缺血性脑卒中代谢组学的研究进展

王亚丽， 郑 佳综述， 郑黎强审校

根据最新《中国心血管病报告2017》概要[1]，推算心血管病(cardiovascular disease，CVD)现患人数 2.9 亿，其中脑卒中1300万，缺血性脑卒中大约占脑卒中发病的70%以上[1]，占据CVD死因的首位。脑卒中的发病原因涉及氧化应激、细胞凋亡以及炎症反应等[2，3]，但其分子水平上的机制仍远未被阐明。代谢组学是近年来快速发展的一门新兴学科，与基因组学、转录组学和蛋白质组学共同构成系统生物学的组成部分，因其最接近疾病的进程而得到了广泛的发展。1999年，Nicholson[4]提出代谢组学的概念：生物系统对生理和病理刺激以及基因改变的代谢应答的定量测定。通常理解为检测细胞、组织或体液中所包含的可检测到的小分子代谢物[5]。目前代谢组学技术已广泛应用于疾病的研究中[6～9]。通过代谢组学方法，对体内多种通路的循环代谢物同时量化可以提供个体的整体代谢状态，使我们从分子水平去认识疾病和健康[10]。目前应用代谢组学方法发现缺血性脑卒中的代谢障碍主要涉及氨基酸代谢、能量代谢、叶酸循环代谢和脂类代谢等。本文将综合阐述这些代谢障碍，说明缺血性脑卒中代谢组学的研究进展。

1 氨基酸代谢

谷氨酸是中枢神经系统中主要的兴奋性神经递质。在生理条件下，谷氨酸的释放，摄取和重吸收之间存在动态平衡。由于人体对谷氨酸的高效吸收系统，细胞外谷氨酸保持在相对较低的水平。脑缺血导致谷氨酸摄取受损或过量释放，因此谷氨酸的细胞外浓度急剧升高，最终谷氨酸的兴奋性毒性可诱导神经元死亡和脑损伤[11]。Wang等[12]发现急性缺血性脑卒中患者血清谷氨酸水平升高。而张天舒等[13]发现大鼠脑缺血再灌注后3 h缺血半脑脑组织皮质和纹状体中谷氨酸含量下降，而皮质和海马中谷氨酰胺含量上升，这说明缺血引起了神经细胞的代谢紊乱，谷氨酸-谷氨酰胺代谢失衡。Kimberly等[14]同时进行了大鼠模型实验和人类卒中的研究，发现卒中大鼠血浆和脑脊液、人类血浆中支链氨基酸(缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸)水平下降。在卒中患者中，支链氨基酸水平下降同样与不良神经结局有关。同样，在动物模型中也发现亮氨酸的水平下降[15]。而Luo等[16]发现缺血性卒中小鼠脑组织中的亮氨酸和异亮氨酸增加，这种差异可能是由于脑组织与血浆、脑脊液的代谢不同有关。N-乙酰天冬氨酸是神经元标志物，研究结果[13]显示N-乙酰天冬氨酸的含量在脑卒中模型大鼠缺血半脑皮质和海马中下降，说明缺血导致了这些区域脑组织神经元的损伤，同样在缺血性卒中小鼠脑组织中其含量也显著下降[16]。牛磺酸是含硫氨基酸的代谢产物，具有较强的细胞保护作用，色氨酸是生物体内一种重要的必需氨基酸。涂佳玉等[15]发现与假手术组大鼠相比，模型组大鼠血浆中的牛磺酸、羟脯氨酸的含量明显升高，而色氨酸显著下降，色氨酸的含量降低可能是因为脑缺血状态下神经递质受到影响所致。Lee等[17]发现赖氨酸降解代谢物可帮助识别脑卒中风险的患者。万小莉等[18]初步发现了13种与缺血性卒中密切相关的氨基酸类生物标志物。

2 能量代谢

乳酸、丙酮酸、柠檬酸盐等是与能量代谢有关的产物。Jung等[19]发现脑梗患者血液中乳酸和丙酮酸升高，尿液中柠檬酸盐降低。这与脑梗后氧含量下降，血清葡萄糖的无氧糖酵解有关。Liu等[20]同样观察到模型小鼠乳酸和丙酮酸含量升高。而有研究发现模型组大鼠血浆中的丙酮酸含量升高，乳酸含量下降[15]，乳酸的变化与Jung等的结果相反，作者认为乳酸含量降低，很有可能是血液循环中的乳酸被转运至大脑局部所致。张天舒等[13]同样发现了能量不足的现象，表现为单磷酸腺苷水平下降；尿嘧啶含量升高，无氧酵解上调(乳酸含量显著升高)。刘玉敏等[21]也发现了相似的现象。

3 叶酸循环代谢

Jiang等[22]对67例脑梗患者和62例健康对照的代谢组学研究发现有12种代谢物可以作为脑梗患者潜在的生物标志物。其中，叶酸 (FA)、四氢叶酸(THF)、半胱氨酸(Cys)、S-腺苷同型半胱氨酸(SAH)和氧化型谷胱甘肽 (GSSG)参与“叶酸循环”和联合激活“一碳循环”。这些物质在蛋白质和DNA的稳定，合成其他分子，对抗活性氧代谢物的毒性中发挥重要作用。FA在同型半胱氨酸转化回蛋氨酸的再甲基化过程中作为甲基化供体发挥着重要作用。Cys作为一种神经毒性氨基酸，它在卒中患者中的水平显著增加。SAH是S-腺苷甲硫氨酸依赖性甲基化反应的强抑制剂。GSSG是氧化应激的生物标志物，脑梗患者中GSSG的水平升高表明活性氧产生不平衡，与缺血性卒中的病理生理机制有关[22]。

4 脂类代谢

Jové等[23]对短暂性脑缺血发作患者后来发生卒中复发风险进行了研究，发现溶血卵磷脂 (LysoPC[16：0])的浓度降低与卒中复发显著相关，特别是早期复发患者(复发时间小于3 m)，研究指出早期复发患者与非复发或后复发患者的代谢特征不同，这可能是由于机体后来进行的自我修复造成的。研究发现血浆中极低密度、中低密度和低密度脂蛋白分子与缺血性卒中呈正相关[24]。脑梗患者脂肪酸代谢(羟基十八碳二烯酸和羟基二十碳四烯酸)与对照显著不同。羟基十八碳二烯酸是氧化应激状态的生物标志物，认为与动脉粥样硬化的病理机制有关。羟基二十碳四烯酸通过花生四烯酸的ω-羟基化合成，在脑和肠系膜动脉中发挥着血管收缩剂的功能[22]。大鼠脑缺血再灌注后3 h，细胞膜磷脂大量水解，同时由于脑组织中的ATP下降，胆碱合成卵磷脂的效率降低，导致模型大鼠缺血半脑各组织中胆碱含量大幅度上升，甘油磷酰胆碱和磷酰胆碱含量下降[13]。

5 其他代谢

内生大麻素(eCBs)，如大麻素(AEA)和2-花生四烯酰甘油(2-AG)是“按需”合成的脂质介质，其抑制神经递质(谷氨酸和γ-氨基丁酸)的释放并调节神经炎症[25]。Naccarato等发现T0(入院时)时刻与对照组相比，卒中患者大麻素的水平显著升高，且其含量越高，神经损害越严重，卒中的面积就越大。但仍需进一步的研究来解决脑卒中患者内生大麻素系统调节的潜在疗法。Sun等[26]发现尿酸、鞘氨醇和肾上腺素乙醇胺是缺血性脑卒中的潜在生物标志物。脑梗患者与对照相比，类固醇代谢(醛固酮和脱氧皮质酮)也发生改变[22]。患者组血浆中的二氢神经鞘氨醇、植物鞘氨醇等物质含量升高，焦谷氨酸和2-酮丁酸等物质含量降低[2]。

6 展望

代谢组学作为一门新兴的学科，在疾病的预防、诊断和预后中正日益发挥着越来越重要的作用。通过了解疾病发病过程的代谢状态，寻找新的生物标志物，可以让我们在分子水平更深入的了解疾病。代谢组学在脑卒中上的应用为研究其发病机制打开了新的大门，除了已知的危险因素之外，在代谢水平上研究疾病新的危险因素和发病特征，对临床实践具有重大的指导意义。但目前的研究仅仅是筛选出有差异的代谢物，对于这些筛选出的代谢物的代表性和敏感性仍未进行深入研究。未来需要更大样本量的人群研究来验证以上发现的代谢通路。