基于非靶向性代谢组学筛选致命性室性快速型心律失常的代谢标记物

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背景和目的:  心脏性猝死(SCD)是一个严峻的公共卫生问题,其最终途径为致命性室性快速型心律失常(LVTA),包括室速(VT)和室颤(VF),寻找 LVTA的代谢标记物,可为LVTA-SCD临床防治及法医鉴定提供新的依据。本研究建立乌头碱及心肌缺血诱发的两种LVTA-SCD大鼠模型,应用GC-MS及1H-NMR代谢组学技术,分析其心肌及血清的代谢轮廓,探讨代谢通路,筛选相关代谢标记物。  材料与方法:  1、LVTA模型:雄性SD大鼠,250~500g,麻醉成功后,监测II导联心电。模型I,尾静脉注乌头碱,发生LVTA-SCD(ACO),23只,麻醉致死为其对照(PI),14只;模型II,行左冠脉结扎术,发生心肌缺血-LVTA-死亡者即造模成功(CAL-T),14只;发生心动过缓-SCD为其对照(CAL-N),7只;另部分后发生阵发性TV、VF,70min内未死者归为CAL-M组,15只。死后取心脏及腹腔静脉血并分离血清,-80℃冻存。  2、代谢组学分析:GC-MS和1H-NMR检测代谢谱,PCA及PLS-DA建模,观察代谢轮廓,NIST库对代谢物定性,相对含量用t检验判断差异显著性。应用MedCalc软件计算代谢物AUC,MDR进行层次聚类分析,结合热图热聚类情况,挑选诊断价值较高的代谢物作CRT分析。  结果:  1、心肌的代谢轮廓  基于GC-MS及1H-NMR谱,ACO与PI比较,CAL-LVTA三组比较,PCA和PLS-DA得分图均显著分开,提示其代谢轮廓差异显著。  2、心肌差异代谢物  ①与对照比较,ACO大鼠心肌的尿素、肌酐、甘氨酸、脯氨酸、谷氨酸、磷酸酯、谷氨酸、胆碱、天冬氨酸、乳酸、琥珀酸、氮胸腺嘧啶、亚硫酸盐和ADP均显著升高,异亮氨酸、缬氨酸、山梨糖、亚麻酸、戊酸、亮氨酸、反油酸、次黄嘌呤、亮氨酸、豆蔻酸、棕榈酸、苯丙氨酸、硬脂酸、甘油、乙醇、丙氨酸、牛磺酸和肌苷均显著下降(P<0.05或VIP>1,下同)。  ②与CAL-N比较,CAL-T大鼠心肌代谢物精氨酸、胆碱、磷酸酯、ADP、甘油磷酸胆碱、牛磺酸和乳酸均显著升高,甘油、硬脂酸、棕榈酸、葡萄糖和α-酮戊二酸均显著下降。  3、LVTA的代谢通路  LVTA心肌脂肪酸β-氧化、糖无氧酵解、支链氨基酸代谢增强,TCA受抑制,其它氨基酸,如谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸、谷氨酸、天冬氨酸等代谢也受扰动,提示LVTA发生时,心肌能量过度消耗、离子失衡、氧化应激、细胞毒性及膜损伤等状况。  4、差异代谢物的诊断潜能  心肌硬脂酸、亮氨酸和缬氨酸共同具有诊断LVTA较高的准确率,AUC0.943,特异性85.7%,敏感性96.0%。在CRT中,其对LVTA诊断的准确率达92.9%,且这三种代谢物均与心律失常参数具有一定的相关性。  5、血清异性代谢物  与PI组比较,ACO-LVTA血清豆蔻酸和尿素明显降低;谷氨酰胺、脯氨酸、乳酸、棕榈酸乙酰天冬氨酸、碳酸盐、苯丙氨酸、磷酸盐、丙氨酸、乙酸、谷氨酸、亚硫酸盐、羟胺和异亮氨酸均明显升高。与CAL-N比较,CAL-T血清尿素、棕榈酸和丙氨酸明显降低;乳酸、天冬酰胺、鸟氨酸、磷酸、羟胺、柠檬酸、丝氨酸、甘氨酸和异亮氨酸均明显升高。  结论:  1、建立两种LVTA大鼠模型,分别代表心肌离子通道异常和心肌缺血所致LVTA。  2、两LVTA模型的心肌具有共同的代谢特征,包括LVTA脂肪酸β-氧化、糖无氧酵解增强,TCA受抑制,氨基酸代谢紊乱。  3、心肌硬脂酸、亮氨酸和缬氨酸协同获得较高的诊断LVTA准确率。  4、代谢组学方法有望用于法医实践,进行包括SCD的各种死因鉴定。
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