代谢组学在急性冠状动脉综合征中的研究进展

张 剑，张凤美

(1.天津医科大学第二医院，天津300211；2.天津市第三中心医院，天津300170)

急性冠状动脉综合征(acute coronary syndrome,ACS)是一类由心脏急性缺血导致的临床综合征。ACS的发病率和死亡率一直居高不下，每年受到该疾病影响的人数可高达100多万人[1]。目前，诊断ACS最常见的方法是血管造影，但这是一种侵入性的成像方法，需要较高的专业技术和成本，且适用范围存在一定局限性。研究显示，糖尿病、吸烟、高血压和高脂血症等危险因素与该疾病的发病有关，一部分老年女性和糖尿病患者往往没有明显的临床症状，也没有明显的诱因[2]。该类疾病一旦发生往往伴随着预后不良，严重影响病人的生活质量，并且容易复发危及生命。在这种情况下，识别一组新的具有临床价值的生物标志物对于疾病的早期诊断和治疗有重要意义。代谢组学的迅速发展对ACS的研究有着重要的推动作用，研究中发现的许多小分子代谢物对ACS的发生发展机制起到了一定作用，并对疾病的早期诊断及个性化治疗产生积极影响[3]。本文就近年来应用代谢组学技术在ACS研究中所取得的进展进行简要综述。

1 急性冠状动脉综合征病理机制探讨

ACS通常因冠状动脉內不稳定的粥样斑块破裂或糜烂引起血小板聚集进而造成血管管腔急性闭塞。一般认为：动脉粥样硬化斑块的产生是动脉壁中胆固醇、巨噬细胞和纤维蛋白多年来逐步累加的结果[4]。因此，在疾病发展到一定严重程度时患者才会出现明显症状。ACS分为：ST段抬高型急性冠状动脉综合征(STEMI)和非ST段抬高型急性冠状动脉综合征。ST段抬高型急性冠状动脉综合征是由斑块破裂造成动脉高度狭窄或闭塞。非ST段抬高型冠状动脉综合征是狭窄部位血管不完全或暂时性阻塞的结果，根据临床表现又可分为非ST段抬高型心肌梗死(NSTEMI)和不稳定型心绞痛(UA)。其发病机制主要由于高胆固醇、高血压、糖尿病和吸烟等多种危险因素对内皮血管造成损伤并导致其功能异常[5]。内皮功能异常可降低对内皮一氧化氮(eNOS)的生物利用度同时又可提高内皮素-1(ET-1)的产量，导致血管止血异常和粘附分子表达增加。内皮损伤还可代偿性激活血流中的血小板并增加血小板的数量。同时，增加内皮内的低密度脂蛋白向动脉壁的转运。活性氧可将低密度脂蛋白转化为氧化低密度脂蛋白。氧化低密度脂蛋白进一步损伤内皮细胞，造成病情加重。单核细胞和T细胞进入内膜，单核细胞消化脂蛋白并分化为巨噬细胞。巨噬细胞产生活性氧，将氧化低密度脂蛋白转化为高度氧化的低密度脂蛋白。这类低密度脂蛋白分子被巨噬细胞吸收，转化为泡沫细胞。泡沫细胞不断产生导致更严重的损伤，最终形成动脉粥样硬化斑块导致血栓[6]。同时，巨噬细胞还可产生基质金属蛋白酶，导致斑块破裂。炎症细胞聚集在破裂斑块的位置，斑块内胶原的破裂可能会损害斑块的完整性，从而导致急性冠状动脉综合征。

2 代谢组学简介

代谢组学所研究的对象是生物体内分子量小于1 000的小分子代谢物，包括脂类、糖类、氨基酸、核酸等物质[7]。研究对象分为两类：一类是体液如血液、尿液、心包液等；另一类是组织器官如肝脏、肾脏、心脏等。在代谢组学研究过程中，前期对样本进行制备要选择合适的实验标本、排除干扰因素、正确选择采集部位、采集时间和标本类型。中期对代谢物的分离与鉴定要选择合适的实验平台。目前，代谢组学技术主要有核磁共振技术和色谱-质谱联用技术[8]。核磁共振技术的优势是能够对样品中所有的物质均具有相同的灵敏度、对样品不产生破坏以及可以设计多种编辑手段对代谢物进行实时动态检测。但存在灵敏度较低，不能同时测定浓度相差较大的代谢产物，硬件昂贵等弊端[9]。色谱-质谱联用技术则灵敏度高、能够对多个化合物同时进行检测与鉴定。但样本前处理复杂，对未知代谢物的结构确定困难[10]。在后期的数据分析与建立模型中，代谢组学数据处理方法主要有主成分分析(principal component analysis,PCA)法和偏最小二乘法(partialleastsquare，PLS)[11]。代谢组学对疾病的研究方式可以分为靶向代谢组学和非靶向代谢组学。靶向代谢组学是对特定代谢物进行定性和定量的研究[12]。非靶向代谢组学则是通过疾病对机体产生的病生理变化引起机体代谢产物改变，进而寻找到与疾病高度相关的生物标记物[13]。除此之外，代谢组学技术还在疾病诊断、生命科学、药物研发等领域都发挥了至关重要的作用。

3 代谢组学在急性冠状动脉综合征中的应用

急性冠状动脉综合征的主要特征是患者出现严重的临床症状较晚，微小斑块可能早已形成，但并未被发现[14]。随着时间的推移，与斑块形成相关的无症状过程会导致组织损伤，机体代谢轮廓产生改变[15]。所以，急性冠状动脉综合征的早期诊断对于防止动脉粥样硬化斑块破裂和血栓形成至关重要。代谢组学相比血管造影是一种非侵入性技术，适用的人群更加广泛，通过受试者在ACS特定的疾病状态下从整体水平上对体内小分子代谢物进行定性或定量的评价，从而找到与疾病相关的代谢标志物，为阐明疾病病理机制，预防和治疗该类疾病提供了新的方法和思路。

3.1 对急性冠状动脉综合征患者代谢轮廓的区分

Goulart等[16]利用超高效液相色谱-串联质谱对15例STEMI患者和19例健康受试者血浆进行代谢组学研究。从两者血浆样本中分析了184种代谢物的浓度，首次采用无监督的主成分分析探索健康受试者和STEMI患者之间的相关性。并根据主成分分析和偏最小二乘分析找到并鉴定了41种在STEMI和对照组之间存在统计学差异的代谢物，成功区分了二者的代谢轮廓。这41种代谢物包括31种磷脂酰胆碱、4种溶血磷脂酰胆碱、4种鞘磷脂和2种生物胺，涉及到的代谢途径包括甘油磷脂代谢、α-亚麻酸代谢和鞘脂代谢。该实验证实了这些代谢物有很大的潜力成为STEMI生物标志物和新的药理靶点。吴转转等[17]利用靶向代谢组学方法分析了72例NSTEMI患者和64例STEMI患者的血清代谢轮廓。应用正交偏最小二乘判别分析法和Logistic回归筛选出一系列差异代谢物。研究发现，亮氨酸在NSTEMI患者组显著上升，而C5DC，C16:1-OH，C26/C20，C18:1则在STEMI患者组显著升高，提示虽都为心脏疾病，但是不同类型的心脏疾病有不同的代谢特征。所以，该研究表明：寻找差异性代谢物能深化我们对心肌梗死的认识,为二者的新型治疗方案提供可靠依据。Yu等[18]使用液相色谱-质谱联用技术分析不稳定型心绞痛患者和健康受试者之间的代谢轮廓差异，采用主成分分析和偏最小二乘法并结合t检验对数据进行分析，并对两组进行比较。研究发现5种潜在代谢标志物:神经酰胺、甘氨胆酸、别胆酸、石胆酸和LT B4。UA患者血清中LT B4水平显著升高，LT B4可促进单核细胞在动脉粥样硬化发展过程中转化为泡沫细胞，并强烈诱导单核细胞趋化蛋白-1的表达及其与早期人单核细胞的相互作用。UA患者体内甘氨胆酸、胆酸和石胆酸的水平明显较高，表明代谢转化和脂蛋白脂肪酸分泌超过了肝脏的吸收能力,这反映了UA患者发生了代谢紊乱。此外，在UA患者中神经酰胺水平的显著增加表明神经酰胺激酶和Jun-N末端激酶途径的激活，以及Fas系统的启动，这导致血管平滑肌细胞的凋亡。所以，该研究证实了利用代谢组学技术可以很好区分UA患者和健康人。

3.2 对急性冠状动脉综合征患者代谢通路的探究

吴倩怡等[19]利用超高效液相色谱-质谱在代谢组学平台上分析了15例急性 ST 段抬高型心肌梗死患者的血液，综合主成分分析和偏最小二乘判别分析结果发现了9种代谢物水平在急性 ST 段抬高型心肌梗死患者和健康人间有显著性差异。进一步探讨发现4种特异性最高的代谢物：DHEAS、GP-NArE、PLPE和LysoPC(16:0)，并对这4种物质在代谢通路中发挥的作用做了阐述，为疾病的诊断提供了新的思路。此外，作者还运用化学发光法检测血清中DHEAS含量，进一步证实了运用代谢组学平台寻找到特征代谢物的准确性。Martin-Lorenzo等[20]利用核磁共振技术定量分析ACS患者入院和出院时尿液样本中对动脉粥样硬化有反应的代谢物，并与健康个体的尿液进行比较。发现KLK1、ZG16B、L-丙氨酸、L-阿拉伯糖醇、锡罗-肌醇、2-羟基苯乙酸、3-羟基丁酸和N-乙酰神经氨酸在ACS发病时显著降低，出院时恢复到对照值。这些代谢标志物主要涉及精氨酸代谢、脯氨酸代谢和谷胱甘肽代谢。研究发现：精氨酸、脯氨酸和谷胱甘肽的代谢物多胺腐胺和亚精胺是由鸟氨酸产生的。它们在抑制血小板聚集，增加动脉损伤中密切相关。N-乙酰半胱氨酸参与谷胱甘肽代谢，具有抗氧化和抗炎特性，并促进斑块稳定。它是谷胱甘肽4个连续变异的最终产物。这组代谢物的发现将有助于确定疾病进展和风险分层的具体特征、监测疾病进展，评估个体心血管风险。许文轩[21]等通过分析急性心肌梗死患者手术前后血浆相关代谢物含量的变化，同时对该类患者的代谢通路进行探究，以期寻找到与急性心梗高度相关的代谢信息，对于术后的干预性治疗提供参考。研究发现，与正常对照组血浆含量存在明显差异的代谢标志物主要有：溶血磷脂酰胆碱类物质、溶血磷脂酸类物质、孕烷三醇、N-软脂酰基鞘氨醇，神经酰胺类物质。筛查出与急性心肌梗死相关的代谢通路有两条：甘油磷脂代谢通路和甘油脂类代谢通路。并发现，在这两条代谢通路都会受到1，2-diacyl-sn-glycerol-3-phosphate这一磷脂酸类物质的影响。该物质广泛参与人体各种生理反应，主要涉及血小板聚集、平滑肌收缩、心肌舒缩等。该研究中这两条代谢通路和相关标志物的发现为急性心肌梗死的研究提供了新的方向，为防止疾病复发、改善患者预后提供了新的参考。

3.3 对急性冠状动脉综合征患者早期诊断的研究

现有的临床生物标志物无法明确诊断急性冠脉综合征及其危险分层，当第一个症状出现时，疾病已经处于不可逆状态。近年来，学者们已经探索了大量新的潜在生物标志物，以发现它们在临床实践中对早期诊断和正确的个体风险分层的价值。代谢组学的研究，因具有高灵敏度、高重现性使其成为识别人类疾病中病理变化的有效工具。Laborde等[22]利用气相色谱-质谱对非ST段抬高型急性冠脉综合征患者和健康对照者的外周血浆进行分析，成功鉴定出15种有显著差异的代谢物。并通过气相色谱-质谱和液相色谱-质谱的双重验证，识别出由5-羟基色氨酸、2-羟基丁酸和3-羟基丁酸形成的潜在生物标志物组。这组生物标志物反映了心肌细胞的氧化应激和缺氧状态，因此构成了动脉粥样硬化形成过程的代谢组学特征，有助于早期诊断急性冠脉综合征。Jiang等[23]利用液相色谱质谱技术，对急性冠脉综合征患者稳定斑块和易损斑块的血清样本进行代谢谱分析，以探索斑块稳定性的潜在生物标志物。结果表明，稳定斑块和易损斑块患者之间存在4种不同的代谢产物，包括甜菜碱、乙酰胆碱、1-十七烷基-sn-甘油-3-磷酸胆碱和异十一酸。并进一步验证了血清代谢紊乱和斑块稳定性之间的相关性，建立了基于血清甜菜碱和射血分数的模型。研究发现：甜菜碱是一种存在于许多生物体内的天然化合物，可以调节细胞抵抗水分渗透、作为甲基供体来增加能量代谢和增加抗氧化作用。该血清代谢谱和模型的成功建立，不仅能够成功将急性冠状动脉综合征患者与健康对照组分开，还能够运用无创方式确定斑块的稳定性。这一发现为急性冠状动脉综合征患者斑块稳定性的早期诊断提供了新的思路。

3.4 对急性冠状动脉综合征患者预测的研究

Huang等[24]利用代谢组学技术通过检测患者是否存在左主干冠状动脉疾病对STEMI进行预测。研究显示，发现特征标志物9cRA对该疾病显示出较高预测能力，并发现与之相关的视黄醇代谢通路。9cRA通过激活两类核受体，维甲酸受体(RARs)和类视黄醇X受体(RXRs)来调节其靶基因的表达。9cRA功能的复杂性和多样性通过其激活RxR的能力来表达。这一发现为代谢组学技术在STEMI的预测方面提供了新的思路。Ali等[25]采用气相色谱-质谱联用技术对UA 组和健康对照组进行血清代谢物谱分析，发现一种对心脏有深远影响的内源性气体：硫化氢(H2S)。并使用定量双抗体夹心酶联免疫吸附试验(ELISA)进一步研究血清H2S绝对水平。结果表明，与健康对照组相比，UA患者血清中H2S水平显著升高。同时，在UA患者血清中鉴定出19种标记代谢物，在区分UA患者与健康对照组方面显示出很高的准确性，它们都被认为是潜在的生物标志物。这些发现表明，代谢物分析技术可以详细描述疾病发生时的代谢变化。因此，代谢组学技术提供了一个预测性生物标志物的机会。Liu等[26]通过液相色谱-质谱分析了161例冠心病患者(冠心病组44例，尿酸组80例，心梗组37例)和40名健康对照者的代谢谱和肠道微生物特征。结果表明：冠心病患者与健康对照组相比具有显著不同的代谢物谱，并且代谢物水平随着冠心病严重程度的不同而进一步改变。此外，代谢物和肠道微生物群在冠心病的发展过程中进一步转移。这一发现表明：确定了与冠心病严重程度增加相关的肠道微生物群和宿主代谢物谱的具体特征，并进一步建立联系可用于构建疾病分类器，以区分健康对照和不同的冠心病亚组，进而对疾病的不同类型进行预测。

综上所述，本文利用代谢组学技术分别从代谢轮廓、代谢通路、早期诊断和预后这4方面对ACS这类疾病进行探讨，更加全面、系统的展示了近几年来学者们利用代谢组学技术对ACS疾病的不断认知，为临床诊断、治疗及预测方面提供了新的思路。相信经过更多学者的不同探讨，检测技术的不断提高和检测方法的不断改进，经过大量临床数据的分析和合理统计，代谢组学技术在ACS疾病中能够发挥着越来越重要的作用，为ACS患者提供新的诊断和预测方法，降低致残率和病死率。