轻度认知障碍患者代谢组学特征与白质高信号病变的相关性研究

《IBRO Neuroscience Reports》：Metabolic profile association with white matter hyperintensity in patients with mild cognitive impairment

　　

脑小血管病（包括脑白质高信号（WMH））与轻度认知障碍（MCI）及阿尔茨海默病（AD）病理高度相关。代谢物水平为阐明MCI中WMH的机制提供了线索。因此，本研究旨在探讨代谢物谱与MCI患者WMH之间的关联。研究人员从ADNI数据库中回顾性提取了MCI患者连续3年随访的代谢物谱和WMH数据。采用多变量logistic回归和混合模型回归（调整年龄、性别、受教育年限和ADAS-Cog13评分）评估代谢物水平与WMH的关联。本研究共纳入189例受试者，分为健康对照组（n=67）、MCI组（n=112）和AD组（n=10）。多变量logistic回归分析显示，甲硫氨酸、脱氧胆酸、氧化三甲胺、谷氨酸、丙氨酸、棕榈酰乙醇胺（PEA）和花生四烯酸与WMH呈正相关（OR:4.014 [95% CI: 1.329-12.128]；OR: 1.272 [95% CI: 1.076-1.504]；OR: 1.839 [95% CI: 1.007-1.390]；OR: 8.474 [95% CI: 2.730-26.300]；OR: 3.532 [95% CI: 1.544-8.076]；OR: 2.486 [95% CI: 1.152-5.364]；OR:2.110 [95% CI: 1.003-4.440]），而酪氨酸、脯氨酸、组氨酸和β-氨基丁酸与WMH呈负相关（OR:0.287 [95% CI:0.092-0.894]；OR:0.381 [95% CI:0.162-0.894]；OR:0.240 [95% CI:0.059-0.982]；OR: 0.598 [95% CI: 0.382-0.939]）。MCI组代谢物水平与WMH的关联较为复杂。其中一种可能的机制是MCI患者氨基酸过度消耗，导致血清中检测到的氨基酸水平降低，而其代谢产物在脑内积聚，从而增加WMH的风险。

阿尔茨海默病（AD）是最常见的痴呆病因，以渐进性记忆丧失为特征，严重影响患者日常生活质量。据预测，至2050年全球AD及其他痴呆症患者将达1.52亿，康复与护理负担将成为重大社会经济问题。尸检研究表明，80%确诊AD患者存在脑血管病理改变，包括皮质梗死、腔隙性梗死、脑微出血、多发微梗死及血脑屏障功能障碍，提示脑小血管病（SVD）、颅内动脉粥样硬化、动脉硬化、血管周围间隙扩大及脑淀粉样血管病（CAA）等病理过程。脑白质高信号（WMH）作为SVD的特征性影像学表现，在T₂加权磁共振成像（MRI）上呈弥漫性高信号，与脱髓鞘、少突胶质细胞丢失及轴突损伤密切相关。研究证实WMH与AD严重程度显著相关，尤其是顶叶、颞叶及枕叶WMH，其中胼胝体压部（S-CC）WMH被认为是AD早期核心特征。

代谢组学技术通过分析氨基酸、碳水化合物、脂质、核苷酸等代谢物，为关联生物学过程与基因组学、蛋白质组学搭建了桥梁。代谢物失调相关疾病如2型糖尿病可增加AD风险，提示代谢物在疾病发生发展中的重要作用。AD患者脑脊液和血液中缬氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸及D-谷氨酸浓度降低，脂质代谢紊乱尤其是胆固醇代谢异常、神经酰胺及饱和脂肪酸水平升高与AD发病相关。此外，肠道微生物来源的血液代谢物如氧化三甲胺（TMAO）升高与认知功能下降相关。

神经影像技术作为AD诊断的重要生物标志物，包括¹⁸F-氟脱氧葡萄糖正电子发射断层成像（PET）、Aβ和tau PET、常规MRI、弥散张量成像及¹H磁共振波谱（MRS）等。既往研究证实了代谢物水平与神经影像学标志物的关联，如T₁加权图像与MRS代谢物联合模型可有效分类AD，基于MRI的氘（²H）代谢成像（DMI）可揭示AD组氧化葡萄糖代谢受损，磷脂酰胆碱与SVD特征及WMH相关。然而，既往研究多局限于少数代谢物且缺乏纵向数据，代谢物谱与认知障碍患者WMH的关系尚未充分阐明。因此，本研究旨在评估MCI患者血液代谢物谱与WMH随时间的相关性。

本研究采用回顾性纵向设计，数据来源于阿尔茨海默病神经影像学倡议（ADNI）数据库。该数据库于2003年启动，旨在验证系列MRI、PET、生物标志物及临床神经心理学评估联合测量MCI和早期AD进展的可行性。研究从ADNI-1、ADNI-GO和ADNI-2中筛选1524例接受代谢物谱评估、1822例接受全脑MRI检查的受试者，其中842例同时完成两项检查。排除代谢物评估与MRI检查间隔超过1年的210例，以及随访不足3年或缺乏随访数据的443例，最终纳入189例连续3年完成代谢物谱评估和MRI检查的受试者，分为健康对照组67例、MCI组112例和AD组10例。

WMH定量采用基于贝叶斯分割法的高分辨率3D T₁和FLAIR序列分析方法。通过自动图谱法排除非脑结构，FLAIR图像经FSL工具箱FLIRT方法仿射变换至3D T₁图像，采用B样条变形与模板校正T₁图像非均匀性。FLAIR图像配准后采用局部直方图归一化技术校正非均匀性，通过非线性对齐至标准模板图谱，利用基于直方图拟合的改进贝叶斯概率法估计WMH，以超过均值3.5个标准差为阈值生成二值化WMH掩模，最后反变换至原始空间计算组织体积。

血液样本采用Biogrates公司MxP Quant 500试剂盒制备，经衍生化、超高效液相色谱（UPLC）分离及质谱分析。UPLC采用Exion AD液相色谱仪，梯度洗脱分离，总运行时间约6分钟/样本。样本经电喷雾电离正离子（ESI⁺）和负离子（ESI^-）模式下的多反应监测（MRM）模式，于QTRAP 6500⁺质谱仪上分析。酰基肉碱、己糖、甘油二酯、甘油三酯、溶血磷脂酰胆碱、磷脂酰胆碱、鞘磷脂、神经酰胺及胆固醇酯等经流量注射分析-串联质谱（FIA-MS/MS）方法检测。

统计分析中，受试者按ADNI数据库医师诊断报告分为正常对照、MCI和AD三组。基线特征采用Kolmogorov-Smirnov和Shapiro-Wilk检验评估正态性，组间比较采用χ²检验和Kruskal-Wallis检验。纵向分析采用混合模型回归评估代谢物谱与WMH的关联，多变量logistic回归计算比值比（OR）。亚组分析中，基线数据采用有序logistic回归模型，纵向数据采用Cox比例风险回归计算风险比（HR）。WMH与认知障碍严重程度的时程关联采用重复测量方差分析（Greenhouse-Geisser校正）评估，计算η²效应量和检验效能。所有分析调整基线性别、受教育年限及随时间变化的年龄和ADAS-Cog13评分，以P<0.05为显著性标准。

研究结果显示，三组受试者在年龄（P<0.001）、ADAS-Cog13评分（P<0.000）、CDR-SB评分（P<0.000）和CDR-GS评分（P<0.000）上存在显著差异，但受教育年限和性别分布无显著差异。

代谢物谱与WMH的关联分析显示，混合模型回归发现酪氨酸（估计值=-1.891, 95% CI: -2.744至-1.039, P<0.001）、甘氨酸（估计值=-1.207, 95% CI: -1.900至-0.514, P=0.001）、β-氨基丁酸（估计值=-0.862, 95% CI: -1.375至-0.349, P=0.001）、组氨酸（估计值=-1.691, 95% CI: -2.994至-0.388, P=0.011）和脯氨酸（估计值=-0.691, 95% CI: -1.252至-0.129, P=0.016）为WMH的保护性代谢物。相反，甲硫氨酸（估计值=1.819, 95% CI: 0.761-2.877, P=0.001）、二羟基苯丙氨酸（DOPA）（估计值=0.685, 95% CI: 0.187-1.183, P=0.007）、甜菜碱（估计值=0.548, 95% CI: 0.150-0.947, P=0.007）、谷氨酸（估计值=1.601, 95% CI: 0.424-2.778, P=0.008）、对称二甲基精氨酸（估计值=0.088, 95% CI: 0.006-0.170, P=0.035）和二氯乙酸（估计值=0.171, 95% CI: 0.005-0.337, P=0.043）与WMH正相关，其中酪氨酸和甲硫氨酸相关性最强。

多变量logistic回归揭示12种代谢物与WMH强相关。7种血清代谢物与WMH显著关联：谷氨酸（Wald χ²=13.677, OR=8.474, 95% CI: 2.730-26.300, P<0.01）、甲硫氨酸（Wald χ²=6.070, OR=4.014, 95% CI: 1.329-12.128, P=0.014）、丙氨酸（Wald χ²=8.939, OR=3.532, 95% CI: 1.544-8.076, P<0.01）、棕榈酰乙醇胺（PEA）（Wald χ²=5.385, OR=2.486, 95% CI: 1.152-5.364, P=0.02）、氧化三甲胺（Wald χ²=4.203, OR=1.183, 95% CI: 1.007-1.390, P=0.04）、脱氧胆酸（Wald χ²=7.950, OR=1.272, 95% CI: 1.076-1.504, P<0.01）和花生四烯酸（Wald χ²=3.871, OR=2.110, 95% CI: 1.003-4.440, P=0.049）与WMH正相关。3种氨基酸（组氨酸OR=0.240、脯氨酸OR=0.381、酪氨酸OR=0.287）及β-氨基丁酸（OR=0.598）与WMH负相关。

血清代谢物与MCI严重程度关联的有序logistic回归分析显示，牛磺酸（OR=8.475, P=0.005）和亮氨酸与MCI严重程度正相关，而马尿酸、色氨酸、瓜氨酸和天冬酰胺呈负相关，其中瓜氨酸保护作用最显著（OR=0.88, P=0.003）。纵向Cox回归分析中，氨基酸亚组中丙氨酸（HR=0.24, P=0.048）、谷氨酰胺（HR=0.192, P<0.000）和苏氨酸（HR=0.152, P=0.014）具有保护作用，而赖氨酸（HR=20.627, P=0.016）和脯氨酸（HR=5.161, P=0.002）与MCI严重程度显著相关。脂肪酸中，油酸与MCI负相关（HR=0.0356, P=0.002），亚油酸正相关（HR=1.889, P=0.004）。吲哚（HR=0.674, P=0.025）和胆碱（HR=0.147, P=0.001）具有保护作用。甜菜碱（HR=2.506, P=0.019）、甘胆酸（HR=1.712, P=0.022）和PEA（HR=3.887, P=0.021）与MCI严重程度正相关。

WMH与疾病严重程度的重复测量方差分析显示，MCI组WMH在3年间较对照组显著增加（Greenhouse-Geisser校正P=0.048, η²=0.018, 检验效能=0.575）。MCI组第2年与第3年（P=0.008）、第1年与第3年（P=0.006）差异显著，而正常对照组各年间无显著差异。图示表明WMH是缓慢进展性过程，在MCI患者中加速进展。

讨论部分深入阐释了各代谢物与WMH及MCI关联的潜在机制。丙氨酸与AD患者脑脊液tau水平正相关，可能缘于丙氨酸转氨酶活性降低导致α-酮戊二酸向谷氨酸转化减少及星形胶质细胞谷氨酸摄取下降。本研究发现α-丙氨酸对MCI具有保护作用（HR=0.240），但与WMH正相关（OR=3.532），提示其对MCI的复杂影响，高丙氨酸伴高WMH但认知障碍不显著的矛盾现象可能与肠道微生物群差异有关。谷氨酸与WMH正相关，与其通过2型糖尿病、肥胖、血脂异常和胰岛素抵抗增加动脉粥样硬化风险的作用一致，也可能通过上调CYP46A1酶促进24S-羟胆固醇生成从而增加Aβ斑块形成风险。

组氨酸和β-丙氨酸是合成肌肽的必需成分，肌肽有益于控制AD中的氧化和亚硝化应激，并减少Aβ聚集。本研究中组氨酸与WMH负相关（OR=0.240）。谷氨酰胺对AD具有保护作用（OR=0.81），本研究证实其保护效应（HR=0.192）。苏氨酸在本研究中也显示保护作用（HR=0.152）。甲硫氨酸与WMH正相关，与高同型半胱氨酸血症及脑影像学改变相关，过量活性氧（ROS）导致甲硫氨酸-亚砜不可逆转化为甲硫氨酸-砜，引发蛋白质羰基化或细胞内蛋白质代谢失调，包括Aβ聚集。甜菜碱参与同型半胱氨酸向甲硫氨酸转化，本研究中甜菜碱和甲硫氨酸均与WMH正相关，但同型半胱氨酸水平未评估，三者相互作用尚难定论。

PEA在本研究中增加WMH（OR=2.486）和认知障碍风险（HR=3.887），与既往体外和体内AD模型研究的保护效应形成矛盾，可能源于方法学差异。TMAO通过触发少突胶质细胞ROS/NLRP3炎症小体信号通路导致焦亡和线粒体功能障碍，与WMH相关，并通过增强脑SVD（包括急性腔隙性梗死，OR=1.67）增加WMH风险。脱氧胆酸作为次级胆汁酸促进脂肪吸收，与WMH正相关，与既往报道的次级胆汁酸/初级胆汁酸比值升高为认知恶化因素的结论一致。花生四烯酸与WMH体积增加相关（OR=2.110），低二十碳五烯酸/花生四烯酸比值与WMH和AD进展风险升高相关。

脯氨酸对认知障碍严重程度和WMH均具有保护作用（OR=0.381），D-脯氨酸在AD患者中降低。亚油酸（HR=1.889）和甘胆酸（HR=1.712）增加认知障碍进展风险，而油酸具有保护作用（HR=0.0356）。MCI组症状严重程度和WMH随时间增加，重复测量分析证实WMH与MCI的纵向相关性（P=0.048）。肠道微生物群对血液代谢物浓度具有显著影响，与WMH、脑SVD和认知障碍相关，WMH增加及其与微生物群、代谢物水平、类淋巴系统功能障碍和认知障碍的关联，凸显了导致AD进展的复杂相互作用。

研究结论指出，WMH病因涉及多种因素。本研究分析了MCI患者血清代谢物谱（氨基酸、胺氧化物、胆汁酸、生物胺、羧酸、脂肪酸、激素、吲哚衍生物、核碱基相关物质及维生素辅因子），发现MCI组WMH与代谢物水平变化相关。由于WMH严重程度与疾病严重程度相关，可推测代谢物水平失调与WMH及MCI病理具有协同效应。