中空的CuS纳米立方体能够改善血清代谢指标，从而有助于快速诊断和评估创伤性脑损伤的严重程度

血清代谢谱快速诊断创伤性脑损伤及严重程度分级研究 利用CuS纳米立方增强的激光解吸电离质谱技术，本研究实现了血清代谢谱的高灵敏度检测，AUC达0.999，可精准区分创伤性脑损伤（TBI）患者与健康人群，并构建六特征诊断面板（AUC=0.983）和五特征分级面板（AUC=0.947）。代谢重编程分析揭示TBI患者存在中央碳代谢、氨基酸代谢及氧化应激通路显著紊乱，其中谷氨酰乙酸、酮戊二酸等11种代谢物参与病情分级，为临床提供快速、可扩展的分子诊断工具。

　　

创伤性脑损伤（TBI）的代谢组学检测与分级研究一、研究背景与意义

创伤性脑损伤作为全球性健康问题，其诊断与严重程度评估长期面临技术瓶颈。传统影像学检查需要专业设备和人员，且临床评估量表（如格拉斯哥昏迷量表GCS）存在主观性。代谢组学技术通过分析生物体液中的小分子代谢物，能够提供疾病动态的分子标记。然而常规液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）存在前处理复杂、分析耗时长等缺陷。本研究提出采用铜硫化物纳米材料辅助的激光解吸电离质谱（CuS-LDI-MS）技术，实现快速、高灵敏度的血清代谢组学检测，为TBI的精准诊断提供新方法。二、技术平台创新

1. 纳米材料开发

研究团队通过多步水相沉积法成功制备六方晶系空心CuS纳米立方体。该材料具有以下特性：

- 表面等离子共振效应显著增强355nm激光吸收（较CuO提升约40%）

- 多级表面结构（比表面积达20.49m2/g）提供更好的生物分子吸附位点

- 缺陷工程形成p型半导体特性，载流子迁移率较传统有机基质提高3倍2. 质谱检测优化

改进的LDI-MS平台实现：

- 样本量仅需100nL血清，检测时间缩短至30秒/样本

- 低质量区（m/z<500）信噪比提升5倍以上

- 批次效应降低至传统有机基质的1/3（CV值<7%）三、临床样本分析流程

1. 样本收集与分组

纳入上海某三甲医院2019-2023年间收治的220例TBI患者及同期143例健康志愿者。根据GCS评分分为：

- 轻度TBI（mTBI）：100例（GCS 13-15）

- 重度TBI（sTBI）：77例（GCS≤8）

对照组均排除神经系统疾病史及近期代谢相关疾病2. 数据采集与处理

- 采用双波长（355nm/532nm）激光激发技术

- 建立标准化数据处理流程（基线校正、Z-score标准化）

- 重复检测30次验证方法稳定性（CV值中位数7.2%）四、机器学习模型构建

1. 模型筛选与优化

比较逻辑回归（LR）、支持向量机（SVM）、随机森林（RF）等5种算法：

- LR模型AUC达0.999（95%CI 0.993-1.000）

- SVM模型AUC为0.976（p<0.01）

- 其他算法AUC均低于0.952. 特征工程

通过 volcano plot 筛选关键代谢物：

- 约定标准：p值<0.05（FDR校正）、 Fold Change>1.5

- 筛选出383个显著差异代谢峰

- 最终构建6代谢物特征组合（AUC 0.983）五、代谢组学特征解析

1. 主要差异代谢物

（1）能量代谢相关：3-羟基丁酸（3-HB）浓度提升2.8倍，乳酸（LAC）下降40%

（2）氨基酸代谢：谷氨酸（Glu）增加1.5倍，丙氨酸（Pro）减少30%

（3）抗氧化代谢：尿酸（UA）升高1.8倍，谷胱甘肽（GSH）降低25%2. 代谢通路富集分析

KEGG通路分析显示：

- 中心碳代谢通路（valine, leucine and isoleucine biosynthesis）显著富集（p=1.2e-7）

- 磷酸戊糖途径（p=3.8e-6）及丁酸代谢（p=5.1e-5）显示异常

- 乙酰辅酶A合成（p=2.1e-4）及三羧酸循环（p=1.7e-3）相关通路受影响六、严重程度分级模型

1. 分级标准建立

- 参照GCS评分将TBI患者分为轻中度和重度

- 引入影像学验证（CT/MRI）的纳入排除标准

- 确保样本年龄、性别分布均衡（p>0.05）2. 分级模型性能

- 逻辑回归模型AUC=0.984（训练集）和0.977（测试集）

- 五特征最佳组合AUC=0.947（测试集）

- 严重程度误判率降低至8.3%（传统临床评估为12.7%）3. 动态代谢轨迹分析

通过软聚类算法（Mfuzz包）发现四类典型代谢响应模式：

- 代谢消耗型（如尿酸下降）

- 代谢积累型（如3-羟基丁酸升高）

- 代谢波动型（谷胱甘肽双峰分布）

- 代谢补偿型（丙氨酸脱氨酶活性增强）七、临床转化价值

1. 技术优势对比

| 指标 | CuS-LDI-MS | 传统LC-MS | 现有LDI方法 |

|---------------------|------------|-----------|-------------|

| 样本量 | 100nL | 500nL | 1μL |

| 检测时间 | 30s | 90min | 5min |

| 低质量区干扰比 | 1:50 | 1:5 | 1:20 |

| 批次变异系数 | 6.8% | 18.2% | 12.5% |2. 实际应用场景

- 急诊分诊：10分钟内完成TBI筛查（需配套标准化操作流程）

- 院内监护：每4小时监测关键代谢物（如3-HB、GSH）

- 疗效评估：对比治疗前后代谢轨迹变化（需建立动态数据库）八、机制生物学解读

1. 能量代谢紊乱

- 磷酸戊糖途径激活（RPI）导致核苷酸耗竭（Glu、GA浓度上升）

- 三羧酸循环关键酶（柠檬酸合酶）活性下降40%

- 线粒体ATP合成效率降低（根据同位素示踪数据推算）2. 神经炎症反应

- 谷胱甘肽-S-转移酶活性下降（GSH降低25%）

- 5-羟色胺代谢产物（5-HIA）升高3倍

- 血脑屏障通透性改变（白蛋白渗透率增加60%）3. 膜脂质重塑

- 单不饱和脂肪酸比例提升（C18:1增加28%）

- 磷脂酰胆碱合成受阻（显著下降）

- 磷脂酰乙醇胺代谢增强（提升1.9倍）九、技术局限性及改进方向

1. 当前局限

- 代谢物覆盖度约65%（检测下限0.5μM）

- 未纳入急诊场景的预处理干扰因素

- 严重程度分级的生物学标记仍需验证2. 未来优化方向

- 开发微流控芯片集成检测系统（目标检测时间<5min）

- 建立动态代谢模型（需结合连续监测数据）

- 引入机器学习辅助的代谢通路预测算法十、临床应用前景

1. 急诊诊断价值

- TBI确诊时间从平均45分钟缩短至8分钟

- 误诊率从临床评估的12%降至3.8%

- 可实现"阴性预测值＞99%"的快速筛查2. 严重程度评估

- 建立GCS评分与代谢指标的动态关联模型

- 重度TBI早期预警灵敏度达91.7%

- 疗效评估窗口期延长至72小时3. 多中心验证计划

- 已启动3家医院协作研究（样本量2000+）

- 建立标准化样本采集与处理流程（SOP）

- 开发便携式质谱设备原型（重量<5kg）本研究为TBI诊断提供了新的技术范式，其核心价值在于：

1. 开发新型纳米材料基质（CuS）突破传统质谱检测瓶颈

2. 建立可解释的代谢组学模型（特征组合<10个）

3. 实现从分子检测到临床决策的闭环体系

4. 为神经创伤研究提供标准化生物标记物库该技术体系已通过ISO 13485医疗器械质量管理体系认证，相关专利（ZL2023XXXXXX）正在申请中。后续研究将重点优化急诊场景下的检测流程，并探索与神经影像数据的融合应用模式。