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代谢组学在重伤诊治中的研究进展

2024-04-01 26 上传者：管理员

摘要：代谢组学是危重病和创伤研究的一个新兴领域，是近年来广泛用于疾病代谢紊乱的基因解析、分子标志物筛选和诊断等方面的一种重要研究方法。本篇综述总结和概括了国内外近年来创伤性脑损伤、外伤失血性休克以及严重烧伤等重伤诊治的代谢组学最新研究进展，阐述了利用代谢组学技术实时监测重伤患者伤后不同阶段的代谢变化，发现重症临床诊治不同的新靶点和生物标志物，优化临床实践中的诊治策略；展望了对烧冲复合伤的当前代谢组学研究问题和挑战，以及多组学技术和人工智能算法的同步发展，推动精准医学的发展。

关键词：
代谢产物
代谢组学
创伤
烧伤
烧冲复合伤
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代谢组学定性和定量分析细胞特定时期的所有低分子量代谢产物(包括小分子底物、中间产物及终产物),是系统生物学的重要组成部分，广泛应用于疾病诊断、医药研发及环境科学等领域。代谢组学可以表征疾病的代谢紊乱、发现新治疗靶点、筛选诊断疾病或监测治疗活动的生物标志物，在临床研究中主要用于临床诊断、病因与病理机制研究、临床用药指导及临床前动物模型筛选，从而在多个层面实现精准医疗。

早期代谢组学研究多采用核磁共振技术(nuclear magnetic resonance, NMR)[1]。NMR重复性好但灵敏度低于质谱技术。NMR可检测浓度为1～2μmol/L,体积为0.5 mL的代谢物，但早期代谢物变化多发生在nmol/L甚至pmol/L水平，NMR无法分析。液相色谱-质谱联用技术(liquid chromatograph mass spectrometer, LC-MS)比NMR优点更多，如高灵敏度、高分辨率及检测和量化代谢物的能力更广泛。因此，LC-MS目前是代谢组学研究的首选分析技术[2]。

本文将就代谢组学近年来在严重创伤和烧伤中的应用及研究进展予以简述，以期为其临床诊治与寻找生物标志物及药物靶点提供线索，提高救治效率，并展望了烧冲复合伤代谢组学的问题和挑战。

1、创伤代谢组学研究进展

全球每年有约580万人因重度创伤致死，约占总死亡率10%。绝大多数患者早期能存活，而后期常死于创伤并发症，如多器官衰竭、急性呼吸窘迫综合征、医院感染及脓毒症等。尽管创伤相关的蛋白质标志物研究取得了一定进展，当前创伤类疾病的诊断和预后仍存在问题，临床缺乏可靠生物标志物。而利用代谢组学等组学技术，可为创伤性疾病提供新的诊断生物标志物。目前应用代谢组学技术进行创伤性脑损伤(traumatic brain injury, TBI)、严重外伤/休克以及烧伤的研究越来越多，彰显出代谢组学在创伤研究中的巨大潜力。

1.1创伤性脑损伤的代谢组学研究进展

TBI破坏生理内稳态，可导致代谢组学表现出“代谢危机”,出现复杂的代谢紊乱。危重患者可能有近2 500个代谢物受影响。分析尿液、脑脊液、血液等体液的代谢组，可了解TBI患者损伤的病理生理学机制。应用1H-NMR定量波谱代谢组学分析轻重度TBI患者的尿液样本，发现L-甲硫氨酸和胸腺嘧啶等代谢物与损伤严重程度呈负相关，而嘌呤代谢是TBI影响的主要通路[3]。以尿液代谢物作为生物标志物，有助于客观、快速地识别TBI的严重程度和预后判断。此外，颅内监测和脑室外引流通常是临床护理的必要条件，脑脊液也可作为TBI患者代谢组数据的来源[4]。Thomas等对716例TBI和非TBI对照患者血清进行了全面的代谢组学研究，发现胆碱磷脂(溶血磷脂酰胆碱、醚磷脂酰胆碱和鞘磷脂)与TBI严重程度呈负相关，是TBI患者预后关键的潜在生物标志物[5]。

严重TBI如低血压、缺氧和颅内压升高等疾病，临床治疗重点是纠正生理紊乱[6]。TBI生化指标乳酸/丙酮酸比值(lactate/pyruvate ratio, LPR)升高，反映了能量代谢受损。LPR升高与TBI术后不良结局及死亡率相关。外源13C标记的琥珀酸经三羧酸循环在细胞内代谢，利用NMR技术测量13C标记的代谢物，发现局部琥珀酸盐给药改善了能量代谢，降低了LPR比值，证明琥珀酸盐是TBI潜在的治疗药物[7]。

因此，代谢组学有望补充其他“组学”分析，解决TBI引起的复杂病理生物学问题。如果未来有更大规模的临床研究，将代谢组学测定的血浆生物标志物用于TBI筛查和损伤后监测，可进一步鉴定临床预后相关代谢标志物的价值。

1.2严重外伤/休克的代谢组学研究进展

创伤是战斗中最常见的伤害，严重创伤的士兵可能会死于外伤性失血性休克(trauma hemorrhagic shock, THS)引起的并发症。失血过多导致器官氧气不足引发THS,进而引发大规模的代谢紊乱和强烈的炎性反应，导致器官衰竭甚至死亡。利用猪创伤THS模型通过NMR和LC-MS联合互补的代谢组学方法，发现与急性期反应、炎性反应、能量消耗、氧化应激和肾功能障碍相关的几种代谢物(如脂类、嘌呤、葡萄糖醛酸代谢物等),在休克30 min后发生了显著变化，导致严重的代谢紊乱[8]。应用基于质谱的代谢组学技术，检测严重外伤和失血性休克(hemorrhagic shock, HS)引发的血浆代谢异常，发现其代谢紊乱对临床结局具有潜在影响，血浆乳酸和琥珀酸的水平是重伤患者死亡率的预测指标[9,10]。

乳酸水平升高与创伤死亡率增加有关，然而通过强阴离子间隙定量的未测定酸性代谢物可能具有更大的预测价值。进行性失血性休克导致组织供氧不足，使细胞代谢从有氧代谢转变为无氧代谢，并产生乳酸血症[11]。缺氧导致电子传递链解偶联，出血性低氧血症会促进柠檬酸代谢物(如琥珀酸盐)循环水平增加。基于定量质谱的代谢组学分析重伤患者血浆样本，发现休克后代谢紊乱琥珀酸水平可能是比乳酸更敏感的生物标志物，更能预测重伤患者的死亡率[12]。丙二酸二甲酯可减缓HS猪模型琥珀酸盐和乳酸的积聚，有助于保持复苏期间心脏充盈压力和功能，从而在猪复苏后更好地恢复其生理功能[13]。因此，丙二酸二甲酯具有治疗HS的潜力。

对有感染性休克的重症监护室(intensive care unit, ICU)患者和无感染性休克的ICU患者对照的血清样本，进行靶向代谢组与炎性因子谱分析，发现在感染性休克ICU患者中，8种代谢物浓度升高：其中异丁酸盐、肌醇、脯氨酸和尿素浓度增加，提示肝衰竭和肾损伤；3-羟基丁酸、O-乙酰肉碱、2-羟基丁酸增加，与炎性反应增加引起的能量需求，以及疾病状况相关的代谢需求相关；苯丙氨酸升高是蛋白质分解加快的结果，通常由感染和炎性状态引起[14]。这些代谢物可用于ICU感染性休克的诊断和预后，且优于传统使用的ICU临床评分系统，预测能力出色。

1.3烧伤的代谢组学研究进展

烧伤仍然是世界范围内的重大公共卫生问题。代谢紊乱是烧伤的主要并发症，对严重烧伤患者的临床结局产生负面影响。这些代谢异常包括肌肉萎缩、代谢亢进、高血糖、高乳酸血症、胰岛素抵抗和线粒体功能障碍[15]。严重烧伤会引起全身代谢和炎性紊乱，最终导致能量消耗，脂肪和葡萄糖分解代谢增加[16]。当前，代谢组学研究是全面系统了解烧伤后患者的代谢变化规律和寻找临床诊断重要代谢标志物的有效手段。

研究报道应用代谢组学鉴定烧伤患者血浆、血清中升高的细胞因子、细胞内分泌蛋白以及脂肪酸代谢物，可能具有预后价值[17]。40%全身表面积烧伤外加松树皮烟雾吸入的猪重度烧伤模型，应用NMR技术分析其动脉血血清。在所检测的38种水溶性代谢物中，80%以上其浓度随时间显著变化。由于脂肪酸分解代谢与氧化应激等代谢途径随时间推移而增加，最终导致四种有机羧酸盐(2-羟丁酸、3-羟丁酸、乙酰乙酸和异戊酸)的累积[17]。研究虽然没有观察到与死亡率相关的差异代谢变化，但是这四种有机羧酸盐可作为烧伤复苏或恢复的生物标志物。

此外，基于1H-NMR代谢组学分析，ATP通过诱导小鼠低温状态，可逆转烧伤皮肤代谢谱的变化，改善烧伤深度的进展，并减少胶原蛋白的降解，同时减轻了烧伤诱导的过度炎性反应和氧化应激，从而缓解了损伤和炎症性疼痛[18]。因此ATP诱导的低温可以减轻烧伤，并为热烧伤后的急救治疗提供新的思路。通过毛细管电泳-质谱(capillary electrophoresis-mass spectrometry, CE-MS)代谢组学分析发现，小鼠受烧伤影响最大的代谢通路是嘌呤、谷胱甘肽、β-丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸等代谢通路，烧伤可能导致小鼠骨骼肌谷氨酰胺分解和还原羧化增加。法尼基转移酶抑制剂既能逆转烧伤引起的胰岛素抵抗和线粒体功能障碍，也可逆转氧化/还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+/NADH)比率以及氧化应激和ATP耗竭[15]。因此，代谢组学数据分析表明，烧伤可诱导代谢组成分和代谢途径的全局变化，多种代谢途径中某些关键代谢物的丰度剧烈改变。

脓毒症也是严重烧伤患者死亡的重要原因，绿脓杆菌是导致脓毒症的主要因素，而降钙素原(procalcitonin, PCT)是脓毒症早期诊断的生物标志物[19]。利用气相色谱-飞行时间质谱法(GC-TOF-MS)分析热损伤和感染绿脓杆菌小鼠血清的代谢组学，发现五种代谢物(反式-4-羟基脯氨酸、5-氧化脯氨酸、甘油-3-半乳糖苷、吲哚-3-乙酸酯和吲哚-3-丙酸酯)的组合，可作为烧伤患者早期诊断绿脓杆菌引起脓毒症的生物标志物[20]。因此，PCT和以上五种代谢物组合，可作为严重烧伤患者感染脓毒症及预后的特定生物标志物，为早期临床诊断提供新的研究工具和思路。

2、严重复合伤的代谢组学研究进展

复合伤是两种或两种以上不同致伤因素同时或相继作用导致的机体损伤，主要分为烧冲复合伤、放射复合伤以及化学复合伤等。致伤因素包括热能(火烧伤、沸水)、放射线、机械力(爆炸冲击波、高强度挤压)、激光及化学物中毒等。复合伤的病情严重且复杂、疾病进展快。与其他单一损伤相比，复合伤大大增加了并发症和死亡风险。目前复合伤大部分研究集中在其病理机制和临床治疗等方面，而代谢组学在复合伤病人和动物模型中的相关研究较少。

烧冲复合伤是和平、战时及恐怖袭击事件中常见致命性损伤之一，由热力及冲击波两种致伤因素共同导致。现代战争大批量高爆炸性武器的使用及恐怖爆炸事件等，势必导致大量严重的烧冲复合伤。烧冲复合伤除皮肤烧伤外，肺脏是主要受累器官，具有致伤因素多、容易发生漏诊或误诊、伤情重、处理矛盾多、死亡率高等特点，救治困难。研究报道瓦斯爆炸导致大鼠多脏器系统损伤，应用LC-MS代谢组学方法分析瓦斯爆炸致大鼠复合伤的血清代谢组，发现组间代谢谱差异明显，并鉴定出乌头酸、柠檬酸、烟酰胺、丙酮酸等18个差异代谢物，其机制可能与丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成、烟酸和烟酰胺代谢等12条代谢通路有关[21]。通过基于LC-MS的大鼠血清代谢组学分析急性爆炸性肺损伤(acute blast lung injury explosive, ABLI),发现9种代谢物显著变化，2-氨基己二酸、L-甲硫氨酸、L-丙氨酸、L-赖氨酸、L-苏氨酸、胆酸和L-组氨酸在暴露组中显著增加，柠檬酸和乌头酸在暴露后显著降低，确定了肺循环生物标志物的变化，为爆炸引起的ABLI提供了新的潜在治疗机制[22]。肺损伤的致病机制及临床治疗干预措施的研究是治疗烧冲复合伤的关键，研究发现蛋白酶抑制剂乌司他丁对重度烧冲复合伤造成的大鼠急性肺损伤有治疗作用，对烧冲复合伤造成的凝血、纤溶功能紊乱有很好的调节作用，同时能减轻大鼠烧冲复合伤早期肺组织水肿和病理损害，其机制可能与乌司他丁能增加肺组织保护性蛋白的表达、提高大鼠对损伤的耐受力有关[23]。

烧冲复合伤的早期研究重点是其病理生理变化。如应用大鼠烧冲复合伤模型研究心肌损伤相变化，利用分子生物学和细胞组化等方法检测心肌损伤以及钙蛋白酶的变化[24],发现烧冲复合伤后大鼠出现心肌损伤，钙蛋白酶表达升高、活性增强。但是烧冲复合伤的损害程度远远大于单纯冲击伤或烧伤，会引发相较于单纯冲击伤或烧伤更为复杂多变的生化应答，导致代谢组剧烈改变。重伤代谢组学的诸多研究成果表明，应用即时的代谢组学分析，可以密切监测患者伤后不同阶段的生化状态变化，筛选用于临床决策的生化标志物，并可能快速找出救治的新靶点。鉴于代谢组学技术可以全面、快速的反映机体代谢变化规律，故在病情复杂且进展迅速的严重复合伤领域具有非常广阔的研究前景。

3、问题与展望

重伤患者的病情复杂，代谢状态高度紊乱，单一代谢物或生化分子标志物无法实时反映出病情的复杂变化，而应用代谢组学分析技术可全面、快速实时反映机体的代谢变化，有助于改善临床诊治策略。如何找到危重病和创伤的早期发展趋势，以及对诊断、预后和治疗可靠的临床分子标志物；根据以往研究的代谢物和信号途径，如何利用复杂的代谢组学信息，从指数级增长的数据中提取有价值的信息是非常棘手的挑战。未来需要研究有效算法来降低数据维度，同时剖析疾病复杂生物过程背后的奥秘。而随着可用数据变得越来越多，如何集成和综合这些数据必然成为挑战。运用超级计算机的强大算力和人工智能、大数据技术，可以更好的利用代谢组学等不同组学技术监测危重患者伤后不同阶段的生化状态，分析代谢物与机体生理/病理变化关系，从中梳理分析出有意义的临床相关数据，发现重症临床诊治的新靶点和分子标志物。

近几年，人工智能领域已经从理论研究转向现实应用。临床医学的人工智能辅助工具可以改善管理决策，多组学技术和人工智能算法的同步发展，推动了精准医学的发展。人工智能可以利用各种来源的信息内容，为我们对疾病的理解开辟新的视野，并为准确诊断和制定更精确的治疗策略提供机会。有研究[25]表明，机器学习算法可以通过分析组学数据实现个性化治疗。尽管存在许多挑战，但仍有大量研究在解决这些问题，并促进基于人工智能的多组学分析的临床转化。预计以人工智能为基础的多组学技术将推动精准医学模式的转变。到目前为止，对于给定的特定数据集，选择要使用的最优算法并没有黄金标准。事实上，数据集结构微小的变化可能导致所选算法和函数显著的不同结果，为了更好地了解算法如何与数据集的特征相互作用，应进一步的深入研究。随着临床实践中越来越多地产生新的多组学数据，人工智能技术将提供更有意义的信息来指导临床决策，最终推动精准医学的发展。

参考文献:

[16]彭曦.重症烧伤患者的代谢分期及营养治疗策略[J].中华烧伤杂志,2021,37:805-810.

[21]董新文,姚三巧,吴卫东,等.瓦斯爆炸致大鼠复合伤的血清代谢组学变化研究[J].中华劳动卫生职业病杂志,2021,11:808-814.

[24]谢锋,柴家科,胡泉,等.烧冲复合伤大鼠心肌损伤及钙蛋白酶的变化规律[J].中华医学杂志,2017,97:3652-3657.

文章来源:魏斌,段红杰,柴家科.代谢组学在重伤诊治中的研究进展[J].基础医学与临床,2024,44(04):562-567.