鐘森杰 李靜 李琳

[摘要] 慢性心衰的病理過程中伴隨著一系列代謝功能的復雜改變，代謝組學通過先進的檢測技術與統計算法，可以從整體層面把握機體的代謝功能改變情況，現已成為心衰實驗研究的常用手段。本文歸納總結代謝組學技術在慢性心衰病證診斷中的研究概況，基于“代謝性重構”理論闡述慢性心衰的代謝特征，探討慢性心衰不同證候的代謝組學變化規(guī)律，認為代謝組學技術對心衰的病情評價及證型辨析具有一定的診斷價值。并對研究中存在的關鍵問題進行論述，提出規(guī)范統一研究標準、合理設計對照實驗、注重心衰病證的動態(tài)過程研究等相應的思路，以期為后續(xù)研究提供借鑒。

[關鍵詞] 慢性心衰;代謝組學;生物標志物;診斷研究

[中圖分類號] R259? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 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

慢性心衰是各種心臟疾病的終末階段，其發(fā)病率高、致死率高，為21世紀最重要的慢性心血管病癥[1-2]。心衰的相關癥狀、體征往往出現較晚，且表現不具有特異性，在一定程度上制約著疾病的診斷與證候的辨析[3]。由于方法學的先進性，代謝組學等系統生物學技術已廣泛應用于心衰的實驗研究中，已有多項研究表明心衰的病理過程中伴隨著多種代謝功能的復雜變化，其中心肌能量代謝障礙被視為心衰的關鍵生物學基礎[4-6]。因此，本文歸納總結代謝組學在慢性心衰病證診斷中的研究概況，探討其診斷價值，并對存在的關鍵問題進行論述，提出相應的研究思路。

1 “代謝性重構”與心衰

現有的研究證據顯示，慢性心衰的病理過程中伴隨著一系列代謝功能的改變[7]。van Bilsen等[8]學者提出“代謝性重構”概念，即由心肌細胞糖類和脂類等物質代謝紊亂引起心臟能量代謝途徑的改變，從而導致結構和功能異常的現象。衰竭心臟的“代謝性重構”主要體現在三個方面：①心臟產能底物利用的改變，心臟可利用多種底物以滿足自身的能量需求，其中脂肪酸氧化是心臟所需能量的主要來源[9];心衰時心臟的代謝特征在于產能底物利用從脂肪酸向葡萄糖的明顯轉移，更有研究指出酮體、支鏈氨基酸是心衰末期的替代底物，但底物利用的轉移并不能滿足衰竭心臟的能量需求[10]。②高能磷酸鹽代謝異常：磷酸肌酸/三磷酸腺苷比值（PCr/ATP）反映心肌高能磷酸鹽的改變情況，并與心衰程度密切相關，而能量代謝障礙可直接導致PCr/ATP比值下調[11-12]。③線粒體功能障礙：線粒體是能量產生的核心，心衰時機體的線粒體數量降低，線粒體酶含量與活性減低，致使線粒體功能與結構損傷[13]。

上述改變反映心衰時心肌能量產生不足，同時能量需求增加，能量供需失衡，提示能量代謝異常是疾病的典型表征[14]。盡管“代謝性重構”與心衰病理機制之間的直接因果關系尚未完全明確，但現有的研究表明能量代謝異常是心衰收縮功能不全和心室重構的關鍵因素[15]。尤其在心衰的終末階段，糖、脂氧化代謝功能障礙，致使產能急劇減少，機體處于“能量饑餓”狀態(tài)，不足以維持心臟正常的收縮功能[16]。“代謝性重構”概念提出以后，許多學者從諸如糖酵解途徑、脂肪酸代謝等角度開展了相關研究，研究熱點多集中于代謝底物的利用轉變方面[17]。但單一的代謝途徑研究并不能反映機體的整體代謝狀況，而代謝組學的發(fā)展則彌補了這一局限。

代謝組學作為新興的系統生物學技術，致力于研究生物體受擾動后的內源性代謝產物變化規(guī)律，為評價心肌能量代謝特征提供了新工具，近年來已成為心衰研究的常用技術手段。已有研究證據表明，心衰的能量代謝變化主要體現在?；鈮A代謝的改變，如Hunter等[18]發(fā)現射血分數保留的心衰患者血液中長鏈?；鈮A含量比正常人群高，而該代謝產物在射血分數降低的心衰患者中則進一步升高;Bedi等[19]則發(fā)現終末階段心衰患者有三種酰基肉堿類物質含量顯著下調。另有研究發(fā)現，心衰患者血液中的糖酵解代謝產物含量上調、葡萄糖氧化率降低可用于心肌能量代謝的評估，具有重要的診斷價值[20]。國內學者亦開展了相關研究，如龐博等[21]利用液相色譜-質譜聯用技術對慢性心衰患者的尿液樣本進行研究，篩選出尿苷和丙氨酰色氨酸作為疾病的潛在標志物。代謝組學能提供單個患者的代謝表型及其相關的生物學信息，有望成為心衰病情及能量代謝異常的診斷依據，值得更為深入的研究。

2 代謝組學在心衰證候診斷中的研究概況

代謝組學強調從整體角度對生物體進行研究，具有鮮明的整體性、系統性特點，與中醫(yī)學“整體觀念”下的辨證思維不謀而合。同時代謝組學所提供的現代生物學技術，可以彌補傳統四診方法的局限，為證候的現代化研究提供技術支持[22]。代謝組學作為心衰研究的常用技術，亦已廣泛應用于心衰的證候研究方面，現將近年來的研究進展總結如下：

2.1 心衰心氣虛證、心氣陰虛證、心陽虛證的代謝組學研究

中醫(yī)學對心衰的病機認識已趨于一致，即為“本虛標實”之證。單純的“本虛”之證多出現于心衰病程的早期或中期，其中心氣虛衰是始動因素并貫穿疾病的全過程，隨著病程發(fā)展逐漸演變?yōu)樾臍怅幪?、心陽虛衰[23]。李琪琳等[24]利用核磁共振氫譜分析心衰心氣虛證大鼠的尿液樣本，鑒定出12種相關的代謝產物，涉及糖、脂、氨基酸代謝紊亂及胃腸功能紊亂。李欣春等[25]、鐘森杰等[26]通過“以方測證”法建立心衰心氣陰虛證大鼠模型，并運用氣相色譜-質譜聯用技術篩選出19種潛在的血液代謝標志物，反映該病證模型存在氨基酸、糖、脂代謝紊亂及肝功能異常。有研究運用反相高效液相色譜分析了心衰心陽虛證患者的氨基酸代謝情況，結果發(fā)現苯丙氨酸與心陽虛證候積分存在明確的直線關系，而另一學者的研究再次驗證了苯丙氨酸與該病證關系密切[27-28]。Wang等[29]通過核磁共振氫譜技術，發(fā)現心衰心陽虛證患者的糖蛋白、乳酸、丙酮酸、脂蛋白等代謝產物水平出現改變，提示患者的脂代謝、糖酵解等代謝功能受擾動。

縱觀心衰“本虛”證的代謝組學研究結果，發(fā)現代謝途徑存在一定的共性，即多表現為三大營養(yǎng)素代謝通路（氨基酸類、糖類、脂類）的紊亂。這也體現了心衰早中期的代謝特征，即機體的糖、脂氧化代謝供能障礙，此時處于氨基酸代謝增強以供給能量的應急代謝狀態(tài)。

2.2 心衰血瘀證、水停證、痰濁證的代謝組學研究

隨著“本虛”的進一步發(fā)展，如心氣虛衰而血液運行不暢、陽氣虛衰而水飲溫化無力等，最終會導致血瘀、痰濁、水飲停聚等“標實”之證。劉玲玲[30]運用液相色譜-質譜技術進行研究發(fā)現，精氨酸代謝途徑與心衰關系密切，且心衰氣虛血瘀證與心衰陽虛水停證的尿液代謝表型存在顯著差異。王鵬軍等[31]驗證了心衰陽虛水停證與心衰氣虛血瘀證存在顯著的血液代謝表型差異，并發(fā)現氣虛血瘀證與磷脂、氨基酸代謝失衡相關，陽虛水停證與能量、肉堿、氨基酸、磷脂代謝失衡相關。王娟等[32]利用核磁共振氫譜技術研究心衰血瘀證與心衰非血瘀證患者的代謝差異，發(fā)現兩者血液之間存在11種差異代謝產物，進一步分析認為氨基酸、脂類、能量代謝的改變是心衰血瘀證的代謝特征。該學者還探討了慢性心衰痰濁證患者的血液代謝組學特征，篩選出丙氨酸、葡萄糖、膽堿、乳酸、脂蛋白等潛在的代謝標志物[33]。陳靜等[34]運用核磁共振氫譜技術發(fā)現慢性心衰的代謝特征為氨基酸、糖、脂和三羧酸循環(huán)代謝紊亂，但運用此技術并不能很好地區(qū)分心衰氣虛血瘀證和心衰氣虛證患者。

心衰“標實”證的代謝組學研究結果顯示，肉堿類、三羧酸循環(huán)等與能量代謝密切相關的代謝途徑受擾動。三羧酸循環(huán)是機體將糖或其他物質氧化而獲得能量的最有效方式，即為能量代謝的核心[35];肉堿類物質在線粒體內最為豐富，線粒體的損傷必然導致肉堿水平紊亂[36]。這些物質與功能的改變反映此階段已出現明顯的能量代謝障礙，印證了能量代謝在心衰病情加重中的重要作用。

2.3 心衰腎陽虛證的代謝組學研究

心衰病位雖在心，但并非單一臟腑的病變，而是與體內諸多臟腑關系密切，有多項研究證實腎陽虛證亦是疾病的常見證型之一[37]。陶秀梅等[38]運用氣相色譜-質譜聯用技術進行研究，發(fā)現與健康人群及慢性心衰非腎陽虛證患者比較，慢性心衰腎陽虛證患者的尿液中主要出現三羧酸循環(huán)、兒茶酚胺、脂肪酸類代謝產物的變化。鄭海生等[39]運用液相色譜-質譜聯用技術分析慢性心衰腎陽虛證與慢性心衰氣陰兩虛證患者的尿液樣本，發(fā)現存在16種差異代謝產物，主要涉及能量代謝、氨基酸代謝及腸道菌群。就目前的研究結果而言，心衰腎陽虛證亦出現了一定程度的能量代謝障礙，這與心衰“標實”證的結果存在共性，體現了心衰中晚期的代謝組學特征。

3 代謝組學在心衰病證診斷研究中的問題與對策

代謝組學由于方法學上的獨特優(yōu)勢，已在心衰病證診斷的研究領域中取得一定成果，但在應用過程中亦暴露出部分問題。如何創(chuàng)新研究思路，充分發(fā)揮優(yōu)勢與改進不足之處，是亟待解決的命題。筆者歸納當前的應用概況，對研究方法的標準化、實驗設計的合理性、心衰病證的動態(tài)可變性等關鍵問題進行論述，并提出相應的思路，以期為進一步研究提供借鑒。

3.1 研究方法的標準化

在臨床研究中，代謝產物的變化往往受年齡、性別、體質、生活方式等多方面因素的影響，而目前的大部分研究并未能有效排除這些干擾因素[40]。動物模型雖能較好地模擬人類的病理過程，并可降低部分干擾因素的影響，但心衰動物模型的造模方法較為繁雜，如高鹽飲食誘導、阿霉素誘導、左前降支結扎、腹主動脈結扎等[41-42]。不同造模方法必然對模型的代謝產物產生不同影響，且某些模型由藥物副作用或特殊飲食所致，這些混雜因素加劇了對模型代謝產物的擾動，導致結果有所偏倚。另一方面，研究中所采用的技術手段、儀器設備、樣本處理方法、數據庫等各方面亦尚未形成統一的標準。

鑒于研究中的技術手段、研究對象、研究樣本等方面并不統一，致使各研究結果相對獨立，相互之間難以比較、驗證，當前僅能從代謝途徑中管窺出一些共性之處。上述問題的存在，不利于敏感性、特異性代謝指標的篩選，也在一定程度上制約了實驗的可重復性。因此，制訂統一的操作規(guī)程與技術標準、探索穩(wěn)定可靠的心衰模型制備方法、確立規(guī)范化的納入與排除標準等各項標準化措施勢在必行，亦是今后該研究領域的發(fā)展重點。

3.2 實驗設計的合理性

設計合理的對照實驗，是開展科學研究的關鍵前提?？v觀目前的研究報導，部分心衰證候研究的對照設計過于簡單，甚至只進行模型組與正常對照組的簡單比較。如心衰心氣陰虛證的代謝組學研究，僅僅選用正常對照組進行比較，并未進行異病同證、同病異證間的比較。簡單的兩兩對照設計未能有效厘清病證關系，慣性地否定了異病同證、同病異證存在的生物學改變，故只能獲取到與病證結合相關的代謝組學信息，而無法甄別出“病”或“證”的相關特異性代謝信息[43]。因此，在開展研究時既要遵循病證結合的研究框架，亦要充分考慮異病同證、同病異證間的生物學差異，合理設計對照實驗，盡可能厘清所得代謝指標是與“病”相關或與“證”相關，保證研究結果的特異性。

3.3 心衰病證的動態(tài)可變性

心衰病證診斷的相關代謝組學研究多選用橫向研究法，即從疾病或證候已形成的時間截點出發(fā)，進行橫向比較。這種研究方法旨在探討終端代謝產物，但忽略了病證的動態(tài)可變性，缺乏隨時間變化的動態(tài)研究?！安　迸c“證”并非是固定的鎖定關系，“證”具有動態(tài)可變性的特點，在疾病不同階段會出現不同的證候變化[44]。同時還需考慮到慢性心衰是由多種基礎性心臟疾病發(fā)展而來的進行性病變，心衰的發(fā)展是一個相對緩慢的動態(tài)過程，不同病理階段的代謝組學表現差異顯著，而這些差異被證實是心衰發(fā)生發(fā)展的關鍵因素[45]?；诩膊∨c證候的動態(tài)性、時空性特點，以及前文所提及的“代謝性重構”理論，研究者應將目光更多地聚集于心衰病證的縱向發(fā)展，即以心衰病證的動態(tài)變化過程作為代謝組學研究的切入點，實現橫向研究與縱向研究的相輔相成，以期從代謝學角度充分闡明病理機制及證候生物學基礎。

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（收稿日期：2020-04-15）