脑淀粉样血管病的代谢与免疫特征初探：一项揭示潜在生物标志物的先导研究

《Scientific Reports》：Metabolomic and immunophenotypic signatures in cerebral amyloid angiopathy: a pilot study

【推荐语】脑淀粉样血管病（CAA）是导致脑叶出血和认知障碍的常见病因，但目前缺乏早期无创诊断工具。本研究针对卒中患者，整合非靶向代谢组学（LC-MS）和免疫表型分析（流式细胞术），发现CAA患者脑脊液和血清中咖啡因代谢物水平显著降低，同时外周血中CD4+T细胞亚群减少而细胞毒性NK细胞（CD56dimCD16+）增多。这些特异性代谢与免疫特征为开发CAA早期诊断工具提供了新方向。

　　

在我们的大脑中，分布着无数微小的血管，它们如同城市的供水管网，为脑组织输送氧气和营养。然而，随着岁月流逝，一种名为β淀粉样蛋白的物质可能会在这些小血管壁上异常沉积，导致脑淀粉样血管病（Cerebral Amyloid Angiopathy, CAA）。这种疾病在70岁以上人群中的患病率高达约50%，是引发脑叶出血、腔隙性缺血性卒中以及认知障碍的主要原因之一。尽管CAA影响广泛，但它在临床诊断中却常常被忽视或延误。当前的诊断主要依赖磁共振成像（MRI）技术，依据改良版波士顿标准，但这些影像学改变通常在疾病已进展至晚期、出现不可逆脑损伤时才会显现。因此，开发能够早期、无创且准确诊断CAA的生物标志物，对于风险分层、监测疾病进展以及指导治疗决策至关重要，是神经科学领域一个迫切的需求。

近日，一项发表在《Scientific Reports》上的先导研究为这一挑战带来了新的曙光。由Thanos Tsaktanis、Anne Mrochen等研究人员组成的团队开展了题为“Metabolomic and immunophenotypic signatures in cerebral amyloid angiopathy: a pilot study”的研究。他们设想，疾病的早期阶段可能伴随着体内微小分子（代谢物）和免疫细胞群体的微妙变化。通过分析这些变化，或许能捕捉到CAA独特的“指纹”。为此，研究人员将目光投向了两种前沿的技术：非靶向代谢组学和免疫表型分析。

为了开展这项研究，研究人员在2022年1月至2023年10月期间，前瞻性地招募了因短暂性脑缺血发作（TIA）或缺血性/出血性卒中入住埃尔兰根大学医院神经内科的患者。所有入选患者均在接受住院治疗期间（入院后0-2天内）额外采集了脑脊液（Cerebrospinal Fluid, CSF）和外周血样本，并在此前后6个月内进行了MRI检查。最终，共有22名卒中患者参与筛查，其中2名因缺乏MRI数据被排除。根据改良版波士顿标准，10名患者被归类为“很可能”CAA，其余10名患者作为对照组。在后续的免疫表型分析中，因细胞计数低又排除了3名患者，最终该部分分析包含了9名CAA患者和8名对照组患者。

本研究主要运用了几项关键技术。首先是非靶向代谢组学分析：研究人员使用液相色谱-质谱联用（Liquid Chromatography-Mass Spectrometry, LC-MS）技术，对采集的脑脊液和血清样本进行了全面的代谢物分析。他们特别关注了咖啡因代谢通路（因其已知的神经保护特性，如抗氧化和调节神经炎症）和氨基酸代谢通路（因其在其他神经退行性疾病中的关联）。数据经过专业软件（Compound Discoverer）处理，代谢物水平以CAA组与对照组标准化峰面积的比值表示。其次是多参数流式细胞术：用于对来自卒中患者外周血样本中的白细胞进行精细的免疫表型分析。研究人员使用了一系列抗体来标记不同的免疫细胞表面蛋白，通过先进的生物信息学工具（如OMIQ平台）进行无监督降维分析（如UMAP）和细胞聚类（如FlowSOM），以无偏倚地识别CAA患者与对照组之间差异的免疫细胞亚群。此外，统计学分析采用了适当的检验方法比较组间差异。

研究结果

研究人群

纳入分析的CAA患者与对照组在年龄上匹配良好。所有患者入院诊断均为缺血性卒中，其中约80%为TIA，20%为缺血性卒中；一名患者还发现伴有出血性卒中。

代谢组学分析中代谢通路的选择

通过非靶向代谢组学分析，研究人员锁定了两个特定的代谢通路进行深入探讨：咖啡因代谢和氨基酸代谢。

CAA患者中咖啡因代谢物水平降低

如图1所示，在脑脊液和血清中，所有检测到的咖啡因代谢相关代谢物在CAA患者中的浓度比值（CAA/对照）均低于1，表明其水平普遍低于对照组。其中，5-乙酰氨基-6-氨基-3-甲基尿嘧啶（脑脊液）、副黄嘌呤（血清）、可可碱（血清）、3,7-二甲基尿酸（血清）、3-甲基黄嘌呤（脑脊液）和1-甲基黄嘌呤（血清）的降低达到了统计学显著性（p<0.05）。这一致性的降低提示咖啡因代谢通路在CAA中可能存在失调。

CAA患者中氨基酸谱未发生改变

如图2所示，无论是脑脊液还是血清中，所分析的多种氨基酸水平在CAA患者和对照组之间均未显示出显著差异（p>0.05）。这表明在本研究的CAA队列中，氨基酸代谢未发生显著改变。

CAA患者中的免疫细胞群体

通过多参数流式细胞术分析，研究人员发现CAA患者的免疫细胞组成发生了特异性改变。

无监督的UMAP降维和FlowSOM聚类分析（图3A, B）将细胞分为12个簇。进一步分析显示，与对照组相比，CAA患者中簇1的细胞比例显著降低，而簇9的细胞比例显著升高（图3C）。根据表面标志物表达，簇1被鉴定为CD4⁺T细胞，簇9对应自然杀伤（Natural Killer, NK）细胞。

对CD4⁺T细胞的深入分析（图4A, B）证实，CAA患者中总的CD4⁺T细胞频率显著减少。这种减少尤其体现在效应性T细胞（Teff）和中央记忆CD4⁺T细胞（T_CM）亚群中。然而，其他适应性免疫细胞亚群，如CD8⁺T细胞、调节性T细胞（Tregs）、初始CD4⁺T细胞（T_n）、效应记忆CD4⁺T细胞（T_EM）和终末分化效应记忆CD4⁺T细胞（T_EMRA）的频率则无显著变化。

对先天免疫细胞的分析（图4C）发现，CAA患者中具有强细胞毒性功能的CD56^dimCD16⁺NK细胞亚群频率显著增加，而以免疫调节功能为主的CD56^brightCD16^-NK细胞则无变化。此外，B细胞各亚群、树突状细胞（Dendritic Cells, DCs）以及单核细胞各亚群在两组间均未发现显著差异。

综上所述，免疫分析揭示CAA患者的免疫特征表现为适应性免疫（特别是CD4⁺T辅助细胞）的功能减弱，同时先天免疫中的细胞毒性反应增强。

讨论与结论

本研究通过整合代谢组学和免疫表型分析，在影像学确诊的CAA卒中患者中初步探索了其潜在的生物标志物特征。主要发现有三个方面：首先，CAA患者脑脊液和血清中的咖啡因及其代谢物水平一致性地低于对照组，提示咖啡因代谢改变可能是CAA的一个特征。值得注意的是，咖啡因代谢物在脑脊液和血清中的比值高度相似，表明外周血测量可能可靠地反映中枢的咖啡因代谢状态。咖啡因及其主要代谢物副黄嘌呤已被证明具有通过抗氧化和调节神经炎症通路等机制发挥神经保护作用的潜力，例如在帕金森病和阿尔茨海默病中。类似机制可能也在CAA中起作用，咖啡因代谢的改变或许与CAA的病理过程相关。当然，研究者也谨慎指出，由于未评估患者的咖啡因摄入量，观察到的差异也可能反映了消费习惯的不同，这需要在未来研究中加以控制。

再次，氨基酸（包括亮氨酸、支链氨基酸等）水平在CAA患者和对照组之间未发现显著差异，这与某些其他神经退行性疾病中的发现不同，可能源于本研究的样本量较小，或提示氨基酸代谢在CAA中的作用模式有其特异性。

最后，也是本研究的一个突出发现，是CAA患者存在独特的免疫失调模式。即CD4⁺T细胞（特别是效应性和中央记忆亚群）的减少，伴随着细胞毒性NK细胞（CD56^dimCD16⁺）的增加。这种免疫格局的转变——适应性免疫减弱而先天细胞毒性增强——暗示了在CAA病理环境下免疫系统的一种特定应答模式。NK细胞作为重要的先天免疫效应细胞，其细胞毒性亚群在CAA中的扩增，可能与β淀粉样蛋白沉积引起的血管损伤、血脑屏障破坏及后续的神经炎症过程有关。虽然NK细胞可能试图清除受损细胞，但其过度激活也可能加剧血管损伤。而CD4⁺T细胞的减少则可能削弱了正常的免疫调节功能。这些发现为理解免疫系统在CAA（不仅限于罕见的炎症亚型，也包括常见类型）发病机制中的作用提供了新的线索。

当然，作为一项先导研究，本研究也存在一些局限性。样本量较小，特别是免疫表型分析队列，限制了结果的普适性。研究设计为横断面，无法推断因果关系或观察随疾病进展的变化。未对多重比较进行校正，增加了假阳性风险。未来需要在更大规模、设计更严谨（如前瞻性、纵向、控制咖啡因摄入）的队列中进行验证，并拓展分析更多的代谢通路。

尽管存在这些局限，这项研究的意义不容忽视。它首次尝试将代谢组学和免疫表型分析相结合，旨在发现CAA的特异性生物标志物。研究结果提示，外周血中咖啡因代谢物的水平以及特定的免疫细胞亚群（如CD4⁺T细胞和细胞毒性NK细胞）的变化，有潜力成为开发CAA早期诊断工具的新靶点。如果这些发现在后续研究中得到证实，将有望推动针对CAA的微创血液检测方法的发展，从而实现更早的诊断、更准确的风险评估以及更有效的干预。此外，探究这些代谢和免疫特征在不同CAA临床表现（如脑叶出血、腔隙性梗死、认知下降）中的差异，也将是未来一个极具价值的研究方向。