心脏外科围术期代谢组学的变化

吴文涛，周成斌

［1.华南理工大学医学院，广州 510006；2.广东省心血管病研究所心脏外科广东省华南结构性心脏病重点实验室广东省人民医院（广东省医学科学院），广州510080］

提要： 心脏外科围术期往往伴随着复杂的代谢改变，认识这些变化对于围术期管理有指导意义。代谢组学作为最新的组学研究工具，能够检测生物体液或组织中成千上万个代谢物，有利于研究心脏外科围术期重要脏器损伤的发病机制，开发新的脏器保护措施。本文就心脏外科围术期代谢组学的变化进行综述。

代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后的一个新兴领域，是一类通过对生物体液（血液、尿液、组织液等）及其组织中所有小分子代谢产物（分子质量＜1 500 U）进行高通量检测，分析机体在内源性（如基因改变）或外源性（环境改变）刺激下代谢产物种类和数量的动态改变及其规律，并进一步研究其与所发生的生理或病理改变的关系的科学［1］。心脏外科手术通常具有较高的围术期风险，不仅是由于心脏疾病本身的复杂性，更是因为围术期急剧的病理生理改变，包括体外循环［2］、心肌缺血-再灌注损伤［3］、开胸应激创伤［4］、大量输血和血液稀释等。这些病理生理过程往往涉及一系列代谢途径和产物的改变，对患者围术期的康复有重大影响。通过检测生物体液或组织中成千上万个代谢物，寻找有差异的代谢物和代谢通路，有利于监测围术期重要脏器损伤，研究发病机制和保护措施。本文拟对心脏外科围术期代谢组学的变化进行综述。

1 代谢组学概述

代谢组学是一种新兴的组学技术，其发展代表着代谢研究的方向性转变：从集中于单一的代谢通路到试图全面理解复杂的代谢网络［5］。

1.1 代谢组学研究平台

核磁共振波谱（nuclear magnetic resonance，NMR）和质谱（mass spectrometry，MS）是目前代谢组学的主要研究平台，通常与色谱技术结合使用，对生物体液中的大量代谢物进行高通量检测［6］。NMR 主要通过代谢物在磁场作用下共振频率的化学位移来识别代谢物，能提供复杂的混合代谢物的结构信息和定量信息，而且只需要很少的样品量，但其动态范围有限，灵敏度低［7］。MS 在过去十年的发展很大程度上促进了代谢组学的发展和其在临床筛查和诊断中的应用。代谢物成分通常先使用液相色谱（liquid chromatography，LC）或气相色谱（gas chromatography，GC）进行分离，以促进分析物的定性和定量［40］。GC-MS具有分辨率高、选择性好、标准谱数据库全等优势，但其样本处理过程较为繁琐，且受色谱性质限制，要求代谢物具有挥发性。LC-MS 现已成为代谢组学分析的首选方法，其优势包括：灵敏度、分辨率高，可以分析不稳定、不易衍生化、难挥发和分子量较大的代谢物，但其依赖自建库、有一定限制性。MS/MS（串联质谱）允许使用2 个或2 个以上的质量分析阶段来聚焦于混合物中的离子碎片，可以提高分辨率和准确性［8］。

1.2 代谢组学研究方法

目前主要有非靶向和靶向两种研究方法。非靶向代谢组学能对所有小分子代谢物同时进行检测分析，其具有无偏向、高通量、样本无需特殊处理且一次进样分析等优势，但其只能获得半定量的结果。故非靶代谢组学通常在研究初期进行，筛选出有差异的代谢物，然后利用靶向代谢组学进一步鉴定和验证［9］。靶向代谢组学是对某一类代谢物的分析，特别针对一种或几种途径的代谢产物。其灵敏度高，能做到绝对定量，但一次只能评估近百种已知代谢物，并且成本很高。两种代谢组学方法均已应用于检测各种疾病相关代谢产物，非靶向方法常用于假设生成和新生物标志物的发现［39］，靶向定量方法则是验证各种代谢紊乱中已知生物标志物的基本工具［10］。

2 心外科围术期代谢组学研究进展

2.1 体外循环过程中的代谢组学变化

体外循环（cardiopulmonary bypass，CPB）是一种非生理性转流方式，与术后机体代谢紊乱和器官功能障碍有关，可能的机制：CPB 流期间各器官灌注不足和转流后的再灌注损伤，血液与人工管道的碰撞激活炎症级联反应，血液稀释、血液破坏和大量输血导致术后止凝血功能障碍等［11］。Maltesen 等［12-14］为研究缺血再灌注损伤导致的代谢物变化，收集了50 例患者在CPB 前后多个时间点的血浆样本，运用NMR 法构建了一个包含600 多份样本的纵向血清代谢物数据集，发现乳酸、柠檬酸循环代谢物、嘌呤、烟酸、酪氨酸、透明质酸、酮、脂肪酸和脂质代谢物等水平的变化与手术创伤和缺血再灌注损伤有关，证明了长时间手术应激可能与厌氧环境和脂肪酸、脂质和糖蛋白水平下降有关，并且代谢失衡在术后20 h 仍然存在。邹丽华等［15］运用GC-MS 比较了新西兰兔对照组、缺血组、缺血再灌注组心肌组织的代谢谱，提出体外循环心肌缺血期间，仅涉及到部分脂肪酸代谢、鸟氨酸循环、嘧啶代谢产物的差异变化。再灌注早期心肌恢复血供，脂肪酸、氨基酸、核苷酸代谢明显上调，但同时参与氧化应激的氨基酸、不饱和脂肪酸也明显增加，抗氧化剂谷氨酰胺生成减少，推断再灌注损伤可能与心肌代谢中参与氧化应激代谢物质上调相关。

急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）是心脏手术后常见的并发症，发生率高达30%，有1%～6%的患者需要透析［16］。Davidson 等［36］运用串联质谱法对57 例出生时间＜120 d的婴儿和新生儿的165种血清代谢物进行靶向代谢组分析，发现术前代谢谱无法有效区分AKI 组和非AKI 组，但术后24 h 的血清代谢谱对重度AKI 有一定的预测作用。为了寻找CPB术后AKI的早期标志物，Zacharias 等［17-18］运用NMR法分别检测了106例患者CPB前后的尿标本和85例患者CPB 前后的血标本，发现尿肌酐、肉碱、氨甲环酸和血肌酐、Mg2+、乳酸可作为AKI 损伤的早期标志物。Begar 等［19］对40 例患儿CPB 前后的尿标本进行了基于LC-MS 的代谢组分析，提出HVA-SO4 可作为儿童CPB 后AKI 的生物标志物。

脑保护也是CPB 心脏手术围术期脏器保护的重要组成部分，Zou 等［20］运用GC-MS 比较了新西兰兔深低温停循环组和深低温体循后+顺行性脑灌组的脑组织标本，发现两组的代谢谱有显著差异，证明了顺行性脑灌对脑组织代谢有明显保护。

CPB 术后肺功能障碍是CPB 心脏手术最常见的并发症，可延长住院时间，增加发病率和病死率。一项研究比较了两种肺保护方案（肺动脉HTK 灌注组、肺动脉氧和血灌注组、无肺动脉灌注标准组）的肺组织代谢谱情况，发现CPB 中HTK 的肺灌注似乎可以预防严重酸中毒、过度脂肪酸氧化和肺缺血-再灌注损伤时的炎症［21］。

2.2 心脏手术与代谢组学

2.2.1 先天性心脏病围术期代谢组学变化 接受复杂心脏手术的婴儿死亡率为10%，并发症的风险为30%～40%。Davidson 等［22］运用LC-MS/MS 对82 例出生时间＜120 d 的婴儿和新生儿的血清进行了代谢组学分析，发现所有接受CPB 心脏手术的患儿术后代谢谱都有明显改变，具体表现在氧化应激途径激活以及氨基酸的减少；几种特定的代谢物标志物，包括天门冬氨酸、谷氨酸、甲基烟酰胺、葫芦巴碱和盐酸，可能有助于区分高危婴儿和术后症状较轻的婴儿；他们还发现了新生儿与1～4 个月大的婴儿在术前代谢谱上的显著差异，这支持了出生后第一个月代谢成熟的概念。Correia 等［23］运用NMR 鉴定了8 种代谢物（3-d-羟基丁酸、丙酮、乙酰乙酸、柠檬酸、乳酸、肌酸、肌酐和丙氨酸）与手术和疾病严重程度相关，并证明了术中严格的血糖控制并不影响术后的代谢状况和临床结果。

研究表明，先天性心脏病（先心病）患儿有较高风险发展为广泛的神经发育后遗症，但缺乏早期预后指标［24］。Vedovelli 等［25］用1H NMR 分析了28 例先心病患儿的术前尿液标本，经过长期随访，证明了运用代谢组学进行聚类分析能够正确识别大多数有神经发育后遗症的儿童（灵敏度为85%），差异代谢物主要为柠檬酸循环中间产物和葡萄糖的堆积。Simonato 等［26］则发现犬尿氨酸途径可作为大动脉转位术后脑损伤的早期标志物。Sabapathy 等［37］运用LC-MS/MS 比较了17 例接受腔肺吻合术的单心室患儿术前、术后2 h、术后24 h、术后48 h 的血清代谢物，绘制了犬尿氨酸（KP）代谢通路随时间变化的详细谱图，发现KP 通路中间代谢物的积累与肾损伤、脑损伤有一定相关性，可能是高危先心病患者新的治疗靶点。

2.2.2 冠状动脉旁路移植术围术期代谢组学变化 冠状动脉旁路移植术（coronary artery bypass graft，CABG）是绝大多数左主干或三支冠状动脉病变患者的首选治疗方案。其中，左胸内动脉（left internal thoracic artery，LITA）因其具有良好的长期通畅性和良好的临床疗效而成为冠状动脉旁路移植术的常用移植物［27］。Kim 等［28］运用GCTOF-MS 比较了升主动脉和LITA 的血浆代谢物，从代谢组学的角度探索了LITA 长期通畅的机制：LITA 血浆中有更高浓度的半胱氨酸和硫化氢，通过清除反应性自由基发挥抗氧化作用，从而抑制动脉硬化、促进血管舒张。冠状动脉旁路移植术后不良事件发生率较高，术后新发心房颤动（postoperative atrial fibrillation，POAF）发生率高达20%～50%［29］。Li 等［30］综合运用蛋白质组学和代谢组学，证明了术前较低的血浆PLTP、APO-C3、较高的CETP 和GPX3 与POAF 相关，PPARα 和谷胱甘肽代谢通路失调可能是POAF 的发病机制。另一项研究表明，由短链二羧基肉碱、酮化代谢物和短链肉碱组成的代谢谱，可以独立于标准的临床风险预测因子预测冠状动脉旁路移植术后的不良结果，代谢组学可作为开发冠状动脉旁路移植术不良预后生物标志物的新工具［31］。

目前关于非CPB 下冠状动脉旁路移植术是否更优并无定论，Kirov 等［32］比较了CPB 和非CPB 下冠状动脉旁路移植术患者的主动脉和冠状静脉窦血液的代谢谱，发现并无明显差别。CPB 下冠状动脉旁路移植术仍是“金标准”，关于是否使用CPB 进行冠状动脉旁路移植术还需要更多验证［38］。

2.2.3 瓣膜病与代谢组学 经胸超声心动图是瓣膜病诊断的“金标准”，但其无法早期预测瓣膜病，并且依赖于医师的主观经验。代谢组学能够充分显示异常血流动力学条件下心血管的代谢改变，已被用于开发快速、简便、无偏倚的瓣膜病早期诊断工具。Wang 等［33］比较了二叶式主动脉瓣（bicuspid aortic valve，BAV）患者和健康人群的血清代谢组学结果，共发现41 种差异代谢物，其中甘油-n-油基乙醇胺（GNOE）、单甘油酯（MG）（18∶2）具有明显的预测价值，并利用这两种代谢物构建了BAV 诊断的新模型。Alvarez 等［34］为研究主动脉瓣狭窄患者发生病理性钙化的机制，综合运用蛋白质组学和代谢组学，发现钙化型主动脉瓣狭窄患者相较于主动脉瓣反流患者表现出明显的缺血、促凝、促炎和脂代谢受损，琥珀酸、焦谷氨酸、丙氨酸等17 种代谢物存在明显差异。Jiang 等［35］发现二尖瓣疾病常伴随着能量代谢、氨基酸代谢和钙代谢等紊乱，鉴定出了18 种差异代谢物，其中甲酸和乳酸显著下调，对二尖瓣疾病有很高的诊断潜力。

综上所述，代谢组学是研究心外科围术期代谢变化的一种有力工具，不仅能帮助我们探索围术期病理生理变化的发生机制、开展脏器保护工作，更有助于我们开发新的预后标志物，早期识别不良后果，从而进行干预。但需要注意的是，围术期的代谢组学研究易受到麻醉和用药的干扰，需要开发新的工作流程来降低这些因素的影响。此外，多组学联合运用正逐渐成为当前组学研究的趋势，综合运用转录组学、蛋白质组学和代谢组学等工具，更有助于我们绘制患者个性化的组学图谱，从而将高通量测序技术和精准医疗理念相结合。