老年患者围术期认知功能障碍衰退的术前血清代谢物和潜在生物标志物

2021
09/26

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古麻今醉
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围术期认知功能障碍 (POCD) 包括手术前诊断出的认知能力下降(被描述为神经认知障碍)、任何形式的急性发病(手术后谵妄)、手术后 30 天内诊断出的认知能力下降(神经认知恢复延迟),以及长达 12 个月(后手术性神经认知障碍)。POCD 是指在手术后出现的影响定向、注意力、知觉、意识和判断力的障碍。接受非心脏手术的 65 岁以上患者在几周内的 POCD 患病率为26%,术后3个月降至约10%。长期POCD延长了患者的住院时间,加剧了医疗负担,增加了出院前后的死亡率。POCD已经成为一个严重的医学问题和一个不容忽视的社会问题。

代谢组学是一种有效的技术,用于检测代谢组中小分子物质的波动,以提供有关生物体在健康或病理生理状态下的生化表型的详细信息。代谢组学还可以帮助开发POCD筛查、早期检测的诊断标志物,并进一步为疾病预防和治疗提供基础。

目前,POCD的诊断主要依靠神经心理量表,但各地量表不同,诊断过程复杂。这个过程需要专业人士的监督,结果证明这既费力又费时。最近的研究报道,多种代谢物与老年患者术后谵妄(POD)有关,这些代谢异常会加剧大脑受损,进而导致 POD。然而,它是否可以作为老年骨科手术患者 POCD 的预测因子尚不清楚。该研究旨在确定老年骨科手术患者 POCD 的潜在预测因素,并探索可能的分子机制。

研究方法

研究人群

选取了2018年12月至2019年5月在长海医院麻醉学部接受择期骨科手术的 56 名老年患者进行前瞻性临床研究,即POCD-老年研究(NCT03765840)。该研究获得了上海长海医院伦理委员会(中国上海)(CHEC2018-133)的批准,并获得了所有参与者的书面知情同意。

患者使用 0.75% 布比卡因等压溶液进行腰麻,术后患者使用酒石酸布托啡诺注射液、氟比洛芬酯注射液和柠檬酸芬太尼注射液进行术后患者控制镇痛 (PCA),无禁忌症。65岁以上骨科患者,美国麻醉医师协会(ASA)身体状况I-III,知情同意书,小学以上文化程度,画钟实验阴性,MMSE评分≥22分者包括在内。年龄超过 85 岁、有神经系统疾病史、中风、其他显着中枢神经系统疾病或严重精神疾病、多发性创伤和头部外伤、内分泌或代谢疾病史的患者被排除在外。

POCD 和患者分组的评估

认知功能由MMSE评分确定。与术前相比,术后第 3 天 MMSE 评分降低至 2 分被认为是认知能力下降的证据。

血样采集

在3个时间点进行血样采集:术前样本 (PREOP)、术后第 1 天 (POD1) 和第 3 天 (POD3)。将血液收集到肝素化管中。然后在代谢组学分析之前分离血清并储存在-80°C。

液质联用分析

液相色谱-质谱分析在 LC-MS (Thermo, Ultimate 3000LC, Q Exactive) 平台上进行。数据数据使用 SIMCA-P 软件 (Umetrics AB, Umea, Sweden) 进行多变量分析 (MVA)。

生物标志物鉴定

通过SVM构建一个监督学习模型来对 POCD 和非 POCD 组进行分类。最后,使用radial作为C类分类下的SVM核函数,并挑选出特征来构建最终的SVM模型。在此参数下,计算预测准确度。 

研究结果

POCD 和非 POCD 组的基线特征

所有患者的基线情况见表1。56名骨科手术患者中有15名出现POCD,被定义为POCD组。其余的为非POCD组。POCD组与非POCD组在年龄、性别、体重指数(BMI)、ASA评分、教育水平、术前MMSE评分、手术持续时间、术中治疗、病史或其他一般特征方面无显著差异(t检验,p > 0.05)。

血液样本的代谢组学分析

对POCD组和非POCD组的56名择期骨科手术患者的71份血液样本的代谢组进行了表征分析和比较。收集了15名POCD患者的术前和术后血样,而对于非 POCD 组的患者,只收集了术前血样。为了更好地理解代谢组学在 POCD 和非 POCD 组中随时间的变化,将它们分为三组并命名为:非POCD术前,POCD术前和POCD术后。各组具有代表性的ESI正离子和ESI负离子色谱图见于图1。使用 Compound Discover 获得总共 2,015 个(ESI+)离子模式下的分子特征和1601个 (ESI-) 离子模式下的分子特征,并使用 SIMCA-P 软件进行多变量分析 (MVA)。主成分分析 (PCA) 在 (ESI+) 离子模式下提取了11个主成分,Q2为 0.193,R2X为0.504。在 (ESI−) 离子模式 (图2A),最后有12个主成分,Q2为0.237,R2X为0.579(图2B)。虽然从整体来看,这三组的分布在(ESI+)离子模式和(ESI-)离子模式上有重叠,但PLS-DA结果显示,不仅术前和术后POCD组之间存在显著差异,术前POCD和非POCD组也存在显著差异。 

术前非POCD组和POCD组样本的PLS-DA结果显示它们的分布差异,在(ESI+)离子模式下,Q2为0.85,R2Y为0.988(图3A)。在(ESI−)离子模式下,Q2为0.606,R2Y为0.938 (图3B)。以上所有表明一个可靠的而不是过度提升的模型。在多变量统计分析中VIP分数 >1.0和在单变量分析中p < 0.05的特征被认为是最重要的代谢物,并通过热图进行可视化。图4A、B)。共挑出(ESI+)离子模式下的33种代谢物(ESI-)离子模式下的17种代谢物作为最显著的差异代谢物(表2)。 

术前和术后 POCD 样本的 PLS-DA 结果显示它们的分布差异,在(ESI+)离子模式下,Q2为0.864,R2Y为0.997(图3C)。在(ESI−)离子模式下,Q2为0.755,R2Y为0.995(图3D)。当满足:在多变量统计分析中VIP分数>1.0且在单变量分析中p< 0.05时,可以认为是最重要的代谢物。将上述代谢物通过热图进行可视化(图4C、D)。在(ESI+)离子模式下的总共8种代谢物,在 (ESI-) 离子模式下的19种代谢物为差异最显著的代谢物(表3)。

术前POCD组和非POCD组血样的SVM分析

找出区分POCD组和非POCD组的术前样本之间的血液代谢物后,使用SVM模型来选取其中一些样本用作生物标志物,以预测患者在手术后是否会患上POCD。最终获得了一个具有10个特征的SVM模型,包括油酰胺、MG180/00/00、L-组氨酸、L-亮氨酸、单磷酸鸟苷、1-磷酸二氢鞘氨醇、LysoPC150、L-谷氨酰胺、L-棕榈酰肉碱、尿酸、LysoPE00/160 和磷酸肌酸(图 5A、B)。AUC分数0.91,表明模型性能良好,预测准确率达到83.8%(图 5C、D)。在所有这些特征中,研究者认为油酰胺是最有可能成为预测POCD的潜在生物标志物。研究者注释了每个特征的代谢物变化,发现只有油酰胺、MG180/00/00、LysoPCD150 和 LysoPE00/160 在非 POCD 组中高于 POCD 组。

研究结论

该研究团队提出了一种基于代谢组学预测和检测 POCD 的新方法。确定了10种可能表明 POCD 高危患者的代谢物。LysoPC (15:0)、尿酸、单磷酸鸟苷可能是研究肠道菌群与认知之间关系的切入点。


醉翁之艺 点评

POCD是老年患者的术后并发症,会导致术后对定向、注意力、知觉、意识和判断的不利影响。尽管围手术期 POCD 的发病率很高,但详细的发病机制仍不清楚。由于POCD的临床干预方法有限,因此早期识别高危患者非常重要。

通过应用代谢组学,检测到 POCD 和非 POCD 组之间的显著差异代谢物,并通过SVM模式确定了10种可以作为预测POCD危险因素的潜在血清生物标志物。在该项研究中,POCD组与非POCD组的术前比较以及POCD组的术前和术后比较均出现了7种差异代谢物(图 6),其次还深入研究了它们与认知相关的潜在生物学机制。与 L-缬氨酸、O-乙酰丝氨酸和 L-苯丙氨酸相比,LysoPC、尿酸和单磷酸鸟苷往往是 POCD 的可能诱因。同时,氨基酸L-缬氨酸、O-乙酰丝氨酸和L-苯丙氨酸的变异更可能是因系统改变而受影响的下游结果。同时,诱导神经炎症的肠道微生物群可能与认知功能障碍有关。在 SVM 模型的帮助下,10种代谢物可以预测 83.8% 的潜在POCD患者。

该研究也存在局限性。作为一项小样本单中心前瞻性研究,该研究团队只招募了接受过骨科手术的患者。由于相似的原发病导致的代谢数据的选择偏倚和偏差可能会影响结论的解释和概括。其次,基于 POCD 组术前和术后样本比较的代谢机制研究仍处于初步阶段,需要进一步研究。

 张一哲 编译  苏殿三 审校


原文链接:   [1]   Lu W, Jiang Z, Huang J, Bian J, Yu X. Preoperative Serum Metabolites and Potential Biomarkers for Perioperative Cognitive Decline in Elderly Patients [J]. Frontiers in psychiatry, 2021, 12(665097.   

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关键词:
POCD,患者,代谢,进行,研究

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