作用，特别是在心力衰竭情况下[2]。此外，与CVDs相关的并发症也会导致全身和心肌的代谢改变，导致心功能恶化。代谢组学是一种新兴技术，已应用于心血管疾病研究中，研究与心血管有关的代谢网络，从而更好地了解其病理生理机制，该技术可在生物液体或组织中测出多种代谢产物，确定的生物标志物可作为诊断和判断预后的工具，并有助于指导具体干预及治疗时机。本文就代谢组学在心血管疾病诊断和预后中的新作用作一综述。

1 代谢组学概述

代谢组学是继基因组学、蛋白质组学和转录组学之后的一个新兴领域。代谢组学是一类通过对生物体液（血液、尿液、组织液等）及其组织中所有小分子代谢产物（分子质量＜1500 U）进行高通量检测，分析机体在内源性(如基因改变)或外源性（环境改变）刺激下，代谢产物种类和数量的动态改变及其规律，进一步研究其与所发生的生理或病理改变关系的科学[3]。

1.1 代谢组学的研究方法现阶段用于生物样本分析手段最常用的是核磁共振光谱法（NMR）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）等技术。

NMR是目前代谢组学研究的重要手段之一，主要是代谢物在磁场中通过共振频率上的化学位移来识别代谢物。目前使用最多的核磁共振法是1H、13C、31P核磁共振法。NMR能获取复杂的代谢物的结构和定量信息，在组织结构鉴定中发挥着重要作用。NMR具有稳定性好、重现性好、样品制备量小、成本低、无破坏性等优势。但灵敏度低，特别是对于低丰度的代谢产物[4]。目前的技术能够精确地量化约100种丰富的代谢物[5]。

MS是根据代谢物的质量电荷比（m/z）来检测和量化代谢物的。MS的主要优势在于样本需求小、成本低、敏感性高，可检测到数量级为10～15 mol的物质[6]。MS常与其他技术如气相色谱（GC）、液相色谱（LC）等联用。GC-MS是目前代谢组学中最常用的分析技术[7]，能对多种代谢物进行综合分析，其敏感性高、分辨率高、标准图谱数据库全，在代谢物的定性中具有独特优势，但受色谱性质限制，要求代谢物具有挥发性。对于难以挥发的物质，大部分物质需经繁琐的衍生化处理。LC-MS敏感性及分辨率均高，主要用于难挥发、非挥发及热稳定性较差的物质，已成为代谢物分析的首选方法，它能够常规且同时检测出数千种代谢产物[8]。

1.2 代谢组学的数据处理及分析方法目前主要有非靶向和靶向两种分析方法。非靶向方法是对大量代谢物[9]进行非偏向的分析，通常是在研究初期进行，以确定新的代谢物，再利用靶向代谢组学行进一步系统的鉴定、验证[10]。靶向分析方法是有针对性的分析生物样品中特征性的代谢物，同时可定量分析。虽然这种方法有较高的灵敏度和精确度，但一次只允许评估数百种已知的代谢物。两种代谢组学方法均已应用于检测各种疾病相关代谢产物，靶向定量方法是验证各种代谢紊乱中已知诊断性生物标志物的基本工具，非靶向方法拓宽了已知疾病中新的生物标志物的识别范围，并行代谢通路分析。

代谢组学数据分析手段主要有非监督的分析方法和有监督的分析方法。无监督分析是在不对样品加以分组的情况下直接对样本信息进行分析，最常用的分析方法是主成分分析（PCA）[11]。PCA模型反映了数据的原始状态，有助于了解数据的整体情况并对数据整体把握。有监督的分析方法是先将研究对象进行不同类别分组，在计算数学模型时计算机能识别区分各组，忽略组内的随机差异，突出组间系统差异。常用分析方法是偏最小二乘法-判别分析和正交偏最小二乘法-判别分析[12]。

2 代谢组学在心血管疾病诊断和预后中的新作用

2.1 代谢组学与缺血性心脏病（IHD）IHD是由心肌灌注不足引起的，包括稳定型和不稳定型心绞痛及心肌梗死（MI），是最常见的心血管疾病。由于心肌缺血期间氧和营养供应减少，一些关键心肌能量代谢变化导致心肌代谢也随之改变。首先是葡萄糖氧化率明显降低，而糖酵解率显著增加，其增加程度取决于缺血的严重程度和持续时间。代谢组学分析也反映了心肌缺血无氧糖酵解代谢增强[13]。应用LC-MS代谢谱分析36例心肌缺血患者，TCA周期一些代谢物(如草酰乙酸盐)明显减少[14]。脂肪酸氧化率也是降低的，IHD与健康志愿者[15]心脏手术前的动脉和冠状窦血液的配对采集显示出基线短链（S-C）二羧酰基肉碱的增加，在冠心病患者中可预测心血管事件风险[16]。此外，代谢组学证明在老年冠心病患者中链（M-C）和长链（L-C）酰基肉碱增加，并独立于标准预测因子可预测后续心血管事件的发生风险[17]。而（S-C）二羧基肉碱的来源及其对CAD病理的影响尚不清楚。氨基酸在心肌缺血时有一些作用，如谷氨酸和谷氨酰胺及支链氨基酸（BCAAs）可作为间变性底物向内转化为a-酮戊二酸或琥珀酰辅酶a为TCA循环提供燃料[18]。一项8例正常人和11例冠心病患者动静脉血比较研究中，直接表明IHD与心肌丙氨酸净释放和谷氨酸净摄取有关[19,20]。循环BCAA信号也被证明可预测冠心病患者的流行和随后的心血管风险[15,21]。然而最近代谢组学研究发现以LC-MS方法测定的血清BCAA水平在年龄和性别匹配的冠心病患者中较正常人升高，这与其他危险因素（包括糖尿病、高血压和血脂异常）无关[22]。

2.2 代谢组学与动脉粥样硬化许多代谢组学研究已经证实,多个潜在的生物标记物可预测冠心病和随后的心血管事件风险包括MI和死亡。复杂的研究表明循环中的三甲胺-N-氧化物（TMAO）是动脉粥样硬化的重要预测因子，也是MI和脑卒中的危险因素[23,24]。最近研究表明TMAO也可能增加血小板的高反应性，增强血小板聚集同时增加血小板对胶原的粘附[24]。此外，研究表明干扰肠道微生物群将饮食中胆碱或肉碱转化为TMA的能力，可降低循环TMAO水平和随后动脉粥样硬化病变的进展[25]。上述研究证明，循环中磷酰胆碱、胆碱、肉碱水平的增加与心血管风险增加有关，但只在TMAO升高的个体中才能提供真正的预后价值[23]，证明了TMAO是诊断动脉粥样硬化及CAD的一种新的生物标志物。

代谢组学分析鉴定了其他生物标记物，如18:2单甘酯浓度增加或18:2溶血磷脂酰胆碱和28:1鞘磷脂水平下降与冠心病事件发生的风险增加有关[26]。研究发现，冠心病患病率增加与血液中不饱和脂肪酸的溶血磷脂酰胆碱水平增高，饱和脂肪酸的溶血磷脂酰胆碱降低有关[27]。此外，这些研究还发现含有神经酰胺、鞘磷脂、二酰甘油或棕榈酸的循环磷脂酰胆碱与MI的发病率增加有关。这些循环代谢物再次说明了代谢组学能够潜在地识别导致疾病病理的新的代谢过程。一项472例中国人的LC-MS代谢研究显示血清BCAA升高与颈动脉内膜中膜厚度呈正相关，是可靠的亚临床动脉粥样硬化指标[28]。这些代谢物的变化预示着动脉粥样硬化的危险，而利用生物标志物的检测可对其进行早期干预。

2.3 代谢组学与心力衰竭（心衰，HF）尽管新药物和设备已用于治疗HF，5年内死亡率达30%～50%[29]。由于HF期间能量代谢发生了严重变化，多种脂肪酸代谢物的改变主要集中在酰基肉碱上，酰基肉碱是脂肪酰基-COAS的衍生物可反映脂肪酸氧化速率的变化[30]。大量S-C、M-C和L-C酰基肉碱减少及S-C/M-C或M-C/L-C酰基肉碱比值的下降暗示线粒体脂肪酸吸收和氧化障碍，而广泛的S-C、M-C和L-C酰基肉碱增加及S-C/M-C或M-C/L-C酰基肉碱比率的增加表明脂肪酸氧化增加[31,32]。代谢组学分析表明与慢性心衰患者相比终末期患者循环C16和C18:1酰基肉碱升高，预示着HF患者死亡率和住院风险增加[33]。研究表明血液代谢组学能区分HF的严重程度或者区分射血分数保留（HFpEF）和射血分数降低（HFrEF）的心衰。Hunter等[34-36]证实与非HF患者相比HFpEF患者循环L-C腺嘌呤肉碱水平升高，而HFrEF患者则进一步升高。相反，Bedi等[37]观察到移植终末期心衰患者心肌组织中S-C、M-C和L-C酰基肉碱含量降低。血液代谢物糖酵解率增加、葡萄糖氧化率下降可直接评估心肌代谢[38]。心衰患者心肌代谢组学分析循环中的甲基精氨酸/精氨酸比值和必需氨基酸降低且具有诊断价值，可以超过BNP判断预后[39]。慢性心衰患者的必需和非必需氨基酸水平低，给予治疗后部分氨基酸恢复正常[40]。BCAAS可能在HF发病机制中起一定作用，已证实慢性心衰患者循环中亮氨酸和异亮氨酸水平高于健康对照组，其结果与肥胖或血脂异常无关[41]。对心肌提取物研究显示在患有HF的小鼠和人身上支链a-酮酸（BCKA）：a-酮异戊酸（缬草碱衍生）、a-酮异己酸（亮氨酸衍生）和a-酮-b-甲基戊酸（异亮氨酸衍生）上水平升高，而增强全身BCKA代谢可减轻压力负荷所致的HF[42]。单独使用代谢组学分析或着与HF生物标记物（如BNP）联合使用具有重要的诊断和预后价值。

3 总结

综上所述，代谢组学是心血管病诊断和判断预后的一种有力工具，但在肥胖或糖尿病的情况下，需谨慎判断相关外周代谢干扰，且评估疾病器官内或者组织活检代谢物的变化将更有价值。代谢组学技术已经发展到可对生物样品中的数千种代谢物进行高分辨率和高通量评估阶段。但人类代谢组学研究容易受到临床混淆因素的影响，可能导致误诊或结论。临床研究中常在研究对象干扰前后连续取样以减少混淆因素的风险。此外，新兴的研究技术正在将代谢组学与其他的“组学”结合以便深入了解代谢物、蛋白质、基因和疾病状态间的病理生理学相互作用。最先进的代谢组学技术可以提供单个患者代谢印迹，可作为心血管疾病发展和恶化期间系统或心肌代谢的损害的诊断或预测工具，用于以确定具体治疗的类型和时间。因此，代谢组学是一种强大的技术，可以预测、检测和理解各种心脏代谢疾病状态并监测治疗的效果，推进个体化医学的发展。