多模态组学整合揭示冠状动脉疾病治疗新靶点：尿液代谢产物与动脉粥样硬化斑块的联系

《Drug Resistance Updates》：Integrating multi-modal omics to identify therapeutic atherosclerosis pathways for coronary heart disease

本研究针对冠状动脉疾病（CHD）的代谢通路机制不清、缺乏有效治疗靶点的问题，通过整合尿液代谢分解产物、血浆蛋白质组、动脉粥样硬化斑块组织及单细胞表达数据，运用孟德尔随机化（MR）方法，成功识别出29个与CHD相关的尿液代谢产物，并进一步筛选出16个与斑块易损性相关的血浆蛋白靶点（如C1S、IL6RA等）。该研究为CHD的代谢通路干预及药物重定位（如sutimlimab）提供了重要线索，对心血管疾病精准治疗具有重大意义。

　　

在全球范围内，冠状动脉疾病（Coronary Heart Disease, CHD）依然是导致死亡和健康负担的主要原因之一，每年约造成900万人死亡。这种疾病的病理基础是动脉粥样硬化（Atherosclerosis），即动脉壁上逐渐积聚脂蛋白和炎症细胞，形成斑块。随着病情发展，一些斑块会变得“易损”（Vulnerable），其特征是纤维帽薄、脂质核心大、炎症细胞浸润严重，极易破裂。斑块破裂会引发血栓，堵塞心脏血管，导致急性临床事件。尽管现代医学在CHD的预防和治疗上取得了进展，但对其深层代谢机制的理解仍不充分，寻找新的、有效的治疗靶点迫在眉睫。

代谢紊乱，如代谢综合征（同时存在高血压、高胆固醇血症、糖尿病和肥胖），与促进动脉粥样硬化的代谢性、促炎和促血栓状态密切相关。这反映了免疫反应和代谢稳态之间紧密的相互关系，一个系统的功能障碍会不利地影响另一个系统。血浆蛋白是疾病的标志物，也是大多数药物的靶点。与此同时，尿液代谢分解产物（Urinary Metabolism Breakdown Products）作为代谢的终产物，反映了在动脉粥样硬化相关组织（如体脂、肝脏、动脉壁）中发生的代谢变化。虽然这些分解产物是下游的、已被身体排出的，不能直接作为干预目标，但它们为非侵入性地监测上游代谢改变提供了窗口，这些改变可能参与了CHD的发展。将尿液代谢产物数据与血浆蛋白质数据整合，有望识别出相关的代谢通路和潜在的治疗靶点。

为了深入探索这些问题，一项发表在《Drug Resistance Updates》上的研究进行了开创性的工作。研究人员开展了一项整合多模态组学数据的研究，旨在识别CHD的可成药动脉粥样硬化通路。他们巧妙地利用孟德尔随机化（Mendelian Randomisation, MR）这种能够有效减少混杂偏倚和反向因果关系影响的分析方法，系统地探究了尿液代谢分解产物、血浆蛋白质与CHD风险之间的因果关系，并将这些发现与动脉粥样硬化斑块的直接证据相关联。

主要技术方法概述

本研究的关键技术方法包括：1）孟德尔随机化分析：利用来自大规模全基因组关联研究（GWAS）的遗传数据，分别评估954种尿液代谢产物和1562种血浆蛋白与CHD（181,522例病例）的因果关系，并通过方向一致性三角验证筛选出稳健的关联。2）动脉粥样硬化斑块表型分析：利用来自荷兰的Athero-Express（AE）生物样本库（包含接受颈动脉内膜切除术患者的前瞻性队列数据），分析194名患者的斑块蛋白质表达和632名患者的mRNA表达与斑块易损性指数（Plaque Vulnerability Index）的关联。3）单细胞RNA测序（scRNA-seq）：对46名患者的4948个颈动脉斑块细胞进行测序，以确定优先蛋白编码基因在不同斑块细胞类型（如平滑肌细胞、免疫细胞）中的差异表达。4）生物信息学分析：包括通路富集分析（使用MetaboAnalyst和Reactome知识库）以及基于ChEMBL和英国国家处方集（BNF）的蛋白质可成药性评估。

研究结果

尿液代谢分解产物与CHD的关联

通过MR分析，研究人员从954种尿液代谢分解产物中鉴定出29种与CHD风险显著相关。这些代谢产物主要来源于氨基酸代谢（12种）或未分类来源（9种），其余则来自能量代谢、脂质代谢和异生素代谢。例如，较高水平的N-乙酰酪氨酸（N-acetyltyrosine）会增加CHD风险，而较高水平的3-甲基戊烯二酸（3-methylglutaconate）则会降低风险。这一发现强调了氨基酸代谢通路在CHD发病机制中的重要作用，并提示未分类的代谢产物可能代表着尚未被认识的病理生理通路。

通过三角验证筛选出与代谢产物和CHD一致的蛋白质

接下来，研究团队通过两步cis-MR分析来寻找与上述29种代谢产物以及CHD均存在方向一致性关联的血浆蛋白质。具体来说，他们首先找到了682种与这些代谢产物相关的蛋白质，然后从中筛选出113种蛋白质，其与CHD的关联方向与“代谢产物→CHD”以及“蛋白质→代谢产物”的关联方向相一致（即三角验证）。这种严格的筛选策略有助于最大限度地减少水平多效性（Horizontal Pleiotropy）带来的偏倚，从而得到更可靠的结果。后续在独立数据集中的验证支持了其中83%发现的稳健性。

MR优先蛋白质与斑块易损性的关联

为了验证这些MR优先蛋白质与动脉粥样硬化的直接联系，研究人员利用AE生物样本库的数据，检查了这些蛋白质在人类动脉粥样硬化斑块中的表达是否与斑块易损性相关。在113种MR优先蛋白质中，有36种在斑块蛋白质表达数据中可检测到，其中10种（如A2M、C1S、CA1等）的表达水平与斑块易损性增加显著相关。此外，在斑块mRNA表达数据中，发现了另外6种蛋白质（如IL6RA、ATP1B2等）的基因表达与斑块易损性相关。综上，共有16种蛋白质被确认为既与CHD遗传风险相关，又与斑块易损性表型相关。

单细胞RNA测序揭示蛋白质的细胞来源

为了理解这16种关键蛋白质在斑块中的作用位置，研究团队分析了斑块的单细胞RNA测序数据。结果显示，这些蛋白质的编码基因在特定的斑块细胞类型中富集。例如，ATP1B2基因在平滑肌细胞（SMCs）中高表达，而ATF6B基因在T细胞中高表达。当将细胞类型归纳为结构细胞（如SMCs、内皮细胞）、先天免疫细胞（如巨噬细胞）和适应性免疫细胞（如T细胞、B细胞）三大类时，部分蛋白质显示出在特定功能集群中的特异性表达，这为了解其参与动脉粥样硬化的细胞机制提供了重要线索。

蛋白质的可成药性评估

对这16个优先蛋白质的可成药性进行分析发现，其中6个是已有批准药物靶向的“已成药”蛋白（Drugged Proteins），另外10个是目前尚未被靶向的蛋白。在已成药蛋白中，包含了已知的CHD相关靶点，起到了阳性对照的作用。例如，IL6RA（托珠单抗/Tocilizumab的靶点）和ATP1B2（地高辛/Digoxin靶向的钠钾泵复合体的一部分）的遗传证据支持其与CHD的关联，这与已知药理学知识一致，验证了研究方法的可靠性。特别值得注意的是补体C1s（C1S），它是药物sutimlimab（用于某些贫血和血管性水肿）的靶点。本研究首次通过遗传学和斑块证据提示C1S可能成为CHD治疗的药物重定位（Drug Repurposing）候选靶点。

通路富集分析

对优先蛋白质集合进行的通路富集分析显示，它们显著富集在脂质代谢（如HDL重塑）、炎症信号（如IL-6信号、MAPK1/3信号）和免疫相关过程（如补体激活、MHC II类抗原呈递）等通路上，这反映了动脉粥样硬化发生的多因素病因。

研究结论与意义

这项研究通过整合遗传学、蛋白质组学、代谢组学以及直接的斑块组织分析，成功地描绘了CHD中失调的代谢通路（特别是氨基酸代谢）及其与潜在可干预血浆蛋白靶点的联系。研究不仅确认了已知的药物靶点（如IL6RA），增强了方法的可信度，更重要的是发现了一系列新的潜在靶点（如C1S、APOF等），为开发新的治疗策略提供了路线图。

研究的创新性在于其多模态整合的策略：首先利用MR推断因果关系，减少观察性研究的偏倚；然后利用独特的斑块生物样本库数据在组织水平上进行验证，将循环生物标志物与疾病终末器官的病理表型直接关联；最后通过单细胞技术解析细胞特异性，为理解靶点作用机制提供更深层次的见解。这种从系统遗传学到组织病理表型的递进验证，极大地提高了发现的可转化潜力。

尽管研究存在一些局限性，如所用数据主要来自欧洲人群，可能限制其普适性，以及尿液代谢产物作为远端指标而非直接致病因素等，但其整体设计和发现为心血管精准医疗注入了新的活力。该研究提示，针对特定代谢通路（如通过C1S抑制补体系统）或利用现有药物进行重定位，可能是未来降低CHD风险和改善患者预后的有效途径。这些发现不仅深化了对CHD疾病机制的理解，也为后续的基础研究、药物开发和临床实践提供了宝贵的资源和方向。