缺血性脑卒中相关生物标志物多组学研究进展

王 开，钟佩玲，王昌铭

(1.中国人民解放军联勤保障部队第九四五医院麻醉科,四川 雅安 625000;2.中国人民解放军联勤保障部队第九四五医院骨科,四川 雅安 625000;3．中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院神经内科,河南 洛阳 471000)

流行病学调查显示,脑卒中已成为全球第2大致死致残的疾病,其中缺血性脑卒中(ischemia stroke,IS)患者约占80%以上[1]。IS高发病率、高致残率、高致死率严重威胁人类健康,并对社会和患者家庭造成极大经济负担[2]。IS是由于颅内动脉血栓形成或栓子栓塞造成局部脑组织缺血,继而导致神经功能障碍,而在IS发病4.5 h内准确诊断并及时溶栓可显著降低患者残疾发生率[2-5]。因此,尽早识别IS对改善患者预后具有重要意义。研究表明,IS发病过程中出现的生物标志物对指导疾病诊断具有一定意义[3-4];但是,单一类型的生物标志物不能完整反映IS复杂的病理生理过程,而基于高通量测量的多组学技术,通过整合基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢组学数据信息,可系统反映IS患者机体的病理生理过程,在IS早期诊断方面颇具潜力[3,6-8]。基于此,本文通过对IS相关生物标志物的多组学研究现状和基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢组学生物标志物进行综述,以期为IS早期诊疗提供参考。

1 IS相关生物标志物的多组学研究现状

尽管多组学中的基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学在检测IS生物标志物方面已取得长足进展,但单一组学检测对IS早期诊断的效能有限[3,6,9]。单一组学分析通常仅能反映本组学中发生变化的标志物,且单一组学分析未考虑到各组学生物标志物之间的相互作用,可能造成科研和临床工作者对IS发展、转归、预后的认识出现偏差[7,9-10]。多组学技术采用的高通量测序和质谱等技术可弥补上述不足。多组学通过对各组学相关生物标志物信息进行整合分析,整体考量研究对象体内发生的系列病理生理过程,使研究者更为系统、准确地了解IS病程演变的分子机制和病理生理过程[7,9-12]。SIMATS等[8]运用多组学技术对急性期IS小鼠脑组织及血样转录组学和蛋白组学生物标志物进行整合分析发现,连环蛋白δ2有望成为IS早期诊断的潜在生物标志物。这种研究方式不仅使研究人员对IS的病理生理和分子间相互作用有了更深层次的理解,而且为接下来的研究设计提供了新思路。

2 IS基因组学生物标志物

IS患者在临床发病过程中呈现的异质性提示IS可能与遗传基因存在一定相关性[13]。国内的一项前瞻性临床研究发现,与携带CYP1A2 rs762551 A等位基因相比,携带CYP1A2 rs762551 C等位基因的个体具有较低的IS发生风险;基于性别的亚组分析发现,CYP1A2 rs762551与男性IS发生风险存在显著的相关性,而与女性IS发生风险无关[14]。WANG等[15]对895例IS患者及883名健康人群的特定基因序列进行分析发现,携带过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma,PPARG)基因的rs1801282及rs3856806位点多态性与IS易感性呈显著正相关,rs1801282 位点的G等位基因及rs3856806位点的 T等位基因的存在,可使IS的发生风险分别增加1.844倍及1.366倍,而同时携带这2种等位基因将使罹患IS的风险增加2.546倍,提示该2个等位基因同时存在具一定的协同作用,通过检测患者的CYP1A2 rs762551 A、PPARG rs1801282 G、PPARG rs3856806 T基因或许能为早期识别IS提供更多可能。

3 IS转录组学生物标志物

RNA是由DNA通过转录而产生的单链中间物质,可分为编码RNA和非编码RNA,研究表明,非编码RNA在IS的发生发展中起到重要作用[16]。

3.1 微RNA(microRNA,miRNA)miRNA是一种非编码小RNA,参与机体炎症反应、氧化应激等生理过程[17]。TIEDT等[18]通过对IS组和健康对照组受试者的血浆样本进行RNA测序分析发现,IS组患者早期血浆中miR-125a-5p、miR-125b-5p、miR-143-3p表达量较健康对照组分别高出1.8倍、2.5 倍和4.8倍,且在IS病程达90 d时,IS组患者血浆中 miR-125a-5p 表达量仍高于健康对照组。VASUDEVA等[17]对近年来多项与IS发病相关的miRNA研究进行总结发现,IS 患者血液中多种miRNA出现异常表达,如miR-125b-2、miR-1261、miR-1321等表达上调,miR-122、miR-148a、miR-320d等表达下调,提示上述miRNA对IS的诊断、预后评估具有较好的指导意义。

3.2 长链非编码RNA(long noncoding RNA,lncRNA)lncRNA是一种长度超过200个核苷酸且不参与翻译的非编码RNA,广泛参与细胞的增殖、分化、凋亡及血管生成、神经系统发育。然而,lncRNA在IS发病过程中的潜在机制尚不清楚[19-20]。ZHANG等[21]在研究中纳入IS患者和健康志愿者各320例,通过检测血浆中长链非编码RNA交叉蛋白1-2(long non-coding RNA intersectin 1-2,lnc-ITSN 1-2)发现,IS组患者血浆中lnc-ITSN 1-2表达量明显高于对照组,且lnc-ITSN 1-2表达量与IS的严重程度呈正相关,提示lnc-ITSN 1-2能够很好地预测IS的发生风险。FANG等[22]研究显示,IS患者的血浆中长链非编码RNA生长停滞特异性转录本5(long noncoding RNA growth arrest-specific 5,lncGAS5)呈高表达状态,lncGAS5可作为预测IS发病风险及严重程度的潜在标志物。

3.3 环状RNA(circular RNA,circRNA)circRNA是一种内源性非编码RNA,呈闭合环状结构,研究显示,circRNA与IS发生有关[23]。研究发现,IS患者急性期血液中circRNA FUNDC1、circRNA PDS5B和circRNA CDC14A等表达上调,并且上调水平与脑梗死体积呈正相关;另外,circRNA PDS5B在淋巴细胞和粒细胞中表达上调程度与血液中升高水平一致,而circRNA CDC14A仅在粒细胞中表达上调;提示circRNA FUNDC1、circRNA PDS5B和circRNA CDC14A有望作为诊断急性IS的潜在生物标志物[24]。DONG等[25]对5例IS患者及5名健康志愿者外周血进行高通量测序发现,2组共有521个circRNA 存在差异性表达,其中373个circRNA在IS患者中表达上调,148个circRNA表达下调,并且这些差异性表达的circRNA参与了IS的免疫、炎症反应等多种病理生理过程。

4 IS蛋白组学生物标志物

4.1 基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)MMP是一类介导细胞外基质降解与重塑的蛋白酶,也在IS病理生理过程中发挥着重要的作用[26-27]。在最近的一项研究中,研究者运用孟德尔随机化方法评估了MMP与IS的发生风险之间的相关关系,结果表明,血清MMP-12水平降低与IS显著相关,血清MMP-1、MMP-12水平降低与大动脉型脑卒中相关,而血清MMP-8水平升高与小血管闭塞型脑卒中显著相关[27]。在另一项包含了470例IS患者及809名健康对照者的研究中,研究者通过对2组人群血浆检测分析,同样证实了血浆中MMP-8在脑卒中急性期会显著升高,并且MMP-8升高程度与IS的严重性呈正相关[28]。

4.2 S100钙结合蛋白B(S100 calcium-binding protein B,S100B)S100B属于S100家族,主要由脑星形胶质细胞表达,在细胞的增殖、分化、凋亡、信号转导及能量代谢等方面起着关键作用[29-30]。LU等[30]对中国人群S100B基因多态性和血清S100B水平与IS发病风险的相关性进行研究时发现,携带S100B rs9722 AA基因与IS发病风险呈显著正相关;此外,IS患者血清S100B水平显著升高,且携带S100B rs9722 AA基因较携带S100B rs9722 GG基因患者的血清S100B水平更高。RAHMATI等[31]研究显示,IS患者急性期血清S100B水平显著高于健康对照者,且血清S100B水平与IS患者的预后呈显著负相关,受试者操作特征曲线分析提示,S100B可以作为IS早期诊断的预测因子。YE等[32]的一项荟萃分析结果显示,IS患者血清中S100B水平显著高于健康对照者,且这种差异在亚洲人群中最为显著。以上研究表明,S100B或许可以作为IS的早期诊断指标。然而,目前尚不清楚S100B水平升高与IS发病的因果关系,需要进一步研究证实。

4.3 过氧化物还原蛋白1(peroxiredoxin 1,PRDX1)PRDX1是机体内一种重要的抗氧化酶,可保护细胞免受氧化应激损伤,此外,PRDX1在调节机体免疫、炎症反应、细胞凋亡中也起着重要作用[33-34]。RICHARD等[35]对37例IS患者和109名健康志愿者的血清PRDX1水平进行检测发现,IS患者血清PRDX1水平在发病<3 h、3～6 h、>6 h这3个时间段内均有不同程度的升高;受试者操作特征曲线分析结果显示,血清PRDX1水平识别发病3 h内IS的敏感度和特异度分别为53%、86%,而其识别发病6 h内IS的敏感度和特异度分别为49%、88%。该研究认为PRDX1或许能作为诊断IS的潜在生物标志物。

综上所述,IS患者体内蛋白组学生物标志物发生了显著的变化,可以在IS早期检测其血清MMP、S100B、PRDX1水平,以做到早期诊断,也可对IS患者的严重程度进行评估,进而对IS患者进行较为精确的干预,从而改善患者的预后。

5 IS代谢组学生物标志物

代谢组学是通过运用磁共振、质谱法和色谱法对血液、尿液等物质中的小分子代谢物进行检测分析的方法,其通过研究生物体内小分子代谢物,能够为进一步认识IS的复杂病理生理过程提供依据[36-37]。

5.1 糖代谢在IS急性期,由于血液供应突然中断,脑组织内氧气、葡萄糖等会在短时间内耗尽,而葡萄糖作为脑组织的主要能量供应物质,在氧供缺乏时将通过无氧酵解的方式产生乳酸[38-39]。一项国内的小样本研究中应用气相色谱-质谱法对40例IS患者和29名健康志愿者血清代谢物进行检测分析,结果显示,IS患者血清乳酸水平显著高于健康志愿者,表明IS患者脑组织存在严重的缺氧及糖代谢紊乱[38]。有研究显示,IS患者脑组织及血清中乳酸水平异常升高,且乳酸水平与IS患者神经元损伤及预后有一定相关性[40-41]。此外,HOSSAIN等[39]使用血管收缩剂诱发大鼠IS,分别于IS后1、3、6、24 h取大鼠患侧和健侧脑组织进行分析,结果显示,IS后6、24 h大鼠患侧脑组织中糖原水平显著高于健侧,且患侧脑组织中糖原分解的限速酶糖原磷酸化酶活性显著降低,糖原脱支酶表达水平显著下降,而患侧与健侧脑组织中促进糖原合成的糖原合酶活性比较差异无统计学意义,该研究也提示在IS急性期存在糖代谢紊乱。

5.2 脂代谢IS发生时,脑组织缺血缺氧可引起脂代谢紊乱[42]。WANG等[43]分析了99例急性IS患者和50例健康志愿者血液中部分脂代谢产物,结果显示,IS患者血清中油酸、亚油酸、花生四烯酸水平显著高于健康志愿者;作为长链脂肪酸的油酸、亚油酸能够透过血脑屏障并为脑组织供应能量,而花生四烯酸则可破坏神经细胞膜的结构,加重脑组织损伤。LIU等[37]采用液相色谱法分析50例年轻IS患者和50名年轻健康志愿者的血清代谢物,结果显示,IS患者血清中磷脂酰胆碱、鞘磷脂、磷脂酰乙醇胺水平均发生了显著变化,血清磷脂酰胆碱、鞘磷脂水平显著降低,而磷脂酰乙醇胺水平显著升高。磷脂酰胆碱、鞘磷脂、磷脂酰乙醇胺作为细胞膜的主要成分,在信号转导过程中发挥重要作用,但其在IS的病理生理过程中如何起作用有待进一步研究。

5.3 氨基酸代谢谷氨酸是神经系统主要的兴奋性氨基酸,在IS发病过程中过度释放会导致神经元损伤,谷氨酸有望成为诊断IS的潜在生物标志物[44-46]。有研究显示, IS患者血清谷氨酸水平显著高于健康对照者。另有研究发现,IS患者血清酪氨酸水平显著下降,这可能是因为酪氨酸作为儿茶酚胺合成的前体物质,在IS发生时激活交感神经系统,大量儿茶酚胺的合成使酪氨酸大量消耗[38]。近年来,年轻人IS发生率逐年上升,有研究显示,年轻IS患者血清谷氨酰胺水平显著高于健康志愿者[37]。谷氨酰胺是一种有益氨基酸,具有抗氧化和抗炎作用,而IS患者血清谷氨酰胺水平升高可能是脑组织损伤时机体产生的保护反应,保护神经元免受更严重的损伤。

6 小结与展望

当前,IS仍然是全球致死率和致残率最高的疾病之一[1];然而,由于IS的病理生理机制非常复杂,目前发现的生物标志物尚不能满足IS的早期诊断,这也导致对于IS的治疗仍然不够精准化、个体化[3,9]。近年来,整合各组学数据的多组学研究及基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学的快速发展,不仅能够及时发现IS发病过程中潜在的生物标志物,为早期明确诊断及后续治疗提供相应的理论依据,而且能够促进科研和临床工作者更加科学深入、整体全面地了解IS的病理生理过程,为科研工作者后期在IS实验设计上提供扎实的理论依据及新的设计思路,为临床工作者在IS早期诊断及后续治疗提供相应的新策略、新方法,进而对IS患者的诊断和治疗更加精准化和个体化,减轻IS患者的痛苦,降低患者及社会的医疗负担[7,10-12]。但是,目前很少有研究对IS病程中的基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学的相关生物标志物进行全面检测,也很少有研究运用多组学技术及理念将这些潜在标志物进行整合分析并评估这种方法是否有助于IS的早期诊断。因此,尚需大样本回顾性研究对上述方法对IS早期诊断的准确性及有效性进行综合评价,进而设计前瞻性随机对照试验进行验证。相信随着各组学及多组学技术的发展,IS相关生物标志物能被快速检测并被综合分析,进而实现对IS患者的早期诊断[7,9]。