心律失常代謝組學(xué)的研究進(jìn)展
——生物標(biāo)志物與代謝重構(gòu)的探索

王咪咪，黃安良，尹沛源

作者單位： 116011 遼寧省大連，大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院（王咪咪、黃安良、尹沛源）；大連醫(yī)科大學(xué)（尹沛源）

1 心律失常的診治進(jìn)展

心律失常已成為世界性的重大公共衛(wèi)生問(wèn)題之一，心律失常患者人數(shù)逐年遞增，惡性心律失常的發(fā)生率也持續(xù)增高，疾病負(fù)擔(dān)越來(lái)越重。美國(guó)因惡性心律失常導(dǎo)致死亡的心血管疾病患者每年約達(dá)40萬(wàn)人，而我國(guó)因心臟性猝死的患者每年高達(dá)60萬(wàn)人，其中因心律失常導(dǎo)致的心源性猝死占比近90%，包括惡性心律失常、室性心動(dòng)過(guò)速及心室顫動(dòng)[1]。目前對(duì)心律失?；颊叱２捎盟幬?、電復(fù)律、導(dǎo)管消融術(shù)及植入心臟除顫器等治療手段，雖然已取得一定的治療效果，但仍不理想。因此，如何突破心律失常的診治成為我國(guó)乃至全球迫切需要攻克的一大難題。

普遍認(rèn)為心律失常的發(fā)生與心肌電傳導(dǎo)異常及心房結(jié)構(gòu)異常相關(guān)。目前臨床主要通過(guò)十二通道導(dǎo)聯(lián)心電圖、24 h 動(dòng)態(tài)心電圖以及結(jié)合患者病史和體征來(lái)進(jìn)行診斷，但尚無(wú)相關(guān)化驗(yàn)指標(biāo)可以預(yù)測(cè)心律失常，而心律失常持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，心臟結(jié)構(gòu)和功能的改變也會(huì)越嚴(yán)重。因此進(jìn)一步明確心律失常的發(fā)病機(jī)制和相關(guān)生物標(biāo)志物檢測(cè)尤為重要。

2 代謝組學(xué)

1999 年，英國(guó)Nicholson 教授的研究團(tuán)隊(duì)首次提出“代謝組學(xué)”這一概念[2]。近年來(lái)，代謝組學(xué)的地位日漸突出，已廣泛應(yīng)用于功能基因組學(xué)、疾病早期診斷、病因病機(jī)研究等生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域并取得了大量顯著成果，逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中，代謝組學(xué)主要運(yùn)用于腫瘤方面，在心血管疾病研究中也被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)階段，核磁共振技術(shù)（NMR）、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（LC-MS）及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）是代謝組學(xué)的主要分析技術(shù)，其研究方法分為靶向與非靶向代謝譜分析。在代謝組學(xué)發(fā)展初期NMR 發(fā)揮了關(guān)鍵作用，但是現(xiàn)在色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究更為廣泛。

代謝組學(xué)被廣泛用于研究心血管疾病的代謝譜和篩選生物標(biāo)志物，Lu等[3]通過(guò)招募363 例患者，采用GC-MS和液相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（LC-QTOFMS）測(cè)定血清代謝組學(xué)譜，發(fā)現(xiàn)血清代謝組學(xué)是識(shí)別代謝紊亂的有效方法之一，小分子代謝物的差異能夠作為心房顫動(dòng)（簡(jiǎn)稱(chēng)房顫）發(fā)病和進(jìn)展以及鑒別診斷的生物標(biāo)志物。新興的代謝組學(xué)技術(shù)使研究人員對(duì)心血管疾病中發(fā)生的病理生理分子，細(xì)胞和功能改變有了更廣泛的了解[4]。因此，代謝組學(xué)的應(yīng)用可以進(jìn)一步了解心律失常的發(fā)病機(jī)制和病理生理學(xué)，以改善心律失?；颊叩闹委煬F(xiàn)狀。

3 心律失常與代謝重構(gòu)

心臟是高耗能、高耗氧的器官，也是體內(nèi)代謝要求最高的器官，心肌能量代謝的改變與心律失常的發(fā)生密切相關(guān)。在靜息狀態(tài)下，心臟組織的能量供應(yīng)主要來(lái)源于脂肪酸 氧化，約占總能量來(lái)源的70%，除此以外的大部分能量來(lái)源于葡萄糖代謝。心臟具有“代謝靈活性”，可以通過(guò)不同的速率切換不同的能量底物來(lái)維持心肌的正常收縮。

線粒體是產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP）的主要場(chǎng)所，通過(guò)能量代謝合成充足的ATP 以支持正常的心臟收縮與電信號(hào)的傳導(dǎo)。線粒體功能障礙可直接影響心肌能量底物代謝，造成ATP 合成減少，心臟能量供應(yīng)不足，電信號(hào)傳導(dǎo)異常，進(jìn)而誘發(fā)心律失常等心血管疾病的發(fā)生。早在2004 年就有學(xué)者明確了心臟能量代謝重構(gòu)的潛在機(jī)制，能量和代謝底物發(fā)生了一系列改變，如高能磷酸化合物異常變化、線粒體代謝異常、糖酵解增強(qiáng)、脂肪酸（FA）攝取受損以及心肌能量底物代謝從FA向葡萄糖轉(zhuǎn)化，對(duì)葡萄糖作為底物的依賴性增強(qiáng)等[5]。最近有關(guān)房顫代謝組學(xué)的研究表明，房顫患者相關(guān)代謝途徑發(fā)生的變化，可能在其病理生理機(jī)制中起到關(guān)鍵作用，且房顫的代謝重塑先于電生理、收縮和結(jié)構(gòu)重塑[6]。

3.1 葡萄糖代謝 當(dāng)心臟功能正常時(shí)，葡萄糖主要由葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體（GLUT-1/4）介導(dǎo)進(jìn)入心肌細(xì)胞，隨后在細(xì)胞質(zhì)中通過(guò)糖酵解途徑（EMP）生成丙酮酸以及少量ATP。丙酮酸作為EMP 的終產(chǎn)物，最終有兩條去向，其一在線粒體功能障礙或氧氣供應(yīng)不足的情況下還原為乳酸；其二是在氧氣供應(yīng)充足的條件下，分別通過(guò)電壓依賴性陰離子通道和線粒體丙酮酸載體（MPC）穿過(guò)線粒體外膜及內(nèi)膜，進(jìn)入線粒體進(jìn)一步氧化分解，生成乙酰輔酶A，隨后進(jìn)入三羧酸（TCA）循環(huán)。

糖酵解是葡萄糖代謝的第一步，也是心臟能量供應(yīng)至關(guān)重要的一種方式。Warburg 效應(yīng)是一種從線粒體氧化磷酸化到有氧糖酵解的能量轉(zhuǎn)移，在心血管疾病中發(fā)揮重要作用，并支持心臟結(jié)構(gòu)重塑[7]。Warburg在房顫期間主要表現(xiàn)為糖酵解酶上調(diào)，心房乳酸生成顯著增加，丙酮酸脫氫酶（PDH）復(fù)合物下調(diào)[8]。有研究建立非持續(xù)性心房起搏羊模型，模擬房顫從陣發(fā)性到持續(xù)性的發(fā)展過(guò)程，通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)房顫綿羊心房?jī)?nèi)EMP 的中間代謝物水平較高，如丙酮酸、2-磷酸甘油酸等，這提示在房顫的代謝重構(gòu)過(guò)程中，糖、脂代謝通過(guò)上調(diào)和下調(diào)來(lái)維持TCA 循環(huán)的穩(wěn)態(tài)[9]。

腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）作為細(xì)胞能量感受器，當(dāng)接收到信號(hào)一磷酸腺苷（AMP）/ATP 和ADP/ATP比值增加時(shí)，即在能量狀態(tài)下降時(shí)被激活。AMPK 激活可維持ATP 生成與消耗間的平衡，從而恢復(fù)能量穩(wěn)態(tài)。Lenski 等[10]提出心律失?？蓪?dǎo)致脂質(zhì)積聚和葡萄糖攝取減少，房顫時(shí)AMP 激活的AMPK 和鈣調(diào)蛋白依賴蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）致使GLUT-4 的表達(dá)上調(diào)。但脂質(zhì)積累降低了膜轉(zhuǎn)移配體突觸體相關(guān)蛋白23（SNAP-23）的表達(dá)，SNAP-23是GLUT-4 細(xì)胞質(zhì)膜易位所必需的，GLUT-4 的表達(dá)降低，因此葡萄糖攝取減少。AMPK 已被證實(shí)具有抗Warburg效應(yīng)，對(duì)心律失常的發(fā)生具有保護(hù)作用[8]。心肌中AMPK 活性比較強(qiáng)，AMPK 激活促進(jìn)葡萄糖的攝取和糖酵解，也可調(diào)節(jié)下游FAT/CD36 表達(dá)，從而影響心肌脂代謝[11]。

3.2 FA 代謝 當(dāng)心臟功能正常時(shí)，F(xiàn)A 通過(guò)細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（FAT/CD36）進(jìn)入心肌細(xì)胞，經(jīng)肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1（CPT-1）進(jìn)入線粒體進(jìn)行氧化供能。

房顫發(fā)生時(shí)，伴隨著FA氧化減少而增加對(duì)葡萄糖的利用，此為房顫心臟重構(gòu)的重要特征之一。房顫初期，患者心功能尚可，雖然FA氧化減少，但心臟仍可保證充分的ATP，代謝底物仍需利用FA 氧化。FA完全氧化的供能效率比葡萄糖氧化更高，但也會(huì)消耗更多的氧氣[8]，而且為適應(yīng)房顫發(fā)生時(shí)心肌細(xì)胞耗能增加和相對(duì)缺氧的狀態(tài)，房顫早期FA氧化可能減少。有研究指出致心律失常中間代謝物（如長(zhǎng)鏈?；鈮A）的積累可能是導(dǎo)致心律失常的原因，并提示對(duì)于室性心動(dòng)過(guò)速的嬰兒發(fā)生不明原因的猝死，應(yīng)考慮先天性FA 氧化缺陷[12]。

心律失常發(fā)生時(shí)，F(xiàn)A氧化的增加并不總是伴隨著FA攝取增加[10]，這表明分子機(jī)制有助于心房脂質(zhì)積累。不規(guī)則起搏乳鼠心肌細(xì)胞使得細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度不斷增加，CaMKⅡ和AMPK表達(dá)也隨之增加，經(jīng)過(guò)磷酸化激活后調(diào)節(jié)下游脂代謝通路，促使心肌細(xì)胞膜表面FAT/CD36 表達(dá)增加，使FA 攝取增加，細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)沉積[13]。過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR ）與過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體共激活因子1（PGC-1 ）共同作用于細(xì)胞核，二者在心肌細(xì)胞中高表達(dá)，作為核心調(diào)節(jié)因子在心臟代謝重構(gòu)中發(fā)揮重要作用。PPAR 針對(duì)房顫患者FA 氧化減少而葡萄糖利用增強(qiáng)的特征，對(duì)其關(guān)鍵酶進(jìn)行調(diào)控，從而負(fù)向調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞中葡萄糖的利用，正向調(diào)節(jié)FA的氧化，促進(jìn)心肌能量代謝保持一定程度的均衡。Liu等[14]給房顫犬應(yīng)用AMPK 激動(dòng)劑，發(fā)現(xiàn)AMPK 激動(dòng)劑可上調(diào)PGC-1 表達(dá)，激活PPAR /PGC-1 途徑，促使FAT/CD36 和CPT-1 表達(dá)上調(diào)，心房脂質(zhì)積累減少，增強(qiáng)細(xì)胞的FA代謝，逆轉(zhuǎn)慢性房顫中的Warburg效應(yīng)，衰減心房電和結(jié)構(gòu)重塑。

當(dāng)游離FA 過(guò)量堆積甚至超過(guò)心肌細(xì)胞中FA的氧化負(fù)荷時(shí)，可直接損傷心血管功能，導(dǎo)致心臟重構(gòu)、心肌功能障礙和心律失常發(fā)生[15]。Reiner 等[16]通過(guò)氣相色譜法測(cè)定了1 657 例房顫患者的4 種-3多不飽和FA，研究發(fā)現(xiàn)二十碳五烯酸（EPA）與缺血性腦梗死的患病率呈負(fù)相關(guān)。有學(xué)者使用超高效液相色譜/四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（Q-TOF MS）進(jìn)行整體脂質(zhì)分析以鑒定AF患者血漿中改變的脂質(zhì)代謝物，發(fā)現(xiàn)飽和FA（SFA）水平升高，而房顫患者血漿中的多不飽和FA（PUFA）水平降低，這些變化可能與炎癥增強(qiáng)和心律失常疾病有關(guān)，支持游離FA水平與房顫發(fā)展和進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)[17]。

4 心律失常相關(guān)生物標(biāo)志物

4.1 心臟生物標(biāo)志物

4.1.1 腦鈉肽（BNP） BNP對(duì)心力衰竭的診斷具有更為突出的特異性和敏感性，而且對(duì)于心律失?；颊叩念A(yù)測(cè)、診斷、預(yù)后等方面作用顯著[18]。Ohta 等[19]發(fā)現(xiàn)單純房顫即可致使BNP 水平升高，伴器質(zhì)性心臟病時(shí)升高幅度更加明顯，該現(xiàn)象可能與心房顫動(dòng)時(shí)心房出現(xiàn)擴(kuò)張和牽拉以及容量負(fù)荷過(guò)重有關(guān)。Takase 等[20]首次明確了BNP 可作為無(wú)房顫病史人群中新發(fā)房顫的獨(dú)立預(yù)測(cè)指標(biāo)。Maruyama 等[21]通過(guò)對(duì)非瓣膜性心房顫動(dòng)卒中患者的回顧性研究發(fā)現(xiàn)，血漿BNP 水平與卒中發(fā)作后3 個(gè)月的功能結(jié)局獨(dú)立相關(guān)，其可以作為預(yù)測(cè)非瓣膜性房顫患者在急性缺血性卒中后長(zhǎng)期功能結(jié)局的最主要指標(biāo)。

4.1.2 N 端腦利鈉肽前體（NT-proBNP） NT-pro-BNP 或BNP 基線值升高與快速性室性心律失常風(fēng)險(xiǎn)獨(dú)立相關(guān)，可作為植入型心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器（ICD）患者室性心律失常發(fā)作的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。Emma 等對(duì)兩項(xiàng)大型社區(qū)隊(duì)列的參與者分別進(jìn)行了為期10 年和13 年的隨訪，明確NT-proBNP 是心房顫動(dòng)的最強(qiáng)預(yù)測(cè)指標(biāo)[22]。Sanna 等[23]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NT-proBNP ＞1 707 pg/ml 時(shí)，特異性92%，敏感性約為35%，可作為對(duì)6 個(gè)月后房顫復(fù)預(yù)測(cè)的重要指征。

4.1.3 肌鈣蛋白（TnT） TnT 與肌鈣蛋白I（TnI）最初被認(rèn)為是心肌損傷及心肌梗死的重要敏感指標(biāo)，隨著對(duì)于心律失常方面的研究不斷深入，有研究指出TnT水平升高與心房顫動(dòng)疾病發(fā)生率和預(yù)后相關(guān)性明顯[24]。然而，目前關(guān)于房顫患者TnT 升高機(jī)制的闡述尚未明確，可能是由于心室率升高導(dǎo)致心肌缺血、缺氧、容量和壓力超載、微血管血流的改變、心房鈣超載、氧化應(yīng)激或者組織結(jié)構(gòu)的改變[25]。因此，TnT能否作為心律失常疾病發(fā)生的生物標(biāo)志物仍需進(jìn)一步探討和大量臨床研究證實(shí)。

4.2 纖維化相關(guān)生物標(biāo)志物

4.2.1 半乳糖凝集素-3（Gal-3） Gal-3 作為炎癥和氧化應(yīng)激的敏感標(biāo)志物，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。當(dāng)心肌受損時(shí)，Gal-3 濃度會(huì)迅速增加導(dǎo)致心肌纖維化（MF），直接誘導(dǎo)心肌重塑，且Gal-3 水平相對(duì)穩(wěn)定，受治療的影響較少。Ho 等[26]通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)者的多年隨訪研究表明，發(fā)生房顫的風(fēng)險(xiǎn)隨外周血Gal-3 的濃度增大而增大。由于Gal-3 可以被特異性抑制，因此可以預(yù)見(jiàn)它將成為心律失常的潛在未來(lái)治療靶點(diǎn)，但這種假設(shè)目前沒(méi)有任何臨床證據(jù)。

4.2.2 生長(zhǎng)分化因子-15（GDF-15） GDF-15 屬于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子- 超家族的重要成員之一，是心血管系統(tǒng)的保護(hù)因子之一，可以保護(hù)心肌免受肥大和纖維化，對(duì)粥樣斑塊具有一定的促凋亡作用。正常狀態(tài)時(shí)，GDF-15 在心肌細(xì)胞中表達(dá)很低甚至不表達(dá)，但當(dāng)GDF-15 收到心臟負(fù)荷過(guò)大或缺氧等信號(hào)時(shí)，隨即出現(xiàn)“應(yīng)激表達(dá)”，迅速在心肌細(xì)胞中大量表達(dá)[27]。Brown 等[28]指出GDF-15 的血漿水平和女性的冠狀動(dòng)脈粥樣硬化之間存在關(guān)聯(lián)。GDF-15 的優(yōu)勢(shì)主要在于抗凝房顫患者大出血的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[29]。

4.2.3 其他 MF不僅是心臟結(jié)構(gòu)重構(gòu)的重要表現(xiàn)，而且也是心功能及惡性心血管事件的重要病理基礎(chǔ)。向麗等[30]通過(guò)對(duì)百余例心律失?；颊叩腗F 標(biāo)志物水平的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在患有四類(lèi)心律失常的患者中，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（TGF）- 1、透明質(zhì)酸（HA）、層粘連蛋白（LN）、Ⅲ型前膠原N 端肽（PⅢNP）水平對(duì)于不同疾病類(lèi)型存在明顯的差異性分布，對(duì)疾病分類(lèi)和相關(guān)診斷具有一定的臨床意義。篩選特異性生物標(biāo)志物，從而改善患者預(yù)后是當(dāng)前急需解決的臨床問(wèn)題。

4.3 炎癥生物標(biāo)志物 炎癥因子是心律失常中的重要角色之一，參與調(diào)節(jié)心房結(jié)構(gòu)和電生理重塑。白細(xì)胞介素-6（IL-6）和C 反應(yīng)蛋白（CRP）是普遍公認(rèn)的炎癥標(biāo)志物，高CRP和/或白細(xì)胞介素-6 水平的房顫患者，在電復(fù)律或射頻消融后復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)增加。有研究指出hs-CRP 可作為心房顫動(dòng)患者死亡指標(biāo)的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子[31]。

熱休克蛋白（HSP）屬于炎癥標(biāo)記物，有研究發(fā)現(xiàn)HSP70 和抗HSP70 抗體可能與永久房顫或術(shù)后房顫復(fù)發(fā)有關(guān)[32]?？扇苄陨L(zhǎng)刺激表達(dá)基因2 蛋白（sST2）結(jié)構(gòu)與IL-1 相似，是目前公認(rèn)的炎癥和纖維化因子，可抑制炎癥、MF、肥大和厭惡性心肌重塑[33-34]。有研究發(fā)現(xiàn)sST2（和hs-CRP）與新發(fā)心房顫動(dòng)顯著相關(guān)[35]。

4.4 微小核糖核酸類(lèi)生物標(biāo)志物 微小RNA（miRNA）是心臟病的潛在治療靶點(diǎn)[36]，其介導(dǎo)的心肌電重構(gòu)在心律失常等循環(huán)系統(tǒng)疾病中至關(guān)重要。miRNA 的基因表達(dá)具有高度的細(xì)胞特異性和組織特異性，且其與心律失常的發(fā)生和發(fā)展緊密相關(guān)。目前，研究最多的微小RNA（miR-1 和miR-133）與心臟相關(guān)，在心臟的傳導(dǎo)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。Terentyev等[37]發(fā)現(xiàn)，心肌細(xì)胞過(guò)表達(dá)miR-1 會(huì)導(dǎo)致心律失常性的細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失衡。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)miR-208a/b 在房顫中的表達(dá)明顯升高[38]。盡管，大量證據(jù)表明部分單個(gè)miRNA對(duì)心律失常的作用機(jī)制，但仍沒(méi)有關(guān)于miRNA用于心律失常患者臨床治療的文獻(xiàn)報(bào)道，然而miRNA 成為未來(lái)心律失常治療的新靶點(diǎn)是值得期待的。

4.5 自身抗體生物標(biāo)志物 近年來(lái)，體液自身免疫作為心律失常的生物標(biāo)志物和介質(zhì)的作用不斷被挖掘和研究。在心房顫動(dòng)中首次被報(bào)道的自身抗體是針對(duì)肌球蛋白重鏈的自身抗體[39]。隨后研究發(fā)現(xiàn)，毒蕈堿2（M2）受體和HSP65 水平的自身抗體在房顫中升高，且可作為房顫的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子[40-41]。在體位性心動(dòng)過(guò)速綜合征（POTS）中腎上腺素能受體（抗1、抗1-腎上腺素能抗體）和血管緊張素2 型受體（AT2R）IgG 似乎與POTS 特別相關(guān)[42]。自身抗體很可能是心律失常最佳的生物標(biāo)志物，而且有望成為提示早期心律失常的重要工具。

5 展望

雖然心律失常發(fā)生與維持的作用機(jī)制復(fù)雜且尚未完全闡明，但是心律失常的發(fā)生發(fā)展與代謝重構(gòu)密切相關(guān)。因此仍需進(jìn)一步研究證實(shí)心律失常心臟代謝重構(gòu)的機(jī)制，尋找心律失常各分型的治療靶點(diǎn)，以期為心律失常的早期防治提供更為有效的安全治療措施。

近年來(lái)，心律失常的潛在生物標(biāo)志物數(shù)量不斷增加，生物標(biāo)志物的不同所反映的生理病理機(jī)制也大不相同。目前對(duì)于除心房顫動(dòng)以外的其他類(lèi)型心律失常研究相對(duì)較少，未來(lái)的研究或可從各類(lèi)心律失常中篩選其特異性生物標(biāo)志物，以期精準(zhǔn)識(shí)別各類(lèi)心律失常以及為心律失?；颊咛峁└珳?zhǔn)的治療。多種生物標(biāo)志物的聯(lián)合使用或可成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，早日實(shí)現(xiàn)心律失常疾病的早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療。

利益沖突 所有作者聲明無(wú)利益沖突