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围术期营养与代谢系列之四：强化个体营养治疗对危重病人血清代谢物的影响——ONCA研究的靶向代谢组学分析
营养输送是通过调节基因表达影响代谢情况的主要环境因素之一。然而，营养代谢组学重症监护室（ICU）的研究还很有限。Mogensen等人于2017年揭示了ICU中营养不良与营养良好患者的代谢情况的差异，Parent等人在2017年发现肠内营养（EN）或肠外营养（PN）患者的代谢情况存在差异。
众所周知，营养不良与更差的临床预后相关，但在危重病人中营养不良是无法避免的。在ICU住院期间，病人需要个体化的营养治疗以预防普遍存在的营养不良现象、复杂的代谢紊乱和不同的底物需求。在这种情况下，所有入住ICU的病人都需要进行营养筛查和评估，并且强烈建议使用间接量热法（indirectcalorimetry, IC）来确定个体能量需求。由于受到复杂的代谢过程的影响，IC表示的能量消耗（energy expenditure, EE）并不一定等同于能量需求。危重病人营养治疗的另一个难题是仍然缺少有效的营养状况评估工具。因此，代谢组学可以作为一种额外的有前景的工具，适合在个体层面上优化ICU病人的营养支持。
2021年Anita Gonzalez-Granda等人在《Clinical Nutrition ESPEN》上发表了一项ONCA研究的靶向代谢组学分析，研究强化的个性营养支持是否会导致病人代谢谱的特定变化，并采用基于IC而不是常用公式的方法。其次，作者评估了靶向代谢组学方法在重症病人营养治疗中的潜在用途。
将20名接受肠内营养（EN）或肠内/肠外营养（EN/PN）的机械通气病人随机分为两组。一组接受基于间接量热法的个体能量供应（IC组医疗器械企业，n=9），另一组接受基于公式的标准能量供应，即标准护理组（SC组，n=11）。在早期、晚期和急性期后的代谢阶段进行靶向代谢组学研究。
这项工作是对随机对照试验ONCA研究（通过IC优化营养治疗以确定和控制机械通气重症病人的能量需求）的事后分析。ONCA研究于2016年2月至2017年8月在德国UniversityHospital Tübingen的重症监护室进行。40名重症机械通气病人被随机分为两组，间接量热法组（IC组）接受强化的营养支持，并根据IC测量的EE单独调整能量供应。标准护理组（SC组）接受标准护理，营养治疗是由病房工作人员根据标准方案完成的，使用公式的方法估计能量需求。采用配对设计，匹配重症病人营养风险（NUTRIC）评分（NUTRIC评分≥7与NUTRIC评分7）。
纳入的重症成年病人包括：（i）接受医疗营养支持（EN或PN），（ii）机械通气至少3d，以及（iii）在ICU停留超过2d。在本研究中，40名ONCA病人中的20名被纳入分析范围。其他20名病人由于缺少血液样本而被排除。
IC组的能量目标是通过使用IC测量EE来确定的。如果预期代谢过程有任何变化，则重复测量，每个病人最多进行3次测量。SC组接受的能量目标是用25kcal/kg体重（BW）/d的公式计算的。如果BMI高于29，则使用调整后的BW（理想体重（IBW）+ 0.4 ×（BW - IBW））。IBW计算如下：♀45.5，♂50+0.91×（身高-152.4）。在两组中，能量目标从入住ICU的第1天到第4天逐渐调整，从第一天的25% EE开始到第四天的100% EE。两组的蛋白质需求量都均设定为1.2g/kg(入院前体重)/d。
从入ICU开始，每3天记录一次营养供应情况，每3天通过生物电阻抗分析（BIA）对人体成分进行分析，直到离开ICU。尽可能早开始，但最晚在入住ICU后48h内。
入ICU的当天记录年龄、性别、体重、使用药物和原发疾病。在入ICU和出ICU时评估疾病的严重程度评分，如急性生理和慢性健康评估II（APACHE II）和序贯器官衰竭评估（SOFA）评分。此外，还记录死亡率、总的住院时间（hospital-LOS）和ICU住院时间（ICU-LOS）。血液样本在入ICU后尽早采集，最迟在48h内采集，此后每3天（±1天）采集一次，直到离开ICU。
ONCA研究的主要结果是使用BIA确定的从入ICU到离开的相角（PhA）变化。次要结果包括体细胞质量（BCM）和细胞外质量（ECM）与体细胞质量（BCM）之比（ECM/BCM）的变化，APACHEII和SOFA评分的变化以及死亡率、hospital-LOS和ICU-LOS。
该研究使用靶向代谢组学方法调查血清代谢物的变化。由于危重病人的持续医疗喂养，血液样本的采集是在非空腹状态下使用Sarstedt S-Monovette通过外周静脉导管进行的。血液凝固后离心获得血清，并在分析前储存在-80℃。
纳入本分析的病人（n=20）两组之间各阶段的营养供应略有不同(Table 2)。在早期和晚期阶段，IC组比SC组接受的热量更少，相应地晚期阶段的蛋白质和脂肪供应也更少。两组间的能量供应百分比无统计学差异。正如预期的那样，能量和底物供应在急性早期最低，在急性晚期尤其是在急性期后增加；然而，这种增加在统计学上并不显著。
为了检测组间代谢谱可能存在的治疗相关差异，我们排除了基线测量（入院时的代谢物浓度测量，在此期间IC组和SC组都没有接受任何类型的治疗）。
OPLS-DA（正交偏最小二乘判别分析）模型显示了SC组和IC组之间的等级分离（Fig. 2A），表明具有个体化能量供应的强化营养治疗对病人的代谢情况有影响。特别是PCaas、PCaes和lysoPCs被证明对等级分离有影响（Fig. 2B）。然而，必须考虑到该模型的质量较低（R2X(cum)=0.222, R2Y (cum)=0.794 and Q2 (cum)=0.422; CV-ANOVA, p 0.001）。两组间磷脂酰胆碱（PC）浓度不同。与IC组相比，SC组的单一磷脂酰胆碱水平大多下降。然而，经过多重检验的FDR校正后，这些差异无统计学意义。
在分析早期、晚期和急性期后的代谢谱时，发现急性早期和晚期（Fig. 2C, D）、早期和急性期后（Fig. 2E, F）之间存在类别分离，其中早期和急性期后（Fig. 2E）的类别分离与急性早期和晚期（Fig. 2C）的类别分离相比更为明显。两个模型都产生了差异，但分析早晚期的模型（Fig. 2C, D）质量不高（R2X (cum) =0.405, R2Y(cum)=0.582 and Q2 (cum)=0.277, CV- ANOVA, p 0.05），据此，分析早期和后期的OPLS-DA模型的质量很高（R2X (cum)=0.441, R2Y (cum)=0.978 and Q2 (cum)=0.66; CV- ANOVA, p 0.001）。晚期和急性期后之间找不到类别分离（数据未显示，P0.05）。早期和晚期的负荷图（Fig. 2D）与早期和晚期的负荷图（Fig. 2F）相比，显示出稍微不同的模式。LysoPCs、SMs和精氨酸和丝氨酸被确定为对早期和晚期的类别分离有很大贡献的代谢物（Fig. 2D），而PC和SMs主要负责早期和晚期的聚集（Fig.2F）。ACs似乎也对不同阶段的类别分离有影响（Fig.2D, F）。
为了进一步分析与疾病阶段有关的代谢谱的变化，我们研究了接受不同营养护理的病人的单一代谢物（氨基酸和生物胺）随时间的变化(Fig. 4)。基于标准护理（SC）的营养治疗导致精氨酸、蛋氨酸、脯氨酸和丝氨酸等生糖氨基酸浓度的增加，以及生物胺非对称性二甲基精氨酸（ADMA）、蛋氨酸亚砜（MetSO）和肌氨酸从早期到晚期急性期的增加(Fig. 4A, B)。相反，经过强化和个体化的营养治疗（IC）后，没有发现代谢物随时间变化(Fig. 4C, D)。
除外其他因素，EN或PN的能量供给量似乎可以调节血清代谢物。基于个体化能量供应的营养治疗与反映分解代谢的代谢物减少有关。靶向代谢组学也许可以成为确定危重病人代谢阶段的新工具。
这项研究通过使用OPLS-DA，发现IC组和SC组的危重病人代谢情况存在差异。通过比较单一的代谢物发现，与IC组的病人相比，SC组大多数选定的PCs的浓度较低。然而，在对多重测试进行校正后，这种差异消失了。Ferrario等人（2016）发现，在长期（90天）不能存活的败血症病人中，PCs的浓度下降，主要是长链多不饱和PCs。因此，可以推测，SC组病人的长期生存预后可能不如IC的病人。PC水平的降低可能是由于 β - 氧化反应失调导致底物供应减少。长链多不饱和PCs的减少可能降低其抗炎作用。调节危重病人PCs的潜在机制尚未完全阐明。在这项研究中营养供应的影响似乎不太可能，因为与IC组相比，SC组得到了更多的营养物质供应，包括脂肪。这项研究还发现不同阶段的危重病人的代谢情况也有不同的模式。Mao等人（2009）表明，危重病人急性早期和后期的代谢情况不同，各期之间不同强度的类别分离可能是由不同的炎症条件决定的。急性早期的特点是炎症反应明显，在急性晚期会减弱，在急性期后可以观察到炎症反应的进一步减少，可能会导致早期到急性期后之间更明显的类别分离。脓毒症病人和非脓毒症病人之间的代谢概况差异支持了这一假设。在IC组，代谢物在ICU住院期间基本没有变化。另一方面，在SC组，急性晚期后发现生糖氨基酸（精氨酸、蛋氨酸、脯氨酸和丝氨酸）和生物胺（ADMA、MetSO和肌氨酸）的浓度增加。可以推测，分解代谢过程导致了内源性蛋白质的降解，从而导致了生糖氨基酸水平的增加，并作为葡萄糖生成的底物，以确保葡萄糖依赖细胞和器官有足够的葡萄糖供应。在SC中观察到的这种分解代谢，而在IC中没有，可能与较差的营养和临床预后有关。
与上述结果类似，Parent等人（2016年）发现创伤病人的循环氨基酸浓度在一段时间内增加，表明肌肉分解。在死亡的败血症休克病人中进一步发现生糖氨基酸浓度的增加。这些发现支持了假设，即由于分解代谢过程的增加和营养护理的类型，营养状况和预后之间存在关联。与接受强化个体营养治疗的病人相比，接受标准护理营养支持的病人往往营养状况恶化，可能导致预后不良。根据该项研究的数据，这些病人表现出与分解代谢有关的代谢模式。
此外，病人的代谢情况与营养途径也相关。Parent等人（2017）使用代谢组学方法调查了EN和PN的代谢情况。该小组发现EN或PN后的代谢情况有差异。EN导致氨基酸、抗氧化剂和与尿素循环和核糖核酸合成相关的代谢物的增加。相反，PN导致氨基酸浓度的增加，而与尿酸和核糖核酸代谢有关的代谢物或抗氧化剂没有变化。此外，在Parent等人的研究中，脂肪酸浓度明显下降。在这项研究中缺乏这样的差异，也许是因为研究的病人被喂食EN或EN/PN，而不是只喂食PN。
Karlsruhe 代谢组学和营养学（KarMeN）研究调查了是否可以通过分析血浆代谢谱来预测性别和年龄，事实上，研究发现了一个性别特定的代谢组学模式，准确率超过90%。在本文的研究中，发现ACs和一些氨基酸在男性和女性的代谢组学模式中具有很高的鉴别能力。C16:2-OH、C16:1-OH和C6:1的浓度在男性和女性之间存在差异医疗器械企业。没有证据确定这些代谢物在营养疗法、危重症阶段或医疗营养途径内具有高的鉴别力。因此，在本文的研究环境中，性别对代谢概况变化的影响仍然有限。
本研究的局限性包括样本量小，ICU病人的异质性大。但通过使用模式识别技术（OPLS-DA）与多变量统计相结合，还是阐明了显著的发现。这些发现强调了代谢组学方法在危重病人的营养治疗和代谢护理中的潜在作用。宿主因素以及营养和肠道微生物群可能对该研究描述的代谢变化起作用。事实上，发现肠道微生物群的代谢途径与约三分之一的血液代谢物有关。
综上所述，该研究针对危重病人的代谢组学分析，结果表明营养途径（EN vs. EN/PN）、营养治疗方案(强化个体治疗vs. 标准治疗)以及危重疾病的阶段之间的代谢组学模式存在差异医疗器械企业。危重症的分期与包括营养治疗在内的治疗决策有很大关系，但目前仅由相当主观的临床标准来定义，缺乏适当的标记物来进行客观的评估。代谢组学提供了一种新的选择以更好地定义疾病的阶段，从而在危重病人的治疗决策过程发挥作用。次优营养治疗后观察到的分解代谢模式可能反映了疾病早期阶段的分解代谢状态，与（短暂的）营养状态下降有关。靶向代谢组学是一个很有前途的工具，可在未来的个性护理项目中实施以改善ICU病人的营养治疗和预后。