冠状动脉疾病（coronary artery disease，CAD），也被称为冠心病，是冠状动脉管腔和血管壁内粥样硬化斑块进行性发展的病理改变引起的疾病，临床主要表现为心肌血液供应不足引起突然或逐渐导致局部心肌缺血和梗死。冠心病是全球范围内最常见的心脏疾病之一，也是导致人类死亡的主要原因。根据世界卫生组织的数据，全球每100人中就约有2个人患冠心病，每1万人中因冠心病死亡人数就约有15人，所致死亡人数占全球总死亡人数的16%。在我国冠心病发病也越来越年轻化，严重威胁人民生命健康。相关文献报道，CAD是慢性脂质代谢紊乱所致，现在认为与动脉粥样硬化、炎症、内皮细胞功能障碍、胶原蛋白合成缺陷、纤维斑变薄、斑块破裂和免疫细胞功能障碍密切相关。临床上观察到，部分冠心病患者伴有严重的心血管事件，包括心血管死亡、心肌梗死（MI）、中风和心力衰竭（HF），这部分的患者预后恢复和生活质量严重下降。因此，需要回答：1）这部分冠心病患者和一般冠心病患者是否具有不同的发病机理？2）是否有不同的Biomarker或者分子标志物可以指示预警疾病的发生风险？3）不同表型的患者是否具有独特的特征分子标志物？
针对以上科学和临床问题，2024年7月8日，山东大学齐鲁医院急诊科、山东省急危重症临床医学研究中心陈玉国/王甲莉教授与山东大学公共卫生学院张涛教授、中国科学院上海有机化学研究所朱正江研究员团队合作，在《Nature Communications》（IF=14.7）在线发表了题为“Plasma metabolomics reveals the shared and distinct metabolic disturbances associated with cardiovascular events in coronary artery disease”的研究论文，本研究揭示了伴有严重的心血管事件冠心病患者和一般冠心病患者共有的和不同的代谢紊乱生物标志物，提高对不同患者、人群的识别以及加深了对不同疾病表型的认识以及分子过程的理解。
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冠状动脉疾病（CAD）是全球范围内个体死亡的主要原因，不同冠心病患者常伴有不同心血管事件和并发症，包括心血管死亡、心肌梗死（MI）、中风和心力衰竭（HF）。伴有不同心血管事件和并发症的冠状动脉疾病患者表型存在极大的异质性，从疾病发生、进展、整体评估心血管事件的风险也存在很大难度。因此，区分不同表型患者共有和独特的代谢紊乱以及相关标识物具有重大意义和潜在的价值，可以帮助识别未来心血管事件的个性化风险实现对不同类型个体进行风险预警，加深对不同表型疾病的分子过程的理解。
相关文献报道，心肌肌钙蛋白T/I（cTn T/I）和N端前脑利钠肽（NT-proBNP），已被确定为不良心血管事件的预测因子。然而，这些生物标志物通常在心肌损伤或明显的心功能障碍后被检测到。早期检测血浆生物标志物和识别分子，特别是与心血管事件相关的分子，对于冠心病患者的预后评估和及时干预具有重要意义。虽然已经报道几种可以预测心血管事件风险的代谢物，但是这些研究低估了不同心血管预后中的特定生物标志物。因此，有必要识别与心血管事件相关的共同和独特的代谢谱。代谢组学是揭示与病理条件相关的代谢紊乱的一种很有前途的有效方法。与基因组学和蛋白质组学研究相比，代谢组学是与表型组相关的最接近的分子标志物。鉴于由CAD引发的个体心血管事件机制的显著异质性，在心血管事件的风险预测中，代谢组学背后的丰富信息尚未得到充分的考虑。全靶向代谢组学能够对代谢物进行全局检测和相对定量，从而能够全面了解疾病进展过程中的代谢变化，这为广泛发现循环代谢物生物标志物提供了一种很有前途的方法。![]()
图1 全靶向代谢组学研究流程图
共纳入666例冠心病患者进行全靶向代谢组学研究，包括333例有心血管事件的患者（病例组）和333例无心血管事件的患者（对照组）（图1）。这666名冠状动脉疾病（CAD）患者中，中位年龄为68.2岁（四分位距为61.7至74.8岁），其中有255名（38.3%）为女性，中位体重指数为24.8 kg/m²（四分位距为22.9至27.2 kg/m²），中位收缩压为134 mmHg（四分位距为122至150 mmHg），中位低密度脂蛋白胆固醇水平为2.2 mmol/L（四分位距为1.8至2.8 mmol/L）；19.7%的患者是当前吸烟者，44.4%的患者患有糖尿病。与无心血管事件的患者相比，有心血管事件的患者心率、白细胞计数、肌酐、胱抑素C、hs-cTnT和NT-proBNP水平较高，但估计肾小球滤过率（eGFR）和血红蛋白水平较低（表1）。表1和补充数据1-3显示了发现和验证集中的进一步基线患者特征，并按个体心血管事件（心血管死亡、心衰和心肌梗死/卒中）进行分层。
与对照组相比，心血管事件复合组患者的代谢谱明显不同（图2a）。代谢途径分析揭示了19个与心血管事件复合相关的异常代谢途径。包括酪氨酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、戊糖和葡萄糖醛酸盐的相互转化、赖氨酸降解和脂肪酸的生物合成。鉴定了82种代谢物作为预测心血管事件复合物风险的差异代谢物（图2b）。在调整了TIMI变量、NTproBNP和hs-cTnT后，共有23种差异代谢物与心血管事件的复合风险显著相关（图2c）。
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在这23种代谢物中，中、长链酰基肉碱的比例很大（13≤碳数≤25）。9种酰基肉碱在心血管事件患者中的水平明显高于对照组。与对照组相比，心血管事件复合反应患者的血浆酞酰胺和5-乙酰氨基-6-氨基-3-甲基尿嘧啶（AAMU）水平降低，而其余代谢物水平升高。此外，确定了共有的关键差异代谢物的预测总体心血管事件风险的组合，这可以作为潜在的生物标志物。关键代谢物组合由14种代谢物组成，其中12种上调代谢物，2种下调代谢物。
采用了相同的工作流程来选择与心血管事件复合物相关的差异代谢物，以识别与每个个体心血管事件相关的代谢生物标志物（图3a）。初步分析分别显示了94种与心血管死亡相关的代谢物，121种与心衰相关的代谢物，以及63种与心肌梗死/卒中相关的代谢物。为进一步研究这些代谢物的预测能力，确定了预测每种类型的心血管事件的特定关键差异代谢物的组合。
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与心血管死亡、HF和心肌梗死/卒中显著相关的代谢物包括25种肉碱、3种脂肪酸酰基、1种类固醇和类固醇衍生物，以及11种其他/未知类别的代谢物（图3b，c）。HF患者表现出一种以甘油磷脂代谢失调为特征的特定代谢改变，这与心血管死亡和心肌梗死/卒中患者不同（图3b）。这些发现表明，与心血管死亡和心肌梗死/卒中相比，心衰具有独特的风险特征，脂质代谢紊乱可能在心衰的病理生理过程中发挥关键作用。
为深入了解代谢物在心血管事件发展中的分子机制，分别基于心血管死亡、心衰和心肌梗死/卒中的关键差异代谢物的组合，构建了事件特异性代谢网络（图3d-f）。在与心血管死亡相关的代谢网络中，氧代十六碳二烯酰肉碱（Car(18:3-O)）和十四碳二烯酰肉碱（Car(14:2)）作为关键代谢物出现，显示出正相关性（r = 0.481）。对于心力衰竭（HF）的代谢网络，包括磷脂酰胆碱（PC）(8:0/8:0)、PC(10:0/10:0)、溶血磷脂酰胆碱（LPC）(O-16:0)和溶血磷脂酸(20:5)的甘油磷脂，，在代谢物复杂的相互作用中发挥了核心作用。此外，在HF网络中，PC(22:2)和LPC(20:4)表现出强烈的正相关性（r = 0.589）。在心肌梗死/中风（MI/stroke）特异性的代谢网络中，发现肉碱簇是最主要的组成部分，包括棕榈油酰肉碱（Car(16:1)）、十六碳三烯酰肉碱（Car(16:3)）和氧代辛酰肉碱（Car(8:1-O)）。
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通路分析显示，个体心血管事件主要共有氨基酸和脂类相关通路，包括半胱氨酸和蛋氨酸代谢、酪氨酸代谢、色氨酸代谢、苯丙氨酸代谢、脂肪酸生物合成和丙酸代谢（图3g，补充数据9-11）。心血管死亡和心衰有共同的异常代谢调节途径，包括赖氨酸降解、甘油磷脂代谢、类固醇激素生物合成、半乳糖代谢和谷胱甘肽代谢。心血管死亡和心肌梗死/中风（MI/stroke）的共同代谢途径包括柠檬酸循环（TCA循环）和甘氧酸及二羧酸代谢，而心力衰竭（HF）和MI/stroke只共有戊糖和葡萄糖醛酸互换的代谢途径。氨基酸代谢在心力衰竭（HF）中作为失调的代谢途径占主导地位。对于心血管死亡，特定的代谢途径主要富含淀粉和蔗糖代谢、烟酸盐和烟酰胺代谢。相比之下，心肌梗死/卒中的特定代谢途径是由鞘脂代谢和亚油酸代谢组成的。
下图显示了不同代谢物与心血管事件之间的关系。在调整了TIMI变量、NT-proBNP和hs-cTnT后，在发现集中和验证集中与复合心血管事件和个体心血管事件风险显著相关的差异代谢物在森林图中显示。N4-乙酰胞苷（OR: 1.55, 95% CI 1.15–2.12）、3-甲氧基-4-羟基苯基甘醇硫酸盐（OR: 1.57, 95% CI 1.06–2.47）和N-[3-(2-氧代吡咯烷-1-基)丙基]乙酰胺（OR: 1.40, 95% CI 1.08–1.83）与心血管事件复合体的风险关联在验证集中仍然显著。其中，N4-乙酰胞苷和3-甲氧基-4-羟基苯基甘醇硫酸盐与心血管死亡风险显著正相关，OR分别为1.57（95% CI 1.02–2.27）和1.85（95% CI 1.12–3.43）。值得注意的是，这两种差异代谢物与心力衰竭（HF）风险的关联更强，OR分别为2.19（95% CI 1.37–3.75）和2.62（95% CI 1.36–5.78）。此外，磷脂酰胆碱（PC）(8:0/8:0)、溶血磷脂酰胆碱（LPC）(18:3)、LPC(20:4)和芥酸与HF风险保持显著关联，OR分别为0.52（95% CI 0.27–0.93）、0.39（95% CI 0.17–0.77）、1.79（95% CI 1.09–3.07）和1.67（95% CI 1.08–2.70）。棕榈油酰肉碱（Car(16:1)）和N4-乙酰胞苷与心肌梗死/中风（MI/stroke）风险显著相关，OR分别为1.42（95% CI 1.01–2.02）和1.50（95% CI 1.07–2.16）。
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图5 差异代谢物与心血管事件之间的相关性关系
1、本研究通过对666例不同心血管事件的冠心病患者进行全靶向代谢组学研究，不同心血管事件复合组患者的代谢谱明显不同，并确定由14种代谢物组合预测总体心血管事件风险，这可以作为潜在的生物标志物。2、本研究基于心血管死亡、心衰和心肌梗死/卒中的关键差异代谢物的组合，构建了不同事件特异性代谢网络、不同心血管事件共有和特有的代谢网络和生物学通路。3、本研究主要使用全靶代谢作为筛查和试验方法手段，后续需要结合多中心队列进行靶向代谢物大样本绝对定量的验证进一步增加研究的可信度、重复性、临床转化应用的潜力。总之，本研究结果发现区分不同表型患者共有和独特的代谢紊乱以及相关标识物具有重大意义和潜在的价值，可以帮助识别未来心血管事件的个性化风险，实现对不同类型个体进行风险预警，更加深对不同表型疾病的分子过程的理解。Driving innovation for better life！
