代谢组学在心血管疾病研究中的应用：以主动脉瓣狭窄为例

代谢组学在心血管疾病研究中的应用：以主动脉瓣狭窄为例

代谢组学是一门研究生物体内所有小分子代谢物的科学，它可以帮助我们理解生物体的生理和病理状态。在这个系列中，我们将通过分析具体的科研文献，帮助大家逐步掌握代谢组学的研究思路和应用场景。

代谢组学在心血管疾病研究中的应用

钙化性主动脉瓣膜狭窄（CAVS）是发达国家中最常见的瓣膜病之一，与显著的发病率和死亡率相关。目前对于CAVS的治疗主要是瓣膜置换手术，缺乏有效药物疗法来预防或延缓疾病的自然进展。

那么，我们想从代谢的角度知道CAVS发病过程中发生了哪些变化，就可以将代谢物数量及丰度同CAVS临床指标（本文中为平均压差（MPG）、主动脉瓣面积（AVA）和主动脉瓣钙化评分（C评分））相关联，例如可以探索其在健康组和CAVS组、不同程度的CAVS组间的图谱、差异、通路富集、探寻CAVS进展的biomarker等等。

因此，代谢组学在该研究的应用场景是建立代谢物图谱与寻找新的药物治疗靶点，以延迟疾病进展并改善患者预后。浓缩为：图谱-聚类热图-通路分析-相关性分析-差异分析-biomarker。

图片摘要

研究方法与应用

非靶向代谢组学

研究者采用了非靶向代谢组学方法来识别在CAVS进展中显著改变的代谢物和脂质。这种方法允许研究者在没有预设假设的情况下，全面地分析和识别生物样本中的小分子代谢物。

靶向脂质组学分析

为了验证非靶向分析中发现的关键代谢物，研究者进一步采用了靶向脂质组学方法，特别是针对lysophosphatidic acid (LysoPA)的分析。

研究结果与应用

代谢物图谱的建立

通过识别和量化与CAVS进展相关的数百种代谢物和脂质，研究者建立了一个全面的代谢物图谱，这对于理解CAVS的分子机制至关重要。

图1 CAVS代谢物图谱

图2主动脉瓣瓣叶临床相关代谢物/脂质层次聚类热图

代谢途径分析

通过代谢组学通路富集分析，探索在CAVS发展过程中活跃的代谢途径。识别这些代谢途径中的关键代谢物，以理解其在疾病发展中的作用。

图3 代谢组学通路分析

LysoPA与CAVS严重程度的关联

研究发现LysoPA水平与CAVS的严重程度独立相关。CAVS严重程度的血流动力学指标（Vmax、MPG和AVA）与差异代谢物/脂质之间的相关性显著（p < 0.05）。在各种相关脂质中，溶血磷脂酰乙醇胺（LysoPE）和单甘酯（MG）与MPG和Vmax呈显著负相关，而溶血磷脂酸（LysoPA）与MPG和Vmax呈显著正相关，而它们与AVA呈现负相关（图4A）。考虑到MPG和AVA之间的众所周知的反比关系，这暗示了由于上游酶的作用，LysoPE、MG和LysoPA之间可能存在生物化学关系，因此需要可视化它们之间的关联。

差异代谢物关联网络

高度相关的代谢物组（32/72种代谢物/脂质）主要由磷脂酰胆碱（PC）、溶血磷脂酰胆碱（LysoPC）、LysoPE、LysoPA和MG物质组成。两者之间存在正相关或负相关（图4B）。

图4 代谢物-临床参数和代谢物-代谢物相关性分析

代谢物丰度与CAVS严重程度的关联

为了进一步明确这些代谢物在疾病进展过程中发挥的作用，研究者按照MPG分层的不同疾病阶段测量了它们的总丰度。在这些相关脂质类别中，仅LysoPA种类的总量在不同疾病阶段之间显著不同（p <0.046）（图5A和5B）。这一发现表明LysoPA与CAVS严重程度存在强相关性。

研究者使用回顾性的队列，对其进行靶向代谢组学分析，着眼于其丰度和分布。研究者根据队列中位的MPG值将患者分为低梯度和高梯度两组，同样地，根据中位AVA值将患者分为大AVA和小AVA两组。根据钙化评分（C-score）将患者分为两组，C-score 1和C-score 5。

高梯度组的LysoPA总量和各个物种的量显著高于低梯度组，表明LysoPA水平与疾病的严重程度相关。与高梯度组相似，小AVA组（疾病更严重）的LysoPA水平也更高。C-score 5组（更严重的钙化）的LysoPA总量和各个物种的量显著高于C-score 1组。以上结果表明，LysoPA水平与CAVS的严重程度相关。在所有检测的LysoPA代谢物中，16:0 LysoPA是主动脉瓣狭窄叶片中最丰富的代谢物。

图5和图6 非靶向和靶向代谢丰度分析

疾病进展与代谢物关系

研究代谢物水平与CAVS进展速率之间的关系。通过回顾性分析，探索代谢物水平与疾病进展速率的关联。并且与更快的疾病进展速率相关联。详细来说，在疾病进展速度较慢（slow progressors）和较快（rapid progressors）的患者中，各种LysoPA物种（包括16:0, 18:0, 18:1, 18:2, 20:4, 和 22:6）的量。快速进展组的LysoPA总量和各个物种的量显著高于慢速进展组，表明LysoPA水平可能与疾病的快速进展有关。这一发现提示LysoPA可能作为CAVS进展的生物标志物。快速进展组的总LysoPA量显著高于慢速进展组，这进一步支持了LysoPA水平与CAVS进展速度相关的假设。

生物标志物的潜力评估

评估特定代谢物（如LysoPA）作为诊断和预测CAVS进展的潜在生物标志物的潜力，即研究主动脉瓣组织中LysoPA水平与血浆中LysoPA水平之间的相关性。C部分和D部分分别展示了20:4 LysoPA和18:2 LysoPA在组织和血浆中的量之间的皮尔逊相关性（rp）。结果显示，这两种LysoPA物种在组织和血浆中的量具有显著的正相关性，这表明血浆中的LysoPA水平可能作为CAVS进展速度的潜在生物标志物。

图7 LysoPA与主动脉狭窄进展的关系及其诊断价值

临床应用潜力

• 疾病监测与预后评估：LysoPA水平的测定可能有助于监测CAVS的进展速度，并预测哪些患者可能需要更快进行瓣膜置换手术。
• 新药开发：LysoPA作为CAVS进展的潜在驱动因素，可能成为新药开发的靶点，特别是那些旨在降低LysoPA水平的药物。

总结

通过多元统计分析呈现代谢物聚类等图谱以及筛选差异代谢物
通过通路富集分析锁定进一步研究的通路
通过与临床参数相关联，从定性到定量

后期我们将继续带着大家一起从浅入深地接触、理解、掌握代谢组学！