腦卒中代謝組學的研究進展

肖 鈺，劉麗麗，鐘 鏑綜述，李國忠審校

腦卒中的診斷主要依賴病史及查體，輔以影像學檢查[1]，不同的影像學檢查有耗時，成本較高等不足，因此有必要開發有價值的生物標志物以預測風險，快速準確地診斷，在不同類型腦卒中之間及與其他疾病鑒別[2]。它的損傷機制涉及多條代謝通路，而代謝組學這一新興技術在發現并分析特異性生物標志物、研究病理生理機制方面具有明顯優勢[3，4]。每年腦卒中的代謝組學研究不斷更新，本文對不同類型腦卒中及其病理生理過程、腦卒中相關因素的代謝組學最新研究做一總結，增進對腦卒中損傷機制的理解，為其生物標志物研究提供參考。

1 代謝組學

1.1 定義 代謝組學(Metabolomics)是對細胞、組織和體液等生物樣本代謝譜的系統研究技術，可定性定量分析生物體受干擾后其代謝中間物和終產物的變化，反應其代謝動態規律，從而研究生物體代謝途徑，是繼基因組學、轉錄組學和蛋白質組學之后發展起來的一門新興組學[3，4]。

1.2 方法 核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)和質譜法(mass spectrometry，MS)是代謝組學研究的基礎，目前常用的標本是最容易收集的血清，血漿，尿液。根據是否預設識別物和數據分析，分為非靶向和靶向兩種方法。非靶向方法可比較不同分組之間的代謝差異，常用于開發新的代謝標志物，但準確性較低，可能得到未知的化學物質，而靶向法可在識別潛在生物標記物之后進一步驗證，有較高的特異性[4]。

2 腦卒中代謝通路及標志物研究

2.1 短暫性腦缺血發作(TIA，transient cerebral ischemia)及腦梗死 在腦缺血導致神經元細胞損傷的過程中，氧供和能量的迅速耗竭可引起活躍的氧化應激、炎癥、血腦屏障受損及興奮性氨基酸釋放等，其中的代謝途徑除了能量和脂質代謝、氨基酸代謝、氧化應激外[4，5]，還包括葉酸代謝、一氧化氮代謝、嘌呤代謝通路[6，7]。

血漿代謝組學識別卒中后不同時間的代謝物有很高的準確性[8]。CAMBRAY S等發現局灶性缺血小鼠血漿中維生素D3水平減低，神經酸水平增高，8-氧-dGTP逐漸增加，可輔助估計卒中發作時間和TIA診斷。研究者認為維生素D3可減少卒中引起的腦損傷；神經酸這一不飽和脂肪酸的增高反映了受損神經元膜或其他結構的快速氧化；隨時間增加的8-氧-dGTP與缺血性組織DNA氧化損傷有關[8]。ABE T等利用短暫大腦中動脈閉塞(transient middle cerebral artery occlusion，tMCAO)模型對小鼠大腦進行代謝組學分析，發現在缺血組織核心及周圍，磷酸肌酸(P-Cr)和神經酰胺(Cer d18：1/18：0)隨著時間的推移逐漸積累，它們有神經保護作用，是可能的腦缺血生物標志物[9]。

Miekus等首次用液相萃取毛細管電泳法同時分析多個小分子生物標志物，通過測定缺血性腦卒中(ischemic stroke，IS)患者尿液中的生物胺(biogenic amines，BAs)，分析了BAs水平的影響因素如出血，β受體阻滯劑的使用，病程長短，感染等，并提出BAs及其前體氨基酸和主要代謝物可輔助IS早期診斷[2]。

預測高血壓患者IS的研究示，患有高血壓的IS患者血漿代謝物譜與對照組存在明顯差異，GUO 等篩選出9-順式視黃醛，DL-吲哚-3-乳酸，蓖麻酸甲酯等12種代謝物作為潛在生物標志物來預測高血壓患者的 IS，代謝途徑包括視黃醇代謝、鞘脂及糖磷脂代謝、賴氨酸及酪氨酸代謝、胰蛋白酶代謝[10]。

缺血灶之外的腦區對于卒中后代償很關鍵[11]。HU等通過研究大鼠大腦中動脈閉塞對不同時間點腦代謝的影響，發現幕上缺血可影響對側小腦代謝。兩個腦區最明顯的差異是右小腦各時間點N-乙酰天冬氨酸(N-acetyl aspartate，NAA)水平無統計學差異而左腦半球NAA明顯下降。雙側小腦谷氨酰胺水平明顯升高，γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)水平在1 h時降低，24 h時明顯升高。作者還提出NMR可用于體外臨床活檢[12]。卒中后代償主要依賴于梗死區周圍和對側同位區的可塑性[11]，這篇文章為研究梗死對側同位區的代謝變化提供了參考。

2.2 缺血再灌注及缺血耐受 缺血-再灌注損傷(ischemic reperfusion injury，IRI)的機制包括氧化應激、炎癥、白細胞和內皮細胞的相互作用、鈣超載、細胞凋亡等方面，它引起的組織代謝功能的紊亂可表現在體液或組織代謝物質譜的變化上[4，7]。Huang等在分析單側腦組織的代謝組成后發現，在tMCAO大鼠和永久性大腦中動脈閉塞(permanent middle cerebral artery occlusion，pMCAO)缺血再灌注損傷亞急性期，NAA、GABA等減少，乳酸增加。但tMCAO大鼠中，局灶性腦缺血再灌注可減輕病理損傷程度。這說明IS及再灌注在能量代謝、三羧酸循環、GABA代謝等方面造成了廣泛的影響[13]。BARANOVICOVA E等用全腦缺血動物模型研究了再灌注后神經元遲發性死亡時的代謝變化，發現缺血損傷可導致糖酵解通路的紊亂：酮體水平升高，三酰甘油的利用增加，糖酵解中間體水平隨著葡萄糖的升高而降低，研究者還發現乙酸乙酯、丙酮酸、乳酸和亮氨酸可很好的鑒別缺血血漿和對照組血漿[14]。

其他組織或器官的變化與腦卒中的長期預后相關，研究發現隨年齡增長，健康大鼠的大腦出現明顯代謝變化，但肝臟和血漿的代謝變化較少。而IS急性期，大鼠的大腦，肝臟和血漿代謝都發生明顯變化。在再灌注期間，代謝變化按組織特異性的順序發生：首先引起腦內代謝改變，血漿代謝物在隨后的急性修復期發生變化，周圍器官、肝臟最后出現延遲效應。缺血及再灌注和衰老都影響了葡萄糖代謝、氨基酸代謝、炎癥、氧化應激等通路，而檸檬酸、賴氨酸和酪氨酸是缺血及再灌注中與年齡無關的潛在代謝標志物[15]。這不僅提示我們腦卒中會引起多組織多器官的病生改變，也提示我們在腦卒中代謝研究中注意代謝物會受多因素影響。

缺血預適應有較好的臨床前景[16]，在用全腦缺血模型模擬心臟驟停后的腦代謝研究中，研究者還關注了缺血耐受這一現象，發現缺血預處理組對代謝恢復的保護作用表現為肌酸水平明顯高于無預處理組[14]。

2.3 心源性卒中 心房顫動是腦卒中的危險因素，雖然有多種風險評分用來評估是否需抗凝治療，但不能用于未診斷出房顫的患者，因此有必要篩選心源性卒中的生物學標志物[17，18]。通過分析心源性及非心源性的卒中患者代謝譜發現，在有心臟栓塞高風險的腦卒中患者中，兩種中鏈?；鈮A(癸酰肉堿，辛酰肉堿)的水平明顯高于低或中等風險組，可作為心源性卒中的標志物，它們的升高也與卒中復發風險升高相關[19]。

2.4 腦出血 ICH代謝標志物的相關研究較缺血少，可能與它容易通過頭CT進行及時診斷相關。Zhang等用3-羥基丁酰肉堿(C4-OH)、戊二酰肉堿(C5DC)、十四酰肉堿(C14)等11個指標建立了預測模型，以區別腦出血與IS，可見代謝組學是一種可分析不同腦卒中代謝物差異的良好工具[20]。

在一篇關于心肌梗死(myocardial infarction，MI)，IS，ICH的研究中(912 MI，1146 IS，1138 ICH)，作者發現與脂蛋白在心肌梗死及IS中的顯著作用不同，沒有脂蛋白顆粒與ICH相關，但糖蛋白乙酰、酮體、葡萄糖和二十二碳六烯酸的水平與3種疾病的發病風險均相關[21]。

3 其他腦卒中相關因素的代謝組學研究

卒中病因多樣[1]，有些代謝組學研究雖未直接關注腦卒中，但與相關因素如高血壓，攜氧能力等有關。這再次提示代謝標志物易受各種因素影響，應進一步完善實驗設計，統一基線，才能得到特異標志物。

攜氧能力是影響心腦血管疾病臨床表現及預后的因素之一。有研究發現，高攝氧量峰值(peak oxygen uptake，VO2)人群中，廣譜?；鈮A、丙氨酸、谷氨酰胺/谷氨酸的水平較低[22]。高血壓是腦卒中的危險因素，Bai等指出原發性高血壓患者中，甘氨酸(Gly)、C10、Phe/Tyr較健康人群降低，鳥氨酸(Orn)、Orn/Cit、C5-OH/C8升高[23]?？剐牧字贵w綜合征是一種可引起腦卒中的慢性免疫性疾病，Palisi A等首次分析了其代謝譜，發現它的代謝異常與甲基群供體、酮體和氨基酸的代謝有關[24]。

另外，研究發現谷氨酸、高香草酸、乳酸等11個指標在清醒狀態下的水平明顯高于睡眠時的小鼠，這提示我們覺醒和睡眠會影響嘧啶和葡萄糖酸鹽代謝途徑[25]，在腦卒中研究中也應該注意留取標本時患者或動物模型的狀態以減少干擾因素。

4 展 望

以上研究的動物模型多為動脈閉塞，而顱內靜脈系統血栓臨床表現多樣，常因不典型的臨床表現影響診斷[26]，其代謝組學分析較少，一些深靜脈血栓的代謝研究可以為靜脈竇血栓進行相關研究提供參考。Cao等觀察到深靜脈血栓形成后引起糖代謝、脂代謝、氨基酸代謝等途徑的變化，找到7種大鼠模型和人群均有差異的代謝物，有助于診斷深靜脈血栓形成[27]。Sung Y等對深靜脈血栓小鼠的血清和靜脈壁組織都做了分析，發現其代謝紊亂集中在能量代謝，鞘脂質和腺苷代謝途徑[28]。如能有顱內靜脈系統標志物，可以為靜脈竇血栓的及時診斷提供依據。

也有研究通過代謝組學比較腦卒中藥物治療組與對照組的代謝差異，觀察藥物神經保護的作用機制，如丹參酸-冰片的聯合使用研究[29]，溶栓后銀杏內酯的保護作用研究[30]。這拓展了代謝組學的應用，如聯合影像學，臨床評分等共同評價，可進一步完善藥物機制。

以上多研究發現腦卒中存在代謝變化，但不同研究的代謝物結果也不同，原因可能在于技術平臺、樣本及采樣時間不同，也可能與人群差異，藥物等相關[4]。選擇合適的實驗方法和嚴密的設計是充分利用代謝組學的基礎，如何利用它尋找公認的差異代謝物是研究的難點，將代謝組學及其他組學數據整合可能會提供更全面的評估[3，4]，從而明確機制，提高不同類型腦卒中的診斷治療的及時性。