研究目的本研究整合临床研究和非靶向代谢组学研究,筛选损伤急性期和非急性期的前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament,ACL)残端的差异代谢物,探索并分析潜在的生物标志物,挖掘和推测相关联的代谢通路,以期为早期开展保留残端的ACL重建术提供代谢组学依据。研究方法研究对象为在本所行膝关节镜手术治疗的ACL断裂病人。手术前,记录病人的国际膝关节评分委员会(International Knee Documentation Committee,IKDC)主观功能评分、Lysholm评分、Tegner评分和疼痛视觉模拟评分(Visual Analogue Scale,VAS),采用KT2000测量双膝前向松弛度差值(Side to Side Difference,SSD)。手术中,采集病人的韧带残端组织。将ACL残端组织分为两组:A组(急性期组,Acute)受伤时间≤3周,B组(非急性期组,Nonacute)受伤时间>3周。经过样本前处理和上机,得到质谱原始数据。首先,将一、二级代谢物进行注释和分类,从整体上评估代谢物,通过主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和正交偏最小二乘判别分析(Orthogonal Partial Least Squares-Discriminant Analysis,OPLS-DA),分别在正离子模式和负离子模式下筛选差异代谢物。然后,采用最小绝对收缩和选择算子(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator,Lasso)回归和Boruta分析两种机器学习算法从差异代谢物中筛选出更能区分两组ACL残端的潜在生物标志物。最后,采用基因集富集分析(Gene Set Enrichment human‐mediated hybridizationAnalysis,GSEA)检测这些生物标志物参与的代谢通路,并进行生物标志物与临床特征的相关性分析。研究结果本研究共纳入39名ACL断裂病人,A组病例19人、B组病例20人,手术中采集病人的ACL残端进行非靶向代谢组学分析。研究发现:(1)经注释和分类后共识别出1032种代谢物,脂质类物质是数量最多的代谢物。(2)两组间共筛选出84种差异代谢物,包括66种上调代谢物和18种下调代谢物。对这84种差异代谢物采用Lasso回归可筛出24种特征代谢物,采用Boruta分析可筛出14种特征代谢物。将两种机器学习算法共同筛选出的8种特征代谢物作为生物标志物:四氢甲烷蝶呤(5,6,7,8-Tetrahydromethanopterin,H4MPT),NP-020871,(E)-4-辛烯酸,紫苏宁,睾酮,5′-脱氧腺嘌呤核苷(5′-Deoxyadenosine,5′-dAdo),6-巯基鸟嘌呤核苷一磷酸(6-Thioguanosine Monophosphate,6-TGMP),十二酸甲酯。(3)富集分析显示6-TGMP主要富集于AMPK信号通路,5′-dAdo参与支链氨基酸(Branched-Chain Amino Acids,BCAAs)的生物合成、碳水化合物的消化和吸收、类固醇和类固醇激素的生物合成,H4MPT的主要富集通路为不饱和脂肪酸的生物合成,紫苏宁参与氨基糖和核苷酸糖代谢以及不饱和脂肪酸的生物合成。(4)H4MPT、紫苏宁、NP-020871、6-TGMP、5′-dAdo、(E)-4-辛烯酸的含量均与IKDC评分和Lysholm评分呈显著负相关,睾酮的含量与IKDC评分呈显著正相关,5′-dAdo的含量与VAS评分呈显著正相关。研究结论本研究通过非靶向代谢组学分析技术筛选出区分损伤急性期和非急性期ACL残端的生物标志物,其中,5′-dAdo、6-TGMP和十二酸甲酯及其富集代谢通路提购买SB203580示损伤急性期ACL残端较强的生物愈合能力,损伤急性期ACL残端中含有较多的紫苏宁表明其潜在的神经修复功能,6-TGMP富集的AMPK信号通路说明损Smoothened Agonist伤急性期ACL残端的预防软骨损伤的作用。本研究对于在损伤急性期采用保留残端手术技术治疗ACL损伤提供了基于代谢组学技术的基础依据。