痴呆症对全球健康构成重大挑战，对个人和医疗系统的影响日益增加。本研究旨在调查埃及地区临床阿尔茨海默病（AD）和血管性痴呆（VaD）患者的代谢特征，探索代谢紊乱与环境因素之间的联系。研究使用了来自61名AD患者、76名VaD患者和100名健康对照者的血清样本，并采用非靶向液相色谱-质谱联用（LC-MS）和广义回归分析方法。结果发现，AD患者中有59种代谢物显著改变，VaD患者中有69种代谢物显著改变，其中包括环境污染物。此外，通路富集分析表明，每组受影响的代谢途径不同，例如AD中的氨基酸代谢和VaD中的嘌呤代谢。这项研究揭示了与痴呆症相关的生物途径和环境因素，强调了在代谢组学研究中纳入多样化人群的重要性，以改善全球预防和干预策略。
结果
队列结构
研究队列分为三组：61名被诊断为临床阿尔茨海默病（AD）的个体，76名被诊断为临床血管性痴呆（VaD）或因血管事件导致的前驱认知障碍的个体，以及100名认知健康对照者。队列结构和组成的详细信息见表1。
数据探索与分析
为了检查数据，我们应用主成分分析（PCA）来降低代谢组学数据的维度，同时保留最具信息量的方差。我们绘制了第一主成分（PC1和PC2），以探索AD患者、VaD患者和健康对照之间的聚类模式。PCA图上的每个点代表一个个体样本，不同的颜色表示各种表型组。我们绘制了椭圆以捕捉每个组的95%置信区间，这有助于可视化组间的分离和可能的重叠。集群之间的分离程度反映了代谢差异，并突出了与每种状况相关的独特生化特征（图1）。
讨论
痴呆症是一种受遗传、环境、年龄相关、性别特异性和生活方式因素影响的多方面疾病，导致其表型异质性。鉴于认知、行为和功能损害可能需要数年时间，理解代谢物关联仍存在显著差距，这些关联可以增强我们对疾病过程的理解并改善早期检测策略。
在这项研究中，我们在AD和VaD患者中发现了20种和31种显著升高的环境和农药污染物血清水平，强化了先前的研究结果，即通过多种机制将农药暴露与神经退行性过程联系起来。农药被认为是神经毒素，慢性暴露与神经元损失、认知下降和包括痴呆在内的神经退行性疾病风险增加有关。我们鉴定了几类除草剂及其代谢物。三嗪、尿嘧啶和吡咯烷酮类除草剂表现出线粒体功能和氧化磷酸化的破坏，导致氧化应激增加和神经元凋亡。氯乙酰胺类除草剂代谢物干扰脂质代谢，可能影响神经元膜完整性和神经传递。苯基脲和苯氧基类除草剂代谢物导致神经炎症和轴突变性，进一步加剧神经退行性疾病病理。先前的一项研究表明，β-三酮类除草剂破坏多巴胺通路，可能导致帕金森样神经退行性病变。此外，苯基吡咯和三唑类杀菌剂代谢物诱导氧化应激并损害突触可塑性，这些机制与认知下降有关。甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂损害线粒体功能，导致神经元能量不足和凋亡。此外，有机磷类杀菌剂和杀虫剂不可逆地抑制乙酰胆碱酯酶，导致突触乙酰胆碱过度积累、兴奋性毒性和神经元死亡。在我们的AD和VaD患者中检测到升高的农药水平，表明环境毒素在疾病发病机制中的潜在作用，进一步强调了严格监测神经毒性暴露及其对认知健康的长期影响的必要性。
甘油磷脂如磷脂酰肌醇、磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺在与脂质代谢、脂质过氧化和脂质运输相关的生物途径中起关键作用。在细胞水平上，甘油磷脂是涉及细胞凋亡、粘附、迁移和增殖的信号通路不可或缺的一部分。一致地，甘油磷脂的显著升高先前已被证明与神经元萎缩有关，从而促进痴呆的发病机制。本研究的结果显示患者中脂质代谢物水平显著增加。DL-2-羟基戊酸在AD组中显示出最高的增加，为4.5倍变化（FDR p值：1.99E-24），在VaD组中为5.4倍变化（FDR p值：2.63E-42），其次是13-羟基十八碳二烯酸（13-HODE）、磷脂酰肌醇、磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺。值得注意的是，这是首次观察到DL-2-羟基戊酸在AD和VaD患者中显著增加。
相反，慢性农药暴露被认为会干扰脂质代谢，导致显著的代谢变化。先前的研究表明，脂质β-氧化途径和甘油磷脂代谢的紊乱是几种农药类别影响的共同途径。我们的研究结果显示，AD和VaD患者中农药血清代谢物显著升高，这可能表明与血清脂质代谢组的变化存在潜在关联。
众所周知，能量代谢和线粒体功能障碍在疾病发病机制中起着关键作用，因为线粒体功能受损会破坏ATP的产生，增加氧化应激，并导致神经元退化，最终加剧认知衰退。然而，支持代谢物改变影响能量代谢和线粒体功能障碍的直接证据尚不清楚。L-肉碱在脂质代谢和β-氧化中起着关键作用，促进长链脂肪酸进入线粒体进行能量生产。值得注意的是，之前的研究报道了AD和轻度认知障碍（MCI）个体血清肉碱水平的改变，可能通过能量代谢的中断和与APOE e4等关键风险因素的相互作用促进了疾病的发展。在当前的研究中，AD患者血清L-肉碱显著增加了2倍（FDR p值：0.00055），VaD患者增加了1.9倍（FDR p值：0.00048）。同样，L-苹果酸和L-琥珀酸作为线粒体柠檬酸循环中的中间体，进一步贡献于能量生产。先前的一项研究表明，AD患者血清苹果酸水平有轻微且不显著的增加，另一项研究报道了AD患者脑脊液中琥珀酸水平的平均值较低。然而，我们当前的研究显示AD患者血清苹果酸（3倍，FDR p值：1.26E-11）和琥珀酸（1.9倍，FDR p值：0.001）水平显著增加。同样，在VaD患者中，苹果酸显示2.6倍增加（FDR p值：1.05E-08），琥珀酸显示2.3倍增加（FDR p值：9.83E-07）。此外，Tiglyl-glycine（N-酰基甘氨酸），其在体液中的存在可作为线粒体脂质β-氧化障碍的诊断标志物（HMDB0000959），在AD中显著增加了3倍（FDR p值：6.21E-10），在VaD患者中增加了1.7倍（FDR p值：0.007），表明脂质代谢和线粒体功能障碍可能存在潜在的破坏。此外，L-鸟氨酸在与神经退行性疾病相关的代谢途径中至关重要。L-鸟氨酸在多胺合成途径中起核心作用，该途径在AD中显著失调，具有改变的鸟氨酸脱羧酶（ODC）酶活性，可能影响神经退行性和修复过程。之前的研究报道了AD患者血浆中L-鸟氨酸水平的改变。一致地，我们的研究结果显示AD患者（0.40倍，FDR p值：2.79E-07）和VaD患者（0.47倍，FDR p值：2.31E-05）中显著减少。另一方面，慢性农药暴露可能会扰乱与线粒体能量代谢相关的途径。Yan Q.等人揭示了肉碱穿梭、短链脂肪酸（丁酸盐）代谢、糖酵解和糖异生以及丙酮酸代谢等途径在较高农药暴露下发生了改变。这些发现可能支持血清农药代谢物水平升高与所观察到的代谢组变化之间的联系。
先前的研究报告了AD患者芳香族氨基酸水平的差异，具体取决于多个因素，包括样本来源（血清、CSF、大脑和不同脑区）、疾病阶段以及用于检测的方法。这些氨基酸水平的改变对AD病理可能有重要影响，可能会影响神经递质水平。在血清中，先前的研究报告了AD患者相比健康对照组苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸水平降低或无显著变化。此外，一些研究报道了AD患者CSF中苯丙氨酸水平降低。然而，在尸检脑组织中，结果不太一致。在当前的研究中，我们报告了AD患者（0.6倍，FDR p值：0.03）和VaD患者（0.4倍，FDR p值：0.001）血清苯丙氨酸显著减少，AD患者（1.6倍，FDR p值：0.03）和VaD患者（2.4倍，FDR p值：7.39E-07）血清色氨酸显著增加，而AD和VaD患者酪氨酸水平没有显著变化。因此，AD与苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸水平的关系复杂。需要进一步研究以全面了解不同隔室中发生的特定变化及其对疾病进展的贡献。
据报道，较低水平的支链氨基酸（BCAAs），如异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸，与AD风险增加相关。然而，一些研究报道了MCI个体中缬氨酸水平降低，但AD患者中升高。另一项研究发现，健康个体、MCI患者和AD诊断患者之间血液中BCAAs水平没有显著差异。Harshfield等人发现，无痴呆但表现出小血管疾病迹象的个体血清缬氨酸水平较低，与痴呆发展风险增加相关。然而，一项分析血清氨基酸代谢物水平的研究发现，健康对照组和血管性痴呆（VaD）患者之间的总氨基酸浓度没有显著差异。本研究的结果显示，AD患者血清缬氨酸和亮氨酸水平分别升高1.7倍（FDR p值：0.01）和2倍（FDR p值：0.0004），而VaD患者中未观察到缬氨酸和亮氨酸的显著变化。值得注意的是，与大多数氨基酸在肝脏中经过第一次代谢处理不同，BCAAs在那里经历的处理很少。因此，BCAAs的血液水平往往直接反映饮食摄入。这可能解释了不同研究中血液水平的不同变化。
此外，痴呆患者中显著降低的5'-甲硫腺苷（MTA）水平可能反映了涉及多胺代谢、甲基化和嘌呤补救途径的紊乱，这对神经元功能和存活至关重要。MTA还参与细胞信号传导、表观遗传调控和氧化应激反应，其缺乏可能与神经退行性病变有关。此外，MTA水平的降低可能会损害DNA和组蛋白甲基化，导致与AD相关的表观遗传变化。此外，MTA的减少可能表明嘌呤代谢受损，导致神经元能量不足，并可能表明一种慢性炎症状态，加剧神经毒性。在本研究中，AD患者（0.3倍，FDR p值：5.02E-11）和VaD患者（0.3倍，FDR p值：5.19E-12）中MTA显著减少。此外，比较分析显示，VaD患者血清MTA水平较AD患者显著增加（1.9倍，FDR p值：5.87E-08）。
另一种嘌呤，鸟苷，在AD中因其神经保护潜力而受到越来越多的关注。多项体外和体内研究表明，鸟苷可防止β-淀粉样蛋白诱导的细胞凋亡、神经炎症和氧化应激。此外，鸟苷在血管损伤中发挥重要作用，它在缺血事件后由星形胶质细胞释放，因此参与大脑对血管损伤的反应。先前的AD患者脑脊液死后分析显示，与对照组相比，鸟苷水平没有显著差异。然而，关于AD患者血清鸟苷水平的数据尚不可得，表明这是未来研究的一个领域。在目前的研究中，我们观察到AD患者血清鸟苷水平相较于对照组显著降低（0.5倍，FDR p值：0.00084）。相比之下，VaD患者血清鸟苷水平相较对照组增加了1.8倍（FDR p值：0.00261），有趣的是，VaD患者血清鸟苷水平相较AD患者增加了2倍（FDR p值：0.0008751）。总之，这些发现强调了MTA和鸟苷在维持神经元健康中的重要性，并暗示它们有可能区分这两种痴呆亚型。然而，这需要进一步的研究和验证。
总之，我们的研究突出了痴呆患者显著的代谢改变，特别是在脂质代谢、能量代谢和线粒体功能障碍、氨基酸代谢和嘌呤代谢方面。脂肪酸、甘油磷脂和与能量相关的代谢物的失调突显了它们在疾病过程中的潜在作用。VaD患者与AD患者观察到的不同代谢特征指向特定代谢途径的潜在差异。这些差异可能反映出每种痴呆亚型的独特病理生理过程，并强调了血清代谢组学区分AD和VaD的潜力。此外，我们研究结果的一个重要方面是环境和农业化学品污染物对血清代谢组紊乱和神经毒性的影响。在AD和VaD患者中检测到升高的农药水平支持了越来越多的证据，即将它们的暴露与神经退行性过程联系起来。总体而言，我们的研究结果为一个未充分研究的人群中痴呆的代谢景观提供了新的见解。对这些代谢紊乱及其与环境因素相互作用的更深入理解可能导致更有效的疾病预防和管理策略。
尽管从本研究中获得了见解，但仍必须承认几个局限性。一个主要问题是使用非空腹生物样本，这可能由于最近的饮食摄入而引入代谢物水平的变异性。此外，缺乏参与者饮食习惯的详细记录限制了我们充分理解营养对代谢特征影响的能力。此外，当前研究未收集有关药物、农药暴露、空气污染和食品相关污染物的数据，限制了我们全面评估可能显著影响代谢改变的环境因素的能力。
进一步的研究应该基于本研究的发现，结合更全面的数据集，包括详细的饮食评估、生活方式因素和环境暴露，如农业化学品污染物、农药和空气质量指标。纵向研究可以增强我们对这些变量如何随时间影响代谢特征的理解，尤其是在多样化人群中。扩展队列以涵盖更广泛的神经退行性疾病范围可以促进不同条件下代谢紊乱的比较分析。利用先进的代谢组学技术，并将其与基因和表观遗传数据整合，可以进一步阐明神经暴露组框架内的复杂相互作用。最终，这些努力将有助于更有针对性的预防和干预策略，改善受痴呆和其他神经退行性疾病影响的个体的健康结果。
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