机器学习驱动的脑脊液代谢体评估：对动脉瘤性蛛网膜下腔出血后不良预后的探索
动脉瘤性蛛网膜下腔出血（ aneurysmal subarachnoid hemorrhage, aSAH）是神经外科十分常见的脑血管病，其致残率和病死率均较高。在住院治疗的患者中，约20%患者出现不良神经功能预后。这不仅涉及动脉瘤破裂期间持续的原发性脑损伤，还跟出血后遗症引起的继发性损伤相关。尽管进行了大量研究，但目前对患者预后相关的病理生理学知识了解仍十分有限。
患者的临床和人口统计学资料对预测患者神经功能结构的能力有限。初始的神经系统查体、TCD及EEG可用来增强预测，并在决定临床干预和血管造影时提供相关信息。代谢体研究有助于更好地了解疾病病理生理学和代谢状态，且辅助预后研究。前期研究表明了与机器学习结合的代谢体研究法可用于发现aSAH患者血浆样本中的推定标记（putative markers）。鉴于血脑屏障（BBB）与血浆导致脑脊液的变化不同，本研究尝试评估一组严重aSAH患者的脑脊液代谢物与临床预后的关系。研究结果发表在2021年1月的Neurosurgery杂志上。DOI: 10.1093/neuros/nyaa557
aSAH与患者较高的死亡率和神经预后不良相关。但目前医学界对aSAH发病率与死亡率的相关生物学基础的了解有限。此研究旨在使用机器学习结合的代谢体研究法来确定aSAH损伤后的病理机制。
收集来自回顾性队列生物学库的81例aSAH患者的脑脊液标本。使用液相色谱-串联质谱法（liquid chromatography-tandem mass spectrometry）分析患者在迟发性脑缺血高峰期收集的标本。每个标本总共测量了138种代谢物并进行了定量。相关数据是通过弹性网络（elastic net, EN）机器学习和正交偏最小二乘判别分析法（orthogonal partial least squares-discriminant analysis，OPLS-DA）进行分析，以鉴定出与患者不良预后相关的主要脑脊液代谢物（此预后是通过患者出院90天改良Rankin评分确定的）。重复测量分析确定了每种代谢物对不良预后的影响大小。
弹性网络机器学习和OPLS-DA分别识别出8种和10种与出院90天改良Rankin评分不良结果相关的代谢物。在这些代谢物中，对称二甲基精氨酸（symmetric dimethylarginine，SDMA）、二甲基胍戊酸（dimethylguanidine valeric acid，DMGA）和鸟氨酸（ornithine）是一致的标志物，在出院时和出院90天时改良Rankin评分较差相关（分别为出院时P=0.0005, 0.002，0.0001；出院90天时P=0.0036, 0.0001, 0.004）。与非动脉瘤性SAH相比，SDMA还显示脑脊液浓度显著升高（P=0.0087）。
Table 1. 与整个队列相比，脑脊液队列的临床特征。
Table 2. 预测OPLS-DA模型VIP（variable importance in the projection：变量对模型的重要性）值的良好/不良结果的主要代谢物。（SAH：s-腺苷同型半胱氨酸；SAM：s-腺苷甲硫氨酸)
Figure 1. EN机器学习模型确定的可预测出院时结果的主要代谢物。对于可预测出院结果的每种代谢产物均显示了具有相关P值的单独箱线图（mRS 0-2 vs 3-6)。
Figure 2. EN机器学习模型确定的可预测出院90天时结果的主要代谢物。对于可预测出院90天时结果的每种代谢产物均显示了具有相关P值的单独箱线图（mRS 0-2 vs 3-6)。
Figure 3. 随着时间推移，脑脊液SDMA浓度重复测量分析并比较对照组。A：选择性动脉瘤患者和SAH患者的脑脊液SDMA浓度比较（P = 0.009） ；B：出院时不良和良好结果的平均SDMA浓度，以及相关的重复测量分析和相关的p值，P=0.002；C：出院90天时良好/不好结果的平均SDMA浓度，以及重复测量分析的相关P值，P = .001。
SDMA、DMGV和鸟氨酸是与一氧化氮（NO）途径相关的血管活性分子，可预测严重aSAH后的不良预后。aSAH后脑损伤中的二甲基精氨酸代谢产物需进一步研究。
机器学习技术能利用复杂的算法在大规模、异质性数据集中进行运行，从而发现那些即使是训练有素的研究人员也很难或不可能识别出的有用模式。在生物医学方面、人类基因组项目、癌症全基因组项目等领域都表现出了巨大的潜力，收集并分析与医学疗法和患者预后相关的大量数据集或能将医学转化成为一种数据驱动、以结果为导向的学科，其对于疾病的检测、诊断都有着非常深远的影响。应用机器学习为辅助的研究方法，本研究发现二甲基精氨酸在脑脊液浓度升高与严重aSAH后出院时和出院后90天随访时的不良预后相关。与接受择期动脉瘤夹闭术的对照组患者的脑脊液相比，严重的aSAH患者在脑脊液中的SDMA浓度明显升高，这种现象在预后较差的患者中尤为明显。研究显示，二甲基精氨酸在心血管疾病和肾功能不全病理生理中起着重要的作用。含有甲基精氨酸的蛋白质分解物——二甲基精氨酸在调节一氧化氮（NO）的合成中起关键作用。ADMA（SDMA的对映异构体）可作为竞争性抑制剂，影响NO的合成。多项研究表明，重症患者的血清中高ADMA浓度与不良预后相关。此外，在灵长类动物模型中，已证明ADMA与脑血管痉挛相关。本研究发现SDMA，以及其转氨副产物DMGV和鸟氨酸均与不良预后相关。既往没有认为SDMA对NO合酶途径直接影响。然而，最近的研究发现，高密度脂蛋白与SDMA，而非与ADMA结合，并通过先天免疫途径抑制NO合酶。既往研究表明，SDMA和ADMA在神经血管疾病中均具有公认的作用。基于与DCI（迟发性脑缺血）和血管痉挛的关系，SDMA和ADMA被认为是不良预后的标志物和推动介体。本研究得出类似结论，即SDMA的脑脊液浓度与不良预后相关。这进一步证明了与二甲基精氨酸代谢、DMGV和鸟氨酸中其他代谢物的相关性。作为一项回顾性研究，本研究依靠脑脊液的可用性进行分析。因此，队列偏向于较高级别的SAH患者。本研究没发现代谢物水平与血管痉挛之间的相关性。这可能会进一步支持微血管水平上发生的病理生理变化。此外，尽管在不到一小时的时间内就获取了患者的样本并进行了处理，但这时长可能会导致代谢物普变化。由于SAH患者的治疗方法有限（一般以支持治疗为主），本研究进一步支持了SDMA在SAH病理生理变化中的作用。与aSAH相关的继发性损伤是重要的治疗目标。血清学研究局限于外周循环中的代谢物变化，而脑脊液则提供了更接近损伤部位的独特效果。以上重要的代谢物是损伤标志物、致病因素、还是干预的关键点？这仍是个重要问题。将来的研究可进一步探索aSAH患者中SDMA、DMGV和鸟氨酸不同浓度的来源。
亚专科
