创伤性脑损伤后脑脊液的代谢组学研究：探索继发性损伤的生物标志物及其严重程度

《Neurotherapeutics》：Metabolomics of cerebrospinal fluid following traumatic brain injury: Exploration of biomarkers for secondary injuries and severity

　　本研究通过纵向脑脊液代谢组学分析，发现创伤性脑损伤（TBI）患者代谢谱随时间动态变化，早期（第1天）以能量代谢相关物质异常为主，中期（第3天）氨基酸和脂肪酸代谢显著紊乱，晚期（第7天）修复相关代谢物积累。共鉴定出201种差异代谢物，其中l-谷氨酰胺、TMAO等12种代谢物同时与损伤严重程度（GCS评分）和时间进程相关，证实代谢重编程揭示了TBI急性期炎症、亚急性期二次损伤和慢性期修复的动态病理机制，并初步验证血清中TMAO、l-谷氨酰胺等标志物可用于监测病情。

　　创伤性脑损伤（TBI）是一种严重的全球公共卫生问题，与高死亡率和长期残疾密切相关。目前，TBI的诊断方法和其潜在的病理生理机制仍未完全阐明。本研究通过高分辨率质谱技术，对23名TBI患者（包括9名轻度TBI和14名重度TBI）及5名未受伤对照组的脑脊液（CSF）进行了纵向代谢组学分析，采集了受伤后第1天、第3天和第7天的样本，以揭示TBI后代谢物的动态变化。研究结果表明，TBI会导致CSF代谢组的显著改变，且这些变化在时间上具有特定的模式，能够反映从急性损伤到次级病理过程再到慢性恢复阶段的动态演变过程。

研究发现，TBI后早期阶段（第1天）的代谢变化主要集中在能量相关代谢物上，如鞘氨醇、葡萄糖和乳酸。这些代谢物的变化可能反映了脑组织在受到外力冲击后的即时应激反应和能量代谢的紊乱。到了第3天，代谢物的变化更加显著，特别是氨基酸（如谷氨酰胺和组氨酸）以及中链脂肪酸（如辛酸和癸酸）的浓度变化。这一阶段的代谢物变化提示，TBI从最初的直接损伤（初级损伤）逐渐过渡到次级损伤机制，如炎症反应、氧化应激和细胞凋亡等。第7天的代谢物谱型则表现出修复相关代谢物的积累，如2′-脱氧尿苷5′-单磷酸和1,2-二十六烷酰-sn-甘油，这可能表明在慢性阶段，机体开始启动修复机制，同时也可能伴随持续的病理过程。

值得注意的是，本研究还识别出一些已知的生物标志物（如三甲胺N-氧化物）和新的小肽（如甘氨酸-组氨酸-赖氨酸）在TBI患者中的显著变化。这些代谢物的变化能够有效区分轻度与重度TBI病例，为TBI的分期和治疗监测提供了新的视角。通过分析这些代谢物的表达模式，研究揭示了TBI在不同阶段所涉及的复杂代谢重编程现象，这不仅有助于理解TBI的发病机制，也为临床诊断和治疗提供了潜在的分子标记物。

在方法学方面，研究团队采用了非靶向代谢组学和脂质组学相结合的方式，利用高分辨率液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术对样本进行了全面分析。研究过程中，对原始质谱数据进行了预处理，包括将数据转换为MzXML格式，并使用XCMS软件进行峰检测和分组。为了进一步验证关键代谢物的变化，研究还采用了酶联免疫吸附测定（ELISA）和WST-8检测方法，对TBI患者和对照组的血清和脑脊液中的谷氨酰胺、TMAO和鞘氨醇等物质进行了定量分析。结果显示，这些代谢物在TBI患者中的浓度变化与对照组相比具有显著差异，且其变化趋势在血清和脑脊液中保持一致，表明TBI引起的代谢紊乱在全身范围内具有代表性。

此外，研究通过Spearman相关性分析，发现多种代谢物与GCS评分密切相关。其中，谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酸表现出与GCS评分正相关，而TMAO和S-甲基-5′-硫代腺苷则与GCS评分负相关。这些结果表明，代谢物的变化不仅反映了TBI的严重程度，还能够作为评估患者病情进展的客观指标。同时，研究还发现，一些代谢物在TBI后的不同时间点表现出特定的动态变化，例如谷氨酰胺在TBI后的持续下降可能与神经元功能受损和氨代谢障碍有关，而TMAO的升高则可能与神经炎症的激活相关。

本研究还对50种差异代谢物进行了聚类分析，将其分为9个不同的代谢物群体，分别对应不同的时间轨迹和病理机制。其中，第2、第4和第9组的代谢物表现出显著的富集现象，可能代表TBI的核心代谢程序。第2组代谢物在第7天表现出延迟的上调，可能与晚期修复或补偿机制有关；第4组代谢物在所有时间点都表现出持续的降低，可能反映了慢性阶段的脂质代谢障碍和膜完整性受损；而第9组代谢物则表现出持续的升高，可能与氧化应激和细胞重塑有关。这些代谢物的变化模式为TBI的动态病理过程提供了新的理解。

在TBI的早期阶段（第1天），脑脊液代谢谱显示出能量失衡和早期炎症反应的迹象，包括某些氨基酸（如谷氨酰胺和组氨酸）、脂质相关代谢物（如鞘氨醇和1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油）以及代谢中间产物（如D-肌醇-1,4-二磷酸）的减少。这些变化可能与初级脑损伤后的急性应激反应有关，如能量代谢的紊乱和神经元的氧化应激。谷氨酰胺作为抗氧化剂，能够减少颅内氧化应激和神经元凋亡，同时还能调节神经递质的合成与代谢，影响神经功能。此外，谷氨酰胺的减少可能有助于缓解星形胶质细胞肿胀，但同时也会加剧缺氧引起的神经元损伤，显示出其在脑组织保护中的双重作用。

到了第3天，代谢物的变化更加显著。一些代谢物如2-酮己酸、谷氨酰胺、组氨酸和1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油的浓度继续下降，同时部分代谢物的表达趋势发生了逆转。例如，2,3-喹啉二酮和葡萄糖醛酸在第3天达到最高水平，而在第1天和第7天则相对较低。这种变化可能反映了次级损伤机制的高峰或加剧，如炎症反应的增强和氧化应激的进一步发展。此外，中链脂肪酸（如辛酸和癸酸）在第3天的显著升高提示细胞脂质代谢和信号通路发生了显著改变，可能与细胞损伤后的修复过程有关。

在第7天，代谢谱逐渐向慢性阶段的特征转变。某些代谢物如2′-脱氧尿苷5′-单磷酸、色胺酸和1,2-二十六烷酰-sn-甘油的持续升高可能与细胞增殖和DNA修复过程相关。同时，乳酸、鞘氨醇、同型半胱氨酸和乳酸等代谢物的持续升高则可能反映了代谢物在慢性阶段的积累。这些发现为TBI的慢性病理过程提供了新的视角，并为未来的诊断和治疗策略提供了潜在的分子靶点。

本研究还揭示了TBI后CSF代谢组与GCS评分之间的显著关联。某些代谢物如谷氨酰胺、N-乙酰谷氨酸和N8-乙酰精胺与GCS评分呈正相关，且在重度TBI中持续下降，这可能表明重度TBI患者的神经元代谢功能受到更严重的损害。相反，S-甲基-5′-硫代腺苷在重度TBI中表现出显著的升高，这可能与细胞损伤、凋亡或嘌呤回收通路的阻断有关。这些代谢物的变化不仅能够反映TBI的严重程度，还可能在次级病理过程中起到重要作用，如干扰甲基化循环或诱导细胞应激。

此外，本研究还验证了关键代谢物在血清中的变化，发现TMAO和乳酸的浓度在TBI患者中显著升高，而谷氨酰胺和鞘氨醇的浓度则显著降低。这种血清和脑脊液中代谢物浓度的一致性表明，TBI引起的代谢紊乱不仅局限于中枢神经系统，还可能影响到全身代谢状态。TMAO的显著异质性可能与肠道屏障和血脑屏障功能障碍有关，这为开发基于血液的TBI生物标志物提供了新的思路。

尽管本研究取得了重要进展，但仍存在一些局限性。首先，样本量相对较小，某些代谢物（如TMAO）的显著升高仅在部分患者中观察到，因此需要在更大规模、多中心的队列中进一步验证这些代谢物是否具有普遍的TBI相关代谢特征。其次，由于轻度TBI患者的纵向采样不完整，部分代谢物的时间轨迹可能未能准确反映其在轻度TBI中的变化，这可能影响研究结果的全面性。此外，TBI患者的脑脊液中可能含有多种外源性代谢物，如药物成分，因此需要采取严格措施以控制这些潜在的干扰因素。最后，虽然本研究识别了一些与TBI进展相关的新型代谢物，但这些代谢物的具体生物学功能和机制仍需进一步探索，以验证其在临床中的应用价值。

总之，本研究通过纵向代谢组学分析，揭示了TBI后脑脊液代谢物的动态变化及其与病情严重程度的关联。这些发现不仅有助于理解TBI的病理生理过程，还为开发新的诊断工具和治疗策略提供了重要依据。未来的研究应进一步探索这些代谢物的具体机制，并在更大规模的队列中验证其作为生物标志物的潜力。