腦卒中的代謝組學研究進展*

譚 群，熊 昕

（重慶市中醫院腦病科，重慶 400011）

在我國，腦卒中為致殘和致死的主要疾病。我國每年新發腦卒中患者約200萬例，且仍以每年8.7%的速度迅速增長［1］，中國人群卒中終生風險為全球最高［2］。腦卒中的診斷和治療依賴影像學檢查，但存在轉運患者、輻射等弊端。因此，尋找有助于腦卒中診斷和觀察病情演變的生物標志物具有臨床意義，但目前尚無理想的卒中生物標志物。常用的分子生物標志物可源于血液、體液、腦脊液等，包括蛋白質、代謝物、脂質和核糖核酸等類型。目前常用的生物標志物如高敏感的心肌肌鈣蛋白T可指導心肌梗死的診斷［3］、D-二聚體可用于肺栓塞的診斷［4］。代謝組學是繼基因組學和蛋白質組學后發展起來的一門學科，可有效地研究整個生物體的代謝狀態，并可對低分子量代謝產物進行定性和定量分析［5］。代謝組學已廣泛運用于心血管病［6］、糖尿病［7］、腎臟病［8］及腫瘤［9］等疾病的研究中。腦卒中可分為缺血性腦卒中和出血性腦卒中2個主要亞型。缺血性腦卒中更常見，其特征是血栓和動脈阻塞導致血流中斷。近年來，腦卒中相關代謝組學研究發現，多種（如氨基酸、糖、脂類、葉酸等）代謝物的質量濃度發生了明顯變化。中醫藥治療腦卒中歷史悠久，代謝組學采用自上而下的研究策略來研究機體在受到外界刺激和擾動后整體的代謝變化，這與傳統中醫藥的整體思維模式相吻合，中醫治療腦卒中會引起代謝組學變化。為此，將對不同類型腦卒中的代謝組學進展及基于代謝組學的中醫藥治療腦卒中的研究現狀進行分析。

1 缺血性腦卒中

腦缺血導致神經元損傷，導致氧和能量迅速耗竭，引起氧化應激、炎癥、血腦屏障損害及興奮性氨基酸釋放［10］。這一過程涉及糖代謝、脂質代謝、氨基酸代謝等途徑。

糖代謝：丙酮酸、乳酸、檸檬酸鹽等為糖代謝相關產物。張天舒等［11］研究發現，模型大鼠局部病灶腦缺血后單磷酸腺苷含量降低，尿嘧啶及乳酸水平明顯升高。JUNG等［12］發現，腦梗死患者尿液中檸檬酸鹽水平降低，血液中丙酮酸和乳酸水平升高。LIU等［13］發現，腦缺血模型小鼠丙酮酸和乳酸水平升高。這與腦缺血發生后腦組織氧含量下降及體內糖的無氧糖酵解增強相關。果糖-6-磷酸糖是糖酵解的產物之一，JIANG等［14］研究發現，與健康對照組比較，缺血性腦血管病患者血清中的果糖-6-磷酸糖水平明顯降低。

脂質代謝：腦缺血后低氧導致的能量代謝障礙，可使細胞膜離子泵的活性減弱，神經元去極化，花生四烯酸的釋放增加。涂佳玉等［15］采用氣相色譜質譜聯用技術研究發現，腦梗死模型大鼠腦組織中花生四烯酸水平較對照組明顯升高。花生四烯酸在自由基誘導下發生過氧化反應，其產物是異前列腺素F2。在急性腦梗死發病8 h內，血漿中異前列腺素F2水平明顯升高［16］。JOVé等［17］對短暫性腦缺血發作患者的卒中復發風險進行了研究，發現發病24 h內溶血卵磷脂水平降低與卒中復發明顯相關，尤其是對于復發時間短于3個月的患者。張天舒等［11］研究發現，模型大鼠腦缺血再灌注后3 h，細胞膜磷脂大量水解，且腦組織中三磷酸腺苷（ATP）含量減少，膽堿合成卵磷脂的速度降低，導致腦組織甘油磷脂酰膽堿和磷酰膽堿水平降低，膽堿水平明顯升高。李深等［18］采用氣相色譜質譜聯用法檢測發現，急性腦梗死患者血漿丁酸和棕櫚酸水平較疾病對照患者和健康對照者升高。丁酸和棕櫚酸是脂肪酸家族成員，其中棕櫚酸對腦梗死的診斷具有較高的特異性（88.6%）。腦梗死發生后兩者含量增加提示脂肪酸代謝紊亂。

氨基酸代謝：谷氨酸是酸性氨基酸，是中樞神經系統內作用最廣泛且含量最高的興奮性氨基酸。CASTILLO等［19］研究發現，腦梗死患者血漿中的谷氨酸水平在急性期明顯升高，并與病情嚴重程度和病灶體積大小呈正相關。WANG等［20］的動物實驗發現，模型大鼠的缺血側腦組織內谷氨酸水平異常升高導致的神經毒性與神經元損傷有關。N-乙酰天門冬氨酸（NAA）是由神經元線粒體合成、可用于反映神經元密度和活性的生物標志物，分布于神經元的胞體內。LIN等［21］采用1H-MRS研究發現，腦梗死發生后，神經元代謝受到抑制，NAA水平明顯降低。牛磺酸是由含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）經一系列酶促反應后氧化脫羧而成的多功能β-氨基酸，與半胱氨酸的代謝密切相關。GHANDFOROUSH-SATTARI等［22］研究發現，缺血性腦卒中患者血漿牛磺酸的質量濃度與健康人群比較明顯升高，并且持續至發病第5天。李深等［18］研究發現，急性腦梗死患者的2-哌啶甲酸和焦谷氨酸水平升高，兩者對于腦梗死的診斷均具有較高的敏感度（分別為93.9%及90.9%）。2-哌啶甲酸是賴氨酸代謝的產物，參與纖維蛋白溶解；焦谷氨酸是谷胱甘肽生物合成中的重要分子，腦梗死患者中焦谷氨酸含量的減少提示機體內氧化應激造成的還原性物質減少。由楊等［23］收集經頭顱核磁共振成像確診的新發腦梗死患者，以正常患者為對照，采用串聯質譜法檢測血漿代謝物，發現腦梗死患者的亮氨酸、瓜氨酸/精氨酸、甲硫氨酸/苯丙氨酸水平較低，而精氨酸水平較高。KIMBERLY等［24］發現，人或普通動物發生缺血性腦卒中后，亮氨酸水平都有所降低。甲硫氨酸在甲硫氨酸循環中提供S-腺苷甲硫氨酸，轉甲基后轉變為S-腺苷同型半胱氨酸，進一步水解生成同型半胱氨酸，同型半胱氨酸可促進動脈粥樣硬化的發生及血栓形成，促進腦梗死。

葉酸循環代謝類：葉酸、四氫葉酸、半胱氨酸、S-腺苷同型半胱氨酸及氧化谷胱甘肽均參與葉酸代謝，在維持脫氧核糖核酸（DNA）和蛋白質穩定、合成其他分子及抗氧化等方面發揮著重要作用。血清總同型半胱氨酸是卒中危險因素之一［25］，其質量濃度的升高可反映缺血性腦卒中急性期病情加重。還原型谷胱甘肽的產物氧化谷胱甘肽是體內氧化應激的生物標志物，其質量濃度的升高表明活性氧的產生失衡［14］。

2 出血性腦卒中

出血性腦卒中相關的代謝標志物較少，可能與腦出血易診斷有關。ZHANG等［26］通過比較腦出血患者、腦梗死患者和健康人相關指標發現，3-羥基丁酰肉堿、戊二酸肉堿、十四酰肉堿等的含量明顯不同。基于該差異建立人工神經網絡模型，能有效區分腦出血和腦梗死。膠質纖維酸性蛋白（GFAP）是星形膠質細胞活化的標志物，GFAP水平在健康個體血液中較低，但急性腦出血可能會突然破壞血腦屏障和快速破壞星形膠質細胞，從而導致血清中GFAP的早期出現。在缺血性中風中，腦細胞和血腦屏障的結構完整性可在癥狀發作后較長時間保存。壞死的細胞死亡和細胞裂解通常不會發生在血管閉塞后的前6～12 h內。LUGER等［27］研究發現，腦出血患者GFAP的質量濃度為0.16μg/L，明顯高于腦梗死患者的0.01μg/L，有助于臨床區分腦出血與腦梗死。

蛛網膜下腔出血對中樞神經系統會產生致命打擊。顱內動脈瘤是蛛網膜下腔出血的常見病因。INGALL等［28］的研究提示，蛛網膜下腔出血發病后24 h，48 h，7 d和28 d的病死率分別為37%，60%，75%和41.7%。蛛網膜下腔出血相關的代謝標志物研究多以腦脊液為標本。SJ?BERG等［29］采集蛛網膜下腔出血患者血液，發現第7天高水平的肌醇與1年后的良好格拉斯哥預后評分呈明顯正相關。STAPLETON等［30］收集患者發病5 d內的血液，其牛磺酸水平升高預示著發病90 d內更好的神經功能預后（改良Rankin量表評分為0～2分）。HO等［31］通過腦室外引流采集蛛網膜下腔出血患者的腦脊液，并與未破裂動脈瘤患者的腦脊液比較，在出血后的1 h內檢測到大量氨基酸水平的變化。牛磺酸質量濃度在出血后短暫最高，6 h后開始下降（與第1～9天比較，P=0.02）。腦脊液氨基酸質量濃度隨時間變化，有助于理解蛛網膜下腔出血的病理生理過程，為常規實驗室無創評估提供潛在的預測指標。

3 基于代謝組學對中醫藥治療腦卒中的研究

張聰等［32］對急性腦缺血模型大鼠腦組織勻漿液進行的代謝組學檢測研究發現，與假手術組比較，模型組大鼠的NAA、延胡索酸、谷胱甘肽、脫氫抗壞血酸、天門冬氨酸及S-腺苷同型半胱氨酸水平下降，精氨酸、瓜氨酸、酵母氨酸、乙內酰脲-5-丙酸水平升高，而塞絡通組上述10個異常變化的生物標志物水平明顯回調。

夏鑫華等［33］采用線栓法制備動脈局灶性腦缺血大鼠模型，結果顯示，與假手術組比較，模型組大鼠的谷氨酰胺、谷氨酸、次黃嘌呤、前列腺素2、谷氨酸、焦谷氨酸、膽固醇水平明顯升高，而脯氨酸、纈氨酸和吲哚氨酸水平明顯降低；與模型組比較，補陽還五湯給藥組大鼠上述指標水平明顯回調。

郭志麗等［34］采用代謝組學方法檢測大腦中動脈阻塞模型大鼠血清中氨基酸水平，模型組大鼠血清中，絲氨酸、天門冬酰胺、甘氨酸水平均明顯降低，谷氨酸、蘇氨酸、天門冬氨酸水平則明顯升高，丹紅注射液治療組上述指標水平明顯回調。表明丹紅注射液能在一定程度上改善模型大鼠大腦中動脈阻塞狀態。

陳曦等［35］復制了大腦中動脈阻塞大鼠模型，結果中劑量（3.0 g/kg）腦脈通與陽性對照（尼莫地平）效果類似，能抑制模型大鼠血漿中谷氨酰胺、牛磺酸、酪氨酸、乳酸水平的升高，升高脂類、膽固醇、3-羥基丁酸、NAA、乙酰乙酸谷氨酸、膽堿等的水平；同時，能有效緩解模型大鼠腦組織能量代謝紊亂，為損傷的腦組織提供能量，減輕腦缺血再灌注導致的病理損傷。

YANG等［36］復制腦出血大鼠模型，治療3 d后采用超高效液相色譜串聯質譜法進行血液非靶向代謝組學檢測。與假手術組比較，模型組大鼠血清中128種代謝物發生了明顯改變，經桃核承氣湯干預后，27個代謝物水平明顯變化，主要涉及D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代謝，丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸代謝，精氨酸和脯氨酸代謝，及精氨酸的生物合成等過程。桃核承氣湯可明顯改善谷氨酸介導的興奮性毒性、抗氧化劑失活、線粒體穩態/功能障礙以及與腦出血的進展密切相關的其他代謝過程。

劉琪等［37］對高血壓腦出血術后痰瘀腑實證患者在術后第3天開始予通腑瀉熱活血合劑治療，并收集患者術前及術后第1，3，7，12天的血漿樣本。采用核磁共振氫譜（1H-NMR）CPMG脈沖序列檢測發現，服用該合劑后，亮氨酸水平降低，乳酸水平升高，可改善腦出血后患者體內脂肪水平及血糖代謝狀態，穩定細胞膜等，促進細胞修復。

4 展望

代謝組學參考基因組學和蛋白質組學的研究思路，對生物體內所有代謝物進行定量分析，并尋找代謝物與生理病理變化相對關系的研究方式，是系統生物學的組成部分。代謝物作為生化反應的終端產物，可放大基因和蛋白質表達的微量變化，并賦予了生物體的生化特征。因此，代謝組學連接了生物體的基因型和表型，是一種更直接的生理病理狀態檢測方式。中藥及其復方的藥理特點是藥效物質多成分、多途徑、多靶點地進行整體調節。故中藥效應評價強調人或實驗動物對于藥物干預體系的整體反應，這與代謝組學的研究思路契合。

代謝組學從糖代謝、氨基酸代謝、脂代謝、葉酸循環代謝等途徑研究腦卒中后的代謝變化，發現新的生物標志物和代謝物通路，有助于進一步闡明中醫藥的作用機制和確切靶點，豐富中醫藥內涵。目前的研究以缺血性腦卒中為主，出血性腦卒中的相關研究較缺乏。且研究的主要方式為篩選差異性代謝物，未對其特異性和敏感性進行深入研究，未涉及代謝物相關通路。因此，需進一步的研究來驗證上述代謝通路，開展中醫藥防治腦出血相關的代謝組學研究。