心力衰竭(heart failure, HF)是指继发于心脏功能异常进而导致心衰症状和体征迅速发生或恶化的急性临床综合征，是临床常见急症，多突然发作、迅速加重，可危及生命，预后很差，住院病死率为3%^[1]，在美国心脏协会(American Heart Association，AHA)公布的数据中，AHF患者出院后3月内的病死率为7%~11%，1年病死率为36%^[2]，60 d再住院率达到35%^[3]。根据目前对AHF疾病的认识，相当一部分AHF患者的病因仍然不明确。无论AHF的病因是什么，都与心脏不能满足机体代谢需求相关。AHF是细胞、基因、蛋白组学和代谢水平代谢紊乱的表现，代谢组学是在既定条件下，研究小分子代谢产物的相互作用及特征，是系统生物学的重要组成部分。相对于基因、转录和蛋白质研究，代谢组学研究的是细胞活动的最终产物，故也认为是最稳定的^[4]。随着代谢组学的研究发展，可以分离出衰竭心肌的代谢标志物，识别AHF患者的代谢特征，了解AHF代谢机制，从代谢角度发现AHF患者新的诊断指标，提高早期诊断率，同时通过对AHF特异代谢物的研究分析，有望进一步研究AHF特异代谢通路，可能有助于制定个性化的预防措施^[5]。

本研究是一项病例-对照研究，收集2018年1月至2019年6月因AHF发作就诊于河南省人民医院急诊科患者的基本信息，共纳入病例89例：①年龄≥18周岁的患者; ②满足《中国急性心力衰竭急诊临床实践指南》^[6]中AHF诊断标准; ③经河南省人民医院急诊入院患者; ④同意参加该临床研究，签署知情同意书。排除以下人群：①先天性心脏病或心脏移植史患者^[7];②严重肾功能不全、需要透析者; ③肝硬化失代偿期^[8];④存在代谢性疾病者; ⑤入院前3月内存在重大创伤或重大手术史的患者; ⑥临床资料欠缺者。参考病例组性别、年龄所占比例，对照组选取本院同期体检人员80例; ①既往无心衰病史; ②不存在心脏药物服用史; ③同意参加该临床研究，签署知情同意书。本研究已通过医院伦理委员会的批准(2019057)，所有收集信息均得到患者及家属的知情同意。

收集以AHF为第一诊断入院患者的基本信息，包括性别、年龄、身高、体质量，既往高血压、糖尿病、心脑血管、房颤、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)等病史，以及入院时生命体征、一般查体、心电图、首次心脏彩超信息，血钠、肌酐、尿素、白蛋白、BNP检验结果。

样本采集与保存：患者入院后尽早抽取空腹股动脉血保存在浏阳市三力医用科技发展有限公司生产的乙二胺四乙酸(edetic acid, EDTA)抗凝管中，采血后1 h内进行3 000 r/min室温离心10 min，取200 μL血浆置于离心管中，保存在液氮中^[9]。

样本检测：本研究样本收集后统一由上海阿趣生物科技有限公司进行代谢物的检测分析，采用德国Agilent品牌1290 UHPLC型号的超高效液相和美国AB Sciex品牌Triple TOF 6600型号的高分辨质谱仪。样本在高分辨质谱上分别进行正负离子两次扫描，完成筛选去噪，采用超高效液相色谱串联质谱法(ultra high performance liquid chromatography-mass spectrometry, UHPLC-MS)定量测定每个血浆样品中的代谢物含量^[10]。筛选两组样本之间差异代谢物，分析两组内样本之间的变异度大小。

因AHF发作就诊于本院急诊科的患者被纳入病例组，同期选择本院体检中心80例人员，作为对照组。

所有数据采用SPSS 20.0软件建立数据库进行统计分析。采用SW检验对连续变量的正态性进行检验，服从正态分布时，连续变量以均数±标准差(Mean±SD)表示，不符合正态分布的连续变量采用中位数(四分位数)进行统计描述。组间比较满足正态性和方差齐性用两独立样本t检验比较组间差异，满足正态性，不满足方差齐性采用Wilcoxon秩和检验; 分类变量以率或百分比表示，采用χ²检验或Fisher精确概率法。

代谢组数据采用UV格式化(Unit Variance Scaling)和平均中心化(Mean-Centered)进行预处理，采用正交偏最小二乘方-判别分析(Orthogonal Projections to Latent Structures Discriminant Analysis, OPLS-DA)，过滤混杂信号，获得OPLS-DA模型^[8]，对模型的质量用交叉验证法进行检验，计算OPLS-DA模型第一主成分的投影重要度(variable importance in the projection, VIP)(阈值> 1)，VIP值越高，对群体区分度的贡献越大^[11]。VIP值> 1.0为差异有统计学意义，并结合成组t检验的P值(阈值< 0.05)分析差异显著代谢物，对组间差异代谢物进行ROC曲线分析。

共收集了234例样本资料，经过排除标准后共纳入病例组89例，另选对照组80例。如表 1所示，与对照组比较发现AHF组更多伴有冠心病，高血压，糖尿病，房颤，吸烟史，同时发现AHF组具有心率偏快、肌酐水平、尿素水平、BNP水平均较对照组增高，左室射血分数、血钠、白蛋白水平较对照组降低的特点，以上差异均具有统计学意义。

图 1 (A和B)AHF组与对照组正负离子的OPLS-DA模型得分散点图; 横坐标t ^[1]P表示全部样本第一主成分的预测主成分得分，纵坐标t^[1]O表示正交主成分得分。(C和D)总体样本正负离子OPLS-DA置换检验结果; 横坐标表示置换检验的置换保留度(与原模型Y变量顺序一致的比例，置换保留度等于1处的点即为原模型的R²Y和Q²值)，纵坐标表示R²Y或Q²的取值，绿色圆点表示置换检验得到的R²Y值，蓝色方点表示置换检验得到的Q²值，两条虚线分别表示R2 Y和Q²的回归线，从上述图形可以看出原模型具有良好的稳健性，不存在过拟合现象。(E和F)AHF组与对照组正负离子差异代谢物筛选火山图; 火山图中每个点代表一个代谢物，横坐标代表该组对比各物质的倍数变化(取以2为底的对数)，纵坐标表示t检验的P-value(取以10为底对数的负数)，散点大小代表OPLS-DA模型的VIP值，散点越大VIP值越大。散点颜色代表最终的筛选结果，显著上调的代谢物以红色表示，显著下调的代谢物以蓝色表示，非显著差异的代谢物为灰色。

图 1 (A和B)AHF组与对照组总体代谢物正负离子的OPLS-DA模型得分散点图; (C和D)总体样本正负离子OPLS-DA置换检验结果; (E和F)AHF组与对照组正负离子差异代谢物筛选火山图 Fig 1 (A and B) OPLS-DA of total metabolite positive and negative ions inAHF group and control group

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图 2 AHF组与对照组BNP及部分代谢物ROC分析 Fig 2 ROC analysis of BNP and some metabolites in AHF group and control group

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表 2显示了AHF患者与对照组患者代谢物的差异，AHF组与对照组差异代谢物主要包括氨基酸、有机酸、脂肪酸以及核苷酸及其衍生物。两组对比主要差异代谢物为腺嘌呤、N乙酰-L-谷氨酸、假尿苷、γ-谷氨酰半胱氨酸、乌头酸、L-丙氨酸、α-N-苯乙酰-L-谷氨酰胺、L-胱氨酸、D-戊二酸、二羟丙酮、N乙酰-DL-蛋氨酸、β-羟基丁酸、肌酐、十三酸、L-脯氨酸、柠檬酸、半乳糖酸、苯乙尿酸、亚油酸、L-苯丙氨酸、丙酸、甘油、硫胺素焦磷酸、L-缬氨酸、甘油磷酸、L-肉毒碱，以上物质AHF组较对照组水平增高，同时数据显示AHF组亚油酸、3-磷酸甘油水平较对照组降低，上述差异均具有意义(VIP＞1.0，P值＜0.05)。数据分析显示5-二磷酸胞嘧啶核苷、尿素、犬尿酸、5-甲基胞嘧啶在两组之间的差别无统计学意义(VIP＞1.0，P值＞0.05)。

对AHF组和对照组差异代谢物进行ROC曲线分析，如表 2、表 3所示，腺嘌呤、N乙酰-L-谷氨酸、假尿苷、γ-谷氨酰半胱氨酸是AHF组和对照组敏感度及特异度较高的代谢物。对上述物质及BNP进行ROC曲线分析，可见AHF组和对照组进行比较时，BNP、腺嘌呤、N乙酰-L-谷氨酸、假尿苷、γ-谷氨酰半胱氨酸诊断的AUC面积分别为0.978、0.995、0.932、0.920、0.900。

利用代谢组学对AHF代谢物进行分析，可以分析损伤心肌的代谢特点，进一步发现AHF的发病机制。考虑到血浆代谢组学会受到各种混杂因素(如急性疾病、慢性损害和药物摄入)的影响，本研究共纳入89例AHF患者，与同龄对照组进行对颤病史，同时多数AHF患者具有吸烟史，上述差比，AHF患者多有冠心病、高血压、糖尿病、房异均具有统计学意义。就实验室检查结果来分析，AHF患者具有心率较快，肌酐、尿素、BNP水平偏高，血钠、白蛋白水平降低的特点，这与既往研究结果类似^[12-13]。

研究表明^[14-16]，能量代谢改变是AHF发展的必然过程，正常机体心脏能量供应的60%~90%来源于脂肪酸氧化，其余大部分来自葡萄糖氧化。在运动、缺血、机械功能障碍或心室肥大等心肌缺血导致心肌氧供不足时，底物利用向葡萄糖氧化转化，葡萄糖氧化成为心肌能量产生的主要驱动因素，在AHF早期阶段，代谢底物转换具有保护性作用，通过增加三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)生成与耗氧量的比值，将线粒体解耦能量损失降至最低，从而提高心肌收缩效率; 随着HF的发展，葡萄糖和脂肪酸利用率显著降低，代偿作用消失^[17]。AHF急性发作时，心肌细胞受损，心肌无氧氧化比例增加，生成乳酸增多，ATP合成减少，一磷酸腺苷(adenosine monophosphate, AMP)合成相对增加，最终代谢导致嘌呤含量的增加，与我们的观察结果相似，同时对代谢物中的腺嘌呤进行ROC曲线分析，发现腺嘌呤比BNP有着更高的诊断价值，AUC面积为0.995，BNP的AUC诊断面积为0.978。该研究结果与本团队既往结果存在一定差异，考虑既往研究样本量偏小，存在一定误差可能。

N乙酰-L-谷氨酸是谷氨酸和乙酰辅酶A进行乙酰化生成的，是氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ的激活剂，促进氨基甲酰磷酸合成，进而参与瓜氨酸的生成。本研究发现AHF患者较对照组N乙酰-L-谷氨酸水平明显增高[(0.260±0.266) vs. (0.056±0.011), P＜0.001, VIP =1.81]，考虑可能与AHF患者急性发作早期鸟氨酸代谢增加，AHF晚期尿素代谢水平增高，鸟氨酸生成减少，氨甲酰磷酸堆积相关。

假尿苷是一种修饰过的核苷，存在于核糖体和转运RNA中，并在转录后产生，并且它只能通过RNA水解，进行下一步的代谢，因此它在血液和尿液中的出现被认为是一种很好的RNA降解和细胞代谢的方法。本课题发现假尿苷水平在AHF患者组明显高于对照组(VIP =1.86)，与既往研究类似，反映了AHF患者的高分解代谢状态，可能部分反映了心脏本身的重构过程。

γ-谷氨酰半胱氨酸(gamma-glutamylcysteine, GGC)是体内合成谷胱甘肽的中间产物，同时含有γ-谷氨酰基和巯基。氧化应激参与了心衰的发生与发展，当心脏摄入过多的活性氧时，可导致细胞功能障碍、蛋白质和脂质过氧化、DNA损伤，最终导致不可逆的细胞损伤和死亡，从而会增加心肌重构和心衰的发生。另一方面，心衰的加剧与机体抗氧化防御机制能力下降具有明显相关性，谷胱甘肽是心肌内抗氧化防御机制主要成分之一。谷胱甘肽通过清除自由基和消除脂质过氧化产物，多项研究表示心肌损伤之后，谷胱甘肽总量明显减少在谷胱甘肽合成酶的催化下，将甘氨酸添加到GGC中产生三肽谷胱甘肽，AHF患者谷胱甘肽合成受限，其前体GGC增加，本研究发现AHF组GCC较对照组明显增加(P＜0.01)。

BNP目前已作为AHF诊断的金标准，但心肌梗死患者BNP水平同样会增加，同时右心衰患者BNP水平增加并不明显，因此进一步对差异代谢物进行AHF的诊断分析，AHF与对照组进行对比，BNP、腺嘌呤、N乙酰-L-谷氨酸、假尿苷、γ-谷氨酰半胱氨酸诊断AHF的价值相似，AUC面积分别为0.978、0.995、0.932、0.920、0.900;综上，AHF患者代谢紊乱显著，并且部分差异代谢物能够显著提高AHF患者的阳性诊断率。

本研究是一项非靶代谢组学分析，研究结果涉及差异代谢物种类及数量较多，需进一步针对差异显著通路做深入研究分析。由于AHF相关的病理生理和应激可导致全身和心肌代谢迅速改变，本研究未涉及患者出院后短时间内不同时间点代谢谱的变化; 同时代谢物样本分析具有多样性，在大规模的临床应用中，样本采集的不稳定性和采集中的错误仍具有很大的挑战性。

利益冲突   所有作者均声明不存在利益冲突