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项目文章 | 心内代谢队列研究发现术后房颤(POAF)新标志物

迈维代谢

2023.3.22

迈博士有话说

术后房颤(POAF)是冠状动脉旁路移植术(CABG)的常见并发症(约30%)。POAF与更差的结果和增加的住院费用相关，对CABG患者来说是沉重的负担。迄今为止，临床有效的POAF生物标志物仍然缺乏。这是一项描述单独CABG手术患者(有或无POAF)PF和血清的定量代谢物特征的研究，本次研究采用单中心设计，样本量较大增加了研究的可信度。本研究的结果强调POAF患者PF和血清中代谢组的变化，并确定一个多代谢物风险预测模型，该模型在预测单独CABG手术患者POAF的发生方面表现出比常规临床风险因素更好的性能。这些发现为更好地理解POAF病的病理生理过程和推进相关领域的预防和预测策略提供了新的机制途径。

●期刊：Translational Research

●发表日期：2023.1.3

●影响因子：10.171

术后房颤(POAF)是冠状动脉旁路移植术(CABG)的常见并发症。然而，POAF的分子机制仍然知之甚少，因此缺乏有效的预防策略。近期，首都医科大学在Translational Research上发表篇名为《Metabolic signatures in pericardial fluid and serum are associated with newonset atrial fibrillation after isolated coronary artery bypass graftin》的文章，采用代谢组学对CABG患者的心包液和血清样本进行研究，构建了4-代谢物(乙酰谷酰胺、鸟氨酸、蛋氨酸和精氨酸)风险预测模型，并在发现和验证集中显示了预测POAF的准确性能。这项工作扩展了POAF患者心脏微环境和血液的代谢见解，并为使用靶向代谢组学预测CABG手术患者的POAF奠定了基础。迈维代谢为本次研究提供了定量脂质组检测服务。

研究背景

心包积液(PF)是来自心外膜毛细血管的血浆超滤、心包间皮细胞的分泌物以及与静水压力和渗透压相关的心肌间质空间的贡献的净结果。与血液相比，PF具有相似的分子标记。然而，这些标志物的水平在血浆和PF之间存在差异，使PF成为观察心脏病理生理状态的最佳候选。此外，同时分析血液和PF样本有利于提高我们对心血管生理学的理解。由于体积小的限制和侵入性手术的要求，除了心包炎和心包积液外，鲜有报道研究PF在心血管疾病中的分子特征。

术后心房颤动 (POAF) 的定义是在手术后立即到出院期间，通过连续无线节律监测仪或心电图监测仪捕捉到的持续30秒的房颤发作。POAF是冠状动脉旁路移植术 (CABG) 手术的常见并发症。然而，对 POAF 的分子机制仍知之甚少，因此缺乏有效的预防策略。此篇文章对来自 CABG 患者的心包液和血清样本使用靶向代谢组学来研究 POAF 相关的代谢改变和新发 AF 的相关风险预测。在 POAF 和非 POAF 患者的心包液和血清样本中发现了各种代谢途径中的 9 种差异代谢物。通过使用机器学习算法和回归模型，构建了四种代谢物（乙酰谷氨酰胺、鸟氨酸、甲硫氨酸和精氨酸）风险预测模型，并在发现和验证集中显示了预测 POAF 的准确性能。

实验思路

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图1 研究设计流程图

研究过程

术后，在发现队列中有105例新发POAF患者和201例维持窦性心律的患者，在验证队列中有53例POAF患者和154例窦性心律患者。从每个患者中提取空腹血，发现队列中的113个PF被排除在外，因为它们难以获得或被血液污染。其余患者中，共发生55例新发POAF, 138例保持窦性心律。

研究结果

1. 临床基线特征与新发POAF的关系

共有513人(发现组306人，验证组207人)参与了该研究(图1)。在患有和不患有POAF的单独CABG患者中，在性别、体重指数、长期疾病(高血压和糖尿病)、LVEF、手术持续时间、冠状动脉移植数量、甲状腺功能(TSH、fT3和fT4)和临床脂质谱(例如，TG、HDL-C、LDL-C和sdLDL-C)方面没有观察到差异。相比之下，与窦性心律患者相比，发生POAF的患者年龄更大，左心房增大的比例更大，logistic EuroSCORE II值更高。在单变量Cox回归分析中，左心房扩大是POAF最强的预测因素。与POAF相关的次要因素是年龄和llogistic EuroSCORE II(图2a)。接下来，我们使用多变量Cox回归分析来探索这些基线特征和POAF之间的相关性。将所有临床参数纳入模型，发现年龄和左心房扩大仍与POAF呈显著正相关(图2a)。此外，基于logistic回归的ROC模型(包括年龄、logistic EuroSCORE II和左心房增大)得出曲线下不满意面积(AUC)= 0.647(CI = 0.5940.700)，用于识别CABG患者的POAF(图2b)。

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图2 临床变量和新发POAF之间的相关性

2. 患有和不患有POAF的患者的PF和血清的代谢物特征

基于UPLC-Qtrap/MS的靶向代谢组学分析来自POAF和非患者的PF和血清样本。采用无监督的主成分分析来获得组分离的概况。如图3a和3b所示，在患有和不患有POAF的患者PF和血清谱中代谢物观察到明显的分离。为了表征差异代谢物(DMs)，构建了基于定量数据集的监督偏最小二乘判别分析(PLS- DA)的图。如所示图3在患有和不患有POAF病的PF样本中，发现氨基酸及其衍生物(如L-胱氨酸、鸟氨酸、乙酰谷酰胺、L-蛋氨酸和精氨酸)和有机酸及其衍生物(如柠檬酸、精氨琥珀酸、L-亮氨酸和戊二酸)的分布存在显著差异。在进一步的单变量非参数检验后，总共有22名糖尿病患者的FDR校正P < 0.05。POAF患者PF中主要DMs的水平降低，而肌醇和苯甲酸是仅有的两种增加的代谢物。血清样本中，与保持窦性心律的患者相比，发展为POAF的患者中总共有26个DMs发生改变，其中21个POAF患者血清中DMs减少。这些血清代谢变化主要包括氨基酸及其衍生物(如赖氨酸、鸟氨酸、乙酰谷酰胺、L-蛋氨酸和精氨酸)和有机酸及其衍生物(如3-苯基乳酸、L-亮氨酸和α-酮戊二酸)。我们的数据显示，患有和未患有POAF的患者在代谢状态上存在显著差异。

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图3 心包液和血清代谢谱数据的多元统计分析

3. 代谢途径分析

为了确定关键的富集代谢途径，我们对PF和血清中的代谢物进行了代谢途径富集分析。如图4在PF样本中尿素循环、甜菜碱代谢和多种氨基酸代谢途径(如甘氨酸和丝氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、天冬氨酸代谢、甲硫氨酸代谢)显著富集，能够将POAF与非POAF区分开。关于血清中的代谢途径：尿素循环和几种氨基酸代谢途径(如酪氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、甘氨酸和丝氨酸代谢以及天冬氨酸代谢)也得到富集。此外，PF和血清中的代谢物中也富集到了几种脂质代谢相关的途径，如肉碱合成、磷脂酰肌醇磷酸代谢和线粒体脂肪酸代谢。丰富的代谢途径之间的相互作用网络如图4cd所示，PF中丰富的代谢途径显示出比血清中更强的相互作用，表明PF微环境中的代谢变化具有更强的协同效应。

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图4 与新发POAF相关的代谢变化

4. 预测单独冠状动脉旁路移植术患者POAF的多代谢物模型

通过以上分析，我们发现了一些在PF与血清之间重叠的DMs和丰富的代谢途径，提示这些代谢物和途径可能在POAF的发展中起重要作用。使用基于独创性途径分析的知识数据库的功能关系网络分析的结果显示，重叠的DMs主要与氧化应激相关。因此，我们选择了9种代谢物用于预测模型的构建，包括鸟氨酸、乙酰谷酰胺、精氨酸、L-亮氨酸、L-蛋氨酸、肌醇、3-苯基乳酸、苯甲酸和12，13-二氢叶酸。采用支持向量机和随机森林来筛选潜在的生物标志物。如图5所示，鸟氨酸、乙酰谷酰胺、精氨酸和蛋氨酸在两次机器学习分析中排名前4。与非POAF患者相比，POAF患者的PF和血清中的4种代谢物显著减少(图5bc)。通过将所选的4个特征的组合，基于逻辑回归的ROC模型显示了对有和无POAF患者分类的准确性(AUC = 0.960，CI = 0.929-0.988；图5d)。代谢物模型的预测准确性也通过500次随机排列测试进行了验证，显著P值< 0.0001(图5f)。单变量和多变量Cox回归分析评估4种代谢物的预测值(图5g)。单变量Cox回归分析，4种代谢物均被视为新发POAF的低风险因素(HR值范围为0.080-0.459，P值均小于0.001)。此外，在调整临床变量(如年龄、logistic EuroSCORE II和左心房扩大)后，4种代谢物仍是CABG手术患者新发POAF的低风险因素(HR值范围为0.128-0.681，P值均小于0.05)。根据风险评分，患者被分为高风险组和低风险组。乙酰谷酰胺、鸟氨酸、L-甲硫氨酸和精氨酸的分数分布和表达水平如图5h所示,当这4个基因的表达水平代谢物减少，风险评分和新发POAF的风险增加。

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图5 冠状动脉搭桥术患者代谢组学特征与POAF的关系

5. 在独立队列中验证多代谢物模型预测POAF

上述结果表明，乙酰谷酰胺、鸟氨酸、L-甲硫氨酸和精氨酸在患有和不患有POAF的患者的PF和血清中有显著差异，并且PF和血清中的4种代谢分子的组合具有预测新发POAF的风险的巨大潜力。为了临床实践的需求，将来自96名单独CABG手术患者的额外独立队列的血清样本被用作验证集，发现患有和未患有POAF的患者术前血清中鸟氨酸、乙酰谷酰胺、精氨酸和蛋氨酸的浓度如图6a所示.与发现集的结果一致.验证集的结果显示4个代谢物与没有POAF的患者相比，POAF患者的代谢物显著减少。使用单变量和多变量Cox回归分析来研究4种代谢物和POAF事件之间的相关性。结果图表明，在单变量和多变量Cox回归模型中，所有4种代谢物都与POAF显著相关(图6b)。ROC模型也证明了4种代谢物对有和无POAF患者的分类准确性(AUC= 0.983，CI= 0.950-1.000；)。值得注意的是，后验分类概率图表明，所建立的模型可以正确分类100%的POAF患者和93.8%的非POAF患者(图6d)。

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图6 代谢物预测模型的验证

研究结论

通过对大量接受单纯CABG手术患者的PF和血清代谢谱进行量化，本研究为POAF相关代谢改变提供了新的见解，并确定了一个多代谢物风险模型，该模型可有效预测CABG患者的POAF。这些发现为更好地理解POAF病的病理生理过程和推进相关领域的预防和预测策略提供了新的机制途径。本研究的主要是单中心设计。样本量较大增加了研究的可信度，但后续仍需要多中心和更大样本的研究来证实该发现。

科研延伸

脂质是动植物代谢中的第一大类物质，是近年来代谢研究中最为关注的热点，其参与能量运输、细胞间的信息通讯与网络调控等多种生长发育过程。

脂类具有数目众多、结构多样的特点，这就给高通量定量脂质组分析带来了一定的难度。定量脂质组学是通过多种稳定同位素内标对脂质进行大规模绝对定量的一种方法。

定量脂质组可一次性靶向定量检测4000余种脂质代谢物，全面覆盖CE、Cer、HexCer、SM、FA、CAR、Eicosanoid、PC、LPC、PE、LPE、PG、LPG、PS、LPS、PI、TG、DG等近六十亚类。