代謝組學(xué)在感染性疾病中的研究進(jìn)展

王霞 賽海芳

青島大學(xué)附屬威海市中心醫(yī)院感染管理科，威海 264400

代謝組學(xué)是一種用于測定和定量生物系統(tǒng)中代謝物的整體方法，可以通過量化代謝物來分析生化途徑，這些代謝物是主要代謝途徑中的已知參與者，包括糖酵解、三羧酸（TCA）循環(huán)和磷酸戊糖途徑［1］。糖酵解是葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸，被增殖細(xì)胞使用，產(chǎn)生腺苷5′-三磷酸（ATP），將還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）還原為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）。磷酸戊糖途徑從糖酵解分支到中間代謝物葡萄糖-6-磷酸，并將細(xì)胞代謝轉(zhuǎn)向結(jié)果用于細(xì)胞生長和增殖的核苷酸和氨基酸前體的合成及氧化還原代謝和脂肪酸合成的還原代謝物的合成。TCA 循環(huán)涉及將丙酮酸或脂肪酸轉(zhuǎn)化為ATP、NADH 和黃素腺嘌呤二核苷酸對苯二酚形式（FADH2），其中間體可用于氨基酸和脂質(zhì)的合成［2-3］。NADH 和FADH2 用于線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）代謝以產(chǎn)生能量，非增殖細(xì)胞使用它來維持其基礎(chǔ)代謝率［4］。脂肪酸氧化是一種替代能量生產(chǎn)途徑，能比糖酵解更有效地產(chǎn)生ATP。脂肪酸合成用于增殖和生長細(xì)胞，產(chǎn)生維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性所需的脂質(zhì)。

代謝組學(xué)的研究是與表型關(guān)系密切的組學(xué)方法，并且在生物化合物之間的相互作用方面信息量最大，成為了解感染性疾病研究中宿主-病原體相互作用的寶貴工具，為代謝組學(xué)在發(fā)現(xiàn)可用于疾病診斷的生物標(biāo)志物及其在藥物發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用提供見解［5-6］。代謝組學(xué)研究包括靶向和非靶向代謝組學(xué)兩種［4］。靶向方法通常是在形成需要測試的假設(shè)前，旨在量化一組預(yù)定的代謝物［7］。非靶向方法最初被稱為指紋識別，它基于比較和鑒定樣本的完整代謝譜與參考的完整代謝譜之間的差異［8］。非靶向代謝組學(xué)的目的是識別由正在研究的特定因素引起的代謝物變化。這種方法的目的不是絕對定量，而是識別樣品與參考之間的差異，然后將改變的代謝物集合列表用于靶向代謝組學(xué)研究。因此，非靶向和靶向代謝組學(xué)均提供了受影響代謝途徑的定量和洞察。代謝物并非單一生化途徑所獨(dú)有，這使得它們的表征和分類比基因更復(fù)雜。

代謝組學(xué)分析可用于了解宿主-病原體相互作用，并篩選宿主樣本中具有特定狀態(tài)特征的生物標(biāo)志物［9］。生物標(biāo)志物可用于疾病診斷、預(yù)后、分期以及評估在病毒、細(xì)菌和寄生蟲感染中應(yīng)用的新藥。代謝組學(xué)分析通常采用質(zhì)譜（MS）和核磁共振（NMR）波譜兩種技術(shù)［10］。NMR 的主要優(yōu)點(diǎn)在于其非破壞性、可重復(fù)性和簡單的樣品制備。樣品被放置在磁場中，無線電脈沖以非零動量改變原子核。NMR研究中常用的波譜是1H-NMR，C13-NMR 和31P-NMR，其靈敏度高。MS 根據(jù)分子的質(zhì)荷比測量和分離分子，通常在分子的色譜分離之前可以通過液相色譜（LC）和/或氣相色譜（GC）來實(shí)現(xiàn)，提供最高的代謝組覆蓋率，包括用于極性代謝物的親水作用色譜和用于具有更高疏水性分子的反相LC［11-12］。

代謝組水平的改變反映了級聯(lián)反應(yīng)中的紊亂，彌合了基因組和表型之間的差距［13］。代謝物是代謝途徑的產(chǎn)物和中間分子，包括脂質(zhì)、糖、核苷酸和氨基酸等小分子［14］。其水平的變化可以在疾病癥狀發(fā)作前發(fā)生，使得代謝組學(xué)成為研究化合物作用方式和深入了解感染性疾病的重要診斷和預(yù)后工具。本綜述就代謝組學(xué)技術(shù)在生物標(biāo)志物篩選和病毒、細(xì)菌、寄生蟲感染等感染性疾病中代謝物的發(fā)現(xiàn)以及免疫代謝組學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行探討，以期為感染性疾病的診斷研究提供新的依據(jù)。

代謝組學(xué)在人類免疫缺陷病毒（HIV）疾病研究中的臨床應(yīng)用

HIV 是一種逆轉(zhuǎn)錄病毒，可導(dǎo)致獲得性免疫缺陷綜合癥（艾滋病）。HIV 感染約兩周后，HIV 病毒載量達(dá)到峰值，急性和原發(fā)感染后多是無癥狀階段，在癥狀出現(xiàn)和疾病進(jìn)展之前可能持續(xù)數(shù)年［15］。即使在無癥狀階段，感染也會導(dǎo)致分化決定族抗原4 T細(xì)胞逐漸減少，因為病毒結(jié)合并感染細(xì)胞已在其中復(fù)制。代謝組學(xué)一直是HIV 研究中的多功能工具，并已應(yīng)用于疫苗開發(fā)和疾病診斷。從血漿中識別生物標(biāo)志物可對應(yīng)于潛在疫苗提供的保護(hù)，Sitole 等［16］通過血漿和腦脊液的非靶向超高效液相色譜（UPLC）驗證葡萄糖和脂質(zhì)的水平發(fā)生顯著變化。

代謝組學(xué)可用于獲得代謝譜，以區(qū)分HIV 感染（治療和未治療）個體與對照受試者。HIV 的感染引起免疫反應(yīng)，中性粒細(xì)胞產(chǎn)生活性氧（ROS）以防御病原體入侵。與抗氧化劑相關(guān)的不成比例ROS 水平會導(dǎo)致氧化應(yīng)激（OS），在HIV疾病進(jìn)展和發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用［17］。在抗逆轉(zhuǎn)錄病毒治療（cART）的情況下，OS狀態(tài)與HIV感染進(jìn)展之間存在密切關(guān)系，OS 的生物標(biāo)志物是監(jiān)測HIV 疾病進(jìn)展的一種手段。

使用代謝組學(xué)研究可用于鑒定與HIV 誘導(dǎo)OS 相關(guān)的代謝物標(biāo)志物［18］。采用非靶向和靶向代謝組學(xué)方法研究，可探索OS 的變化，例如氨基酸代謝、丙氨酸和谷氨酰胺等改變，其區(qū)別可以通過脂質(zhì)和氨基酸的差異來檢測。色氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、苯丙氨酸、精氨酸、蘇氨酸和天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶等氨基酸的改變與HIV 和cART 誘導(dǎo)的代謝并發(fā)癥以及OS 密切相關(guān)［19］。Mann AE 等［20］使用毛細(xì)管柱對來自撒哈拉以南非洲HIV 人群的5 個血漿樣品進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)HIV 樣品中吲哚胺2，3-雙加氧酶水平升高。與HIV 獲得的結(jié)果相比，色氨酸水平與免疫反應(yīng)有關(guān)，這種氨基酸的持續(xù)消耗與T 細(xì)胞衰竭和色氨酸分解代謝有關(guān)，其增加導(dǎo)致色氨酸的上調(diào)分解和尿氨酸途徑中間體積累，結(jié)果表明色氨酸水平變化與炎癥和HIV的發(fā)展有關(guān)。

代謝組學(xué)在乙型肝炎研究中的臨床應(yīng)用

代謝組學(xué)可以提供一種靈敏的方法來確定疾病的階段，無需活檢和組織學(xué)等高風(fēng)險方法，從而推進(jìn)乙型肝炎病毒（HBV）的研究［21］。HBV急性感染發(fā)展為慢性疾病后為肝纖維化（LF）和肝硬化，可進(jìn)展為肝細(xì)胞癌（HCC）。

Gouveia 等［22］使用非靶向流程來鑒定代謝物標(biāo)志物，這些標(biāo)志物可用于區(qū)分HBV 分期，并根據(jù)不同疾病階段和健康對照的血清樣本支持HCC 的早期診斷，成功地鑒定了HBV 感染的特征代謝物、肝硬化的進(jìn)展以及肝硬化和HCC（天冬酰胺和β-谷氨酸）之間的區(qū)別。糖酵解和TCA 循環(huán)等核心途徑發(fā)生重大變化，使HCC得以發(fā)展；TCA循環(huán)的阻塞被認(rèn)為是由觀察到的蘋果酸、檸檬酸和琥珀酸增加引起的，導(dǎo)致對糖酵解的依賴。研究表明苯丙氨酸、蘋果酸和5-甲氧基色胺作為區(qū)分HBV 和對照組的潛在生物標(biāo)志物以及棕櫚酸可用于識別HBV 肝硬化的潛在生物標(biāo)志物［23］。Huang等［24］對HBV 陽性和對照血清樣本進(jìn)行了MS分析，以研究慢性HBV期間的代謝組，并進(jìn)一步證明了代謝重編程如何指示疾病分期。Iannacone和Guidotti［25］研究發(fā)現(xiàn)鳥氨酸水平增加以及瓜氨酸和谷氨酸水平增加，這表明與肝損傷相關(guān)的尿素循環(huán)失調(diào)，為治療干預(yù)提供了新的可能性。

代謝組學(xué)在丙型肝炎研究中的臨床應(yīng)用

丙型肝炎病毒（HCV）是感染引起丙型肝炎的主要原因，可在70%的感染者中發(fā)展為慢性疾病［26］。纖維化的階段通常使用名為METAVIR 的量表分類為F0、F1-2、F3 和F4，其范圍從沒有纖維化跡象到肝硬化，后期的主要風(fēng)險是進(jìn)一步發(fā)展為HCC［27］。近年來，抗HCV 治療取得了長足進(jìn)展，直接作用抗病毒藥物（DAAs）取代了聚乙二醇化干擾素（Peg-IFN）和利巴韋林，并提供了有效的治療。由于代謝組學(xué)提供了基因型和表型之間的聯(lián)系，因此它已成為HCV 診斷和疾病分期的有用工具。

使用NMR 鑒定用于疾病診斷的生物標(biāo)志物，并且MS與不同色譜方法的組合已經(jīng)確定了糖代謝的改變和血漿中葡萄糖等代謝物的增加［28］。代謝組學(xué)可以為疾病分期提供一種靈敏且非侵入性的方法，相關(guān)研究試圖使用統(tǒng)計方法生成一種算法，通過使用血漿中的氨基酸比率來區(qū)分階段，基于數(shù)據(jù)挖掘和多變量統(tǒng)計分析生成的公式［（苯丙氨酸）/（纈氨酸）+（蘇氨酸+蛋氨酸+鳥氨酸）］［29］。分析患者的血漿樣本，使用活檢確定其纖維化狀態(tài)，通過受試者操作特征曲線下面積來測量性能，結(jié)果產(chǎn)生高置信度（95%置信區(qū)間），其具有評估非侵入性LF 的潛力，確定了可用作纖維化標(biāo)志物的改變，例如半胱氨酸和膽汁酸。

NMR 在疾病分期中有重要作用。由于DAAs 治療直接針對病毒復(fù)制，并且不包括生物活性分子，使用Peg-IFN，收集HCV 患者和健康對照組的血清NMR 譜圖以表征其代謝指紋，收集血清樣品的 H-N 以及一個 CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脈沖序列以增強(qiáng)信號［30］。METAVIR 水平之間的差異，這些差異集中在酪氨酸和甲酸鹽水平的增加上，它們涉及多種途徑，如氮和丙酮酸代謝，表明這些分子具有作為纖維化生物標(biāo)志物的潛力。Yang J等［31］研究DAAs 治療如何逆轉(zhuǎn)由感染引起的代謝物水平變化，并有效地區(qū)分HCV或HBV患者與健康對照組。HCV感染導(dǎo)致某些代謝物（乳酸、3-羥基丁酸、乙酸鹽和丙酮酸）增加，表明糖酵解途徑上調(diào)，據(jù)推測糖酵解途徑是由病毒誘導(dǎo)的［27］。與HBV 的結(jié)果類似，HCV 診斷和分期可以從代謝組學(xué)的應(yīng)用中受益。

代謝組學(xué)在新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）研究中的臨床應(yīng)用

代謝組學(xué)方法可通過檢測SARS-CoV-2 患者唾液腺和口腔的上皮細(xì)胞血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2 受體，生成大量數(shù)據(jù)，快速篩選分子以發(fā)現(xiàn)用于診斷和預(yù)測疾病嚴(yán)重程度的生物標(biāo)志物［32-34］。使得唾液成為進(jìn)一步代謝組學(xué)分析的有吸引力靶標(biāo)，可提供快速、靈敏和準(zhǔn)確的診斷。最新研究表明，免疫代謝在感染中起著重要作用，一組使用NMR 和LC/MS將SARS-CoV-2 陽性患者樣本的全血代謝物與SARS-CoV-2陰性健康對照樣本進(jìn)行比較，新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）患者的樣本中發(fā)現(xiàn)α-1-順式糖蛋白信號A增加、尿氨酸/色氨酸比值增加以及幾種脂質(zhì)譜的調(diào)節(jié)，包括高密度和低密度脂蛋白以及三酰甘油的增加，表明COVID-19會刺激宿主的嚴(yán)重炎癥反應(yīng)，這些發(fā)現(xiàn)有助于識別COVID-19疾病炎癥和其他合并癥的潛在分子［35］。

除了關(guān)于COVID-19 的免疫代謝組學(xué)研究外，還有研究確定了COVID-19 疾病的宿主生物標(biāo)志物。Sindelar M等［36］發(fā)現(xiàn)通過比較精氨酸/尿氨酸比率，易將COVID-19 陽性血漿樣本與健康對照區(qū)分開來，COVID-19的特征是尿氨酸、肌酐、精氨酸、肌氨酸和溶血磷脂酰膽堿的水平發(fā)生了變化。尿氨酸途徑從色氨酸降解開始，導(dǎo)致以NAD 形式產(chǎn)生能量。尿氨酸水平升高表明色氨酸降解增加，與活化T細(xì)胞釋放干擾素γ 有關(guān)［37］。肌酐作為疾病嚴(yán)重程度的潛在生物標(biāo)志物，肌酐或精氨酸與肌酐的比率在死亡率預(yù)測中產(chǎn)生了100%的準(zhǔn)確率［38］。Wang等［39］使用代謝組學(xué)的驗證基于代謝特征可以將健康個體的血清與感染個體的血清區(qū)分開來， UPLC/MS/MS 檢測了204 種代謝物（包括氨基酸和碳水化合物）的改變，這些改變可能可以作為評估病例嚴(yán)重程度的生物標(biāo)志物，如血小板脫顆粒和巨噬細(xì)胞活性。

代謝組學(xué)在結(jié)核病（TB）研究中的臨床應(yīng)用

TB 是一種由病原體結(jié)核分枝桿菌（Mtb）引起的細(xì)菌性潛在致命疾病。Mtb 感染一直是免疫代謝研究備受關(guān)注的領(lǐng)域，Mtb 主要感染巨噬細(xì)胞，促炎和抗炎反應(yīng)的平衡是宿主控制Mtb的最佳選擇。du Preez等［40］調(diào)查了Mtb感染中兩種主要巨噬細(xì)胞亞型（肺泡和間質(zhì)巨噬細(xì)胞）的轉(zhuǎn)錄組和代謝組，旨在為TB 診斷和識別不同類型的TB 提供更快、更靈敏的方法。非靶向GC/MS 已被用于比較健康對照組和TB患者痰液樣本的代謝譜。TB 患者和對照組在PCA 圖中形成可識別的簇，并且在多種化合物（如碳水化合物）中觀察到顯著的代謝物變化［41］。血漿和血清的靶向和非靶向LC/MS 研究揭示了代謝改變，從而能夠區(qū)分TB 陽性患者和對照組。Chandra 等［42］在TB 診斷方面研究表明，四種尿液代謝物作為活動性TB 的生物標(biāo)志物：雙乙酰精胺、新蝶呤、唾液酸和N-乙酰己糖胺。宿主對Mtb感染的反應(yīng)是一個重要的研究領(lǐng)域，不僅因為代謝在Mtb 和宿主中的作用對感染的進(jìn)展和結(jié)果至關(guān)重要，而且對于疾病的診斷和生物標(biāo)志物的開發(fā)也至關(guān)重要。

代謝組學(xué)在尿路感染（UTI）研究中的臨床應(yīng)用

每年大約發(fā)生1.5 億例UTI 病例，使其成為全球常見的細(xì)菌感染之一［43］。UTI 可能是社區(qū)獲得性的或在醫(yī)療保健相關(guān)治療期間發(fā)生的，主要影響女性。多種革蘭陽性和革蘭陰性細(xì)菌，如大腸桿菌、奇異變形桿菌、肺炎克雷伯菌、腐生葡萄球菌和糞腸球菌，均與UTI 有關(guān)［44］。大多病例是由尿路致病性大腸桿菌（UPEC）引起的，它是該疾病的主要病原體，UPEC在細(xì)胞內(nèi)感染周期中還擁有多種鐵吸收和運(yùn)輸系統(tǒng)，是鐵螯合鐵載體和血載體。宿主可以通過鐵結(jié)合蛋白（如乳鐵蛋白、鐵蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白、卵清蛋白和鐵運(yùn)蛋白）保留游離鐵，鐵運(yùn)蛋白與大腸桿菌鐵載體腸桿菌素具有高親和力，鐵運(yùn)載蛋白與UPEC菌株相關(guān)鐵載體的結(jié)合親和力較低［45-46］。因此，這些為UPEC 清除宿主鐵提供了進(jìn)化優(yōu)勢。UTI患者尿液樣本的多種二胺、多胺和酰化綴合物在多年來一直用作尿液感染的生物標(biāo)志物。

小 結(jié)

代謝組學(xué)可進(jìn)行生物標(biāo)志物的篩選，生物標(biāo)志物是一種可以量化為生物過程、致病過程或治療干預(yù)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)分析物，以幫助疾病診斷和預(yù)后，評估治療的效果。免疫代謝將代謝變化與免疫細(xì)胞聯(lián)系，為進(jìn)一步了解感染和治療干預(yù)提供了潛力。且由于代謝組反映了個體基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組譜的所有變化，可為感染性疾病和遺傳疾病提供有效和準(zhǔn)確的個性化治療計劃，已成為代謝物空間定位的有力方法。綜上，代謝組學(xué)的廣泛應(yīng)用可為感染性疾病的臨床研究提供新的依據(jù)。

作者貢獻(xiàn)聲明王霞：醞釀和設(shè)計試驗，實(shí)施研究，采集數(shù)據(jù)，分析/解釋數(shù)據(jù)，起草文章，對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱，統(tǒng)計分析，行政、技術(shù)或材料支持，指導(dǎo)，支持性貢獻(xiàn)；賽海芳：醞釀和設(shè)計試驗，對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱，指導(dǎo)