心肌能量代谢的基因调控预测非体外循环冠状动脉旁路移植术患者术后心脏功能:吸入与静脉麻醉

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OFF-PUMP冠状动脉旁路移植术（CABG）是近年来兴起的一种避免体外循环后遗症（如全身炎症反应、凝血障碍和多器官功能障碍）的方法。然而，这种侵入性较小的手术技术仍然涉及心脏和冠状动脉的操作，显然不能消除不可逆的心肌损伤。1在非体外循环CABG手术中观察到一些细胞因子的释放，其程度与体外循环相似，但动力学延迟。2因此，通过减少心肌缺血再灌注损伤来改善围手术期管理仍然至关重要，并将影响预后。

实验工作和临床试验的最新数据提供了强有力的证据，证明现代醚衍生卤化麻醉气体对心肌缺血具有明显的保护作用。三与异丙酚等静脉麻醉药相比，麻醉气体具有多种保护作用，包括药物预处理和后处理，这是减少梗死面积和改善缺血后恢复的两种最有效的治疗方法。4在一项双盲安慰剂对照研究中，在心脏停搏液诱导前立即在体外循环中短暂服用七氟醚可改善术后心脏功能5以及接受CABG手术患者的长期心血管结局。6此外，在整个CABG手术过程中使用麻醉气体会降低围手术期肌钙蛋白I的释放以及重症监护病房和住院时间。7 

使用全基因组方法，我们之前报道过，在隔离的大鼠心脏中，不同的基因程序被麻醉气体激活，从而减轻长期缺血的不利后果。4,8这一概念与麻醉气体引发“第二个保护窗口”的概念一致9,10这直接取决于基因表达的改变。三心房活检的初步结果表明，患者可能发生类似的基因组重编程。6到目前为止，还没有在人类心脏的基因表达水平上对静脉麻醉药和麻醉气体进行直接比较。根据不同麻醉剂在心脏保护方面的报道差异，我们假设七氟醚和异丙酚会在人类心脏手术中引起不同的基因组反应。转录变化与临床重要的心血管生物标志物和心脏功能生理参数相关。

苏黎世大学医院（苏黎世，瑞士）和特里姆利医院（瑞士苏黎世）的机构伦理委员会批准了该研究，并获得了所有患者的书面知情同意。2005年1月至6月，20名计划接受选择性非体外循环冠状动脉搭桥手术的患者被纳入研究。

纳入标准包括选择性非体外循环冠状动脉搭桥手术、三支冠状动脉疾病、男性、年龄50-80岁。排除标准包括糖尿病、合并非心脏手术、冠状动脉搭台手术前不到2个月的心肌梗死、，术前24小时内血浆心肌酶浓度升高，心绞痛不稳定，左室射血分数低于40%，血流动力学不稳定，需要药物或机械性肌力支持，血清肌酐大于150μm，以及分别给予皮质类固醇或预处理模拟/阻断剂，如二氮杂卓、尼可地尔、茶碱和磺酰脲类药物。

患者被随机分配到七氟烷（Sevorane；Abbott，Baar，Switzerland）或丙泊酚（Diprivan 2%；AstraZeneca，Zug，Switzerland）组(图1). 插管前给予芬太尼、咪达唑仑、罗库溴铵或潘库溴铵。所有患者均使用咪唑安定、芬太尼和瑞芬太尼维持麻醉，直到进行第一次心房活检（T1基线活检）。随后，使用麻醉气体七氟醚或静脉麻醉剂异丙酚维持麻醉，直到在关胸前不久采集第二次心房活检（T2活检）。调整七氟醚和异丙酚，使血压和心率保持在基线值的20%以内。在心脏手术操作期间，如果以下标准之一存在至少15分钟，则考虑转为体外循环：（1）心脏指数小于1.5 l·min⁻¹·米⁻²，（2）混合中心静脉饱和度低于60%，（3）平均动脉压低于50 mmHg，（4）ST段改变提示新的心肌缺血，或（5）严重心律失常。在完成旁路移植术后，两组均使用瑞芬太尼输注和重复剂量的咪唑安定进行镇静，直至重症监护室拔管。获得了标准的经食管超声心动图、组织多普勒成像和使用肺动脉热稀释的血流动力学测量(图1). 两组患者均接受了相同的术后护理。

进行正中胸骨切开术和心包切开术，在准备移植物之前立即采集右心房的第一个样本。在心脏手术操作期间，通过重复剂量的去甲肾上腺素、硝酸甘油、手术台定位以及以90次/min的速度对心脏进行连续心外膜刺激，实现了血流动力学稳定性。在使用稳定器（Octopus；Medtronic，明尼阿波利斯，明尼苏达州）固定手术场地后，打开冠状动脉，在缝合结束时取出冠状动脉内分流器，以保持远端灌注。用左乳动脉重建左前冠状动脉血运。静脉移植物用于心肌下壁，右乳内动脉用于经主动脉后横窦连接的旋支就地旋支，或者，如果太短，用作左乳内动脉的T型移植物。使用心弦装置（印第安纳波利斯州吉丹特）进行近端吻合。所有旁路的质量均由流量测量控制（挪威奥斯陆Medistim）。

术前和冠状动脉旁路移植术后进行超声心动图测量。由一名经验丰富的检查人员使用Philips SONOS 5500系统和Omniplane III-TOE探头（马萨诸塞州安多佛市Philips Medical Systems）进行标准经食管超声心动图和组织多普勒成像。对超声心动图进行数字存储和分析事后（post-hoc）不知道临床数据或小组分配。在左心室经胃中乳头短轴视图中，通过人工测量心内膜边界前缘所限定的面积，测量左心室舒张末期面积和左心室收缩末期面积。左室舒张末期面积被确定为R波后左室最大横截面积，左室收缩面积被确定为由T波后左心室最小横截面积。左室分数面积变化（%）计算为100×（左室舒张末期面积−左室收缩面积）/左室舒张末面积。将样本量置于二尖瓣叶尖端之间后，用探头在食管中段四腔切面上获得经皮血流的脉冲波多普勒测量值。测量二尖瓣早期峰值流入速度（E波）、减速时间、峰值心房充盈速度（A波）和E/A比值。使用与左心室流入平行的M型光标对彩色M型血流传播进行评估。调整后确定主混叠速度，以获得最长的流动柱。还从食管中段四腔切面获得组织多普勒成像，以量化局部心肌收缩力。测量左室间隔、侧壁和二尖瓣环的心肌速度。使用QLAB高级量化软件2.0版（Philips Ultrasound，Bothell，WA）测定收缩早期、舒张早期和舒张晚期峰值速度。所有超声心动图测量值均记录为连续三个心动周期的平均值。在手术前、冠状动脉旁路移植术完成后、到达重症监护室4小时后，以及在重症监护室出院时使用肺动脉热稀释作为连续三次注射冰水的平均值，同时进行血流动力学测量。

对病历进行审查，并每天与护理人员面谈不良事件的发生情况。不良事件（与研究结束时确定的心肌和肾脏损伤标记物相反）由独立管理的临床医生诊断。术后每天采集12导联心电图。新的术后心肌梗死的诊断需要新的Q波，即明尼苏达州法规定义的持续ST-T段改变，11和/或肌钙蛋白T（cTnT）大于2.0μg/l。脑血管损伤的诊断需要临床症状和/或计算机辅助断层扫描阳性。术后严重肾功能障碍的诊断需要新建立的术后血液透析或血液滤过。

在术前、到达重症监护室时以及术后24、48和72小时采集血样，用于测定cTnT和N末端脑钠肽前体（NT-proBNP）血浆水平。仅在术前和术后72小时测定妊娠相关血浆蛋白A（PAPP-A）和胱抑素C血浆水平。采集的血样在−80°C下保存，直至分析。使用罗氏模块化分析P或罗氏模块分析E170（德国曼海姆罗氏诊断公司）测定以下参数：NT-proBNP（电化学发光夹心免疫分析）-灵敏度大于5 ng/l，分析内和分析间变异系数小于3%，正常值（50岁以上男性为97.5%）小于334 ng/l；cTnT（电化学发光夹心免疫分析）-灵敏度大于0.01μg/l，批内和批间变异系数大于2.5%，正常值小于0.01μg/l。PAPP-A分析从德国Henningsdorf Brahms购买（基于时间分辨扩增隐式发射的免疫分析）-灵敏度0.004 U/l，批内和批间变异系数小于2%，正常范围（健康男性）小于0.01 U/l。胱抑素C分析从丹麦Goldstrup Dako A/S购买（微粒增强比浊法）-灵敏度大于0.2 mg/dl，批间和批间方差系数小于3.5%，正常范围0.63–1.61 mg/l。

按照“微阵列实验的最低信息”（MIAME）指南进行微阵列分析。12使用RNeasy Mini Kit（瑞士巴塞尔Qiagen AG）从冷冻心脏组织中制备总RNA。用NanoDrop ND 1000测定分离RNA的质量（NanoDrot Technologies，Wilmington，DE；260 nm/280 nm比值在1.8和2.1之间，28S/18S比值在1.5到2之间）。使用双循环cDNA合成试剂盒（Affymetrix Inc.，Santa Clara，CA）将总RNA样品（100 ng）反转录成双链互补DNA（cDNA）。使用样本清理模块（Affymetrix Inc.）纯化双链cDNA。纯化的双链cDNA为在体外使用IVT标记试剂盒（Affymetrix Inc.）在生物素标记的核苷酸存在下转录。使用样品清理模块（Affymetrix Inc.）纯化生物素化互补RNA（cRNA），并使用NanoDrop ND 1000和生物分析仪2100测定其质量和数量。将生物素标记的cRNA样品（15μg）在94°C的Fragmentation Buffer（Affymetrix Inc.）中随机片段化至35–200 bp，并将其混合在300μl杂交缓冲液中，该杂交缓冲液含有杂交Control cRNA和Control Oligo B2（Affmetrix Inc-pH 6.7的乙烷磺酸（MES）缓冲液。将每个样本（共40个样本）与单个Affymetrix GeneChip Human Genome U_133 Plus 2.0阵列在45°C下杂交16小时（Affymetix Inc.）。使用Affymetrix Fluidics Station 450 EukGE-WS2v5_450协议清洗阵列，并使用Affmetrix GeneChip Scanner 3000（Affymetix Inc.）以3μm的分辨率进行扫描。使用Affymetrix GCOS 1.2软件（Affymmetrix Inc.）对原始数据进行处理，并根据Affmetrix确定的参数对所有阵列进行质量控制，如平均背景值和噪声值评估、外源添加的原核杂交控制、当前呼叫百分比、，比例因子和内部控制基因。使用稳健的多芯片平均方法对表达值进行归一化和计算。13微阵列数据可在序列号为GSE4386的基因表达综合数据库##中获得。每个患者都采集了两个心房样本并用于杂交。没有收集样本，即。最终分析中使用了40个样本对应40个芯片。包含所有40个心脏样本的54675个探针组的表达值的全局基因表达矩阵用作基因集富集分析（GSEA）的输入。14GSEA考虑代表感兴趣路径的预定义基因集，并确定这些集的成员是否在根据其与特定表型或类别区分的相关性排序的基因列表中过度表达。输出是一个标准化富集分数，表示有序基因列表顶部（高度相关）或底部（高度反相关）基因集的富集程度。标准化富集分数用于生成P（P）衡量分数本身重要性的值。用于当前分析的基因集（共547个）是从GSEA主页***获得的，或者是手动筛选的。有关这方面的更多信息，请访问麻醉学网站：美国麻醉学网站.

在第一次分析中，“GSEA表型”定义如下：SEVO（t=T1），即在T1时间段七氟醚组采集的样本；SEVO（t=T2），七氟烷组在时间T2采集的样本；丙泊酚组分别在T1和T2时间采集的PROP（t=T1）和PROP（t=T2）样本。为了定义基因表达的标准化度量（平均质心），我们将所有40个样本中富集基因的基因表达水平标准化为平均值0和方差1。给定路径的平均质心向量计算为路径中每个基因的归一化表达向量的平均值。使用计算出的所有Affymetrix探针组从T1到T2的折叠变化进行第二次GSEA分析。在这种情况下，定义了两种表型（SEVO和PROP）。

作为测量基因表达水平的一种独立方法，对八个选定的基因进行实时逆转录酶聚合酶链反应，以确认微阵列数据（麻醉学网站上的表S1）。为此，通过基因芯片分析，随机选择具有广泛折叠变化（0.12-8.0）的转录本。使用Superscript II逆转录酶（Invitrogen，Basel，Switzerland）和寡核苷酸作为引物，从1μg总RNA合成第一链cDNA。使用Brilliant SYBR green QPCR Master Mix（Stratagene Europe）在Stratagene-MX3000实时序列检测仪（Stratange Europe，Amsterdam，the Netherlands）上对所选基因进行实时反转录聚合酶链反应定量。在90°C的初始温度下进行扩增反应3分钟，然后进行20–35个周期。样品分为三份，核糖体18S（一种组成性表达基因）用作参考对照。琼脂糖凝胶电泳证实了扩增产物的预测大小。

根据之前报告的NT-proBNP结果计算样本量。5对于生化和生理参数，重复测量的双向方差分析，然后采用适当的多重比较程序（Bonferronit吨测试）用于评估组间随时间的差异。未成对的t吨该测试用于比较相同时间点的各组t吨该测试用于组内随时间变化的比较。所有其他数据均使用未配对分析t吨参数数据测试或非参数数据的Mann-Whitney测试。分类变量按比例进行汇总，并使用Fisher精确检验或χ2检验（如适用）进行比较。P（P）值乘以进行的比较次数（Bonferroni校正），并进行校正P（P）<0.05被认为是显著的。数据以平均值±SD或中位数和四分位数给出（如适用）。采用功能/生化结果变量作为因变量，基因表达测量（平均质心或折叠变化）和临床数据作为自变量，应用正向逐步线性回归（F-to-Enter=4.000，F-to-Remove=3.996）。调整后的平方相关系数(R（右） ^2形容词)已报告。使用SigmaStat第2版（伊利诺伊州芝加哥SPSS Science）和StatView第5版（伊利诺斯州芝加哥SAS研究所）进行分析。

患者特征和围手术期数据列于表1七氟醚组和异丙酚组的所有术前数据（包括药物治疗和共病）均相似。除了七氟醚组麻醉和手术时间更长、瑞芬太尼用量更少外，各组之间的术中数据具有可比性。两组在手术操作期间用于稳定血流动力学的去甲肾上腺素和硝酸甘油的累积剂量相似(表1). 所有患者均无需转为体外循环，也无术后心肌梗死、脑血管损伤或肾损伤。术后无需机械或医疗肌力支持。

七氟醚显著减少术后NT-proBNP的释放(图2A). 异丙酚患者术后NT-proBNP平均峰值为3442±1458 ng/l，而七氟醚患者为1392±881 ng/l(P（P） = 0.0013). 相反，术后cTnT释放量无差异(图2B). 然而，两名异丙酚患者（但没有一名七氟醚患者）术后cTnT浓度峰值大于0.65μg/l，这表明围手术期存在严重心肌损伤。没有患者出现术后肾功能恶化（七氟醚患者术后胱抑素C血浆浓度：0.63±0.16 mg/l与。丙泊酚患者：0.64±0.18 mg/l；P（P） = 0.55;图2C). 所有患者术前基线PAPP-A血浆浓度均升高，表明动脉粥样硬化斑块中存在活跃的炎症过程。七氟醚而非异丙酚可消除术后PAPP-A升高（七氟醚患者PAPP-A:−1.10±1.10 mU/l的平均变化与。异丙酚患者为+6±1.05 mU/l；P（P） < 0.001;图2D).

CABG术后七氟醚（非异丙酚）保留肌力（主要是侧壁）和舒张早期功能（环和隔）(表2)从而成功地维持了心脏指数测定所确定的术后早期整体心脏功能(表3). 与异丙酚患者相比，七氟醚患者的术后射血分数也比术前增加(表2). 重症监护病房术后晚期血液动力学测量结果显示，与术前测量结果相比，七氟醚和异丙酚患者的术后心脏指数都有所增加。然而，这种增加在七氟醚患者中更为明显，并进一步伴有全身血管阻力降低(表3).

对于每位患者，采集两个心房样本，第一个样本在开胸后立即采集（麻醉诱导后110±45分钟；T1），第二个样本在闭胸前不久采集（获得第一个样本后180±40分钟；T2）。样本T1反映了暴露于七氟醚或异丙酚（构成性背景活性）之前的背景基因表达谱，而样本T2反映了两个麻醉组的手术基因反应。通过实时定量聚合酶链式反应证实，微阵列技术可靠地检测到基因表达变化的存在和方向（麻醉学网站上的表S1和S2）。作为第一步，确定两个麻醉组之间随时间（T1–T2）不同调节的单个基因（见图S1，显示了麻醉网站上排名靠前的50个上调和下调基因）。非体外循环CABG手术诱导转录调控、促炎和抗炎作用相关基因发生显著变化。接下来，对七氟醚和异丙酚治疗患者的差异和联合调节通路（T1–T2）随时间的变化进行比较，发现异丙酚和七氟醚患者的丰富通路数量相似(图3A和表4). 在T1，GSEA进一步检测到患者中过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化因子1α（PGC-1α）途径相关基因的活性存在细微差异（约15%）（标准化富集分数=1.37；标称P（P）值=0.04，错误发现率q值=0.26；图3B). 正如预期的那样，PGC-1α途径与参与氧化磷酸化的基因相关(R（右） ^2形容词=0.71，P（P）<0.00001）和脂肪酸代谢（吸收和氧化）(R（右） ^2形容词= 0.70,P（P） < 0.00001) (图3C)因此，随后在多变量分析中用作心肌背景能量代谢的指标（麻醉学网站上的图S2）。

根据研究方案，T1和T2之间基因表达的短期变化应归因于使用的麻醉剂不同。为了明确确定麻醉剂的基因组效应并校正基线转录活性的差异，GSEA被用于折叠T1和T2之间基因表达的变化。从该分析中，出现了三条主要途径，包括脂肪酸氧化（标准化富集分数=1.53；标称P（P）值=0.02，错误发现率q值=0.33），DNA损伤信号（标准化富集分数=1.68；标称P（P）值=0.02，假发现率q值=0.11）和粒细胞-克隆刺激因子（G-CSF）生存途径（标准化富集分数=−1.79；标称P（P）值=0.00，错误发现率q值=0.10）。与异丙酚相比，麻醉气体七氟醚降低了脂肪酸氧化相关基因的转录活性(t吨测试P（P）=0.008）和DNA-损伤信号(t吨测试P（P）=0.002），但激活了G-CSF生存途径(t吨测试P（P） = 0.017) (图4; 有关完整的成绩单列表，请参阅麻醉学网站上的表S3）。有趣的是，正如在七氟醚患者中观察到的那样，脂肪酸氧化相关转录物的低活性与低DNA损伤信号密切相关(P（P）<0.001）和高G-CSF生存途径活性(P（P）=0.006），意味着代谢表型和心脏保护之间可能存在联系(图5).

接下来，我们将麻醉诱导的短期转录变化和观察到的本底能量代谢组成差异与术后心脏功能相关联。使用三种独立的方法测量心功能，包括NT-proBNP、经食管超声心动图和肺动脉热稀释。应用正向逐步线性回归分析确定术后心功能的最佳预测因子。图6显示了具有NT-proBNP、心脏指数和舒张峰值速度（左室舒张标志物）最佳预测因子的回归图。有趣的是，G-CSF存活途径一致地预测了心脏不同解剖部位的左心室舒张功能。转录表型与收缩期峰值速度之间没有相关性。PAPP-A和cTnT与心脏功能和转录表型无关。总之，这些数据表明，心肌能量代谢的短期（通过麻醉剂）和长期（组成性）基因调控可预测术后心脏恢复。

在这里，我们首次在全基因组的基础上表明，麻醉剂对人类心脏手术的转录反应有不同的调节作用。与静脉麻醉剂异丙酚相比，挥发性醚七氟烷降低了脂肪酸氧化，这与减少DNA损伤信号和增强G-CSF生存途径的激活密切相关。这些有利的转录变化与NT-proBNP释放、心脏指数和峰值舒张速度密切相关，并预测心脏功能恢复的改善。然而，除了这些相当急性的转录效应外，参与氧化磷酸化和脂肪酸代谢的PGC-1α通路调节基因的慢性术前背景活性独立预测术后心脏功能。总之，我们的数据表明，心肌能量代谢的基因调控，无论是作为构成背景活性还是作为短期治疗靶点，在围手术期心脏保护中起着关键作用。

我们使用高密度寡核苷酸微阵列评估两种广泛使用的麻醉剂引起的心脏基因表达的整体变化，以深入了解围手术期心脏保护的潜在机制。根据先前报道的麻醉气体和静脉麻醉剂的心脏保护作用之间的差异，5,7,15–17我们寻求人类心脏的差异基因组反应，这可能与生化和功能结果测量相关。为了扩大我们研究结果的适用性，非体外循环冠状动脉旁路移植手术被用作人体心肌缺血的模型，它更接近于模拟普通外科患者在非心脏手术期间发生缺血的情况。为了评估广泛的相互作用基因以及转录激活和抑制的复杂冗余和拮抗模式，我们使用GSEA，这是一种复杂的模式识别工具。14单基因方法仅限于评估复杂的病理生理网络，而忽略了对整个路径的重要影响。相反，GSEA基于先前的生物学知识，在功能相关基因的水平上评估微阵列数据。GSEA背后的独特概念涉及这样一个事实，即编码路径（基因集）成员的大多数基因即使发生微小但协调的变化，也可能显著改变通过路径的流量。使用这种更全面的方法，我们能够在全基因组的基础上追踪心肌中麻醉剂的分子足迹，并对围手术期心脏保护机制获得新的见解。

在本研究中，我们确定心肌能量代谢的基因调控是术后心脏功能的主要决定因素。大量文献支持心肌基质代谢在急慢性疾病状态下严重影响心脏功能的概念，18治疗策略改变代谢燃料偏好，使其远离脂肪酸氧化，确实可以改善缺血后的收缩恢复，并影响长期预后。19在常氧条件下，心脏主要（约60-80%）使用脂肪酸作为燃料来源。18然而，在以葡萄糖为首选燃料的缺血期间，心脏基质利用率显著改变。相反，在缺血后心肌中，脂肪酸氧化普遍存在，几乎提供100%的细胞三磷酸腺苷（ATP）需求。20虽然我们没有观察到葡萄糖转运、糖酵解或葡萄糖氧化途径的转录变化，但脂肪酸氧化的减少，就其本身而言导致葡萄糖利用率相对增加通过激活丙酮酸脱氢酶复合物（Randle的葡萄糖-脂肪酸循环21). 相比脂肪酸氧化（2.83 ATP/氧分子），更倾向于能量经济型葡萄糖（3.17 ATP/氧气分子），这对只有有限氧气供应的患病和机械应激心脏尤其有益。因此，通过异丙酚麻醉或作为组成代谢表型的高水平脂肪酸氧化可能会使心脏处于术后收缩功能障碍的较高风险中。

我们的研究现在证明，使用麻醉气体可以在短期内在人类心脏中诱导这种保护性代谢表型。我们之前报道过，另一种卤代醚异氟醚能显著降低在体外大鼠心脏模型（麻醉学网站上的图S3），8这与异氟烷麻醉小鼠的正电子发射断层扫描结果一致，该结果表现出强烈和选择性的心肌葡萄糖摄取。22同样，我们的研究中，PGC-1α途径的结构性心脏下调患者可能已经将代谢燃料偏好从脂肪酸氧化转移，从而表现出线粒体呼吸和氧化磷酸化基因活性降低。PGC-1α通路包含转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体α、雌激素相关受体α、核呼吸因子和转录辅激活因子PGC-1α，它们对细胞能量代谢的控制起着关键作用。23虽然PGC-1α途径促进高能量状态，并增加收缩力，24PGC-1α诱导的高ATP转换在氧气限制条件下可能有害。25因此，缺乏过氧化物酶体增殖物激活受体α（PGC-1α途径的关键转录因子）的心脏表现出更好的缺血耐受性，而过氧化物酶增殖物激活的受体α过度表达的心脏仅在缺血再灌注后恢复不佳，因为它们无法切换能量底物。26有趣的是，线粒体呼吸减少类似于代谢性冬眠状态，以前被认为是预适应状态的典型特征。27,28另一方面，麻醉气体激活ATP依赖的钾通道，29,30预处理过程中的关键参与者，它们受到中间代谢物的严格调节。31总之，我们的数据为细胞代谢、预处理和围手术期心脏保护之间复杂的相互作用提供了新的线索，并进一步表明PGC-1α通路的调节可能被用作一种新的抗缺血策略。

DNA损伤信号和G-CSF生存途径与脂肪酸氧化密切相关。我们的发现提出的一个重要问题与这些途径之间的可能联系有关。在DNA损伤信号的情况下，这种相关性可能仅仅反映了代谢燃料转换所产生的保护作用。除其他外，该途径包括促炎性肿瘤坏死因子α、肿瘤抑制因子p53和共济失调毛细血管扩张突变（一种作为肿瘤抑制因子的蛋白激酶）检查点，最近研究表明，该检查点在心脏手术患者的缺血再灌注损伤中起重要作用。32相反，G-CSF生存途径可能通过调节STAT3介导的心脏胰岛素敏感性，在心脏燃料选择中起直接因果作用。33该途径的代表性成员是JAK2/3、STAT3、血管内皮生长因子和蛋白激酶B或Akt，它们促进细胞存活和血管生成。34,35已知STAT3可诱导早期预处理36但在后期预适应的情况下也有一个强制性的作用。37有趣的是，G-CSF生存途径活性最能预测左室舒张功能的变化。心脏周期的舒张期对心脏的能量需求最高，因此可能对缺血特别敏感，但也可接受此途径的保护。G-CSF进一步发挥抗炎作用，38这与我们的发现一致，PAPP-A是冠状动脉斑块炎症和不稳定的标志物，39七氟醚治疗的患者术后血压没有升高。最后，G-CSF对骨髓干细胞的动员和心脏归巢具有积极作用，可以加速术后内皮和心肌的恢复。40,41最近的临床研究强调了PAPP-A在检测急性冠脉综合征患者斑块破裂方面的重要作用，即使在缺乏坏死生物标记物的情况下，也有可能发现斑块不稳定的高危患者。42PAPP-A也被确定为未来心血管事件和未来血管成形术或CABG手术需求的独立预测因子。43 

这项研究是一项观察性研究，不允许对因果关系进行最终解释。观察到的七氟醚的一些即时有益效应可能是由于与预处理相关的直接信号事件（“第一窗口”），而其他在暴露于七氟醚后数小时或数天内发生的中长期有益效应可能至少部分由基因组重编程解释。我们的研究无法区分这些可能性，但将转录变化与功能和生化结果联系起来。本研究旨在检测SEVO组和PROP组术后NT-proBNP水平的差异，但未检测临床结果测量的差异。尽管DNA微阵列技术在结果的敏感性、准确性、特异性和再现性方面存在局限性，但现有数据表明，对于大量转录物，该方法可以可靠地检测到表达变化的存在和方向。44鉴于与微阵列上的大量探针（成千上万）相比，样本数量较少，微阵列分析中统计能力的不确定性仍然是大规模转录谱分析的局限。我们使用了最先进的生物信息学工具来解决这些问题，特别是在多重比较的校正方面。尽管如此，我们的结果应该在随机对照临床试验中进行检验。本研究是对心肌基因表达的短期评估。然而，我们之前已经在接受泵内冠状动脉旁路移植手术的患者中表明，七氟醚引起的基因表达的有利短期变化与改善长期心血管结局有关。6尽管我们仔细选择了患者，但与对照良好的动物实验相比，人类研究中始终存在较高的生物变异性。特别是，药物可能会影响心肌底物代谢，从而使我们的研究结果产生偏差。事实上，七氟烷患者接受的瑞芬太尼（一种模拟预处理阿片类药物）少于异丙酚患者。45然而，这应该有利于异丙酚患者的心脏保护。此外，尽管对患者进行了适当的随机化和选择，但我们的分析表明，在基线检查时，各组之间的PGC-1α途径受到了不同的调节。因此，我们将此途径纳入多元分析。尽管有这些警告，我们还是能够检测出超出此可变性的健壮功能模式。选择了一组相对健康的心脏手术患者进行研究，这可能会限制我们研究结果的普遍应用。测量了潮末七氟醚的浓度，而没有测定血液中的丙泊酚浓度，这可能会使两种麻醉剂之间的直接比较复杂化。然而，七氟烷和异丙酚以临床相关剂量给药，以将血压和心率维持在基线值的20%以内。比较基于脂质的麻醉剂（异丙酚溶解在Intralipid中）和无脂麻醉剂对心肌能量代谢的影响尚不清楚。可以推测，异丙酚的脂质成分而非麻醉剂本身可能是心脏能量代谢中观察到的一些差异的原因。然而，大多数研究表明，异丙酚对心脏保护的作用与使用的溶剂无关。46此外，小鼠实验数据也证明了挥发性麻醉剂就其本身而言减少心脏脂肪酸氧化。22信使RNA水平并不总是直接转化为蛋白质或功能水平的变化，因为在翻译后水平上存在额外的调节机制。然而，酶和转运蛋白细胞蛋白含量的基因表达谱是代谢表型的重要决定因素。最后，出于伦理原因，我们使用人类心房样本而非心室活检来检测基因表达变化。尽管人类心房和心室组织之间存在明显的差异（但也有许多相似之处），但本研究中心房样本的基因表达是否可以直接推断到左心室组织，仍不清楚。然而，一项研究发现，心房和左心室之间只有大约1%的基因（主要与收缩功能有关）存在差异表达。47使用Affymetrix芯片，Barth等。 48据报道，心室中与能量代谢和氧化磷酸化相关的基因表达占优势，而心房组织则显著表达与信号转导通路相关的转录物，这些转录物可能对血流动力学负荷和神经内分泌活动的变化特别敏感。值得注意的是，在后一项研究中，同一心室内不同区域之间的转录也存在显著差异，心室组织中也诱导了一些心室特异性标记物，如心钠素。最后，使用Affymetrix U95Av2阵列，Ohki-Kaneda等。 49我们能够从右心房基因表达模式预测左心室射血分数，这意味着我们研究的心房转录谱在左心室基因表达和功能方面可能具有临床意义。

在提高高危外科患者的围手术期结局方面，已经做出了相当大的努力。在最近一篇里程碑式的文章中，讨论了将基础科学转化为临床实践的必要性，提出将麻醉气体作为现成的模型药物，以成功地在患者中复制心脏保护。50我们的数据清楚地支持了这一观点，并为心脏手术患者的围手术期管理中使用麻醉气体提供了有力的理论依据。总之，通过综合生理学方法，我们能够将非体外循环冠状动脉旁路移植术患者的麻醉诱导和构成基因对心肌能量代谢的调控与术后心脏功能联系起来。我们的分析进一步指出，PGC-1α途径和G-CSF生存途径是心脏保护程序的组成部分，是围手术期心脏保护的潜在治疗靶点。

作者感谢Marzanna Kuenzli博士（瑞士苏黎世苏黎世功能基因组中心）在微阵列杂交方面提供的技术援助，以及Gary D.Lopaschuk博士（加拿大阿尔伯塔省埃德蒙顿阿尔伯塔心脏研究所所长）批判性地审阅了手稿。