心血管疾病的代謝組學研究進展

茹文鑫 周婷 高玉霞

(1.天津醫科大學研究生院，天津 300052； 2.天津醫科大學總醫院心血管內科，天津 300052)

隨著社會經濟的發展，國民生活方式發生了深刻的變化，尤其是人口老齡化及城鎮化進程的加速，目前中國心血管疾病(cardiovascular diseases，CVD)患病率及死亡率處于逐年上升階段，2018年中國CVD患病人數2.9億，其中冠心病(coronary heart disease，CHD)占1 100萬，是導致中國CVD患者死亡的重要原因[1]。美國約有9 210萬人罹患CVD，其中有1 600萬CHD患者，每7人中有1人死于CHD[2]。CVD的負擔日漸加重，成為重大的公共衛生問題。如何采取有效措施遏制不斷攀升的CVD患病率和死亡率成為CVD防治工作的重中之重。已有許多研究發現CVD通常與能量穩態和代謝紊亂有關，肥胖、胰島素抵抗和糖尿病等代謝失衡將會促進CVD的發生。CVD與某些循環脂質(如膽固醇和甘油三酯)之間的密切關系已被認識數十余年。然而，除了這些已知的關聯外，代謝失調和CVD之間的其他聯系仍有待進一步研究。隨著代謝組學技術的不斷發展，全面的代謝譜，或稱“代謝組學”，正越來越多地應用于CVD。近年來此領域獲得了許多有意義的成果。

1 代謝組學概述

1.1 代謝組學的定義

代謝組學起源于分析生物化學，是描述生物樣本中多種小分子代謝物，包括體液(尿液、血液和唾液)、組織和呼出氣體在內的一種分析方法。代謝物指的是各種各樣的內源性小分子，包括氨基酸、糖類、脂類、核酸、胺、有機酸以及各種外源化學物質，如藥物、毒素和外源生物。代謝物的化學特性，包括親水性、親脂性、極性、質量和電荷以及濃度波動范圍差異顯著[3]。與基因組學、轉錄組學或蛋白質組學相比，代謝組學所描繪的物質更加直觀，是位于遺傳、轉錄、蛋白質和環境變異的下游代謝產物，能提供復雜的生物網絡功能終點的快照，并能準確地描述一種生物體的功能和生理狀態，從而提供對表型和醫療條件最完整和最動態的衡量標準[4]。

1.2 代謝組學工具

生物體新陳代謝譜的一個特征是與估計的基因(2.5萬種)、轉錄本(10萬種)和蛋白質(100萬種)數量相比，人類代謝物的數量(約0.7萬種)相對較少，但由于代謝物的化學多樣性以及廣泛的濃度范圍，目前還無某一種儀器可在一次分析中可靠地測量人類“代謝體”中的所有代謝物，所以代謝組學通常是使用一套儀器，最常見的是使用液相色譜或氣相色譜與質譜法的不同組合。也可使用磁共振，通過其磁共振位移或質量/電荷比來分離樣本，從而產生分離的光譜輪廓。在處理生物流體時，磁共振通常不需對樣品進行化學操作，而質譜法通常需對代謝物進行衍生化，以產生更容易通過質量/電荷比分離的離子。與磁共振相比，質譜法在靈敏度上具有更強的優勢，并且通過與不同的色譜方法組合應用，提高了對小分子代謝物的識別能力，以獲得廣泛的代謝空間覆蓋[5]。相比其他檢測心肌代謝的方法，代謝組學有許多優勢：(1)代謝組學研究的樣本主要是生物體液，如血液和尿液等，這些樣本在收集、保存和處理方面都較為容易；(2)代謝物的變化能放大及體現出其上游基因及蛋白質表達的變化，易于觀察研究；(3)代謝組學的研究結果能與臨床生化功能緊密聯系，便于分析理解；(4)在不同的生物組織中，代謝物的結構基本相同，檢測分析技術在代謝組學中更為通用。

1.3 代謝組學方法

運用代謝組學鑒定和分析代謝物主要有非靶向和靶向兩種方式。非靶向代謝組學用于評估樣品中的代謝物，并可揭示新的或未預料到的代謝物質變化。其主要優點是提供了一種公正的方法，分析來自多種途徑的相互關聯的代謝物之間的關系。但尚不可能同時獲得所有代謝物類別，因為許多因素會影響代謝物的識別和分析，此外，在代謝物數據庫中還有大量的未知代謝物。非靶向代謝組學可對樣品中的代謝物進行詳細的評估，揭示出廣泛的代謝物類別。靶向代謝組學可測量一組預定義的代謝物的濃度。制備目標代謝物濃度范圍的標準曲線，從而獲得準確的定量，這種類型的分析可用于獲得由非靶向代謝組學確定的某種確切代謝物的濃度，從而提供分析驗證。相比之下，靶向代謝組學比非靶向代謝組學具有更高的靈敏度和選擇性[6]。在過去的幾年中，靶向和非靶向代謝組學方法越來越多地應用于CVD的研究中，現討論近些年相關和精選的例子。

2 常見CVD與代謝組學

2.1 CHD與代謝組學

CHD的診斷對于患者的治療以及預后十分重要。目前冠狀動脈造影仍然是“金標準”，能直觀和準確地評估冠狀動脈病變程度，但冠狀動脈造影是有創檢查，尋找簡單和無創的生物標志物用以診斷、評估和輔助治療CHD，成為當前研究的熱點。2016年一項旨在探討男性CHD患者組脂質代謝、動脈硬化與血流動力學關系的靶向代謝組學研究發現，與健康對照組相比，CHD患者C16∶1、C18∶1、羥基丁酰肉堿、磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine，PC)C40∶6和甲硫氨酸亞砜/甲硫氨酸(全身氧化應激指標)升高，而溶血磷脂酰膽堿(lysophosphatidylcholine，LPC)C18∶2降低。CHD組患者頸動脈-股動脈脈搏波速度與C14、C16∶1、(C2+C3)/C0、C2/C0、肉堿棕櫚酰轉移酶1的比率呈正相關，血清中長鏈酰基肉堿水平與主動脈硬化之間存在獨立關聯，這項實驗的結果表明，除了脂質相關的經典心血管危險標志物外，脂質代謝的中間產物可能作為血管功能改變的新指標[7]。

2018年一項納入了來自4個獨立中心的2 324例接受冠狀動脈造影患者的研究中，鑒定出了血漿中包括15種氨基酸、12種游離脂肪酸、8種有機酸和1種唾液酸在內的36種與CHD進展相關的差異代謝物，并且證明N-乙酰神經氨酸是CHD進展的潛在代謝標志物。靶向N-乙酰神經氨酸及其調節酶神經氨酸酶-1可能成為心肌缺血損傷治療干預的新途徑[8]。

近期一項采用氫-1核磁共振波譜法對50例CHD穩定期患者和50例健康對照者的血漿和尿液標本進行代謝組學分析，在血漿代謝型和尿液代謝型中分別鑒定出35種代謝物和12種差異代謝物。通過代謝途徑分析顯示，CHD患者血漿中尿素循環、氨酰tRNA生物合成和酮體合成降解途徑明顯紊亂，尿液中甲基組氨酸代謝和半乳糖代謝途徑明顯紊亂[9]，這些差異代謝物仍需更多實驗進一步驗證，未來有望在臨床上用于CHD的診斷和治療，通過識別的生物標志物和通徑分析進一步揭示了CHD的病理生理學變化和多種易感因素。

上述研究結果表明，全面的代謝組學特征能更好地定義CHD的發病機制。新的代謝標志物的發現可輔助CHD的早期診斷、預后評估和個性化治療，鑒定代謝標志物及其調節酶的作用可能會發現治療CHD的候選靶點和藥物干預機制。

2.2 心肌梗死與代謝組學

心肌梗死(myocardial infarction，MI)是臨床上常見的CHD的一種嚴重類型，其發病迅速，致死率高，如何早期診斷MI成為挽救患者生命的關鍵。MI損傷觸發了基因轉錄、蛋白表達和代謝物濃度的變化，這是心臟功能障礙的生物特征[10]，對這些生化變化的檢測發現了生物標志物，如肌酸激酶、肌酸激酶同工酶、心肌肌鈣蛋白I和肌鈣蛋白T[11]。然而，這些生物標志物的敏感性(肌酸激酶同工酶和心肌肌鈣蛋白I均為35%)和特異性(肌酸激酶同工酶和心肌肌鈣蛋白I分別為85%和86%)均較低[12]，且要在心肌損傷后至少4～6 h，才能檢測出這些心肌損傷標志物。近年來由于科學技術和檢測工具的進步，高敏肌鈣蛋白已大大縮短了診斷時間，但這些生物標志物的出現都只代表了一個結局，即心肌細胞已處于不可逆轉的狀態[13]。相比之下，代謝組學研究表明代謝物變化在心肌損傷的10 min就很明顯[14]，且有研究發現與不穩定型心絞痛患者相比，MI患者血清差異代謝物變化的敏感性為94.5%，特異性為95.3%[15]。代謝譜的變化以及受干擾的代謝途徑還能更全面地了解MI的病理生理機制，這提示改進MI生化診斷的重要性。

2017年一項前瞻性隊列研究發現，MI患者血清樣本中精氨酸濃度升高，LPC 17∶0和LPC 18∶2的降低會增加MI的風險，可作為診斷MI的潛在生物標志物[16]。德國的一項在兩個健康的中年人隊列中進行的前瞻性研究，共分析了105種代謝物質，將兩個隊列中隨訪期間發生MI的患者與健康對照組比較后發現，在校正傳統危險因素后，較高血清濃度的4種鞘磷脂(鞘磷脂C16∶0、C24∶0、C16∶1及羥基鞘磷脂C22∶1)和6種PC(二酰基PC C38∶3、C40∶4及酰基-烷基-PC C36∶3、C38∶3、C38∶4和C40∶3)，均與較高的MI風險呈正相關。當與傳統的CVD生物標志物混雜在一起分析時，二酰基PC C38∶3和C40∶4和酰基-烷基PC C36∶3仍與MI相關，并可部分用于CVD的預測[17]。

一項旨在確定MI潛在的新型血漿生物標志物和代謝信號的小樣本研究發現，與健康對照組相比，MI患者有31種PC、4種LPC、4種鞘磷脂和2種生物胺的濃度發生了改變。在進行多變量分析后，發現MI患者的甘油磷脂、α-亞麻酸和鞘脂代謝通路有顯著變化[18]。另一項小樣本的前瞻性隊列研究同樣驗證了MI患者甘油磷脂代謝途徑明顯受到干擾[19]。

探究代謝物譜為急性MI所涉及的代謝過程提供了新的見解，這些變化將有助于在緊急情況下及時地進行MI的快速臨床評估，為MI的早診斷、早治療，以及降低MI的死亡率提供了更有利的條件。

2.3 心力衰竭與代謝組學

心力衰竭(心衰)是一種復雜的綜合征，是所有心臟疾病的終末階段。心臟代謝的改變可在患者的體液中檢測到[20-22]，之前的研究表明，血漿代謝譜在缺血性心衰患者中單獨或與腦鈉肽聯合應用具有顯著的診斷和預后價值[12，23-26]。

心臟對能量的利用和細胞代謝的改變一直是心衰研究中的主要問題。在正常代謝條件下，脂肪酸是心肌的主要能量來源，β-氧化產生的ATP占心肌耗能的50%～70%。而在衰竭的心肌中，心肌的主要能量來源從利用脂肪酸轉變成葡糖糖和酮體[27]。Bedi等[24]對在心臟移植或左室輔助裝置植入時一組非糖尿病晚期心衰患者進行液相色譜-質譜分析，評估這組嚴重心功能不全患者的能量利用情況，結果發現衰竭心肌越來越多地使用生酮的β-羥丁酰CoA和β-羥丁酸，而脂質能量底物(如中長鏈酰基肉堿)的可用性減少。為了支持代謝轉換理論，即衰竭的心肌細胞優先使用葡萄糖而非脂肪酸，研究表明慢性收縮性心衰患者的代謝譜顯示脂肪酸代謝發生了變化。Ahmad等[25]分析了453例慢性收縮性心衰患者和41例接受左室輔助裝置植入的終末期心衰患者的隊列，結果表明長鏈酰基肉堿(C16和C18)與較低的峰值攝氧量以及全因死亡增加、全因住院和心血管死亡或住院的風險增加相關。此外，放置左室輔助裝置后，長鏈酰基肉堿水平也降低，提示患者對治療有反應。

根據射血分數的高低，心衰可分為射血分數保留性心衰(ejection fraction preserving heart failure，HFpEF)、射血分數降低性心衰和中間范圍射血分數心衰。目前，HFpEF已成為主要的疾病亞型，至少占所有心衰病例的50%[28]。左室舒張功能障礙，即左室順應性降低和/或充盈壓升高，是HFpEF重要的亞臨床階段。有研究證據表明左室舒張功能障礙可逆，因此該階段也成為HFpEF疾病途徑中的潛在治療拐點[29]。最新的一項研究發現有8種血清代謝物，包括7種氨基酸衍生物和1種脂質與左室舒張功能有關，丁酰肉堿與左室舒張功能呈正相關，N-甲酰蛋氨酸、甲酰谷氨酸鹽、N2，N5-二乙酰鳥氨酸、N-三甲基-5-氨基戊酸、5-甲硫腺苷、蛋氨酸亞砜與左室充盈壓呈正相關，這些代謝物可作為亞臨床HFpEF的早期生物標志物，但仍需進一步研究加以驗證，為未來應用代謝生物標志物檢測普通人群亞臨床心衰提供了理論基礎[30]。

從流行病學和宏觀角度看，心衰的及時診斷和早期干預可能會對醫療衛生經濟學產生深遠的影響。從微觀角度看，心衰是細胞、遺傳、蛋白質和代謝水平代謝紊亂的表現。利用代謝組學技術有機會發現衰竭心肌細胞的代謝生物標志物，識別新的分子機制，從而可能會發現新的治療方法，為心衰的早期檢測、靶向藥物治療以及預后改善做出貢獻。

3 展望

在過去的幾十年里，病理生理學和藥物治療方面的許多研究發現已改善了CVD患者的死亡率和發病率。盡管這一系列復雜疾病的診斷和治療已取得了許多進展，但仍有許多未解之謎，這些謎團的解開會對其發病機制、治療和預后有更深刻的認識。基于代謝組學技術的重大進步，不同疾病狀態下的各種代謝物變化及其可能影響的代謝通路能高靈敏度和高選擇性地被檢測，這些眾多的代謝物在預測(篩選生物標志物)和檢測(診斷生物標志物)疾病、評估疾病進展/緩解(預后生物標志物)以及治療效果方面可能具有巨大的臨床效用。然而，代謝組學的發展也存在許多挑戰，比如代謝物的覆蓋度有限，不同代謝物理化性質差異很大，無法同時提取出來，甚至一些代謝物因含量過低無法檢測出來；還有許多未知的代謝物無確定結構，一些有意義的變化可能會被遺漏；另外，基于目前的檢測技術，一個樣本要檢測半小時以上，甚至為了提高覆蓋度要重復檢測幾遍，需有經驗的分析員進行操作分析。這些實際問題都限制了代謝組學的廣泛應用，未來若能攻克這些難題，必將發揮代謝組學在疾病的診斷、對疾病的全面理解以及治療方面的巨大效用。