基于代谢组学的慢性心衰病证诊断研究述评

钟森杰 李静 李琳

[摘要] 慢性心衰的病理过程中伴随着一系列代谢功能的复杂改变，代谢组学通过先进的检测技术与统计算法，可以从整体层面把握机体的代谢功能改变情况，现已成为心衰实验研究的常用手段。本文归纳总结代谢组学技术在慢性心衰病证诊断中的研究概况，基于“代谢性重构”理论阐述慢性心衰的代谢特征，探讨慢性心衰不同证候的代谢组学变化规律，认为代谢组学技术对心衰的病情评价及证型辨析具有一定的诊断价值。并对研究中存在的关键问题进行论述，提出规范统一研究标准、合理设计对照实验、注重心衰病证的动态过程研究等相应的思路，以期为后续研究提供借鉴。

[关键词] 慢性心衰;代谢组学;生物标志物;诊断研究

[中图分类号] R259          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）10（b）-0040-05

[Abstract] The pathological process of chronic heart failure is accompanied by a series of complex changes of metabolic function. Metabolomics can grasp the metabolic function changes of the body from the overall level through advanced detection technology and statistical algorithms， which has now become a common means of experimental research on heart failure. This article summarizes metabonomics technology in the diagnosis of chronic heart failure disease research， based on the theory of “metabolic remodeling”， the metabolic characteristics of chronic heart failure are expounded， and the metabonomics change rules of different syndromes of chronic heart failure are discussed. It is believed that metabonomics technology has certain diagnostic value for the assessment of heart failure and the discrimination of syndrome types of heart failure. In addition， the key problems in the study are discussed， and the corresponding ideas such as standardized and unified research standards， reasonable design of controlled experiments， and emphasis on the dynamic process research of heart failure syndrome are put forward， so as to provide reference for subsequent studies.

[Key words] Chronic heart failure; Metabolomics; Biomarkers; Diagnostic research

慢性心衰是各種心脏疾病的终末阶段，其发病率高、致死率高，为21世纪最重要的慢性心血管病症[1-2]。心衰的相关症状、体征往往出现较晚，且表现不具有特异性，在一定程度上制约着疾病的诊断与证候的辨析[3]。由于方法学的先进性，代谢组学等系统生物学技术已广泛应用于心衰的实验研究中，已有多项研究表明心衰的病理过程中伴随着多种代谢功能的复杂变化，其中心肌能量代谢障碍被视为心衰的关键生物学基础[4-6]。因此，本文归纳总结代谢组学在慢性心衰病证诊断中的研究概况，探讨其诊断价值，并对存在的关键问题进行论述，提出相应的研究思路。

1 “代谢性重构”与心衰

现有的研究证据显示，慢性心衰的病理过程中伴随着一系列代谢功能的改变[7]。van Bilsen等[8]学者提出“代谢性重构”概念，即由心肌细胞糖类和脂类等物质代谢紊乱引起心脏能量代谢途径的改变，从而导致结构和功能异常的现象。衰竭心脏的“代谢性重构”主要体现在三个方面：①心脏产能底物利用的改变，心脏可利用多种底物以满足自身的能量需求，其中脂肪酸氧化是心脏所需能量的主要来源[9];心衰时心脏的代谢特征在于产能底物利用从脂肪酸向葡萄糖的明显转移，更有研究指出酮体、支链氨基酸是心衰末期的替代底物，但底物利用的转移并不能满足衰竭心脏的能量需求[10]。②高能磷酸盐代谢异常：磷酸肌酸/三磷酸腺苷比值（PCr/ATP）反映心肌高能磷酸盐的改变情况，并与心衰程度密切相关，而能量代谢障碍可直接导致PCr/ATP比值下调[11-12]。③线粒体功能障碍：线粒体是能量产生的核心，心衰时机体的线粒体数量降低，线粒体酶含量与活性减低，致使线粒体功能与结构损伤[13]。

上述改变反映心衰时心肌能量产生不足，同时能量需求增加，能量供需失衡，提示能量代谢异常是疾病的典型表征[14]。尽管“代谢性重构”与心衰病理机制之间的直接因果关系尚未完全明确，但现有的研究表明能量代谢异常是心衰收缩功能不全和心室重构的关键因素[15]。尤其在心衰的终末阶段，糖、脂氧化代谢功能障碍，致使产能急剧减少，机体处于“能量饥饿”状态，不足以维持心脏正常的收缩功能[16]。“代谢性重构”概念提出以后，许多学者从诸如糖酵解途径、脂肪酸代谢等角度开展了相关研究，研究热点多集中于代谢底物的利用转变方面[17]。但单一的代谢途径研究并不能反映机体的整体代谢状况，而代谢组学的发展则弥补了这一局限。

代谢组学作为新兴的系统生物学技术，致力于研究生物体受扰动后的内源性代谢产物变化规律，为评价心肌能量代谢特征提供了新工具，近年来已成为心衰研究的常用技术手段。已有研究证据表明，心衰的能量代谢变化主要体现在酰基肉碱代谢的改变，如Hunter等[18]发现射血分数保留的心衰患者血液中长链酰基肉碱含量比正常人群高，而该代谢产物在射血分数降低的心衰患者中则进一步升高;Bedi等[19]则发现终末阶段心衰患者有三种酰基肉碱类物质含量显著下调。另有研究发现，心衰患者血液中的糖酵解代谢产物含量上调、葡萄糖氧化率降低可用于心肌能量代谢的评估，具有重要的诊断价值[20]。国内学者亦开展了相关研究，如庞博等[21]利用液相色谱-质谱联用技术对慢性心衰患者的尿液样本进行研究，筛选出尿苷和丙氨酰色氨酸作为疾病的潜在标志物。代谢组学能提供单个患者的代谢表型及其相关的生物学信息，有望成为心衰病情及能量代谢异常的诊断依据，值得更为深入的研究。

2 代谢组学在心衰证候诊断中的研究概况

代谢组学强调从整体角度对生物体进行研究，具有鲜明的整体性、系统性特点，与中医学“整体观念”下的辨证思维不谋而合。同时代谢组学所提供的现代生物学技术，可以弥补传统四诊方法的局限，为证候的现代化研究提供技术支持[22]。代谢组学作为心衰研究的常用技术，亦已广泛应用于心衰的证候研究方面，现将近年来的研究进展总结如下：

2.1 心衰心气虚证、心气陰虚证、心阳虚证的代谢组学研究

中医学对心衰的病机认识已趋于一致，即为“本虚标实”之证。单纯的“本虚”之证多出现于心衰病程的早期或中期，其中心气虚衰是始动因素并贯穿疾病的全过程，随着病程发展逐渐演变为心气阴虚、心阳虚衰[23]。李琪琳等[24]利用核磁共振氢谱分析心衰心气虚证大鼠的尿液样本，鉴定出12种相关的代谢产物，涉及糖、脂、氨基酸代谢紊乱及胃肠功能紊乱。李欣春等[25]、钟森杰等[26]通过“以方测证”法建立心衰心气阴虚证大鼠模型，并运用气相色谱-质谱联用技术筛选出19种潜在的血液代谢标志物，反映该病证模型存在氨基酸、糖、脂代谢紊乱及肝功能异常。有研究运用反相高效液相色谱分析了心衰心阳虚证患者的氨基酸代谢情况，结果发现苯丙氨酸与心阳虚证候积分存在明确的直线关系，而另一学者的研究再次验证了苯丙氨酸与该病证关系密切[27-28]。Wang等[29]通过核磁共振氢谱技术，发现心衰心阳虚证患者的糖蛋白、乳酸、丙酮酸、脂蛋白等代谢产物水平出现改变，提示患者的脂代谢、糖酵解等代谢功能受扰动。

纵观心衰“本虚”证的代谢组学研究结果，发现代谢途径存在一定的共性，即多表现为三大营养素代谢通路（氨基酸类、糖类、脂类）的紊乱。这也体现了心衰早中期的代谢特征，即机体的糖、脂氧化代谢供能障碍，此时处于氨基酸代谢增强以供给能量的应急代谢状态。

2.2 心衰血瘀证、水停证、痰浊证的代谢组学研究

随着“本虚”的进一步发展，如心气虚衰而血液运行不畅、阳气虚衰而水饮温化无力等，最终会导致血瘀、痰浊、水饮停聚等“标实”之证。刘玲玲[30]运用液相色谱-质谱技术进行研究发现，精氨酸代谢途径与心衰关系密切，且心衰气虚血瘀证与心衰阳虚水停证的尿液代谢表型存在显著差异。王鹏军等[31]验证了心衰阳虚水停证与心衰气虚血瘀证存在显著的血液代谢表型差异，并发现气虚血瘀证与磷脂、氨基酸代谢失衡相关，阳虚水停证与能量、肉碱、氨基酸、磷脂代谢失衡相关。王娟等[32]利用核磁共振氢谱技术研究心衰血瘀证与心衰非血瘀证患者的代谢差异，发现两者血液之间存在11种差异代谢产物，进一步分析认为氨基酸、脂类、能量代谢的改变是心衰血瘀证的代谢特征。该学者还探讨了慢性心衰痰浊证患者的血液代谢组学特征，筛选出丙氨酸、葡萄糖、胆碱、乳酸、脂蛋白等潜在的代谢标志物[33]。陈静等[34]运用核磁共振氢谱技术发现慢性心衰的代谢特征为氨基酸、糖、脂和三羧酸循环代谢紊乱，但运用此技术并不能很好地区分心衰气虚血瘀证和心衰气虚证患者。

心衰“标实”证的代谢组学研究结果显示，肉碱类、三羧酸循环等与能量代谢密切相关的代谢途径受扰动。三羧酸循环是机体将糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式，即为能量代谢的核心[35];肉碱类物质在线粒体内最为丰富，线粒体的损伤必然导致肉碱水平紊乱[36]。这些物质与功能的改变反映此阶段已出现明显的能量代谢障碍，印证了能量代谢在心衰病情加重中的重要作用。

2.3 心衰肾阳虚证的代谢组学研究

心衰病位虽在心，但并非单一脏腑的病变，而是与体内诸多脏腑关系密切，有多项研究证实肾阳虚证亦是疾病的常见证型之一[37]。陶秀梅等[38]运用气相色谱-质谱联用技术进行研究，发现与健康人群及慢性心衰非肾阳虚证患者比较，慢性心衰肾阳虚证患者的尿液中主要出现三羧酸循环、儿茶酚胺、脂肪酸类代谢产物的变化。郑海生等[39]运用液相色谱-质谱联用技术分析慢性心衰肾阳虚证与慢性心衰气阴两虚证患者的尿液样本，发现存在16种差异代谢产物，主要涉及能量代谢、氨基酸代谢及肠道菌群。就目前的研究结果而言，心衰肾阳虚证亦出现了一定程度的能量代谢障碍，这与心衰“标实”证的结果存在共性，体现了心衰中晚期的代谢组学特征。

3 代谢组学在心衰病证诊断研究中的问题与对策

代谢组学由于方法学上的独特优势，已在心衰病证诊断的研究领域中取得一定成果，但在应用过程中亦暴露出部分问题。如何创新研究思路，充分发挥优势与改进不足之处，是亟待解决的命题。笔者归纳当前的应用概况，对研究方法的标准化、实验设计的合理性、心衰病证的动态可变性等关键问题进行论述，并提出相应的思路，以期为进一步研究提供借鉴。

3.1 研究方法的标准化

在临床研究中，代谢产物的变化往往受年龄、性别、体质、生活方式等多方面因素的影响，而目前的大部分研究并未能有效排除这些干扰因素[40]。动物模型虽能较好地模拟人类的病理过程，并可降低部分干扰因素的影响，但心衰动物模型的造模方法较为繁杂，如高盐饮食诱导、阿霉素诱导、左前降支结扎、腹主动脉结扎等[41-42]。不同造模方法必然对模型的代谢产物产生不同影响，且某些模型由药物副作用或特殊饮食所致，这些混杂因素加剧了对模型代谢产物的扰动，导致结果有所偏倚。另一方面，研究中所采用的技术手段、仪器设备、样本处理方法、数据库等各方面亦尚未形成统一的标准。

鉴于研究中的技术手段、研究对象、研究样本等方面并不统一，致使各研究结果相对独立，相互之间难以比较、验证，当前仅能从代谢途径中管窥出一些共性之处。上述问题的存在，不利于敏感性、特异性代谢指标的筛选，也在一定程度上制约了实验的可重复性。因此，制订统一的操作规程与技术标准、探索稳定可靠的心衰模型制备方法、确立规范化的纳入与排除标准等各项标准化措施势在必行，亦是今后该研究领域的发展重点。

3.2 实验设计的合理性

设计合理的对照实验，是开展科学研究的关键前提。纵观目前的研究报导，部分心衰证候研究的对照设计过于简单，甚至只进行模型组与正常对照组的简单比较。如心衰心气阴虚证的代谢组学研究，仅仅选用正常对照组进行比较，并未进行异病同证、同病异证间的比较。简单的两两对照设计未能有效厘清病证关系，惯性地否定了异病同证、同病异证存在的生物学改变，故只能获取到与病证结合相关的代谢组学信息，而无法甄别出“病”或“证”的相关特异性代谢信息[43]。因此，在开展研究时既要遵循病证结合的研究框架，亦要充分考虑异病同证、同病异证间的生物学差异，合理设计对照实验，尽可能厘清所得代谢指标是与“病”相关或与“证”相关，保证研究结果的特异性。

3.3 心衰病证的动态可变性

心衰病证诊断的相关代谢组学研究多选用横向研究法，即从疾病或证候已形成的时间截点出发，进行横向比较。这种研究方法旨在探讨终端代谢产物，但忽略了病證的动态可变性，缺乏随时间变化的动态研究。“病”与“证”并非是固定的锁定关系，“证”具有动态可变性的特点，在疾病不同阶段会出现不同的证候变化[44]。同时还需考虑到慢性心衰是由多种基础性心脏疾病发展而来的进行性病变，心衰的发展是一个相对缓慢的动态过程，不同病理阶段的代谢组学表现差异显著，而这些差异被证实是心衰发生发展的关键因素[45]。基于疾病与证候的动态性、时空性特点，以及前文所提及的“代谢性重构”理论，研究者应将目光更多地聚集于心衰病证的纵向发展，即以心衰病证的动态变化过程作为代谢组学研究的切入点，实现横向研究与纵向研究的相辅相成，以期从代谢学角度充分阐明病理机制及证候生物学基础。

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（收稿日期：2020-04-15）