离子组学在中枢神经系统性疾病中的研究进展

Research Progress of Ionomics in Central Nervous System Diseases

摘要: 离子在人类健康和疾病中起着重要作用。近年来，离子组学被应用于各种生理和病理过程中的分布、调控、功能和串扰。它结合高通量元素分析技术和生物信息学方法，阐明多种元素与疾病的代谢和稳态之间的关系。本综述旨在概述离子组学在中枢神经系统性疾病研究的新进展，主要关注不同生物样本离子组的分析研究，揭示了不同离子及复杂的动态离子网络对疾病发生与发展的影响，这为中枢神经系统性疾病早期诊断、治疗措施和预后等方面提供了潜在益处。

Abstract: Ions play an important role in human health and disease. In recent years, ionomics has been applied to the distribution, regulation, function and crosstalk in various physiological and pathological processes. It combines high-throughput elemental analysis techniques and bioinformatics approaches to elucidate the relationship between multiple elements and metabolism and homeostasis in diseases. The aim of this review is to provide an overview of new advances in ionomics in the study of CNS disorders, with a primary focus on analytical studies of the ionome of different biological samples, revealing the impact of different ions and complex dynamic ion networks on disease onset and progression, which offers potential benefits in terms of early diagnosis, therapeutic measures and prognosis of CNS disorders.

1. 前言

元素是构成物质的基本单位，根据在生物体内的相对含量分为常量元素和微量元素，它们在生命过程中发挥着重要作用[1]。其中碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、磷(P)、硫(S)、钾(K)、钙(Ca)、钠(Na)、氯(Cl)等在生物体内含量相对较高，属于常量元素。而锌(Zn)、铜(Cu)、铁(Fe)、硒(Se)、铬(Cr)、钴(Co)、碘(I)、锰(Mn)、钼(Mo)、氟(F)、钒(V)、镍(Ni)等在生物体内含量相对较低，属于微量元素[1]。它们参与许多重要的生理学功能，包括催化作用、细胞信号的传导、蛋白质的合成与代谢等[2]。

近年来，随着基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等生物信息技术发展，金属组学和离子组学等新概念应运而生[3] [4]。离子组学是一门专注测量和分析特定系统中离子含量和组成及其与表型相关性的学科。离子组学最早应用于生态学和环境科学相关领域，目前在疾病中逐渐开始了应用，并揭示了疾病与离子之间的关系[5] [6]。

近些年，离子组学技术也开始逐渐被应用于研究中枢神经系统性疾病当中，这为探索其机制发生、发展和寻求新的治疗方案提供了一个手段。故本文将对近些年来中枢神经系统性疾病相关的离子组学现状进行综述。

2. 离子组学在中枢神经系统疾病中的研究

2.1. 创伤性脑损伤研究(TBI)

TBI是由头部遭受不同程度外伤引起了大脑组织结构和功能发生紊乱的一种严重性疾病[7]。对于TBI临床中的离子组学研究，Roberts等[8]人通过电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)检测因严重TBI死亡患者的脑组织中的10种元素，发现Co水平显著增高(死亡发生后<3小时)，而Cu，Mg，Mn，P，K，Rb，Se和Zn保持不变，这可能是Co在伤后死亡患者脑中受到调节分布的结果。Belater等[9]人采用电化学原子吸收光谱法(AAS)测定严重TBI昏迷患者的血清中重金属和微量元素的浓度，发现Fe、Cu、Cr和Se水平差异具有统计学意义，而Mn和Cd水平可能在严重TBI患者的死亡中发挥作用。上述两项研究表明，TBI 患者中发生了离子稳态变化，且在不同组织中存在明显差异。

在动物实验研究中，当同一物种在不同生长阶段遭受TBI时，其大脑内的离子水平也存在差异。Portbury等[10]人使用激光烧蚀–电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)对3月龄的小鼠进行脑金属含量图像的研究，发现在同侧和对侧整个半球中比较显示Fe水平是显著增加，Zn和Cu水平没有显著变化。后来他们针对24月龄小鼠进行相同的研究，发现随着年龄增加，Fe、Zn和Cu在两侧大脑半球中都有所增加[11]。我们可以看到，年龄能够影响TBI后脑内离子水平的变化。

此外，对于同一年龄阶段遭受重复性轻度TBI (r-mTBI)后不同时期的动物，其脑内离子分布也存在明显差异。Juan等[12]人使用LA-ICP-MS对r-mTBI小鼠模型金属水平和金属蛋白复合物进行表征，在5 × TBI后1个月，对侧皮层中Fe和铁蛋白水平显著升高；5 × TBI后，两侧半球Zn水平均未发生变化，但5 × TBI后同侧锌结合蛋白减少；5 × TBI后，两侧半球铜水平显著升高，铜结合蛋白无变化。后来他们对伤后1年小鼠脑组织进行ICP-MS分析，发现5 × TBI的动物顶叶皮层同侧半球总Fe含量略有下降趋势，而对侧明显增加；同样的是，对侧半球的总Zn和Cu含量也显著增加，同侧半球的总Zn和Cu水平没有变化[13]。以上研究中可以看出，r-mTBI后不同时期大脑内离子水平具有动态变化性，同时离子稳态失调可能参与TBI后的神经退行性变疾病的发生发展，这为TBI新的治疗方法提供了依据。

2.2. 脑卒中

脑卒中又称“中风(stroke)”，是由血管因素导致的急性中枢神经系统损伤性疾病。针对脑卒中的离子组学研究，Lin等[14]人利用ICP-MS分析急性缺血性脑卒中(AIS)患者血清和尿液中重金属(Pb、Hg、As和Cd)的水平，研究发现，首次发病的AIS患者的血Hg和尿Hg均较低。波兰研究者采用AAS法评估波兰北部地区AIS患者血清矿物质浓度，结果显示，患者的血Se和Zn浓度明显降低，Cu浓度无差异；还发现血清中Cu/Zn和Cu/Se摩尔比的明显紊乱可作为AIS患者营养状况和氧化应激水平的重要指标[15]。后来他们又进一步研究发现AIS患者血Cd浓度明显升高，Cd/Zn和Cd/Pb的摩尔比显著增高，此外，还发现Cd/Zn摩尔比可能是AIS患者动脉粥样硬化的生物标志物[16]。Yen等[17]人也对AIS患者进行了临床研究，发现血清Cd和Pb升高会增加中国台湾南部地区患者AIS风险，在AIS患者中，高血压与高水平血As之间存在关联，吸烟可能导致血Cd和血Pb增高，饮酒可能导致血Pb、血Cd、尿Pb和尿Hg增高。同样，Wen等[18]人研究发现血Al、As和Cd水平与IS风险成正相关，血Fe和Se与IS风险成负相关。

而Karadas等[19]人采用AAS法测定了急性出血性脑卒中患者血清中的多种离子水平，发现血Cd、Pb、Fe水平升高，血Cu、Zn、Mg和Mn水平降低，但血Co水平没有变化。另Yang等[20]人对1304例卒中患者(1035例缺血性卒中和269出血性卒中)测定了24种等离子体金属浓度，他们发现血浆Cu、Mo和Ti与缺血性卒中风险较高相关，而血浆Rb和Se与出血性卒中风险较低相关。

综上研究，脑卒中患者的不同体液离子水平均存在异常，且离子浓度和摩尔比与其风险有关，同时发现脑卒中后体液中离子变化的结果具有不一致性，这也证明了离子组学具有高度复杂性和特异性。

最近有研究同时对金属蛋白谱也进一步的发掘，Nahan等[21]人使用尺寸排阻色谱耦合等离子体质谱法(SEC-ICP-MS)等技术，分析了患者血浆中的金属和金属蛋白质谱，他们发现，在卒中病例中蛋白质结合的辅助因子Se含量高于各自的对照组，Se蛋白可能作为卒中类型诊断的生物标志物，在总金属浓度的相关系数中发现，在AIS中Cu-Al、Al-Zn相关性较强，ICH中Cu-Se具有中等相关性。Kodali等[22]人通过配对t检验发现不同组间金属蛋白具有明显差异，这些金属蛋白可能代表不同卒中表型，另Mn、Cu和Zn等必需金属与Pb、Ni等有毒金属直接相关，部分元素(对照组：Cu；出血性中风：Co、Sr、Ag；缺血性中风：Ni、Sr、Ag、Cd)与其他金属没有显著相关性。对此，一些金属蛋白可能能够代表着不同卒中类型，同时不同类型中离子关系既可能是独立的也可能相互的。

2.3. 阿尔茨海默症(AD)

AD是一种常见的慢性神经退行性疾病，主要以进行性和不可逆性认知功能障碍和行为异常为特征表现，是老年人痴呆常见的病因[23]。关于AD的不同组织和体液中离子组学临床研究中，Babić等[24]人使用不同统计学测试了离子与AD脑脊液(CSF)生物标志物关联，他们发现必需金属(Ca、Co、Cu、Fe、Mg、Mn、Mo、Na、K和Zn)、重金属(As、Cd、Hg、Ni、Pb和Tl)和必需非金属(P、S和Se)与CSF AD生物标志物(磷酸化的tau亚型、VILIP-1、S100B、NFL和YKL-40)呈正相关。Koseoglu等[25]人测量了AD患者头发和指甲中的离子水平，结果是不同组织离子水平存在特异性差异，另有趣的是指甲中Na水平与严重程度相关。另Lin等[26]人评估血清离子组在遗忘性轻度认知障碍(aMCI)和AD患者认知能力下降方面的作用，发现血B、Bi、Th和U水平随病情严重程度的增加而降低，血B、Hg和Th水平可以区分疾病分组，较高水平血B、Zr、Th和Mn与aMCI和AD患者的快速认知能力下降相关。我们可以看到，AD患者的不同体液和组织中离子组学具有特异性，并且在疾病严重程度中发挥了重要作用。

在动物实验研究中，Wang等[27]人对AD小鼠模型进行同步辐射微束X射线荧光(SR-μXRF)照射，结果表明，部分离子(如Cu、Fe、Zn和Ca)表现出年龄依赖性升高，Fe、Cu和Zn在大脑特定区域(皮层和海马体)中明显富集。Rao等[28]人利用LA-ICP-MS技术表征tau蛋白病小鼠模型中时空脑金属离子组学特征，结果显示脑Fe水平与年龄依赖性增加，与Fe蛋白等金属蛋白结合的Fe水平与年龄相关。Tabanez等[29]人研究链脲佐菌素(STZ)所诱导的AD大鼠模型中血浆、脑组织等离子水平，发现STZ组血Co降低，而额叶皮层Ca、Cu在STZ + HT组升高，而在抗氧化剂羟基酪醇(HT)治疗后的Cu恢复正常。从上可以发现，AD动物中部分离子水平具有年龄依赖性，另抗氧化剂可能具有调节离子水平而发挥治疗作用。

2.4. 帕金森病(PD)

PD也是常见的神经退行性疾病，主要表现为运动迟缓、运动不能、静止性震颤和肌肉僵硬等运动症状，以及各种非运动症状[30]。过去发现PD患者在体液中离子的平衡发生了紊乱[31] [32]。近年来，又有了更多更有利的证据。Sanyal等[33]人整合了离子组学、多变量分析和人工神经网络方法(ANN)研究大量印度人群的PD患者CSF和血液的元素谱，发现在两种体液中，Ca、Mg和Fe水平变化存在一致性，并且ANN分析CSF和血清检测疾病具有99%的准确率。Kim等[34]人分析了血清离子与PD风险和临床特征关系，结果显示较高Cu水平与低风险有关，较高Cu水平和较低Fe水平与女性运动障碍的风险有关，血清Cu水平与MMSE评分负相关。Rajput等[35]人研究不同阶段PD患者头发和血液中离子变化，发现头发样本中Ca和Mg含量较高，在PD不同临床阶段，离子稳态存在紊乱，在重度阶段紊乱更为明显。从上可以看到离子稳态失衡与PD风险具有相关性，但可以发现以上所研究的离子均是在疾病诊断后所测量的，结果可能会受到反向因果关系的影响，为此，Zhao等[36]人在一项大型前瞻性研究中评估PD风险与PD诊断前的离子水平之间的关联，他们并没有强有力的证据去支持离子在PD进展中起作用。对此，可以认为离子稳态失调发生于PD之后，而非先于PD。

有趣的是，离子组学与代谢组学可能存在关系，为PD的病理生理提供认识。对此，Lucio等[37]人使用了同一组PD患者和健康对照组的CSF样本，应用块稀疏偏最小二判别分析(Block-sPLS)分析不同类型数据集，结果表明，氧化还原活性金属铁(Fe)和Cu以及脂肪酸是PD的主要影响因素，代谢废物对甲酚硫酸盐和Ni是PD的潜在重要因素。我们可以看到两种组学方法的数据整合开辟了新的视角，对数据解释和生物现象新信息的披露有了新的思路。

2.5. 肌萎缩侧索硬化(ALS)

ALS，又名渐冻症，是一种进行性、致命性的中枢神经系统性神经退行性疾病，其特征是上下运动神经元功能逐渐丧失，其发生机制复杂且尚无定论[38]。近些年国内外研究发现，离子暴露与ALS发病可能存在相关性。Roos等[39]人分析了ALS患者CSF和血浆中的金属浓度，CSF中Mn、Al、Cd、Co、Cu、Zn、Pb、V和U的浓度显着升高，且还高于在血浆中的浓度。Peters等[40]人通过大规模血液分析发现Se和Zn水平显著低于对照组，Cu水平显著高于对照组，且上述相关性在统计学上显著。De Benedetti等[41]人评估了意大利散发ALS患者的血清和全血离子组浓度，发现高浓度的Se、Mn和Al与疾病相关，另低浓度As与病程呈正相关。Oggiano等[42]人分析了不同阶段的ALS患者血液、尿液和头发中多种离子含量，发现高血Pb与ALS严重程度有关，而Se水平可能具有保护作用。Patti等[43]人比较了ALS亚型脑脊液中的离子组，相比参考值，ALS患者有更高水平的Cu、Se和As。从上可以看到，国外研究结果似乎并不一致，这可能归因于生物体液离子组学的高度变异性。我国的研究也证明了这些特点，Qin等[44]人评估了中国西北地区散发性ALS患者离子组，高Cu和Fe水平可能是ALS潜在危险因素，Cd、Pb、Ca 和 Cu与严重程度呈正相关。

3. 结语与展望

离子代谢和稳态的失调在疾病中发挥重要作用，近年来，离子组学在人类疾病领域得到了快速发展。本文重点综述了离子组学在中枢神经系统相关疾病中的最新研究，可以看到离子组学表现出高度复杂性、特异性、动态变化性等特征，它不仅有助于描述疾病发病机制中不同离子之间相关性，同时也为疾病的诊断、治疗和预防提供了帮助。目前离子组学在人类疾病领域仍处于开始阶段，未来仍需在中枢神经系统疾病中进行更大的、有代表性的样本及更复杂离子网络组成进行研究，建立相关数据库，并与其他组学数据整合为中枢神经系统疾病的研究提供方法和手段。

基金项目

山东省自然科学基金(ZR2023MH365)；济宁医学院高层次人才培育项目(JYGC2021FKJ009)。

NOTES

^*通讯作者。