基于血浆和尿液代谢组学分析揭示心肺旁路术中轻度与中度低温的差异性代谢特征

《Scientific Reports》：Differential metabolomic signatures in plasma and urine under mild and moderate hypothermia during cardiopulmonary bypass

本研究针对心肺旁路术(CPB)中低温水平对代谢组学影响不明的关键问题，由土耳其安卡拉大学团队开展了一项前瞻性研究。研究人员通过GC-MS和LC-qTOF-MS技术，对比分析32-35°C轻度低温与26-31°C中度低温患者的血浆和尿液代谢谱，发现中度低温引发更显著的脂代谢紊乱和细胞应激，而轻度低温表现出更好的代谢稳定性。该研究为优化CPB术中低温策略提供了新型生物标志物候选。

　　

在心脏外科手术中，心肺旁路术(CPB)如同一个"人工心肺"，让外科医生能够在静止的心脏上进行精细操作。然而，这个生命支持系统本身也会引发一系列生理变化，包括炎症反应、凝血功能改变以及代谢紊乱。低温作为CPB期间保护器官的重要手段，通过降低代谢率和氧耗来增强组织对缺血的耐受性。但一个长期存在的争议是：究竟应该采用多低的温度？是相对温和的轻度低温(32-35°C)，还是更深的中度低温(26-31°C)？这个问题的答案至今未明，因为不同低温水平对机体代谢的精细影响尚未被系统揭示。

传统上，中度低温被广泛使用，但近年来越来越多的临床实践倾向于使用轻度低温甚至常温。这种转变背后的科学依据尚不充分，特别是缺乏对不同低温水平下代谢响应的深入理解。代谢组学作为系统生物学的重要分支，能够全面分析生物体内小分子代谢物的变化，从而揭示生理和病理状态下的生化改变。通过结合气相色谱-质谱(GC-MS)和液相色谱-四极杆飞行时间质谱(LC-qTOF-MS)技术，研究人员现在可以以前所未有的精度探索代谢世界的细微变化。

正是在这样的背景下，土耳其安卡拉大学的研究团队开展了一项创新性研究，首次系统比较了CPB术中轻度与中度低温对患者血浆和尿液代谢组的差异性影响。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为心脏手术中的温度管理策略提供了新的科学依据。

本研究采用了前瞻性随机设计，纳计划接受择期心脏手术的32例患者，随机分为轻度低温组(32-35°C)和中度低温组(26-31°C)。研究团队在三个关键时间点收集生物样本：CPB开始前(T₀)、低温最低点(T₁)和复温后1小时(T₂)。通过GC-MS和LC-qTOF-MS平台进行非靶向代谢组学分析，结合多变量统计方法如主成分分析(PCA)和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)，系统识别了两组间的差异性代谢特征。

患者 demographics 和基线临床特征

研究最终纳入29例患者（轻度低温15例，中度低温14例），两组在年龄、BMI等基线特征上具有可比性。中度低温组的CPB时间(193.5 vs. 145分钟)和主动脉阻断时间(134.5 vs. 98分钟)显著长于轻度低温组，这反映了临床实践中更复杂的手术往往需要更深的低温保护。所有患者均使用含组氨酸的Bretschneider心脏停搏液，且术中使用甘露醇作为渗透性利尿剂，这些因素在解读代谢结果时被充分考虑。

血浆代谢组学结果

分析显示，两组患者在T₁-T₀和T₂-T₀时间点均出现显著代谢差异。在轻度低温组，脯氨酸和肌苷水平在T₁-T₀时下降更为明显，而中度低温组则表现为单酰甘油(MG(18:1(9Z)/0:0/0:0))显著降低和神经酰胺(Cer(d18:0/16:0))显著升高。特别值得注意的是，山梨醇和核糖醇在两个时间点均持续上升，提示多醇通路激活可能是CPB应激的普遍反应。

尿液代谢组学结果

尿液分析揭示了更为明显的组间差异。在T₂-T₀时，中度低温组的C17-鞘氨醇水平显著升高，表明更强的细胞膜重构和应激反应。相比之下，轻度低温组表现为2-羟基丁酸、N-乙酰丝氨酸和草酰乙酸等代谢物的显著降低，提示相对减轻的肾脏应激状态。

通路分析进一步显示，轻度低温主要影响丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸代谢和柠檬酸循环，而中度低温则显著改变甘氨酸-二羧酸代谢和鞘脂代谢通路。这些发现揭示了两组低温条件下不同的代谢适应策略。

本研究首次系统描绘了CPB术中不同低温水平对应的代谢特征图谱。轻度低温与相对稳定的代谢状态相关，表现为能量代谢平衡和氧化应激减轻；而中度低温则引发更显著的代谢紊乱，涉及脂代谢改变和细胞应激增强。这些发现为理解低温保护的分子机制提供了新视角，也为个体化温度管理策略的开发奠定了理论基础。

研究的创新之处在于同时分析了血浆和尿液代谢组，分别捕捉即时代谢响应和累积系统效应。血浆反映手术期间的急性变化，而尿液则提供代谢适应的整体视角。这种双生物流体分析策略极大增强了结果的可靠性。

尽管存在样本量有限和单中心设计的局限性，这项研究为心脏手术中低温管理的精准化迈出了重要一步。未来研究需要在更大规模队列中验证这些代谢标志物，并探索其与临床结局的关联。这些努力最终可能推动CPB术中温度管理从"一刀切"模式向个体化、生物标志物引导的策略转变，从而优化患者预后。