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这篇研究通过对比脑静脉窦和股动脉血样的代谢组和脂质组，发现大脑对葡萄糖、牛磺酸等物质的高摄取，谷氨酰胺和丙酮酸的释放等。还揭示了年龄和疾病相关的代谢差异，为理解大脑代谢、改善脑健康及疾病诊疗提供了重要依据。
研究背景
哺乳动物大脑能量需求大且代谢独特，虽仅占体重约 2%，却消耗近 20% 的身体葡萄糖和氧气资源。大脑与循环系统间的代谢物和脂质交换，对维持大脑正常功能至关重要，如为大脑提供燃料和营养，清除代谢废物。此前虽已知大脑使用葡萄糖等部分代谢物，但多数代谢物的摄取和释放模式仍不明确。代谢组学技术发展使高通量研究成为可能，本研究旨在利用非靶向代谢组学方法和靶向脂质组学分析，全面刻画人类大脑的代谢和脂质消耗及生成情况。
研究方法
- 研究对象：选取 28 名（9 名男性，19 名女性）平均年龄 35.9±11.1 岁，正在接受脑静脉介入手术的患者作为研究对象。这些患者符合特定的入选标准，包括有颅内压升高症状、影像学显示静脉窦狭窄、需进行静脉窦压力测量或可能需要经静脉侧窦支架置入，且主要临床诊断为特发性颅内高压并发静脉狭窄和（或）慢性静脉窦血栓形成。研究获得伦理批准，患者或其法定监护人签署了知情同意书。
- 样本采集：患者术前需禁食一夜，手术过程中，通过插入股动脉和股静脉鞘管采集血样。从股动脉（FA）采集动脉血，从颈静脉球、静脉窦或窦汇（统称脑静脉窦，CVS）采集脑静脉血，从股静脉（FV）采集外周静脉血作为腿部分析样本。血样采集后，立即转移至涂有锂 - 肝素的真空管中并置于冰上，随后离心分离血浆，于 -80°C 保存。
- 代谢物提取：取 15μl 血浆用于代谢物提取，加入 120μl 90%（vol/vol）乙腈 / 水溶液沉淀蛋白质，涡旋、离心后取上清用于 HPLC - MS 分析。部分上清液混合作为质量控制（QC）样本，另一部分经冻干、复溶、涡旋和离心后，得到浓度为其他样本三倍的富集样本，用于串联质谱（MS/MS）分析。
- 代谢组学分析：采用高分辨率四极杆 - 轨道阱质谱仪（Q Exactive），在正负离子模式下运行，与 HILIC - Z 柱和 Vanquish UHPLC 系统联用。设置不同的流动相和梯度参数进行代谢物分离，采集全 MS 数据和数据依赖的 MS/MS（ddMS2）数据。通过 ProteoWizard 的 MS Convert 将全 MS 数据集转换为 *.mzML 文件，利用 Scripps XCMSplus 和 Compound Discoverer 3.2 软件处理数据，与多个数据库比对注释代谢物，并通过 Tracefinder 5.1 软件进行代谢物鉴定和定量。同时构建包含 462 种小分子代谢物的内部 LC - MS 库，进一步提高代谢物鉴定的准确性。
- 脂质提取与分析：采用改良的 Bligh 和 Dyer 方法从 20μl 血浆中提取脂质，通过不同的色谱柱和检测方法对不同类别的脂质进行分离和定量。使用 LION/web 在线平台进行脂质本体富集分析和网络分析。
- 数据分析：进行主成分分析（PCA）、层次聚类和偏最小二乘判别分析（PLS - DA）等多元数据分析。通过计算静脉（V）与动脉（A）中代谢物丰度的比值（V/A），判断代谢物的摄取或释放情况。使用配对 t 检验或 Wilcoxon 检验评估差异的显著性，通过 Benjamini - Hochberg 方法校正 p 值，设定错误发现率（FDR）阈值为 0.05。
研究结果
- 代谢组学分析
- 代谢物谱特征：对血浆样本的代谢组学分析显示，FA、CVS 和 FV 样本的代谢物谱在 PCA 和聚类分析中呈现良好的生物学重复性，个体间代谢差异大于同一受试者内动静脉差异。在 5384 个测量的离子特征中，鉴定出 1365 种在大脑中被摄取或释放的代谢物。多数注释代谢物的净摄取 / 释放绝对值小于 30%，但部分未鉴定化合物的净摄取 / 释放较大。
- 特定代谢物的摄取和释放：大脑显著摄取葡萄糖、次黄嘌呤和牛磺酸等，释放丙酮酸、谷氨酰胺和天冬酰胺等。许多亲水性代谢物的摄取与循环水平成正比，部分代谢物的释放也与循环丰度相关。此外，还发现大量未注释代谢物在大脑中被摄取或释放。
- 代谢途径分析：通过通路分析和代谢物集富集分析（MSEA），发现显著富集的代谢途径包括氨基酸酰 - tRNA 生物合成、精氨酸和脯氨酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、谷氨酰胺和谷氨酸代谢以及嘌呤代谢等。其中，谷氨酰胺和谷氨酸代谢在神经调节活动中起关键作用，嘌呤代谢中嘌呤补救途径（PSP）在大脑中相对活跃，表明大脑可能从血液中摄取预先形成的嘌呤并利用肝脏来源的核苷。
- 脂质组学分析
- 脂质交换特征：对 654 种脂质进行靶向脂质组学测量，PCA 显示同一受试者的三个血浆样本紧密聚集。大脑摄取 63 种脂质，包括三酰甘油（TAG）、磷脂酰胆碱（PC）等；释放 77 种脂质，如磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰肌醇（PI）等。TAG 是大脑摄取的主要脂质类别，PE、PI 和游离脂肪酸（FFA）是主要释放的脂质类别。
- 脂质代谢定量分析：计算脂质的净需求和生成量，发现 TAG50:3 (18:2) 是大脑消耗最多的脂质，FFA 是主要释放的脂质。脂质本体富集和网络分析表明，大脑摄取的脂质主要与脂质储存有关，释放的脂质主要与细胞膜、内质网或线粒体的形成原料相关。
- 年龄相关的代谢变化：将参与者分为 20 多岁（18 - 29 岁）和 40 - 60 岁两个年龄组进行分析，发现 208 种化合物存在显著的年龄相关摄取或释放差异，可分为 10 种模式。随着年龄增长，大脑对葡萄糖、牛磺酸和 3 - 甲基戊二酸（3MGA）的消耗减少，释放更多的天冬酰胺、胆绿素、胆碱等小分子代谢物和部分脂质（如 LPE18:1、LPE18:2 等）。
- 疾病相关的代谢差异：比较脑静脉窦狭窄（CVSS）和脑静脉窦血栓形成（CVST）患者的大脑代谢情况，发现两者代谢组学特征不同。CVSS 患者大脑消耗更多葡萄糖和乳酸，释放更多葡萄糖代谢副产物；CVST 患者大脑葡萄糖和乳酸消耗减少，消耗更多色氨酸、TAG50:3 (16:2) 和 TAG54:4 (16:0)，释放更多柠檬酸盐。
- 随访患者的代谢分析：对部分接受脑静脉支架植入术后的患者进行随访，分析其动脉和静脉血浆样本。结果显示，这些患者的大脑动静脉代谢组学数据与初始 28 名受试者相似，再次验证了大脑对某些代谢物的摄取和释放情况。
研究讨论
- 代谢物作为潜在生物标志物：本研究鉴定出的大脑摄取的代谢物，未来有望作为各种神经系统疾病的潜在 PET 生物标志物。通过推断成人人类大脑每分钟代谢物的绝对净摄取和释放量，发现葡萄糖、谷氨酸等代谢物在大脑代谢中较为突出。尽管部分代谢物的研究结果与以往不同，但本研究通过改进样本采集方法，排除了非脑头部组织的影响，为研究大脑代谢提供了更准确的数据。
- 年龄和疾病对大脑代谢的影响：年龄相关的大脑代谢变化表明，随着年龄增长，大脑代谢活动下降，这与大脑对某些营养物质的消耗减少和代谢废物释放增加有关。CVSS 和 CVST 患者大脑代谢的差异，可能与疾病导致的脑供血、氧供应变化以及血液高凝状态和微循环恶化有关。
- 研究的局限性与展望：本研究存在一定局限性，如部分代谢物浓度计算依赖文献数据，个体生理参数和测量条件的差异可能影响结果准确性。未来研究可进一步优化实验设计，更深入地探究大脑代谢的机制，为改善脑健康和治疗脑部疾病提供更坚实的理论基础。
