科研| ALZHEIMERS DEMENT：复旦大学研究团队发现可预测中国人群痴呆风险的代谢复合表型（国人佳作）
编译：Tracy，编辑：谢衣、江舜尧。
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随着社会老龄化程度的不断加剧，痴呆及其他相关认知障碍的防控已成为全球公共卫生面临的巨大挑战。我国作为世界上老年人口最多的国家，现有痴呆患者1100多万，占全球痴呆患者总数的1/4。发现存在早期病理改变但尚无症状的临床前患者，是寻找痴呆有效治疗方式的关键。因此，研发精准、快捷、并易于在社区老年人群中广泛筛查的痴呆早期表型标志物是降低我国痴呆负担的重要手段。代谢组学技术为了解老年痴呆症的发病机制和识别新的生物标志物提供了一个有效的工具。本研究基于“上海老年研究”队列的1440名研究对象，利用核磁共振检测技术（NMR）对研究对象的基线血清进行全局性代谢组学检测，分析代谢物水平与痴呆发生风险的关联。结果发现，血清中谷氨酰胺和O-乙酰糖蛋白水平升高与5年后痴呆发生风险正相关，而谷氨酸、酪氨酸、甘氨酸等5个氨基酸水平与痴呆发生风险负相关。该研究成果展示了利用代谢组学技术有望发现痴呆的血液早期诊断表型标志物，也为痴呆发病机制及干预治疗措施的研究提供了新的思路。
论文ID
原名：Metabolomics and incident dementia in older Chinese adults: The Shanghai Aging Study
译名：代谢组学与老年痴呆的关系：上海老龄化研究
期刊：Alzheimers & Dementia
IF：14.423
发表时间：2020.04
通讯作者：丁玎&陈兴栋
通讯作者单位：复旦大学附属华山医院神经内科&复旦大学人类表型组研究院
实验设计
利用上海老龄化研究队列，上海静安寺社区年龄≥60岁，没有精神分裂症病史、智力迟钝或严重的视力、听力或语言问题的常住居民被纳入基线。从2014年至2016年，共收集1440名非痴呆患者的血清样本并成功进行随访和评估其认知功能。使用神经心理测试来评估受试者在基线和随访时的认知功能。这些测试内容涵盖了全球认知、执行功能、空间构建功能、记忆、语言和注意力等方面。在基线时，每个参与者抽取4 mL空腹血样并离心，存贮在-80℃冰箱。本研究使用的样本在进行代谢组学分析之前，平均储存时间为5年，没有经历二次冻融。利用NMR检测血清中的代谢物。通过问卷调查收集每位参与者的人口学特征、生活方式特征和病史。采用Cox比例风险模型评估个体代谢物水平与发生痴呆和阿尔茨海默病的纵向关联。利用“glmnet”R包中的套索回归(LASSO)筛选代谢组学标记物、生活方式和人口学特征等变量。使用Logistic回归模型计算ROC曲线下面积预测痴呆事件的发生。运用代谢组学通路分析（MetRA）方法进行代谢物的通路富集和拓扑分析。
实验结果
表1展示了1440名参与者的基线特征和随访中的痴呆发生情况。参与者平均年龄为70.7岁，其中男性为673人，占比46.7%。在随访中有117人患有了痴呆，占总人群的8.1%。
利用NMR平台共测定了38种代谢物，包括11种氨基酸、8种脂类、6种碳水化合物代谢物、3种胆碱代谢物、3种有机酸、2种糖蛋白、1种酮类、1种胆汁酸和2种化学中间体。与未患痴呆的参与者相比，患有痴呆的老年人有较高水平的柠檬酸盐、谷氨酰胺、O-乙酰糖蛋白和谷氨酰胺/谷氨酸比例，以及较低水平的乙酸、谷氨酸、亮氨酸、磷酸胆碱、酪氨酸和缬氨酸（表2）。
表2 痴呆患者与正常参与者之间的基线血清代谢物的差异比较。
2. 基线血清代谢物与老年痴呆症的关系
表3模型显示，校正协变量后，血清中谷氨酰胺和O-乙酰糖蛋白水平升高与5年后痴呆发生风险正相关，而谷氨酸、酪氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸、乙酸盐水平与痴呆发生风险负相关。血清中升高的谷氨酰胺和O-乙酰糖蛋白水平与阿尔茨海默病的发生风险正相关，而降低的谷氨酸、乙酸盐和甘氨酸水平与阿尔茨海默病的发生风险负相关。
分析结果显示，显著富集的通路主要涉及谷氨酰胺和谷氨酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢（图1）。
4. 老年痴呆症代谢物的选择和预测
根据LASSO模型筛选结果，五个血清代谢分子表型（柠檬酸、谷氨酸、谷氨酰胺、磷酸胆碱、酪氨酸）的组合预测痴呆风险的受试者工作特征曲线(ROC)下面积(AUC)为0.72，加上年龄、随访时间和基线简易精神状态量表(MMSE)评分后，AUC提高到0.90（图2）。
讨论
检测血液中的生物标记物是一种易于接受的早期疾病筛查的替代方法，能够无创、快速地筛查痴呆高危人群。本研究利用核磁共振平台，在血清中检测到了38个代谢物信号，这些信号大部分属于氨基酸。最终确定了7种与痴呆发生风险显著相关的血清代谢物，其中5种与阿尔茨海默病的发生相关。谷氨酰胺和谷氨酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢的紊乱与临床前痴呆相关。此外，研究表明，一个由5种代谢物组成的复合表型能够很好地预测痴呆症的发生发展。
谷氨酸-谷氨酰胺循环在中枢神经系统的兴奋性信号传递中起着关键作用，参与认知和其他大脑功能，以及神经退行性过程。谷氨酸可以通过血脑屏障从大脑转移到血液中，但反向过程很少发生，所以大脑中的谷氨酸对血液中的谷氨酸水平的影响很大。谷氨酰胺是脑内谷氨酸生物合成的重要前体，血清谷氨酰胺与谷氨酸的比例能够部分反映脑内两种神经递质的代谢情况。谷氨酰胺代谢受损是一个病理过程，早于阿尔茨海默病中淀粉样斑块的出现，而饮食中的卡路里似乎可以通过促进谷氨酰胺的合成来影响脑内谷氨酰胺水平。因此，血液循环中的谷氨酸和谷氨酰胺与痴呆的确切关系以及潜在机制还需进一步的研究。
必须氨基酸，如支链氨基酸（异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸）、苯丙氨酸和赖氨酸，必须通过饮食摄入获得，然后作为能量来源，可能会随着年龄增长而变化，这表明晚年的营养缺乏和痴呆有一定的关系。本研究发现，血清中支链氨基酸和赖氨酸的基线水平在后期患有痴呆症的人群中是较低的，低水平的苯丙氨酸与较高的痴呆患病风险相关。在其他研究中也发现高水平的支链氨基酸与较好的认知能力和较低的痴呆患病风险相关。胆碱作为神经递质乙酰胆碱的前体，不仅是一种重要的营养物质，还是维持细胞结构完整性和信号传导的组成部分。该研究结果显示，基线血清胆碱和磷酸胆碱在患痴呆组中较低，O-乙酰糖蛋白和乙酸盐水平也与痴呆的发生有关。O-乙酰糖蛋白是一种与炎症反应相关的急性期蛋白，而且其他研究也报道过乙酰糖蛋白与较低的认知功能相关。乙酸盐是肠道菌群产生的一种短链脂肪酸，能激活副交感神经系统，可调节谷氨酸-谷氨酰胺的细胞外循环，对认知功能有益。
本研究的预测模型具有较高的敏感性（84.7%），可用于中国人群痴呆的筛查和早期检测。但是，由于代谢标志物在不同人群中的复制可能会受到研究设计、种族、代谢组学分析平台、生物样本和统计方法的差异影响，因此，很难直接比较所选择的代谢物或预测其准确性。另外，本研究也未发现脂质与痴呆或阿尔茨海默病的发生有任何显著的联系，这可能是由于本研究使用的代谢组学平台（NMR）灵敏度较低的原因造成的。
评论
该研究成果展示了利用代谢组学技术有望发现痴呆患者的血液早期诊断表型标志物，并为痴呆发病机制及干预治疗措施的研究提供了新的思路。经过5年随访研究，发现了一个由5种代谢物组成的复合表型可很好地预测老年痴呆症的发病情况。这些研究结果和潜在的生物学机制还需要在其他人群中重复，并通过进一步的研究来阐明这些关联背后的机制，提升其潜在的临床应用价值。
原文网址：https://doi.org/10.1002/alz.12074