王治財，倉彥

冠狀動脈粥樣硬化性心臟?。ü谛牟。┦侨蛘T導人死亡的主要疾?。?］。復雜的分子機制是心血管疾病發(fā)病的主要特征，代謝紊亂參與心血管疾病的進展，促使人們運用代謝組學去研究冠心病的發(fā)病機制及疾病進展過程，通過代謝組學在臨床病人中識別生物標志物及致病通路，再通過基礎醫(yī)學研究證明差異代謝物或通路的機制，最終運用于臨床診斷和治療。

代謝組學是對生物系統(tǒng)中代謝物的定性和定量組成的研究［2］，應用代謝組學去識別疾病中的生物標志物變得越來越流行。近年來代謝組學在識別冠心病生物標志物方面取得了很大的進展，但是仍然不充分。對于急性冠脈綜合征病人，通過對代謝物的檢測發(fā)現(xiàn)了肌紅蛋白，肌鈣蛋白I 和肌鈣蛋白T 等標志物，可以通過這些生化指標對急性心肌梗死病人進行診斷，但是心肌肌鈣蛋白作為診斷心肌損傷的特異度生化標志物，靈敏度高，特異度低，且只能在癥狀出現(xiàn)后至少6 h 才能達到峰值，造成了心肌標志物的不理想，對于慢性冠脈疾病病人尚未有顯著的診斷性生物標志物應用于臨床。因此我們期待利用代謝組學發(fā)現(xiàn)心血管疾病新的標志物，優(yōu)化生物標志物對冠心病的診斷標準。

疾病的發(fā)病機制和診斷疾病的生物標志物可以通過人體體液代謝譜來實現(xiàn)，如果通過代謝組學準確地表征冠心病特征，進而可以有針對性地進行治療，避免使用不必要的治療手段和資源。

1 冠心病

1.1 冠心病的定義及流行病學特征冠心病是由動脈粥樣硬化引起的冠脈管腔狹窄或閉塞的一種缺血性心臟病，主要包括慢性冠脈疾病和急性冠脈綜合征，其中慢性冠脈疾病主要有穩(wěn)定型心絞痛（stable angina，SA）、無癥狀性冠心病和缺血性心肌病三種類型，急性冠脈綜合征（acute coronary syn?drome，ACS）主要有不穩(wěn)定型心絞痛（unstable angi?na，UA）、非ST 段抬高型心肌梗死（non-ST-elevation MI，NSTEMI）和ST 段抬高型心肌梗死（ST-segment elevation myocardial infarction ，STEMI）三種類型［3］。

冠心病是世界范圍內(nèi)嚴重損害人類健康的疾病，根據(jù)2018 年NHIS 調(diào)查數(shù)據(jù)顯示估計冠心病在白人中患病率為5.7%，在黑人中患病率為5.4%，在美國印第安人/阿拉斯加土著中患病率為8.6%，在18 歲以上的亞洲人中患病率為4.4%［4］。基于冠心病的高患病率，目前冠心病診斷金標準是冠脈造影，主要治療手段為經(jīng)皮腔內(nèi)冠狀動脈成形術(shù)、經(jīng)皮腔內(nèi)冠狀動脈介入術(shù)和冠脈搭橋手術(shù)，但尚未有能夠逆轉(zhuǎn)動脈硬化性疾病的藥物。從而促使人們?nèi)ヌ剿鞴谛牟〉臋C制，以期尋找較為顯著的通路和標志物，對冠心病起到更好的治療作用。

1.2 生物標志物

1.2.1ACS生物標志物 ACS心肌標志物方面已經(jīng)取得了很大進展，但高死亡率和發(fā)病率仍然是世界范圍內(nèi)的首要問題。發(fā)現(xiàn)理想的生化標志物有助于對急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）病人早期診斷、個體化治療、風險評估及預測疾病的預后，從而降低病人的死亡率。

目前主要應用于臨床的心臟標志物有肌酸激酶（creatine kinase，CK）、肌紅蛋白、TnC、TnI 和TnT。大多數(shù)化驗指標對AMI 的診斷尚不充分。CK-MB在心肌損傷后4~9 h 開始升高，對診斷AMI 具有參考價值［5］，它的缺點是在早期不能夠達到峰值，且存在于惡性腫瘤、肺栓塞、肌肉栓塞等疾病中造成診斷AMI 時產(chǎn)生假陽性的結(jié)果。肌紅蛋白在AMI 病人中6~10 h 升高是AMI 的敏感標志物，但無特異性［6］。目前參與AMI診斷的最重要的心肌肌鈣蛋白（cTn）標志物是TnT、TnI和TnC［7］。但這些標志物的靈敏度高，特異度低，并且在AMI 6 h 后才能出現(xiàn)峰值，因此目前存在的生物標志物仍不夠理想。

1.2.2慢性冠脈疾病生物標志物 生物標志物在慢性冠脈疾病病人的診斷方面已經(jīng)取得很大的進展，可用于識別可能需要預防性治療的阻塞性心血管疾病病人，然而目前的臨床實踐指南并不推薦在穩(wěn)定型冠心病病人的臨床實踐中常規(guī)使用生物標志物進行診斷。除了心肌標志物的診斷作用，它還可以預測慢性冠心病病人發(fā)生主要不良心血管事件的風險。Rusnak 等［8］對穩(wěn)定型心絞痛病人心肌標志物進行綜述表明，生物標志物（纖維蛋白原、hs-CRP、脂蛋白相關(guān)PA2、脂蛋白a、hs-肌鈣蛋白、NT-proBNP 和胱抑素C）可以檢測出超過既定風險評分的病人，但是滿足這些必要標準的理想生物標志物是不存在的。Mccarthy 等［9］表明，對于臨床醫(yī)生來說，目前穩(wěn)定型冠心病病人的預后不可預測，利用生物標志物診斷冠心病和預測穩(wěn)定型冠心病的終點事件是具有挑戰(zhàn)性的，研究人員研究了大量的生物標志物對冠心病病人的預后和診斷價值，但在穩(wěn)定型冠心病病人中使生物標志物從基礎研究過渡到臨床實踐，還需要進一步的臨床試驗。

2 代謝組學

2.1 概念及實驗分析方法代謝組學是對體液中代謝物（小分子<1.5 kDa）的定性和定量評估。代謝物是遺傳轉(zhuǎn)錄和翻譯過程的下游，被認為與疾病表型密切相關(guān)。代謝組學包括靶向代謝組學研究和非靶向代謝組學研究。靶向代謝組學研究是用代謝組學方法識別具有調(diào)節(jié)生物學功能的特定生物通路相關(guān)的代謝物［10］，其特征是測量預先確認的代謝物。與靶向代謝組學相比，非靶向代謝組學顯得更為流行，它是建立在包含具有良好特征的代謝產(chǎn)物譜作為標準的“代謝產(chǎn)物庫”基礎上，進行全面性測量比較進而研究多種代謝物［11］，通過篩查差異代謝物將細胞通路與生物機制聯(lián)系起來，促進了我們對疾病機制的理解，為其臨床轉(zhuǎn)化鋪平道路。

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）波譜在代謝組學領域有著廣泛的應用，不僅適用于液體樣品，也適用于固體、氣相組織樣品［12］。NMR 的優(yōu)點是樣品的可重復利用性、較少受儀器變異性的影響、定量的優(yōu)勢， 主要缺點是靈敏度和分辨率比MS 低、NMR 波譜分析的復雜性［13］。質(zhì)譜與色譜串聯(lián)技術(shù)平臺通常被用于代謝組學的檢測中，主要包括液相色譜/質(zhì)譜法（liquid chromatography/mass spectrometry，LC/MS）、氣相色譜/質(zhì)譜法（gas chroma?tography/mass spectrometry，GC/MS）及毛細管電泳/質(zhì)譜法（capillary electrophoresis/mass spectrometry，CE/MS）。其中LC/MS特別是超高效液相色質(zhì)譜（ul?tra-high-performance liquid chromatography/mass spectrometry，UPLC/MS）是最廣泛使用的方法，主要原因是LC 可用大量可訪問的儀器、開源數(shù)據(jù)、處理軟件分離和檢測代謝物 ；LC-MS 的缺點是：離子抑制。氣相色譜的優(yōu)勢是：分離效率高，保留時間重復性好［14］；缺陷是：易熱性分析物的損失、復雜的樣品制備、更高的變異性。CE可以應用于非常低的樣品量，但是由于CE-ESI 接口的靈敏度較差，目前在商業(yè)上已經(jīng)開發(fā)了新的可用接口可用作GC 和LCMS 的補充［15］，因此為這種方法開辟了廣闊的前景。與NMR 相比，MS能夠測量更多的代謝物數(shù)量，具有更高的靈敏度［15］，卓越的色譜分辨率結(jié)合高靈敏度的MS 可以在幾分鐘內(nèi)檢測和測量數(shù)千種代謝物的水平。

2.2 代謝組學的優(yōu)勢代謝組學被越來越多地用于識別疾病中的生物標志物、檢測疾病中的生物通路變化以及闡述心血管疾病的機制，具有巨大的臨床翻譯潛力［16-17］。與基因組學相比，基因在生命的整個周期過程中相對穩(wěn)定，而代謝組學可因環(huán)境等多因素改變而改變，每個生物樣本的代謝組特征代表特定狀態(tài)和時間的疾病的寫照，從而反應生物體特定時間和狀態(tài)的疾病特征。代謝組學是一個相對較新的領域［18］，對研究疾病以及對外界刺激的作用和反應條件下的機制具有重要意義［19］。研究疾病代謝物的變化主要優(yōu)勢包括：①在分子水平上增加對疾病病理生理學的理解，并產(chǎn)生新的疾病機制假說；②確定疾病風險預測和診斷的生物標志物；③評估疾病進展；④解釋環(huán)境和生活方式對疾病的影響；⑤評估藥物療效、毒性和藥物不良反應［20］。代謝組學除了在疾病研究中的優(yōu)勢，在獲取途徑上比遺傳研究更容易，用于代謝組學的生物體液或組織可以輕易在病人中取樣。

與基因組學和蛋白組學相比，代謝組學的優(yōu)勢是顯而易見的，且與疾病的表型最緊密，深入了解代謝物水平的變化能讓我們理解受干擾的細胞通路的下游效應［21］。心臟是身體中代謝需求最大的器官，其代謝紊亂導致體液（包括血漿）代謝組的變化，血漿代謝物的變化反映了潛在的心臟疾病進展。通過代謝組學的方法可以很好地抓出心血管疾病特征，定期進行代謝組學的研究，能將冠心病的發(fā)展轉(zhuǎn)歸勾勒得更加清晰，從而透徹了解其背后的分子機制。

3 代謝組學在冠心病研究中的應用

近年來，代謝組學在心血管領域快速發(fā)展，國內(nèi)外一些研究人員將代謝組學方法應用于心血管疾病。Ali 等［22］采用GC/MS、固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和1H-NMR 對STEMI、UA 和健康對照組的血清代謝物譜進行分析。多變量數(shù)據(jù)分析顯示，代謝特征能夠有力區(qū)分STEMI 病人與健康對照組和UA 病人。Würtz 等［23］利用NMR 進行以三組人群為基礎的隊列代謝組學研究，以確定心血管疾病的生物標志物，4 種代謝物，即苯丙氨酸、單不飽和脂肪酸（MUFA）、ω-6 脂肪酸和二十二碳六烯酸（DHA）與未來心血管事件有關(guān)并且指出將這4 種代謝物與已建立的風險因子結(jié)合起來，可以改善心血管風險預測。

在靶向代謝組學研究方面，最近的一些研究表明，利用靶向代謝組學分析方法可以有效的測量一組預先選擇的、具有化學相關(guān)性的、同屬某一代謝途徑的代謝物。Goulart 等［24］用靶向代謝組學方法，通過UPLC-MS/MS 和基于MS 的流動注射分析（MSbased flow injection analysis，F(xiàn)IA-MS）對STEMI 病人和健康對照組進行代謝組學研究表明，STEMI 病人中磷脂酰膽堿、溶血磷脂酰膽堿、鞘磷脂和生物胺的濃度發(fā)生了變化并且確定了甘油磷脂，亞麻酸和鞘磷脂代謝的變化。Floegel 等［17］的一項前瞻性隊列研究證明靶向代謝組學方法可為健康人群中與心血管疾病高風險相關(guān)的早期代謝紊亂提供獨特的快照，共研究了105 種血清代謝物與AMI 和缺血性中風風險的相關(guān)性。

非靶向代謝組學又稱發(fā)現(xiàn)代謝組學，相對靶向代謝組學更為流行，其應用通過對疾病組與健康組的差異代謝物的比較，發(fā)現(xiàn)一系列有生物意義的代謝物，更好的闡明疾病的機制，具有巨大的臨床轉(zhuǎn)化能力。Gundogdu 等［25］用非靶向代謝組學方法，通過用液相色譜四極桿飛行時間質(zhì)譜法對STEMI 病人和對照組血清代謝物進行差異比較的研究表明，STEMI 病人中的亮氨酸，L-脯氨酸，L-丙氨酸，甘氨酸，延胡索酸，檸檬酸，琥珀酸和肉堿水平下降，丙氨酸，馬來酸、丁酸、尿酸、油酸、棕櫚酸、LysoPC（18∶2）、甘油乙醇胺、咖啡因和L-乳酸水平升高，證實丙二酸，馬來酸、富馬酸和棕櫚酸可以作為STEMI病人早期風險分層的生物標志物。Surendran 等［26］采用非靶向代謝組學分析LC/MS 方法對27 例STE?MI病人的血漿進行了分析，將缺血狀態(tài)下的血漿代謝組與原發(fā)性經(jīng)皮冠狀動脈介入治療后的多個時間點進行了比較，有助于更好地理解人類急性心肌缺血和再灌注過程中所涉及的機制。

近年來國內(nèi)關(guān)于代謝組學在冠心病中的研究也有了突飛猛進的進展，最為大型的研究是齊煉文等［27］通過非靶向代謝組學法研究了2 324 例病人（包括正常冠狀動脈、非梗阻性冠狀動脈粥樣硬化、SA、UA 和AMI 五組受試者）血漿代謝物，并進行交叉比較，共鑒定出89 種差異代謝物，代謝途徑的改變包括磷脂分解代謝減少，氨基酸分解代謝增加，短鏈酰基肉堿增加，三羧酸循環(huán)減少，初級膽汁酸生物合成減少。隨后采用串聯(lián)液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用及同位素標記的標準添加進行代謝標記N-乙酰神經(jīng)氨酸（Neu5Ac）的靶向分析，通過體外和體內(nèi)模型研究Neu5Ac在CAD進展中的作用［28］。

4 小結(jié)

綜上所述，代謝組學包括從臨床獲得樣本、以實驗室為基礎進行驗證、最終服務于臨床實踐的過程，具有巨大的臨床轉(zhuǎn)化潛力，目前在心血管疾病研究方面還不充分。為了運用代謝組學更全面地研究心血管疾病，需要我們做的是：標準化和協(xié)調(diào)代謝組學表型和生物標志物建模程序，改進現(xiàn)有的公共數(shù)據(jù)庫，促進數(shù)據(jù)共享［29-30］。另外，多組學數(shù)據(jù)結(jié)合起來具有更為強大的力量，如結(jié)合多組學如基因組學、蛋白組學可以更好的闡述疾病機制［31］，促進人們對復雜疾病的深入了解和更好表征，因此我們展望代謝組學與其他組學的整合在未來幾年將越來越多地應用于心血管疾病的研究，增加對心血管疾病機制和病理生理學知識的闡述，識別診斷和風險預測的生物標志物，促進個體化治療，改善預后。