急性冠状动脉综合征代谢组学特征的研究现状

卢妮敏 综述，林英忠 审校

(右江民族医学院，广西 百色 533000)

1 代谢组学的起源和发展

代谢组学是以代谢底物和代谢产物为研究对象(这些物质MW<1000)。利用代谢组学检查手段(核磁共振NMR、质谱MS、色谱HPLC、GC和色谱质谱两用技术)检测出代谢谱图，建立结合模型，通过结合模式识别手段，对生物体的生理和病理生理状态进行评估，找出这一生理或病理状态的对应生物代谢标志物(biomarker)。制定生物状态预警平台、探讨其深层机制的学科[8-10]。

作为通常意义上的生物必须具备以下几个特征：新陈代谢、具有应激性、生长和发育、生殖和遗传[11]，归结为一点就是“活”、是变化。因此，要跟踪生命特征必须掌握一系列指标，这些指标每分每秒都随着生命体的延续发生着变化。虽然基因和蛋白信息虽然能够较好的描述生命特性信息，但是他们的实时性又有所局限。因此，作为活生物特征的新陈代谢就成为研究活生命特征的重要切入点[12-14]，成为了基因组学、蛋白组学以外的崭新学科—代谢组学(metabonomics/metzbolomics)。代谢组学起源于20世纪末，是组学学系的新学科[12]e0135228，还是系统生物学的重要组成部分[15]。

系统生物学(systems biology)，最早出现在美国NIH国立美国图书馆检索文库中一篇1993年发表的神经系统论文摘要中[16]。作为其核心构成的“组学”创始人是美国科学家勒罗伊.胡德(Leroy Hood)[17]，同时他也是人类基因组计划的发起人。正是基因组学、蛋白组学等新型的大科学的发展奠定了系统生物学中高通量生物技术和生物信息技术的基础。而系统生物学的诞生和发展，增强了后基因组时代的生命科学研究的能力和手段。

系统生物学核心构成中发展最早、最快的是基因组学和蛋白组学，取得了相当的成就。但是作为生物，人是在和周围环境及体内环境相互作用中，不断变化和发展的，是一个动态的过程。基因组学和蛋白组学在实时变化的角度上表现出滞后性和前瞻性，而实时性就比较差。从而作为反应生物体无时无刻不在进行新陈代谢的检测系统—代谢组学就应运而生。

基因组学和蛋白组学告诉我们什么可能发生，而代谢组学告诉我们的是你什么确实发生了和什么该发生却没有发生[9]33-47。代谢组是代谢组学的概念来源，在一特定生理时期内所有的低分子量代谢物的总和构成某一生物或细胞的代谢组[18-19]。是对某一生物活细胞在一特定生理时期内所有低分子量代谢产物同时进行定性和定量分析的一门新学科。以组群指标分析为基础，高通量检测和数据分析为手段，应用信息模型与系统整合为目标的系统生物学的一个分支[10] e00067。

基因组学和蛋白组学研究主要是通过指纹分析和轮廓分析两种方式进行的。代谢组学研究也是通过代谢指纹分析(metabolomic fingerprinting)和代谢轮廓分析(metabolomic profiling)两种方法进行代谢组学分析的[20]。

代谢指纹分析指的是应用液相色谱—质谱联用(LC-MS)法，比较不同标本中的代谢产物的量的不同来确定这一时刻生物体内的所用代谢产物[20,21]e0135228。代谢指纹的实质是峰值比较，即比较的是不同标本中所有代谢产物的峰值，并将其构建出一个代谢产物峰值模型，叫代谢质谱峰模型，构建一整套完整的识别不同代谢化合物特征的分析方法[22]。

代谢轮廓分析(metabolomic profiling)指的是：预先设定一条代谢途径，对这个代谢途径中的代谢产物进行细致分析的方法。

从检测手段来讲，代谢组学最常用的是质谱检测法来描绘代谢组的质谱峰特性，但是代谢产物并不只有这一个特征，因为质谱法只能检测出离子化的物质，但有很多代谢产物不能被质谱仪离子化。因此，只应用质谱检测法势必会遗漏大量的非离子化的产物信息。而核磁共振(NMR)检测法可以补充质谱法的不足[23-25]。随着设备的进步，这两种方法更多的进行联合使用以获得尽可能多的数据进行综合分析。并且，结合基因组学和蛋白组学分析，以获取更加准确的信息。Gary Siuzdak博士设计了用以分析不同标本代谢组学变化的模型[26]。实验者可以通过生物信息学软件比较数据，从而识别代谢产物，构成了代谢组学文库。

2 代谢组学在急性冠脉综合征诊治中的应用

随着生活方式的改变，人类所患疾病的情况也在发生变化。冠状动脉硬化症和脉粥样硬化性心脏病(atherosclerosis,coronary atherosclerotic heart disease)已经成为危及人类健康的首位疾病，发病年龄在40～45岁以上为多。近些年，发病年龄逐年年轻化。2012年世界卫生组织统计数据公布[19]844-850，当年世界上约1750万心血管疾病患者发生死亡，占全球疾病死亡人数的31%，成为人类首位致死性疾病。

但是作为急性冠状动脉综合征(acute coromary syndrome，ACS)病理基础的冠状动脉粥样斑块的破溃、糜烂和出血，以及后续的关键环节血小板的激活的机制至今尚未阐明。代谢组学作为一定的特定阶段体内所有代谢产物的指纹图谱，能够通过定性(即找出某一特定时刻体内和疾病有关的全部代谢底物作为研究分析疾病的代谢指标)、定量(对代谢指纹的指标进行定量分析，精确测定代谢组学变化的数值)、定位(对分析出来的具有特征性的代谢标志物进行溯源，追踪发生病理变化的器官或组织)、定因(通过生物学手段研究引起代谢物变化的上游的核酸及蛋白质等大分子物质的功能性变化)、定果(准确的定位生物大分子物质发生变化所引起的疾病和分子机制)。急性冠脉综合征是引发心血管事件的常见疾病，在临床诊断之前或无特殊症状的情况下突然发生，这是造成该疾病高致残率和高致死率的重要原因。因此，早期诊断和治疗是降低冠心病死亡率的重要环节。然而，急性冠脉综合征的发病机制复杂，仅动脉粥样硬化的形成机制就包含脂质浸润学说、平滑肌细胞克隆学说、血栓形成学说等[27-28]，其中涉及近百个基因和20余条调控通路[29]。复杂的发病机制使得到目前为止对急性冠脉综合征的预测和机制了解十分有限。而代谢组学以其特有的实时性、丰富性和可溯源性为深入挖掘急性冠脉综合征的动态调控网络、关键信号通路基础、寻找分子标志和干预靶点，对实现急性冠状动脉综合征的早期诊疗方法，降低ACS的发生率和病死率具有重要意义[30]。

2002年，Brindle 等[31]应用核磁共振技术分析了66例受试者的血代谢组学。发现冠状动脉狭窄人群与冠脉造影正常人群，代谢组学指纹完全不同。这一研究表明代谢组学在冠心病诊疗方面具有应用潜力。2005年，Sabatine 等[32]通过运动负荷试验检测，阳性心肌缺血的受试者。发现，运动后尿酸、柠檬酸、γ-氨基丁酸等与对照组产生了有统计学意义的改变。2009年，Metabolon 公司的UHPLC /MS /MS2高通量技术，可在短时间内完成急性冠状动脉综合征患者血液中339个小分子代谢物的定量分析[32]554-560。2016 年，《美国心脏病学会杂志》(JACC)[30]2835-2847报道了冠心病及其不同临床分型的代谢组学特征谱，将代谢变化规律与疾病发生发展过程进行了有机联系，进一步推进了代谢组学的临床转化和应用。

三羧酸循环(TCA)对有氧代谢高依赖的器官心脏来讲，是至关重要的代谢环节。急性冠脉综合征冠的发生和发展势必会引发三羧酸循环及其上游成分的变化[29]17。有研究发现，急性冠脉综合征患者血浆中TCA循环途径中的部分代谢物减少，这种变化与心肌缺血诱导的氧化应激相一致[30]2835-2847。李佳等[30]2835-2847发现急性冠脉综合征病人血液中琥珀酸水平异常升高，缺血/缺氧能引起心肌细胞内、外琥珀酸堆积，细胞内堆积的琥珀酸以HIF-1α依赖性途径抑制丙酮酸脱氢酶(PDH) ；细胞外堆积的琥珀酸激活其特异性受体 GPR91，促进下游PKCδ活化并转移至线粒体，损伤PDH活力。琥珀酸介导的葡萄糖氧化受阻加重心肌细胞缺血再灌注损伤。人参皂苷可以减少琥珀酸堆积，抑制细胞内琥珀酸/ HIF-1α的活化及细胞外GPR91 /PKCδ 信号通路，恢复PDH活力，改善心肌细胞缺血再灌注损伤。

急性冠脉综合征患者代谢组学研究发现，体内的葡萄糖代谢也有所变化[30-31]2835-2847,419-430。急性冠脉综合征时心肌缺血、缺氧，葡萄糖的有氧代谢下降，无氧糖酵解增强[31-32]419-430,554-560。

代谢组学研究发现，急性冠脉综合征患者体内氨基酸代谢发生改变。正常心脏以氨基酸作为ATP来源的依赖性较小[32]554-560，但ACS患者氨基酸则作为重要的能量来源。谷氨酸和谷酰胺酸经底物水平磷酸化生成三磷酸鸟苷[33]。Yang等[34]证实支链氨基酸(BACCs)可作为预测ACS发病风险的标志之一。Yang 等[35]发现BCAAs浓度每上升会造成罹ACS发病风险增加两倍。Bernini等[36]发现较低浓度的苏氨酸、肌氨酸酐可降低ACS的发病病的风险。

目前早期诊断ACS主要依据症状、心电图、心肌酶学改变和冠状动脉造影。但这些检查都有着一定的局限性，比如心电图简便迅速，但是对ACS的病理阶段和过程缺乏监测，冠状动脉造影是诊断ACS的金标准，但只能反应影像学标准，且难以普查应用，对预警意义不大[37]。因此确定ACS患者的临床代谢组学生物标志物，对于早期预警和动态观察具有广阔前景。目前，针对ACS患者血中氧化三甲胺(TMAO)水平的关注度较高，被认为是预测ACS 的重要标志物[38-39]。卵磷脂、胆碱和肉碱通过宿主肠道微生物生成三甲胺(TMA)，随后TMA释放到体液循环中被肝脏氧化成TMAO。而TMAO可能通过干扰胆固醇的逆向转运，促进动脉粥样硬化的进程，增加心血管事件的风险。因此，肠道微生物被认为是调节这一过程的关键因素[40]。3，3-二甲基-1-丁醇通过干扰肠道微生物中TMA的生成，降低体液循环中TMAO的浓度，可以有效预防ACS[41]。

3 展 望

计算机大数据分析临床代谢组学，筛选出ASC患者最具特征的代谢组学标志物，将成为早期诊断预警ACS和对其发病机制进行深入研究的重要突破口。2013年，Suhre等[42]通过超高效液相-多级质谱分析，发现ACS患者60个生化途径中的295个代谢物和37个相关的基因轨迹，对ACS的发病机制、预警、早期诊断和预后评估提供了新的视角。范勇等[40]4204-4211采用高通量、高覆盖代谢组学和生物信息学等检查手段，首次绘制了ACS血浆代谢组学特征谱。该研究从近2000个代谢物中发现、鉴定了与ACS发生发展表型特征密切相关的代谢差异物129个，其中新型代谢物20个，其中磷脂代谢降低、多不饱和游离脂肪酸升高、氨基酸代谢升高、肉碱代谢降低、胆汁酸代谢减弱等，成为ACS的代谢组学特征。从中筛选出12组灵敏度高(>90%)、专属性强(90%)的代谢标志物组，作为ACS诊断指标，其内部诊断准确率高(AUC>0.95)，外部双盲预测准确率大于90%，多中心预测准确率大于90%；提出了花生四烯酸、溶血磷脂酰胆碱、柠苹酸、苯丙氨酸、BH4、乙酰肉毒碱失调的机制和生物学功能。大数据筛选成为ACS代谢组学特征描绘中不可缺少的重要手段。

ACS的临床代谢组学特征的研究在临床领域的影响逐步扩大，今后还需要多学科的共同努力。应用更加简化的临床代谢组研究方法，使得质谱等组学仪器需要更加普及。为通过代谢组学特征的研究为ACS发病及治疗打开新的大门。