《Brain Organoid and Systems Neuroscience Journal》：Multi-biofluid metabolomics coupled with gene network reveals stage-specific alterations in mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease in an ethnically mixed cohort
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阿尔茨海默病（AD）代谢组学研究在巴西多民族队列中通过NMR分析血浆、尿液和唾液，发现氨基酸（缬氨酸升高、丙氨酸双相变化）、能量代谢物（丙酮酸、柠檬酸）及脂质代谢（乙酸盐、谷氨酸）等差异，整合GWAS数据确认6个共基因（CYCS、NFAT5、GRIN2B、SLC43A2、MAPT、SLC38A1），揭示多生物液一致代谢紊乱，为非侵入性生物标志物开发提供依据。
安德烈·西蒙尼斯·卡达索（André Sim?es Cadaxo）|朱莉安娜·科多维尔·科特林（Juliana Cordovil Cotrin）|安娜·保拉·瓦伦特（Ana Paula Valente）|弗拉维亚·戈麦斯·洛佩斯（Flávia Gomes Lopes）|雷纳托·佩肖托·维拉斯（Renato Peixoto Veras）|丹尼尔·辛普利西奥·托雷斯（Daniel Simplício Torres）|拉克尔·基马斯·莫利纳·达科斯塔（Raquel Quimas Molina da Costa）|吉尔森·科斯塔·多斯桑托斯·朱尼奥尔（Gilson Costa dos Santos Junior）|辛西亚·巴罗斯·桑托斯·雷布萨斯（Cíntia Barros Santos Rebou?as）
摘要
阿尔茨海默病（AD）是全球最常见的与年龄相关的神经退行性疾病。在痴呆症发病之前，通常会经历一个前驱阶段，表现为轻度认知障碍（MCI）。代谢组学提供了一种强大的方法，可以检测到影响AD发病机制及其从MCI发展为AD的遗传、表观遗传、饮食、肠道微生物群和环境因素的综合作用。在这项研究中，我们使用基于核磁共振（NMR）的代谢组学技术，分析了94名具有不同种族背景的巴西人的血浆、尿液和唾液样本（30名AD患者、16名MCI患者和48名健康对照组），所有参与者均无共病情况。我们采用了多元建模（PLS-DA）和单变量Mann-Whitney U检验进行横断面分析。研究发现了一些特定的代谢特征，涉及氨基酸（苯丙氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、缬氨酸、丙氨酸）、与能量代谢相关的代谢物（丙酮酸、柠檬酸、葡萄糖）、与脂质/氧化还原途径相关的化合物（乙酸、谷氨酸、天冬氨酸）、表观遗传调控因子（甜菜碱）、神经炎症相关物质以及受肠道微生物群影响的代谢物（岩藻糖醇）。缬氨酸的水平在对照组、MCI组和AD组中呈逐步升高趋势，而丙氨酸则表现出双相变化（在MCI组中降低，在AD组中升高）。这些跨生物样本的一致性代谢变化表明它们具有作为诊断和监测的潜在生物标志物的价值。通过将代谢数据与全基因组关联研究（GWAS）中发现的AD相关基因相结合，我们确定了六个在所有生物样本中都共有的基因（CYCS、NFAT5、GRIN2B、SLC43A2、MAPT和SLC38A1），进一步证实了这些基因在AD发病机制中的关键作用。
引言
阿尔茨海默病（AD）是一种复杂的、多因素引起的神经退行性疾病，是导致痴呆的主要原因，占所有痴呆病例的近80%（Scarano等人，2025年）。该病的发病率随年龄增长而增加，在65-74岁人群中约为5%，75-84岁人群中为13.2%，85岁及以上人群中高达33.4%（2024年阿尔茨海默病数据）。临床上看，AD的发展过程缓慢且隐匿，表现为大脑认知关键区域（包括大脑皮层、海马体、内嗅皮层和腹侧纹状体）的突触功能障碍和神经元退化（Ahmad等人，2023年）。组织病理学上，AD的特征是β-淀粉样肽（Aβ）在细胞外积累形成淀粉样斑块（AP），以及过度磷酸化的tau蛋白在细胞内聚集形成神经纤维缠结（NFTs）（Zhang等人，2021年）。
AD的病因涉及遗传易感性、共病情况、环境暴露和衰老之间的相互作用。一项生命周期模型确定了14个可能可改变的痴呆风险因素，表明如果这些因素都能得到有效控制，最多45%的痴呆风险是可以预防的（Livingston等人，2024年）。中年时期的因素，如听力损失、高LDL胆固醇、抑郁症、脑外伤、糖尿病、吸烟、高血压和酗酒，以及晚年时期的因素，如社会隔离、空气污染和视力丧失，都会增加患痴呆的风险。相反，早年较高的教育水平和积极的生活方式则具有保护作用（Li等人，2023年；Livingston等人，2024年）。
尽管双胞胎研究估计AD具有较高的遗传率（58-79%），但目前仅部分遗传因素得到了解释，这使得难以准确评估个体风险（Gatz等人，2006年；Karlsson等人，2022年）。早发性AD（EOAD）的遗传方式通常是常染色体显性的，通常由APP（Aβ前体蛋白）、PSEN1和PSEN2基因的致病性变异引起（Xiao等人，2021年）。相比之下，晚发性AD（LOAD）具有复杂的遗传背景，占AD病例的95%以上。已知最强的遗传风险因素是APOE ε4等位基因；然而，它既不是疾病发生的必要条件，也不是充分条件（Serrano-Pozo等人，2021年）。除了APOE之外，全基因组关联研究（GWAS）还发现了75个与AD易感性相关的独立风险变异位点，这些位点涉及脂质代谢、Aβ处理和细胞信号传导（Andrews等人，2023年）。最近的一项包含多种祖先背景参与者的GWAS研究发现了16个额外的AD相关位点，其中5个位点含有常见变异，11个位点含有罕见变异，这突显了遗传多样性在AD研究中的重要性。总体而言，这些发现强调了将代谢组学与遗传网络结合的重要性，有助于更好地理解AD的病理生理机制，识别潜在的治疗靶点，并为不同种族人群的痴呆症临床验证和精准医疗策略提供指导。
方法
阿尔茨海默病（AD）是一种复杂的、多因素引起的神经退行性疾病，是痴呆的主要原因。其发病率随年龄增长而增加，在65-74岁人群中约为5%，75-84岁人群中为13.2%，85岁及以上人群中高达33.4%（2024年阿尔茨海默病数据）。临床上看，AD的发展过程缓慢且隐匿，表现为大脑认知关键区域的突触功能障碍和神经元退化（Ahmad等人，2023年）。组织病理学上，AD的特征是细胞外β-淀粉样肽（Aβ）的积累形成淀粉样斑块（AP），以及细胞内过度磷酸化的tau蛋白形成神经纤维缠结（NFTs）（Zhang等人，2021年）。
AD的病因反映了遗传易感性、共病情况、环境暴露和衰老之间的相互作用。一项生命周期模型确定了14个潜在的可改变风险因素，表明如果这些因素都能得到有效控制，最多45%的痴呆风险是可以预防的（Livingston等人，2024年）。中年时期的因素，如听力损失、高LDL胆固醇、抑郁症、脑外伤、糖尿病、吸烟、高血压、肥胖和过量饮酒，以及晚年时期的因素，如社会隔离、空气污染和视力丧失，都会增加患痴呆的风险。相反，早年较高的教育水平和积极的生活方式具有保护作用（Li等人，2023年；Livingston等人，2024年）。
尽管双胞胎研究估计AD具有较高的遗传率（58-79%），但目前仅部分遗传因素得到了解释，这使得难以准确评估个体风险（Gatz等人，2006年；Karlsson等人，2022年）。早发性AD（EOAD）的遗传方式通常是常染色体显性的，通常由APP（Aβ前体蛋白）、PSEN1和PSEN2基因的致病性变异引起（Xiao等人，2021年）。相比之下，晚发性AD（LOAD）通常具有散发性遗传特征，占AD病例的95%以上。已知最强的遗传风险因素是APOE ε4等位基因；然而，它既不是疾病发生的必要条件，也不是充分条件（Serrano-Pozo等人，2021年）。除了APOE之外，全基因组关联研究（GWAS）还发现了75个与AD易感性相关的独立风险变异位点，这些位点涉及脂质代谢、Aβ处理和细胞信号传导（Andrews等人，2023年）。最近的一项包含多种祖先背景参与者的GWAS研究发现了16个额外的AD相关位点，其中5个位点含有常见变异，11个位点含有罕见变异，这突显了遗传多样性在AD研究中的重要性。
鉴于AD的复杂病因，早期检测仍然是一个关键挑战。AD通常在临床表现为轻度认知障碍（MCI）的前驱阶段，这一阶段为生物标志物的发现提供了重要机会。MCI患者的认知能力下降程度超过了年龄和教育水平的预期，但日常生活功能仍可保持。每年约有12-15%的MCI患者会发展为AD（Khan，2016年）。APOE ε4等位基因的存在使疾病进展的可能性增加约50%，这与更快的疾病进展速度相关，这一现象可通过先进的神经影像学检查发现（Rhodes等人，2021年）。实际上，具有异常Aβ和tau蛋白的MCI患者在未来三年内发展为AD的风险是其他患者的两到三倍（Jack等人，2018年；Scheltens等人，2021年）。在过去五十年中，MCI的定义不断演变，提出了多种诊断标准（Monfared等人，2024年）。然而，当MCI的定义不考虑脑组织病理变化时，将认知障碍具体归因于AD变得具有挑战性（Jack等人，2018年）。
尽管在识别AD的遗传生物标志物方面取得了进展，但其复杂的分子机制及其从MCI向AD的进展过程仍不清楚。在这种情况下，代谢组学作为一种强大的生物标志物发现方法应运而生，因为它反映了遗传背景、表观遗传调控、转录组和蛋白质组动态、饮食模式、生活方式选择、肠道微生物群组成、压力、病原体暴露和其他相关因素的影响（Santos-Rebou?as等人，2023年）。在现有的技术平台中，核磁共振（NMR）光谱具有多种优势，包括高重复性、样品制备简单且无破坏性，以及能够分析多种生物样本（Zia等人，2019年）。实际应用中，基于NMR的代谢组学研究通常采用多元统计方法（如偏最小二乘判别分析（PLS-DA）来识别不同诊断组之间的模式，随后通过单变量分析和通路富集来解释生物学意义（Debik等人，2022年）。将这些代谢发现与先前的遗传知识通过网络分析相结合，可以进一步阐明疾病进展中的功能通路（Vignoli和Tenori，2023年）。此外，共病情况的存在也影响了AD特异性代谢变化的识别。例如，在血浆和脑脊液研究中，支链氨基酸（缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸）、能量代谢（如柠檬酸、乳酸、葡萄糖）和脂质代谢（脂肪酸、胆固醇）的改变与AD的状态和进展有关（Ikeuchi等人，2022年；Yang等人，2022年；Yin等人，2022年）。然而，仍存在重要的研究空白。首先，大多数基于NMR的AD代谢组学研究是在同质的高加索人群中进行的，这限制了研究结果的普遍性，因为种族差异（受遗传、环境和饮食影响）会显著影响代谢特征。其次，许多现有研究包括具有共病情况的参与者（如糖尿病、心血管疾病），这混淆了AD特异性代谢变化的识别。因此，迫切需要在对不同种族背景的人群中进行无共病的、表型明确的队列研究，以明确AD和MCI的核心代谢紊乱。
为了解决这些问题，本研究采用了基于NMR的代谢组学方法，分析了血浆、尿液和唾液等微创生物样本，以表征与MCI和AD相关的代谢特征，并与年龄匹配的健康对照组进行比较。据我们所知，这是首次在无共病的巴西多民族人群中进行的代谢组学研究。通过将代谢组学数据与通路富集和GWAS发现的AD相关基因相结合，我们识别出了具有生物学意义的代谢特征，这些特征可能在诊断和疾病监测中发挥作用。我们提出，这种多生物样本的整合特征可以作为微创生物标志物的基础，有助于在不同人群中早期发现AD，并监测疾病进展和治疗反应，从而推动个性化临床治疗的发展。
研究队列
研究队列
共有94名参与者自愿参与了这项研究，其中包括16名被诊断为MCI的患者（第1组）、30名LOAD患者（第2组）和48名认知健康的老年人（第3组）。参与者来自里约热内卢州立大学（UERJ）下属的Piquet-Carneiro综合诊所的认知门诊部和人类老龄化研究所（UnAPI）的老年护理单元。实验程序在人类遗传学实验室进行。
队列特征
三组参与者的总体特征总结在表1中，教育和社会经济特征详细信息见表2。第1组、第2组和第3组的参与者具有不同的种族背景。在各组之间的年龄分布上没有观察到统计学上的显著差异（p=0.062）。性别分布也没有显著差异，尽管AD患者中女性占多数。各组的平均发病年龄（AOO）也
讨论
AD是一种病因复杂的神经退行性疾病，具有漫长的临床前阶段，在此期间，神经病理学特征（如细胞外Aβ沉积和细胞内tau蛋白聚集）会在临床症状出现之前逐渐积累（Bano等人，2023年；Zheng和Wang，2025年）。越来越多的证据表明，代谢紊乱对AD的病理生理过程有重要影响，包括能量代谢、氨基酸稳态、氧化平衡和脂质代谢的异常（
结论
总之，我们的多生物样本代谢组学分析揭示了AD中系统性的代谢紊乱特征，表现为能量代谢、氨基酸稳态、脂质动态和氧化还原平衡的阶段特异性改变。特别是关键代谢物的动态变化，如缬氨酸的逐步增加和丙氨酸在AD组与MCI组及对照组之间的双相变化，为疾病进展提供了代谢标志
未引用的参考文献
阿尔茨海默病协会（Alzheimer’s Association），2024年；Ma等人，2025a；Raut等人，2023年；Yin，2023年。CRediT作者贡献声明
安德烈·西蒙尼斯·卡达索（André Sim?es Cadaxo）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、实验设计、数据分析。朱莉安娜·科多维尔·科特林（Juliana Cordovil Cotrin）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计。安娜·保拉·瓦伦特（Ana Paula Valente）：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计。弗拉维亚·戈麦斯·洛佩斯（Flávia Gomes Lopes）：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。雷纳托·佩肖托·维拉斯（Renato Peixoto Veras）：撰写 – 审稿利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢患者及其家属的参与，同时感谢Walquíria Gouveia在血液收集方面的协助，以及Marcos Theodoro在招募健康对照组方面的帮助。本研究得到了里约热内卢州研究基金会（FAPERJ，E-26/200.883/2021、E-26/201.259/2021、E-26/204.043/2024）、国家科学技术发展委员会（CNPq，302342/2022-2）和人员培训协调委员会的支持。
