首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院和北京腦科學(xué)與類腦研究所合作，3月26日在神經(jīng)科學(xué)頂級期刊Neuron（《神經(jīng)元》）發(fā)表Comprehensive characterization of metabolic consumption and production by the human brain（《人腦代謝消耗和產(chǎn)生的綜合特征譜》），系統(tǒng)描述了大腦從血液循環(huán)中攝取以及釋放到循環(huán)中的代謝物特征（1,365種代謝物和140種脂質(zhì)）。這項(xiàng)研究為了解人類大腦需要什么代謝物，釋放了什么代謝物，以及代謝物在大腦中潛在的病理生理學(xué)作用提供了直觀依據(jù)。  

      首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院為第一作者單位，神經(jīng)病學(xué)中心王伊龍教授、介入神經(jīng)病學(xué)科莫大鵬教授以及北京腦科學(xué)與類腦研究所戈鵡平教授為共同通訊作者。北京腦科學(xué)與類腦研究所和首都醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生周樂波、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)病學(xué)中心博士生王楠和博士后邱寶山為共同第一作者。

      大腦是人體復(fù)雜而又神秘的器官。從精密的解剖結(jié)構(gòu)，到深奧的意識活動，都依賴于代謝作為物質(zhì)基礎(chǔ)。靜息狀態(tài)下，每分鐘約有750-1000毫升的血液從動脈進(jìn)入大腦，經(jīng)微循環(huán)進(jìn)行物質(zhì)交換，最終匯入腦靜脈回流。然而，人腦與血液循環(huán)代謝物交換的總體情況仍然未知。

      代謝組學(xué)測量有助于高通量和全面表征生物體液中的小分子物質(zhì)。動脈血作為供養(yǎng)來源，從左心室射出流向全身；而經(jīng)過各臟器組織回流的靜脈血則反應(yīng)了對應(yīng)器官或組織的代謝特征。動靜脈的配對比較一直被用作評估組織代謝的基本方法。

【圖片來自 Brain Injury Explanation】

      在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)利用獨(dú)特的采樣和分析方法——腦靜脈竇與股動脈血漿代謝物的配對比較，揭示了人腦攝取和釋放代謝物的綜合特征。

【樣本采集示意圖、人腦吸收和釋放代謝物火山圖以及

重要代謝物動靜脈配對散點(diǎn)圖（FA：股動脈；CVS：腦靜脈竇）】

      代謝物比值（靜脈竇濃度/股動脈濃度）< 1表示凈吸收，比值 > 1表示凈釋放。共測量了5,384個(gè)離子特征，發(fā)現(xiàn)了1,365種由人腦顯著吸收或釋放的代謝物。其中，738種（13.7％）由大腦吸收， 627種（11.6％）由大腦釋放，其余的74.7％保持穩(wěn)定。定量分析發(fā)現(xiàn)葡萄糖的凈攝取量最高，吸收率為15.9％，這揭示了大腦能量的主要來源。谷氨酰胺是凈釋放量最高的代謝物，這反映了谷氨酰胺生成的活躍狀態(tài)，可能與神經(jīng)保護(hù)相關(guān)。

【代謝物在人腦中的絕對攝取/釋放量和相對攝取/釋放百分比】

      通路富集分析發(fā)現(xiàn)大腦釋放的代謝物富集于氨酰-tRNA生物合成，精氨酸和脯氨酸代謝，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝，谷氨酰胺和谷氨酸代謝以及嘌呤代謝。由大腦攝入的代謝物富集于谷氨酰胺和谷氨酸代謝，谷胱甘肽代謝，氨酰-tRNA生物合成，精氨酸生物合成等重要通路。這些結(jié)果表明谷氨酸和谷氨酰胺代謝作為中心途徑的重要性，同時(shí)也反映了氨基酸、核苷和核苷酸在大腦各種代謝過程中的復(fù)雜關(guān)系。

【人腦吸收和釋放代謝物的通路富集分析】

      為確定人腦攝入或釋放的脂類代謝物。靶向脂質(zhì)組學(xué)量化了654種動脈和腦靜脈竇的脂質(zhì)濃度。大腦吸收的脂質(zhì)主要是甘油三酯，與能量儲存相關(guān)。磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和游離脂肪酸是大腦主要釋放的脂質(zhì)類別，它們與細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)成分相關(guān)。

      此外，為了探索大腦代謝與年齡或衰老的關(guān)系。該研究將參與者分成18-29歲和40-60歲兩個(gè)年齡段。兩種年齡段的腦代謝狀態(tài)存在顯著差異，代謝物吸收和釋放的模式可分為10類。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長，大腦消耗的葡萄糖逐漸減少，而釋放的膽堿逐漸增加。這些變化可能與年齡的增長而大腦代謝活性普遍降低以及學(xué)習(xí)、記憶活動代償性增加有關(guān)。

【不同年齡段大腦吸收和釋放代謝物的模式分析及相關(guān)性分析】

      總體來說，本研究通過動靜脈配對比較的方法系統(tǒng)描述了人腦從循環(huán)中攝取以及釋放到循環(huán)的代謝物特征，構(gòu)建了大腦與循環(huán)系統(tǒng)代謝物交換的全景圖譜。為探索代謝物在健康與疾病狀態(tài)下對大腦結(jié)構(gòu)與功能的潛在影響提供了參考依據(jù)。

      這項(xiàng)工作得到了中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)科學(xué)創(chuàng)新基金（CIFMS，2024-I2 M-ZD-012）、STI2030-重大項(xiàng)目（2022ZD0204700）、國家自然科學(xué)基金（32170964）和北京市青年學(xué)者計(jì)劃（065）的支持。此外，還得到了北京腦科學(xué)與類腦研究所和昌平實(shí)驗(yàn)室的資金支持。北京市科學(xué)技術(shù)委員會（Z221100007422053）、國家自然科學(xué)基金（81825007）、首都衛(wèi)生發(fā)展科研專項(xiàng)（2022-2-2045）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF1501500-5、2017YFC1307900、2017YFC1307905）、北京市青年學(xué)者計(jì)劃（010）、北京市口腔健康實(shí)驗(yàn)室（PXM2021_014226_000041）、北京市人才項(xiàng)目（2018A12）、北京市卓越青年科學(xué)家計(jì)劃（BJJWZYJH01201910025030）、國家萬人計(jì)劃、天壇北腦青年人才項(xiàng)目也對這項(xiàng)工作提供了支持。