作者：中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院脊柱外科     李小蒙

脊髓损伤是一种严重的神经系统损伤，通常由外伤引起，此类损伤可以导致患者运动、感觉和自主神经功能受损，严重者可能出现肢体瘫痪和生活质量明显下降。脊髓损伤的病理生理过程分为急性期和慢性期，包括一系列病理生理改变，例如缺血、氧化应激、炎症、凋亡、运动功能障碍等。尽管近年来脊髓损伤的治疗取得了一定进展，脊髓损伤患者的死亡率已经明显降低，但是严重脊髓损伤的致残率依然很高。脊髓损伤不仅给患者造成极大的身体和心理负担，也给其家庭带来了负担。代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后的系统生物学学科，Nicholson等将其定义为研究生物体遭受病理生理刺激或环境变化后体内代谢物的动态变化。代谢组学的研究对象是生物体内所有小分子代谢产物，包括组织、细胞内各种液体，例如血清、尿液、组织液、肠内容物、脑脊液等。代谢组学技术涉及样品处理、分离鉴定、数据分析三个主要方面，能够对生物或细胞在限定时间和条件下标本中的小分子代谢物进行定性和定量分析，属于以组群指标分析为基础，以高通量检测和数据分析为手段，以信息建模与系统整合为目标的系统生物学研究方法。就脊髓损伤而言，代谢组学研究的目的是找出脊髓损伤后代谢物组中的差异代谢物，了解机体脊髓损伤后体内的病理生理变化过程，探寻脊髓损伤后机体组织及体液中的各种代谢物含量变化，这对伤后早期损伤严重程度准确判断及预后评估具有重要意义。笔者就国内外代谢组学在脊髓损伤诊断与治疗中应用的研究进展进行文献综述，重点指出多代谢物组平行代谢组学、时序代谢组学研究策略应用的可行性，以期为进一步研究脊髓损伤提供新的思路，报道如下。

代谢组学技术在评估脊髓损伤严重程度及预后中的应用

特定的代谢物可作为预后指标评估脊髓损伤的严重程度，目前代谢组学研究标本以血清、脑脊液为主，而脊髓组织、尿液相对较少。研究指出血清和脑脊液样本都是发现差异代谢物的理想来源，二者能够反映脊髓损伤后脊髓内的情况。

血清作为生物样本在代谢组学中的应用      血清代谢物紊乱与脊髓损伤后出现的运动功能障碍严重程度相关。通过对血清进行代谢组学分析可以明确清中是否存在可提示脊髓损伤预后的代谢物。Graham等用小鼠脊髓损伤模型对损伤后7d获取的标本进行了血清脂质代谢研究，发现脊髓损伤导致血清脂质组代谢物浓度降低。为了解血清代谢物是否反映脊髓损伤后的恢复程度，Bykowski等采用氢核磁共振技术对完全性（5例）和不完全性（2例）脊髓损伤患者伤后3个月及伤后6个月的血清进行代谢组学分析，结合患者伤后临床情况，发现特定的血清代谢物如乙酰磷酸、1，3，7-三甲基尿酸等代谢物浓度与脊髓损伤恢复情况呈正相关，这有可能成为脊髓损伤程度判定和预后评价的指标。为了明确大鼠脊髓损伤的生物标志物，胡华辉等采用改良Allen’s法制作脊髓损伤截瘫模型，采用氢核磁共振技术对大鼠脊髓损伤模型进行代谢组学分析，其研究结果显示血清中多种代谢物含量发生变化，其中N-乙酰天冬氨酸代谢物浓度较对照组降低，其浓度与脊髓损伤严重程度呈负相关。Fujieda等在其实验中印证了上述结果，脊髓损伤导致大鼠损伤脊髓组织内代谢产物发生显著改变，其中N-乙酰天冬氨酸、N-乙酰天冬氨酸谷氨酸等代谢物与运动功能评分密切相关，其浓度在脊髓损伤发生后迅速下降，可以反映脊髓损伤严重程度。以上研究结果表明，血清中部分代谢物有可能作为脊髓损伤的生物标志物。N-乙酰天冬氨酸与脊髓损伤情况存在密切关系，而且N-乙酰天冬氨酸可以在人体中无创测量，这有助于临床工作中对脊髓损伤严重程度进行评估并预测神经功能恢复效果。

脑脊液作为生物样本在代谢组学中的应用       虽然血清是最常用的生物样本，但是脑脊液可能是中枢神经系统损伤和疾病评估的更好代谢物选择，因为其更接近病变组织，更能反映机体脊髓损伤后的整体状态，将其作为生物样本进行代谢组学分析，有可能识别和验证各种神经系统疾病的生物标记物。Yang等采用液相色谱-质谱技术（LC-MS）检测布鲁氏菌病患者和正常对照组的脑脊液代谢物，发现了155种不同的代谢物，其中30种代谢物可以作为早期诊断布鲁氏菌病的潜在生物标志物，这表明脑脊液可以作为生物标本获取标志物。为了明确脊髓损伤后脑脊液中生物标志物，Lubieniecka等采用LC-MS技术对脊髓损伤后24h的SD大鼠模型抽取脑脊液并进行代谢组学分析，研究结果发现谷胱甘肽过氧化物酶3和干扰素诱导的抗炎蛋白H4的浓度在中度损伤组中浓度较高，YWHAZ蛋白则在重度损伤组中浓度较高，脊髓损伤后代谢物浓度变化可能与损伤严重程度相关。脑脊液由于直接与脊髓组织接触，更能反映脊髓损伤状态，已被广泛应用于研究其他神经系统疾病（包括创伤性脑损伤、中风和其他神经退行性疾病）的生物标记物的研究。

其他生物样本在代谢组学中的应用      除了血清及脑脊液外，还可以采用脊髓组织及尿液作为生物样本进行代谢组学研究。目前单纯以尿液及脊髓组织作为标本研究神经系统疾病的应用较少，有学者采用尿液或脊髓组织联合血清或其他生物标本进行代谢组学研究。宋佳婷等采用超高液相色谱-质谱技术对脊髓损伤患者血清和尿液同时进行代谢组学分析，发现差异代谢物葫芦素糖苷和他索沙坦的浓度在脊髓损伤后均升高，当二者联合作为生物标志物时的区分效果明显优于单个化合物，在脊髓损伤严重程度分级中有较好的预测能力。若采用多代谢物平行代谢组学研究策略，其结果可以直接反映脊髓损伤后的不同代谢物含量随时间变化的代谢变化，明确差异代谢物，同时也有助于筛选出反映脊髓损伤严重程度以及评估预后的潜在生物标志物之间交叉验证。脊髓损伤会导致机体代谢紊乱，单一技术不能完整显示脊髓损伤后机体代谢状态。虽然以上研究采用血清、脑脊液或尿液作为生物标本进行代谢组学分析探讨脊髓损伤后严重程度的评估及预后影响因素，但是缺少对多种代谢物间代谢组学数据的比较，缺少脊髓损伤后各代谢物组数据之间的交叉验证。

平行代谢组学与时序代谢组学在脊髓损伤中的应用

对于神经退行性疾病，代谢组学的作用是寻找几种生物标志物来追踪疾病状态，分析疾病的危险因素。研究多个组学（如蛋白质组学、转录组学、代谢组学等）同时应用可以促进对生物系统的理解，通常被称为多组学、整合组学或泛组学。脊髓损伤代谢组学研究也有诸多研究策略，Patki等曾提出同时将多种生物标本中代谢物按时间变化的规律进行代谢组学研究是一种可行的方法，即对研究对象同时进行多种代谢物的平行、时序代谢组学研究，有利于揭示脊髓损伤的病理生理机制。

平行代谢组学在脊髓损伤中的应用        多代谢物平行代谢组学是一种综合性的代谢组学研究策略，旨在全面分析生物体内脊髓损伤后所有代谢物的变化。上述策略采用了质谱分离和色谱鉴定等高通量技术，能够快速、高效地检测和量化数千种小分子代谢物，其结果可以揭示不同代谢物对机体损伤反应的程度，为深入探索代谢物之间的相互联系和代谢网络的调控机制提供了新的方向。相关研究表明脊髓损伤大鼠脑脊液、血浆、脊髓样本中各种代谢物失调与脊髓损伤严重程度有关，但是各代谢物间的相关性仍需要进一步研究。Kang等采用Allen法建立小鼠T8~T10创伤性脊髓损伤模型，采用16SrRNA基因扩增子测序对脊髓损伤后14d的小鼠肠道微生物组变化情况进行分析，发现损伤组肠道微生物多样性降低；其采用LC-MS技术对脊髓组织进行代谢组学分析后发现，脊髓损伤后14d的损伤脊髓组织中27种代谢物含量减少，320种代谢物含量增加，这表明脊髓损伤后机体代谢发生了较大改变。微生物组与脊髓损伤后局部代谢物改变之间有潜在的相关性，微生物组及脊髓组织代谢物的联合检测可能有助于了解合并疾病发生的全身性变化，以及探索疾病进展的可能机制。Yang等采用Allen法制作不同程度脊髓损伤的大鼠模型，然后对脊髓损伤后72h的脑脊液、血浆和脊髓组织进行平行代谢组学分析，与对照组相比，脊髓损伤组中脑脊液、血清、脊髓样本中分别有130、104、128种代谢物发生明显变化，其中有4种差异代谢物（尿酸、磷酸胆碱、吡哆醇和胍基乙酸）在上述3种样本中同时发生变化，其中尿酸在脊髓组织中浓度增高，而在血浆和脑脊液标本中的浓度降低。尿酸是一种已被证明对神经元细胞具有保护作用的代谢物，其在损伤脊髓中含量增加可能是由于尿酸在损伤脊髓中的需求量更大，这有可能与脊髓损伤后体内精氨酸代谢有关。胍基乙酸在所有生物样本中浓度均升高，而其又是精氨酸的下游代谢产物，这表明精氨酸代谢在脊髓损伤中受影响较大。磷酰胆碱是磷脂生物合成的中间体，参与脊髓损伤后细胞膜的合成，研究结果发现脊髓损伤后血清及脑脊液内磷胆碱和哆醇浓度下降，这可能与脊髓损伤后的膜修复有关，这些代谢物有可能用于评估损伤严重程度。联合不同生物标本进行相关性分析有利于交叉验证单一标志物是否能作为生物标志物完整显示脊髓损伤后的机体状态。

时序代谢组学在脊髓损伤中的应用       时序代谢组学是一种通过研究生物样本中代谢物随时间的动态变化来揭示生物体生理和病理过程的策略，着重分析生物在时间上的代谢动态变化，即随着时间推移，差异代谢物在数量和种类上的变化情况等，通过收集并分析多个时间点的样本数据来揭示生物体在不同时间条件下生理或病理状态下代谢组的动态变化和调控机制。在脊髓损伤实验研究中，时序代谢组学的应用可以帮助实验人员追踪损伤后代谢组随时间动态变化的情况，识别与损伤及预后相关的关键时间节点及生物标志物，为制定个体化治疗策略提供理论支持。机体内代谢物含量时刻处于动态变化中，脊髓损伤后不同时期代谢物含量存在差异。实验研究表明创伤导致机体代谢变化与伤后时间有关，He等采集C57BL小鼠脑皮质损伤模型6个时间点（伤后1h、1d、3d、7d、14d、21d）的延髓组织进行代谢组学实验，发现所有时间点的代谢物浓度都与对照组明显不同，其中核黄素整体浓度呈下降趋势，去磷辅酶A含量总体呈上升趋势，二者与脊髓损伤病情变化的关联仍需进一步研究。对不同时间点的差异代谢物含量进行比较可以明确代谢物含量随时间变化的规律及其与脊髓损伤后病理生理过程的关系。Pang等采用Allen法造模并应用LC-MS技术对脊髓损伤后4h、24h、48h的Wistar大鼠脊髓组织进行代谢组学分析，发现25个花生四烯酸代谢产物出现变化，其下游产物前列腺素E2在脊髓损伤后4h、24h、48h均增加，但是不同时间点的含量存在差异，这表明脊髓损伤后不同代谢产物浓度不同，进而有可能通过其浓度判断脊髓损伤病程。

文献报道血清和脑脊液中S-100蛋白浓度在伤后最初6h内增加，而且受伤后24h内保持高水平状态，损伤超过24h后血清中S-100蛋白恢复至正常水平。上述研究结果在Ma等的实验中得到验证，其通过SD大鼠建立钳夹型脊髓损伤模型并测定血清中的S-100蛋白含量，发现72h内该代谢物浓度达到对照组的5倍左右，6d后恢复正常。S-100蛋白浓度可以反映脊髓损伤后的病情变化，而不同生物标本中S-100蛋白含量能否交叉评估脊髓损伤严重程度仍有待进一步研究。为了更好地了解细胞代谢的变化，对急性与亚急性脊髓损伤后代谢物水平进行比较，Graham等采用气相色谱-飞行时间质谱技术对脊髓损伤前、脊髓损伤后7d、脊髓损伤后28d小鼠腓肠肌组织进行代谢组学分析，结果显示脊髓损伤后7d组葡萄糖和糖酵解产物的浓度降低，28d组丙酮酸浓度升高。Potter等采用气相色谱-飞行时间质谱技术对腓肠肌标本进行测试，结果显示脊髓损伤7d时腓肠肌组织内氨基酸及葡萄糖丰度明显降低，而损伤28d时恢复至正常水平。上述研究结果表明脊髓损伤后体内各代谢物的含量是随时间变化的，对脊髓损伤后代谢物进行时序代谢组学分析可以通过不同时期代谢物含量变化判断损伤后机体恢复情况。单纯多代谢物组平行代谢组学实验无法体现脊髓损伤后体内代谢物随时间的整体变化，而单一代谢物的时序代谢组学实验则只能够显示代谢物随时间变化的规律，因此二者联合应用可能会是一个较好的选择。Wu等采集不同AIS分级急性脊髓损伤患者伤后24h、48h、72h的脑脊液和血清样本，采用同位素标记的LC-MS技术进行分析，结果显示大部分代谢变化发生在损伤的早期阶段，其中瓜氨酸浓度与脊髓损伤程度呈正相关。这一结果有利于在早期客观评估脊髓损伤的严重程度，更凸显了在伤后早期对血清和脑脊液标本进行平行代谢组学和时序代谢组学分析的重要性。这样的平行分析可以比较两种生物标本中的变化情况，交叉验证脊髓损伤严重程度以及随时间代谢变化趋势。在研究脊髓损伤后的代谢状态时，多代谢物平行代谢组学与时序代谢组学策略联合应用可提供全面的代谢图谱，明确脊髓损伤后机体不同时间点体内代谢物含量变化情况，根据机体在不同损伤阶段对不同代谢物需求情况随时为机体补充相关代谢物，减轻损伤程度并促进疾病转归，为代谢重编程治疗脊髓损伤提供理论依据，同时也为探索患者个体化治疗方案提供新的思路。

总结与展望

多代谢物组平行代谢组学有利于发现脊髓损伤后各代谢物含量与脊髓损伤严重程度的相关性，同时也有利于通过代谢物含量变化相互验证脊髓损伤严重程度。通过对不同组织（如脊髓、脑脊液、血清等）同时进行代谢物分析可以全面了解脊髓损伤对全身代谢通路的影响。脊髓损伤后代谢变化规律具有时间依赖性，通过对不同时间点采集的样本进行代谢组学分析能够捕捉从急性期到慢性期各个阶段的代谢物动态变化，可以识别出脊髓损伤后各时期的代谢特征，这将对脊髓损伤后的药物疗效评价及预后评估具有很大影响。在脊髓损伤研究中联合应用上述两种研究策略会是较好的选择。目前脊髓损伤临床治疗方式包括手术治疗、药物治疗、干细胞治疗等，但是疗效不佳，联合采用上述研究策略可能为脊髓损伤治疗提供一种新的研究思路——代谢重编程。然而，针对脊髓损伤同时进行多代谢物组代谢组学实验时仍缺乏统一的研究策略组合标准，需要更大规模的实验以消除个体差异对代谢组数据的影响。

来源：中国骨与关节损伤杂志2025年3月第40卷第3期

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