基于NMR代谢组学的大鼠阿尔茨海默病模型血清代谢物定量分析揭示早期生物标志物及病理机制

　　本综述系统探讨了利用核磁共振（NMR）代谢组学技术分析阿尔茨海默病（AD）模型大鼠（OXYS品系）血清代谢物的研究成果。研究揭示了AD不同发展阶段（临床前期、早期和晚期）的特异性代谢变化，鉴定出赖氨酸、支链氨基酸（BCAAs）、丙酮酸等潜在血液生物标志物，为AD早期诊断及病理机制研究提供了重要依据。

　　

引言

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）作为最常见的神经退行性疾病和老年痴呆的主要病因，目前仍缺乏有效治疗手段。年龄是散发性AD（占病例95%以上）最重要的风险因素，其神经退行性变化在出现认知障碍症状前已隐匿发展数十年。随着全球人口老龄化加剧，预计到2050年痴呆症患者将超过1.5亿人，这促使研究者亟需开发早期诊断方法。尽管神经影像学和脑脊液生物标志物具有一定诊断价值，但其应用受限于可及性、成本和侵入性等因素，因此血液生物标志物的开发成为当前研究热点。

代谢功能障碍被认为是AD的风险因素之一，可能与病理分子级联反应的触发密切相关。值得注意的是，在淀粉样蛋白阳性个体的血液代谢组学分析中发现，在认知衰退发生前3年，进展型与稳定型个体的特定代谢物水平就已出现差异。这表明大脑病理变化可能通过血液代谢物反映出来，这些代谢物有望成为AD的诊断标志物。

材料与方法

本研究采用快速衰老的OXYS大鼠作为散发性AD的独特动物模型。该品系大鼠会自发出现AD的所有关键特征：神经退行性结构改变、神经元丢失、突触功能障碍、神经营养供应紊乱、脑血管变化、海马Aβ_1-42积累和tau蛋白过度磷酸化，以及随年龄增长而加重的线粒体功能障碍背景下的认知损伤。

研究选取三个年龄组：20天（无AD表现的临床前期）、4个月（AD征象初现）和16个月（AD征象活跃进展期），以同龄Wistar大鼠作为对照。通过基于NMR的代谢组学技术对大鼠血清进行代谢谱分析，共检测到55种代谢物，浓度范围从0.3μM到7.6mM。最丰富的血清代谢物包括乳酸、葡萄糖、丙氨酸、谷氨酰胺、3-羟基丁酸、甘氨酸、肌酸和赖氨酸。

结果

年龄相关的代谢组变化

主成分分析（PCA）显示，Wistar和OXYS大鼠的血清代谢谱在20天龄时与4月龄和16月龄存在显著差异，主要沿第一主成分分离（Wistar为38.0%，OXYS为46.1%）。从20天到4月龄期间，两组大鼠均发现20种差异代谢物（8种降低，12种升高），主要涉及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、糖酵解/糖异生以及丙酮酸代谢等通路。从4月到16月龄期间，差异代谢物数量减少，主要与嘌呤代谢、氮代谢和精氨酸生物合成相关。

值得注意的是，二甲甘氨酸是唯一在两种品系大鼠衰老过程中均发生变化的代谢物，其水平在20天到4月龄间下降，随后到16月龄时上升。这种变化可能反映了正常和加速衰老过程中均出现的血管功能障碍。

AD样病理对血清代谢组的影响

研究发现，品系间差异在20天龄时最为显著，此时OXYS大鼠尚未表现出AD症状；在4月龄AD征象显现时期差异最小；到16月龄AD活跃进展期差异再次增大。

在20天龄OXYS大鼠中，亮氨酸、异亮氨酸和谷氨酰胺水平降低，而肌酸、组氨酸、甘氨酸、甘露糖、尿囊素、丝氨酸、赖氨酸、丙酮酸和抗坏血酸水平升高。其中最显著的是肌酸浓度差异（OXYS: 260μM vs Wistar: 180μM）。代谢物集富集分析（MSEA）显示最受影响的通路包括嘌呤代谢、乙醛酸和二羧酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢以及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢。

在4月龄大鼠中，OXYS品系的柠檬酸盐、3-甲基-2-氧代戊酸酯、甜菜碱、谷氨酸盐、乳酸、磷酸胆碱和丙酮酸水平降低，仅 sarcosine 水平升高。到16月龄时，OXYS大鼠的甘油、2-酮异戊酸、3-甲基-2-氧代戊酸酯、苏氨酸、脯氨酸、酮亮氨酸、鸟氨酸、蛋氨酸和丙酮酸水平降低，而抗坏血酸、二甲胺和甲酸盐水平升高。

丙酮酸是唯一在AD发展的所有阶段均出现品系差异的代谢物，其在20天龄OXYS大鼠中升高，在4月和16月龄时降低。这种变化反映了能量代谢紊乱，这是神经退行性疾病的典型特征。

讨论

本研究首次系统分析了AD样病理发展过程中血清代谢组的动态变化，并与先前研究的海马代谢组数据进行比较。研究发现，最显著的品系间差异出现在20天龄时期，相当于人类AD发展的临床前期阶段。

潜在AD血液生物标志物包括赖氨酸、支链氨基酸（BCAAs）、丙氨酸、鸟氨酸、肌酸、谷氨酰胺和丙酮酸，这些发现与人类AD研究高度一致。特别是BCAAs（亮氨酸和异亮氨酸）的降低可能与线粒体功能障碍有关，我们先前的研究表明OXYS大鼠从早期年龄就存在线粒体功能异常。

值得注意的是，血液和大脑中观察到的代谢组变化既存在共同点也存在差异，且往往方向相反。这种相反的变化模式见于乙酸、胞苷、组氨酸和异亮氨酸等代谢物。这种差异可能源于血脑屏障（BBB）的功能状态变化。我们先前的研究发现OXYS大鼠在生命最初3周海马区就存在BBB通透性改变，这可以解释20天龄大鼠中尿囊素和组氨酸在血清中升高而在海马中降低的现象。

在AD晚期，苏氨酸在血液和海马中的水平均降低，表明该代谢物可能作为有潜力的生物标志物。大量研究已发现苏氨酸代谢在痴呆前期和痴呆阶段的特异性改变。

研究局限性

本研究采用100% CO₂窒息后断头法处死动物。有研究指出CO₂麻醉可能通过厌氧反应引起组织特异性代谢组变化，因此本研究获得的定量数据可能受到处死方法的影响。

结论

本研究揭示了OXYS大鼠AD样病理发展过程中血液代谢物的动态变化。最显著的代谢组变化出现在20天龄OXYS大鼠中，相当于人类AD发展的临床前期。虽然大脑和血液中观察到的代谢组变化存在差异且往往方向相反，但共同差异代谢物的存在表明血清是有望用于AD诊断的生物液体。这些发现为AD早期诊断提供了新的代谢标志物，并为理解AD病理机制提供了重要见解。