脑卒中代谢组学的研究进展

肖 钰，刘丽丽，钟 镝综述，李国忠审校

脑卒中的诊断主要依赖病史及查体，辅以影像学检查[1]，不同的影像学检查有耗时，成本较高等不足，因此有必要开发有价值的生物标志物以预测风险，快速准确地诊断，在不同类型脑卒中之间及与其他疾病鉴别[2]。它的损伤机制涉及多条代谢通路，而代谢组学这一新兴技术在发现并分析特异性生物标志物、研究病理生理机制方面具有明显优势[3，4]。每年脑卒中的代谢组学研究不断更新，本文对不同类型脑卒中及其病理生理过程、脑卒中相关因素的代谢组学最新研究做一总结，增进对脑卒中损伤机制的理解，为其生物标志物研究提供参考。

1 代谢组学

1.1 定义 代谢组学(Metabolomics)是对细胞、组织和体液等生物样本代谢谱的系统研究技术，可定性定量分析生物体受干扰后其代谢中间物和终产物的变化，反应其代谢动态规律，从而研究生物体代谢途径，是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后发展起来的一门新兴组学[3，4]。

1.2 方法 核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)和质谱法(mass spectrometry，MS)是代谢组学研究的基础，目前常用的标本是最容易收集的血清，血浆，尿液。根据是否预设识别物和数据分析，分为非靶向和靶向两种方法。非靶向方法可比较不同分组之间的代谢差异，常用于开发新的代谢标志物，但准确性较低，可能得到未知的化学物质，而靶向法可在识别潜在生物标记物之后进一步验证，有较高的特异性[4]。

2 脑卒中代谢通路及标志物研究

2.1 短暂性脑缺血发作(TIA，transient cerebral ischemia)及脑梗死 在脑缺血导致神经元细胞损伤的过程中，氧供和能量的迅速耗竭可引起活跃的氧化应激、炎症、血脑屏障受损及兴奋性氨基酸释放等，其中的代谢途径除了能量和脂质代谢、氨基酸代谢、氧化应激外[4，5]，还包括叶酸代谢、一氧化氮代谢、嘌呤代谢通路[6，7]。

血浆代谢组学识别卒中后不同时间的代谢物有很高的准确性[8]。CAMBRAY S等发现局灶性缺血小鼠血浆中维生素D3水平减低，神经酸水平增高，8-氧-dGTP逐渐增加，可辅助估计卒中发作时间和TIA诊断。研究者认为维生素D3可减少卒中引起的脑损伤；神经酸这一不饱和脂肪酸的增高反映了受损神经元膜或其他结构的快速氧化；随时间增加的8-氧-dGTP与缺血性组织DNA氧化损伤有关[8]。ABE T等利用短暂大脑中动脉闭塞(transient middle cerebral artery occlusion，tMCAO)模型对小鼠大脑进行代谢组学分析，发现在缺血组织核心及周围，磷酸肌酸(P-Cr)和神经酰胺(Cer d18：1/18：0)随着时间的推移逐渐积累，它们有神经保护作用，是可能的脑缺血生物标志物[9]。

Miekus等首次用液相萃取毛细管电泳法同时分析多个小分子生物标志物，通过测定缺血性脑卒中(ischemic stroke，IS)患者尿液中的生物胺(biogenic amines，BAs)，分析了BAs水平的影响因素如出血，β受体阻滞剂的使用，病程长短，感染等，并提出BAs及其前体氨基酸和主要代谢物可辅助IS早期诊断[2]。

预测高血压患者IS的研究示，患有高血压的IS患者血浆代谢物谱与对照组存在明显差异，GUO 等筛选出9-顺式视黄醛，DL-吲哚-3-乳酸，蓖麻酸甲酯等12种代谢物作为潜在生物标志物来预测高血压患者的 IS，代谢途径包括视黄醇代谢、鞘脂及糖磷脂代谢、赖氨酸及酪氨酸代谢、胰蛋白酶代谢[10]。

缺血灶之外的脑区对于卒中后代偿很关键[11]。HU等通过研究大鼠大脑中动脉闭塞对不同时间点脑代谢的影响，发现幕上缺血可影响对侧小脑代谢。两个脑区最明显的差异是右小脑各时间点N-乙酰天冬氨酸(N-acetyl aspartate，NAA)水平无统计学差异而左脑半球NAA明显下降。双侧小脑谷氨酰胺水平明显升高，γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)水平在1 h时降低，24 h时明显升高。作者还提出NMR可用于体外临床活检[12]。卒中后代偿主要依赖于梗死区周围和对侧同位区的可塑性[11]，这篇文章为研究梗死对侧同位区的代谢变化提供了参考。

2.2 缺血再灌注及缺血耐受 缺血-再灌注损伤(ischemic reperfusion injury，IRI)的机制包括氧化应激、炎症、白细胞和内皮细胞的相互作用、钙超载、细胞凋亡等方面，它引起的组织代谢功能的紊乱可表现在体液或组织代谢物质谱的变化上[4，7]。Huang等在分析单侧脑组织的代谢组成后发现，在tMCAO大鼠和永久性大脑中动脉闭塞(permanent middle cerebral artery occlusion，pMCAO)缺血再灌注损伤亚急性期，NAA、GABA等减少，乳酸增加。但tMCAO大鼠中，局灶性脑缺血再灌注可减轻病理损伤程度。这说明IS及再灌注在能量代谢、三羧酸循环、GABA代谢等方面造成了广泛的影响[13]。BARANOVICOVA E等用全脑缺血动物模型研究了再灌注后神经元迟发性死亡时的代谢变化，发现缺血损伤可导致糖酵解通路的紊乱：酮体水平升高，三酰甘油的利用增加，糖酵解中间体水平随着葡萄糖的升高而降低，研究者还发现乙酸乙酯、丙酮酸、乳酸和亮氨酸可很好的鉴别缺血血浆和对照组血浆[14]。

其他组织或器官的变化与脑卒中的长期预后相关，研究发现随年龄增长，健康大鼠的大脑出现明显代谢变化，但肝脏和血浆的代谢变化较少。而IS急性期，大鼠的大脑，肝脏和血浆代谢都发生明显变化。在再灌注期间，代谢变化按组织特异性的顺序发生：首先引起脑内代谢改变，血浆代谢物在随后的急性修复期发生变化，周围器官、肝脏最后出现延迟效应。缺血及再灌注和衰老都影响了葡萄糖代谢、氨基酸代谢、炎症、氧化应激等通路，而柠檬酸、赖氨酸和酪氨酸是缺血及再灌注中与年龄无关的潜在代谢标志物[15]。这不仅提示我们脑卒中会引起多组织多器官的病生改变，也提示我们在脑卒中代谢研究中注意代谢物会受多因素影响。

缺血预适应有较好的临床前景[16]，在用全脑缺血模型模拟心脏骤停后的脑代谢研究中，研究者还关注了缺血耐受这一现象，发现缺血预处理组对代谢恢复的保护作用表现为肌酸水平明显高于无预处理组[14]。

2.3 心源性卒中 心房颤动是脑卒中的危险因素，虽然有多种风险评分用来评估是否需抗凝治疗，但不能用于未诊断出房颤的患者，因此有必要筛选心源性卒中的生物学标志物[17，18]。通过分析心源性及非心源性的卒中患者代谢谱发现，在有心脏栓塞高风险的脑卒中患者中，两种中链酰基肉碱(癸酰肉碱，辛酰肉碱)的水平明显高于低或中等风险组，可作为心源性卒中的标志物，它们的升高也与卒中复发风险升高相关[19]。

2.4 脑出血 ICH代谢标志物的相关研究较缺血少，可能与它容易通过头CT进行及时诊断相关。Zhang等用3-羟基丁酰肉碱(C4-OH)、戊二酰肉碱(C5DC)、十四酰肉碱(C14)等11个指标建立了预测模型，以区别脑出血与IS，可见代谢组学是一种可分析不同脑卒中代谢物差异的良好工具[20]。

在一篇关于心肌梗死(myocardial infarction，MI)，IS，ICH的研究中(912 MI，1146 IS，1138 ICH)，作者发现与脂蛋白在心肌梗死及IS中的显著作用不同，没有脂蛋白颗粒与ICH相关，但糖蛋白乙酰、酮体、葡萄糖和二十二碳六烯酸的水平与3种疾病的发病风险均相关[21]。

3 其他脑卒中相关因素的代谢组学研究

卒中病因多样[1]，有些代谢组学研究虽未直接关注脑卒中，但与相关因素如高血压，携氧能力等有关。这再次提示代谢标志物易受各种因素影响，应进一步完善实验设计，统一基线，才能得到特异标志物。

携氧能力是影响心脑血管疾病临床表现及预后的因素之一。有研究发现，高摄氧量峰值(peak oxygen uptake，VO2)人群中，广谱酰基肉碱、丙氨酸、谷氨酰胺/谷氨酸的水平较低[22]。高血压是脑卒中的危险因素，Bai等指出原发性高血压患者中，甘氨酸(Gly)、C10、Phe/Tyr较健康人群降低，鸟氨酸(Orn)、Orn/Cit、C5-OH/C8升高[23]。抗心磷脂抗体综合征是一种可引起脑卒中的慢性免疫性疾病，Palisi A等首次分析了其代谢谱，发现它的代谢异常与甲基群供体、酮体和氨基酸的代谢有关[24]。

另外，研究发现谷氨酸、高香草酸、乳酸等11个指标在清醒状态下的水平明显高于睡眠时的小鼠，这提示我们觉醒和睡眠会影响嘧啶和葡萄糖酸盐代谢途径[25]，在脑卒中研究中也应该注意留取标本时患者或动物模型的状态以减少干扰因素。

4 展 望

以上研究的动物模型多为动脉闭塞，而颅内静脉系统血栓临床表现多样，常因不典型的临床表现影响诊断[26]，其代谢组学分析较少，一些深静脉血栓的代谢研究可以为静脉窦血栓进行相关研究提供参考。Cao等观察到深静脉血栓形成后引起糖代谢、脂代谢、氨基酸代谢等途径的变化，找到7种大鼠模型和人群均有差异的代谢物，有助于诊断深静脉血栓形成[27]。Sung Y等对深静脉血栓小鼠的血清和静脉壁组织都做了分析，发现其代谢紊乱集中在能量代谢，鞘脂质和腺苷代谢途径[28]。如能有颅内静脉系统标志物，可以为静脉窦血栓的及时诊断提供依据。

也有研究通过代谢组学比较脑卒中药物治疗组与对照组的代谢差异，观察药物神经保护的作用机制，如丹参酸-冰片的联合使用研究[29]，溶栓后银杏内酯的保护作用研究[30]。这拓展了代谢组学的应用，如联合影像学，临床评分等共同评价，可进一步完善药物机制。

以上多研究发现脑卒中存在代谢变化，但不同研究的代谢物结果也不同，原因可能在于技术平台、样本及采样时间不同，也可能与人群差异，药物等相关[4]。选择合适的实验方法和严密的设计是充分利用代谢组学的基础，如何利用它寻找公认的差异代谢物是研究的难点，将代谢组学及其他组学数据整合可能会提供更全面的评估[3，4]，从而明确机制，提高不同类型脑卒中的诊断治疗的及时性。