血浆代谢组学揭示体外循环心脏手术相关系统性代谢改变并识别术后结局候选预测因子：一项前瞻性队列研究

《Scientific Reports》：Plasma metabolomics reveals systemic alterations associated with cardiac surgery and identifies candidate predictors of postoperative outcomes: a prospective cohort study

　　

血浆代谢组学揭示与心脏手术及术后结局相关的系统性改变并识别术后结局候选预测因子：一项前瞻性队列研究。摘要：体外循环（cardiopulmonary bypass, CPB）心脏手术与应激和免疫反应相关的系统性代谢改变有关。研究人员旨在通过围术期代谢组学（metabolomics）绘制这些动态变化；此外，评估基线代谢物是否预测术后结局。于术前和术后采集血浆，发现队列（n = 98）和验证队列（n = 24）。采用Biocrates MxP Quant 500XL试剂盒进行靶向代谢组学（targeted metabolomics）检测。统计分析包括主成分分析（principal component analysis, PCA）、线性混合效应模型（linear mixed effects models, LMM）和基于机器学习的方法。血浆代谢组（plasma metabolome）在术前至术后表现出显著改变，主要由术后脂质降低驱动。基线代谢谱在结局组间未见整体分离。然而，在发现队列（n = 22个事件）中，单个术前代谢物显示出探索性证据，其对重症监护病房（intensive care unit, ICU）住院时间延长（> 3 d）的区分性能高于既定生物标志物（C反应蛋白（C-reactive protein, CRP）、尿素（urea））和临床风险评分。外部验证显示其区分能力与传统参数相当，但仅5个结局事件限制了精确度。研究人员的发现突出显示CPB后存在显著代谢改变，并提示基线代谢物可作为术后结局的候选预测因子，支持在更大队列中进一步评估其作为预后标志物的价值。试验注册：该研究于2019年3月15日在德国临床试验注册中心（German Clinical Trials Register, DRKS00016493，https://drks.de/search/en/trial/DRKS00016493）注册。

论文解读：心血管和心脏瓣膜疾病是全球发病和死亡的重要原因，尽管介入和药物治疗不断进展，冠状动脉旁路移植术（coronary artery bypass grafting, CABG）和心脏瓣膜置换等手术仍是主要治疗组成。心脏手术常需体外循环（cardiopulmonary bypass, CPB）维持全身灌注，但CPB可诱导严重系统性炎症，其表现可与脓毒症难以区分；该炎症状态与缺血–再灌注损伤及血液接触非内皮表面后激活体液和细胞免疫及凝血通路有关，初始高炎症阶段后可能出现免疫麻痹，增加感染并发症和器官功能障碍风险，延长住院时间并增加死亡风险。已有研究提示CPB后存在能量和氨基酸代谢、脂质氧化或氧化应激等适应性代谢反应，但机制仍未完全阐明。因此，研究人员开展前瞻性、单中心、纵向队列研究，旨在刻画CPB心脏手术前后血浆代谢组动态改变，并评估基线代谢组特征对术后结局的预测价值，与常规实验室标志物和临床结局评分进行基准比较，以支持减轻CPB相关结局的精准策略。研究发现CPB心脏手术与显著血浆代谢改变相关，主要为术后脂质降低；基线整体代谢谱未在结局组间分离，但单个术前代谢物对ICU住院时间（intensive care unit, ICU）延长具有探索性预测信号；外部验证中其区分能力与传统参数相当，但受结局事件数少限制。研究意义在于代谢组学可提高对CPB后系统性改变的表征，捕捉常规炎症标志物未覆盖的变化，并提示基线代谢物作为术后结局候选预测因子需在更大、有足够把握度队列中进一步评估。

关键技术方法（不超过250字）：研究为前瞻性单中心纵向队列，发现队列来自德国University Medical Center Schleswig–Holstein, Kiel，纳入98例择期CPB心脏手术成人；验证队列来自德国Otto-von-Guericke University Hospital, Magdeburg，纳入24例体外循环下CABG患者。术前于全麻诱导和液体给予后、抗生素预防前采血，术后于ICU入室即采血；验证队列术前禁食> 6 h。血浆采用Biocrates MxP Quant 500XL平台行靶向代谢组学检测，结合液相色谱–串联质谱（liquid chromatography–tandem mass spectrometry, LC–MS/MS）和流动注射分析–串联质谱（flow injection analysis–tandem mass spectrometry, FIA–MS/MS）。统计应用PCA、LMM、逻辑回归和最小绝对收缩和选择算子（least absolute shrinkage and selection operator, LASSO），采用10折及重复嵌套5折交叉验证，错误发现率（false discovery rate, FDR）< 0.10；主要终点为ICU住院时间> 3 d。

结果部分：
心脏手术与血浆代谢谱改变相关：通过93对匹配术前和术后样本的PCA联合PERMANOVA，研究发现术前与术后状态显著区分（R² = 0.126）；通过LMM，研究发现352种代谢物术后下调、27种上调。下调主要包括三酰甘油（triacylglycerols, TG）、氨基酸及衍生物（谷氨酸、三甲胺N-氧化物、异亮氨酸、半胱氨酸、吲哚硫酸盐）、胆固醇酯、磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰乙醇胺（lysophosphatidylethanolamines, LPE/PE）、磷脂酰肌醇、鞘磷脂（sphingomyelins, SM）、（己糖基）神经酰胺和溶血磷脂酰胆碱；上调包括有机酸（乌头酸、乳酸、马尿酸）、氨基酸及衍生物（丙氨酸、β-丙氨酸、组氨酸、牛磺酸、肌酐）、单酰甘油(18:2)、四种二酰甘油、两种TG、四种PE、四种LPE、两种磷脂酸（phosphatidic acids, PA）、磷脂酰甘油(16:1/18:1)和己糖。为评估血液稀释贡献，研究发现血红蛋白、血细胞比容、血小板计数和钠均下降；在血红蛋白下降≤1 g/dL、血细胞比容下降≤2%点的子组（n = 12）中，仍有187种代谢物显著下降、36种上升，其中164种下降和27种上升与主分析重叠，提示血液稀释可能贡献总体下降但非唯一驱动因素。

术前血浆代谢物与临床结局相关：通过PCA联合PERMANOVA，研究发现基线代谢谱及术前至术后相对代谢变化均未在ICU住院时间≤3 d与>3 d组间显示整体分离（R² = 0.0138和0.0127）。通过逻辑回归，研究发现1-甲基组氨酸、瓜氨酸和β-丙氨酸与ICU住院时间>3 d存在最强名义关联，但FDR校正后均未显著；CRP无关联。通过10折交叉验证逻辑回归，研究发现1-甲基组氨酸训练队列AUC 0.81、验证队列AUC 0.79，β-丙氨酸分别为0.80和0.71，胆碱分别为0.78和0.95；瓜氨酸在验证队列方向相反未复制；CRP预测性能较弱且不一致。调整肾小球滤过率（glomerular filtration rate, GFR）仅轻微影响关联。通过LASSO，研究发现1-甲基组氨酸、瓜氨酸、犬尿氨酸、β-丙氨酸、LPE(22:0)、SM(41:1)、SM(42:1)、TG(16:0/38:1)和TG(20:1/32:1)为预测因子，训练队列AUC 0.804，验证队列AUC 0.663；LPE(22:0)在外部队列缺失33.3%，因锁定模型需要而插补；敏感性分析排除LPE(22:0)后模型选择11种代谢物，预测性能在发现和外部验证队列中几乎相同。

基线代谢物面板与临床模型的预测性能比较：通过LASSO对基线实验室参数分析，研究发现尿素为唯一相关预测因子，训练队列AUC 0.75、验证队列AUC 0.68。通过相同10折交叉验证比较，研究发现发现队列中基线代谢物面板区分度最高（AUC 0.87），高于基线模型（0.69）、基线+CRP+尿素（0.78）、EuroSCORE II（0.69）和查尔森合并症指数（Charlson Comorbidity Index, CCI）（0.64）；在独立验证队列中，代谢物面板与基线、EuroSCORE II和实验室模型区分度相当，但5个结局事件限制精确度；面板A和B与基线变量组合时不稳定，仅面板C（犬尿氨酸、β-丙氨酸、瓜氨酸）与基线特征组合后区分度轻度改善；CCI在验证队列不可用。总体而言，基线代谢物面板在发现队列中显示改善的区分度；外部验证显示与传统临床参数性能相当，但结局事件少限制精确度。

讨论部分总结：术后TG、氨基酸和脂质总体下降，可能与能量需求增加、缺血–再灌注损伤及肝或肾等代谢相关器官功能障碍有关；脂质作为细胞膜和脂蛋白关键成分下降可能反映脂质转运改变及修复和免疫反应增强；溶血磷脂酰胆碱降低也见于脓毒症患者，支持脓毒症与CPB介导免疫反应的表型相似性；谷氨酸、异亮氨酸、半胱氨酸等与能量产生、抗氧化防御和氮代谢相关的氨基酸术后耗竭；吲哚硫酸盐降低可能提示围术期禁食或系统性应激下肠道微生物群变化，并与内皮功能障碍、ICU住院时间延长和1年死亡率相关。乳酸、乌头酸、马尿酸及β-丙氨酸、肌酐、组氨酸等上调与代谢应激、缺血–再灌注损伤、手术应激、炎症和围术期禁食相关。研究选择ICU住院时间作为临床相关恢复指标，但其受围术期管理和机构路径影响；单个代谢物如1-甲基组氨酸、瓜氨酸和β-丙氨酸显示中等探索性信号，FDR校正p值略高于预设阈值；SM(41:1)和犬尿氨酸在验证队列中亦为候选预测因子，与危重症、免疫调节及谵妄等不良预后相关。常规生物标志物CRP、尿素及临床风险评分CCI和EuroSCORE II在发现队列中对ICU住院时间延长的区分度低于代谢物模型，但在验证队列中与代谢物面板相当；CCI和EuroSCORE II并非专门为ICU住院时间预测开发。Rotar et al.开发了基于LASSO的ICU停留至少3 d模型，近期基于37 519例心脏手术的多机构模型对ICU停留至少72 h达到校正C-index 0.71。研究人员采用重复嵌套交叉验证LASSO识别代谢物集，训练队列AUC 0.80，外部验证降至0.66，可能与队列手术构成差异有关，训练队列手术范围更广而验证队列仅含CABG且CPB和主动脉阻断时间更短；发现队列22个事件和验证队列5个事件限制模型复杂度和精确度。代谢谱高度依赖患者特征、围术期因素和潜在生物学过程，异质性限制预测性能；尽管包含外部验证队列，但缺乏充分验证队列仍限制代谢组学预测模型可靠性。局限包括仅两个时间点评估、血液稀释不能完全与生物学效应分离、无off-pump或非手术对照无法区分CPB特异性贡献、术前样本在全身麻醉诱导和液体给予后采集、ICU住院时间可能不完全反映不良结局且其他终点结果不稳健。

研究结论翻译：总体而言，研究表明代谢组学改善了对CPB心脏手术后系统性改变的表征，捕捉了常规炎症标志物遗漏的变化。次要探索性分析识别出选定的术前代谢物，具有预测ICU住院时间延长的潜力，并在发现队列中较既定实验室标志物和临床评分具有改善的区分度。在外部队列中，其性能与传统参数相当，但精确度受小样本量和低结局事件数限制。这些预后发现需在更大、有足够把握度的队列中进一步评估。未来研究应使用高分辨率时间代谢组学分析以推导稳健的预测标志物，用于患者轨迹的纵向建模；整合额外组学层可能进一步阐明围术期代谢复杂性及其临床相关性。