Science Bulletin：胡荣/税光厚团队合作运用多组学揭示脑出血后大脑代谢微环境的动态演变

2024年6月，陆军军医大学西南医院、中国科学院遗传与发育生物学研究所、中科脂典及重庆邮电大学的相关研究人员在《Science Bulletin》（IF: 18.9）上发表了题为“CSF multi-omics of intracerebral hemorrhage from onset to reperfusion underscores lipid metabolism in functional outcome”的研究论文，描述了脑出血患者脑脊液中代谢变化的分子特征，构建了对脑出血患者功能预后的脑脊液脂质预测模型，为脑出血的疾病监测和及时临床干预以改善神经功能预后提供了见解。陆军军医大学西南医院在读博士生蒋逸斌、中科脂典技术总监Sin Man Lam博士等为本文的共同第一作者，陆军军医大学西南医院胡荣主任和中科院遗传发育所税光厚研究员为本文的共同通讯作者。

亮点概述：

脑出血患者脑脊液中脂质组在发病进程中发生动态变化。
以脂质为中心的干预靶点可能与调节神经炎症和促进髓鞘再形成有关。
脂质组可以用于脑出血患者功能预后的模型构建。

研究背景：

非创伤性脑出血（ICH）占全世界所有中风病例的6.5%至19.6%，是最具破坏性的中风形式。ICH 发病后48小时内，出现以脑血流量减少为标志的急性低灌注和低代谢阶段，随后是持续2至14天的可变再灌注阶段，最终过渡到慢性正常化阶段(14天后) 。生物标志物小组有助于疾病监测和预后，以加快急性疾病管理和及时的临床干预，这对改善ICH造成的全球负担至关重要。

大脑是一个富含脂质的器官，具有最高的脂质多样性。大脑和外周系统之间存在很大程度的代谢解耦。为了解读ICH神经相关代谢失调的分子见解，必须直接检查脑脊液（CSF）中的脂质变化。由于CSF可以在需要手术干预的脑出血患者的手术中收集，因此可以在临床上潜在地实施基于CSF的生物标志物小组，用于疾病管理和预后。

研究人员对50名脑出血患者（在第1天至第14天的四个时间点收集）和22名对照参与者共136份CSF样本进行了包括脂质组学、甾醇组学、代谢组学和蛋白质组学的多组学研究，对总共772种代谢产物（包括439种脂质、311种极性代谢产物、22种氧化甾醇和甾醇）和2325种蛋白质进行了定量分析。

研究设计

与健康对照组相比，脂质是ICH发病时最主要的显著改变的代谢物，表明在ICH病理学的背景下，脂质的临床相关性超过了极性代谢物。其中，24-羟基胆固醇（24-OH-CHO）是缺血性中风发病后氧化应激升高的标志物，随着ICH发病而最显著增加。在氧化甾醇中，据报道可抑制T淋巴细胞的细胞溶解活性的6-酮基-5α-羟基胆固醇（6K-5a-OH-CHO）随着ICH发病而显著降低。几种含有超长链脂肪酰基（C22-C26）的鞘磷脂（SMs）显著增加。还观察到含有二十二碳六烯酸（C22:6, DHA）的多不饱和甘油三酯（TAGs）剧烈升高（Log₂FC>10），伴随着携带饱和脂肪酰基的TAGs的降低。此外，还发现许多多不饱和磷脂酰乙醇胺（PEs）增加，特别是携带花生四烯酸（C20:4）的物种。几种溶血磷脂酰胆碱（LysoPCs）的水平也表现出急剧升高（log₂FC≈6-7）。

ICH发病时显著改变的代谢物

接着，研究人员使用Mfuzz研究了发病至再灌注期CSF中代谢物变化的纵向模式。该分析将代谢物变化的时间模式分为四个聚类。聚类1包含在急性期逐渐减少的代谢物，而聚类2包含逐渐增加的代谢物。聚类3和聚类4分别由在第14天表现出急剧减少或增加的代谢物组成，标志着从再灌注阶段过渡到正常化阶段。在发病再灌注阶段，超长链SMs向相应的神经酰胺（Cers）和复杂的糖基化鞘脂（如半乳糖神经酰胺（GalCer））的转化增强。此外，作为巨噬细胞和小胶质细胞等吞噬细胞凋亡信号的磷脂酰丝氨酸（PS）也逐渐增加。含有饱和脂肪酰基的TAGs和6K-5a-OH-CHO在ICH发病时减少，在发病至再灌注阶段也逐渐增加。聚类3中包括多不饱和PEs、含DHA的TAGs、24-OH-CHO和氧化型谷胱甘肽（GSH）。聚类4中包括多不饱和PCs、硫酸脑苷脂（SLs）和溶血磷脂酸（LPA）。许多γ-谷氨酰氨基酸，如γ-谷酰胺，在第14天特异性增加。

四个聚类中每一个聚类代表性代谢物的箱形图

为了深入了解脂质改变与脑出血发病机制的功能相关性，研究人员随后探究了脑出血后选定时间点（第1天和第14天）的CSF脂质与临床指标之间的相关性。CSF中的几种极性脂质类别与多核细胞百分比（%PMCs）呈正相关，与单核细胞百分比（%MNCs）呈负相关。相反，TAGs个体表现出与%MNCs呈正相关，与神经炎症指数腺苷脱氨酶（ADA）呈负相关，表明特异性TAGs可能在功能上与促分解单核细胞和巨噬细胞相关。第1天的几种脂质水平与神经炎症标志物显著正相关，但与Rankin量表评分（mRS）的相关性有限，只有少数多不饱和PCs与1个月的mRS评分呈负相关。mRS评分衡量神经系统发病后的残疾程度（0-无症状，>3-中度至重度残疾），通常用作监测康复情况的指标。然后，研究人员探讨了再灌注阶段后期（即第14天）的CSF脂质是否可以成为更好的预后和恢复指标。研究人员在第14天观察到纵向mRS评分（M1-M12）与特异性CSF TAGs水平之间的显著相关性，发现在发病至再灌注阶段，TAG谱的恢复（即DHA TAG的减少和短链TAGs的增加）与未来12个月更好的预后（即较低的mRS评分）显著相关。这在进一步对ICH患者按mRS评分分类后，对TAGs水平变化分析中得到了验证。因此，从发病到再灌注阶段，特别是在第14天，CSF TAG的时间过程发生变化，这意味着过渡到慢性正常化阶段，这与ICH后12个月的预后和功能能力恢复有关。

此外，一个包含TAG48:2（18:1）和TAG48:1（16:1）的双脂质小组，加上年龄和性别构建的模型，可根据ICH后3个月的mRS定义的功能结果将ICH患者分为两组，证明了基于CSF的预后小组在疾病管理中的潜在临床效用，在发病至再灌注阶段（即第14天）结束时，CSF脂质组可能是ICH功能结果的有希望的指标。

CSF脂质与临床指标之间的相关性

脑出血患者的功能预后模型

随后，研究人员探究了CSF蛋白质组在不同时间点相对于对照组的变化，以补充所观察到的脂质变化的功能意义。对年龄、性别和采样日期进行Limma建模以获得差异蛋白。基于脑出血后第14天相对于对照组的差异蛋白的富集分析（ORA）显示，“蛋白酶体降解”、“阿尔茨海默病”和“阿尔茨海默病和miRNA效应”的途径上调，而“鞘脂降解途径，包括疾病”下调。在整个再灌注阶段，与对照组相比，ICH中的蛋白酶体降解持续上调。通路富集在很大程度上归因于蛋白酶体复合蛋白组分的急剧增加，其在第1天急剧增加，同时伴有骨桥蛋白（SPP1）的减少，SPP1是脱髓鞘后髓鞘再形成的有力刺激物。SPP1水平与CSF中细胞外蛋白酶体成分的丰度呈负相关。关于鞘脂降解，ICH发病后，分别降解GalCer、Cer和GM2神经节苷脂的半乳糖脑苷脂酶（Galc）、酸性神经酰胺酶（Asah1）和β-己糖苷酶亚基α和β（HexA、HexB）的蛋白质水平显著降低。因此，脂质组学和蛋白质组学的结合强化了超长链（C22-C26）GalCer和SL的增加归因于降解减弱，这可能有助于重建神经元连接的过程中促进主动的髓鞘再形成。