基于质谱的代谢组学在病毒性疾病相关研究中的应用

陆德生 杜彦丹

[摘要] 随着代谢组学及其相关技术的发展，关于代谢组学研究的范围愈发广泛，同时关于病毒性疾病代谢组学相关研究愈发兴起。一些学者应用质谱技术研究HIV、慢性肝炎和病毒性肺炎等病毒性疾病的代谢组学时发现机体产生一些特异性代谢产物，这些代谢产物对疾病的发生、发展起到预判和疗效监测作用，可为疾病研究提供新的思路。本文现就质谱在HIV、慢性肝炎、人乳头瘤病毒和病毒性肺炎代谢组学研究中的应用进行综述。

[关键词] 代谢组学;质谱;病毒性疾病;代谢产物

[中图分类号] R363          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-9701（2020）06-0189-04

[Abstract] With the development of metabolomics and related technologies， the scope of metabolomics research has become wider， and at the same time， related research on metabolomics of viral diseases has become more and more popular. Some scholars have applied mass spectrometry to study the metabolomics of viral diseases such as HIV， chronic hepatitis， and viral pneumonia， and found that the body produces some specific metabolites. These metabolites play a role in predicting the occurrence and development of the disease and monitoring the efficacy， providing new ideas for disease research. This paper reviews the applications of mass spectrometry in metabolomics studies of HIV， chronic hepatitis， human papilloma virus， and viral pneumonia.

[Key words] Metabolomics; Mass spectrometry; Viral diseases; Metabolites

代谢组学是20世纪90年代中期继基因组学和蛋白质组学之后，新发展的一门“组学”，其研究的对象是机体受到内外刺激后所有小分子（<1000Da[1]）的变化。代谢组学利用各种高通量分析化学方法对内源性小分子代谢产物的组成和变化进行定量定性分析，根据代谢物的变化，发现特异性代谢产物，进而发现生物标志物，预测作用机制，了解机体的整体状态[2]。代谢组学与其它组学相比有其自身的特点：①种类相对较少，便于研究;②与其他组学比较，更易于检测;③无需建立庞大的数据库;④各生物代谢产物较为相似，具有良好的通用性。代谢组学在人类疾病和健康密切相关的多个领域表现出巨大的实用价值，比如毒理学、临床医学和环境科学等领域[3]，在疾病研究中最主要的应用是筛选与疾病相关的生物标志物[4]，为疾病的诊断提供新方法，为治疗提供新的代谢途径靶点。

目前代谢组学技术主要有质谱（MS）及其联用技术、核磁共振（NMR）等技术。联用质谱技术主要有气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）等。GC高分离能力和MS高准确度结合使GC-MS对复杂化合物实现分离、鉴定和分析[5]。当LC和MS协同工作時，可以进行多级MS来推测化合物的结构，从而使LC-MS更准确地完成定性和定量分析[6]。质谱联用技术是测定和鉴定代谢物准确质量的有效手段，具有较高的灵敏度和特异性，而NMR则适用于代谢物的结构鉴定[7-8]。代谢组学在疾病研究方面首先发现生物标志代谢物，阐明其与疾病的关系，在代谢层面阐述疾病的发病机制。具有较高的灵敏度和特异性的质谱联用技术更加适合发现生物标志代谢物。

病毒是一类个体微小、无完整细胞结构、含单一核酸（DNA或RNA）型、必须在活细胞内寄生并复制的非细胞型微生物，它主要由核酸和蛋白质外壳组成。目前病毒检测主要的方法有PCR技术（实时荧光定量PCR-TaqMan探针法、RT-PCR等）、化学发光法、免疫组织化学方法、ELISA法等方法[9-13]，上述方法无法在代谢层面认识病毒性疾病。基于质谱的代谢组学在病毒性疾病相关研究中的应用，可以帮助人们认识病毒性疾病在发生、发展过程中代谢发生了何种变化，可以使人们对病毒性疾病有更全面地认识。

1 基于质谱的代谢组学在HIV研究中的应用

艾滋病（Acquired immuno deficiency syndrome，AIDS）是一种危害性极大的传染病。2017年联合国艾滋病规划署对疫情公布的数据显示，已超过3670万人感染[14]。据中国疾病预防控制中心统计，截至2018年9月30日，HIV感染者及AIDS病人共849 602例，死亡262 442例[15]。艾滋病严重威胁我国乃至全球的公共卫生安全。目前AIDS机制尚不完全清楚，需要对发病机制进一步认识，以期针对发病机制进行预防与治疗。龙卉[16]应用质谱联用技术（LC-MS和GC-MS）研究HIV感染者口腔代谢物变化，证实HIV感染者口腔代谢物变化明显，GC-MS检测10种代谢差异物，包括：葡萄糖、柠檬酸、磷酸盐等;LC-MS检测发现9种代谢差异物，包括胆碱、L-瓜氨酸、黄嗓岭等。证实可以用一组口腔生物标记物反映患者体内代谢变化的轮廓[16]。马素娜等[17]通过液相色谱质谱分析（LC-MS）比较HIV/AIDS肺脾气虚证与气阴两虚证患者尿液的代谢组学的差别，发现m/z 为967、155、317、213 的代谢物位为两组的差异代谢物，其对医生判断临床中医证型有帮助，更好地指导临床用药。Hollenbaugh JA等[18]应用LC-MS/MS研究HIV-1和HIV-2感染后人体巨噬细胞代谢谱的变化，发现HIV-1和HIV-2感染后巨噬细胞代谢不同，为认识HIV不同亚型提供帮助。Shane Hodgson等[19]利用LC-MS技术，研究HIV相关性慢性阻塞性肺疾病中血浆鞘磷脂的变化。质谱技术在HIV代谢组学中的应用帮助人们在代谢层面认识AIDS，为AIDS的预防和治疗提供新的思路。

2 基于质谱的代谢组学在病毒性肝炎研究中的应用

病毒性肝炎作为一种常见的传染病，全球HBV和HCV患者和携带者人数高达5.55亿[20]，人们一直对其进行研究，希望能有效的预防和治疗。近年来随着各种技术快速的发展，越来越多的新技术应用于病毒性肝炎的研究，使人们对病毒性肝炎的认识更透彻，为预防和治疗病毒性肝炎提供新思路。代谢组学作为新兴组学也同样被应用于病毒性肝炎的研究。Mary A Rodgers AS等[21]利用液相色谱-质谱（LC-MS）鉴定HBV患者脂质代谢产物，发现HBV患者细胞中胆固醇的直接脱氢前体7-脱氢胆固醇（7-DHC）过表达量为正常的18倍，表明病毒复制与7-DHC的选择性积累有关。Zhang AH等[22]应用超高效液相色谱/电喷雾电离四倍飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF-HDMS）检测HBV患者尿中代谢产物的变化，共鉴定出11种差异代谢物，其中有4种代谢物可作为HBV的诊断有效标志物，达到了令人满意的准确性、敏感性和特异性。Liu Zhicheng等[23]采用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）研究与HCV相关肝癌复发相关的候选代谢生物标志物，通过对射频消融术（RFA）治疗前后血清样品进行代谢组学分析，肝细胞癌合并HCV感染患者，RFA治疗前后复发明显增高。进一步分析显示，与未复发的患者相比，复发患者的各种脂肪酸普遍增加，这可能与HCV感染有关。通过研究这些差异的代谢产物，有望为病毒性肝炎的早期诊断提供新的检测手段和为疾病的进展提供新的监测指标。

3 基于质谱的代谢组学在人乳头瘤病毒研究中的应用

人乳头瘤病毒（HPV）是属于乳头瘤病毒科的无包膜DNA病毒，其二十面体衣壳由一个长7900 bp的环状双链DNA组成[24]。目前已分离出200多种不同的HPV基因型，其中约40种可感染肛门-生殖器致病[25]。在世界范围内，人类乳头瘤病毒16和18导致的浸润性宫颈鳞状细胞癌（SCC）占全部浸润性宫颈鳞状细胞癌分别为55%和15%[26]。此外，约85%的肛管肿瘤、50%的外阴和阴茎肿瘤以及70%的阴道肿瘤可归因于HPV感染，另外10%至90%的口咽癌可归因于HPV感染[27]。HPV感染严重威胁着人类的健康，早期发现、治疗HPV感染，对预防癌症有重要作用。代谢标志物能够敏感地反映机体的不同生理病理状态，因此可通过分析HPV患者与健康人的代谢轮廓得到HPV特异性代谢产物，通过对特性产物的筛查，为HPV感染早期诊断提供依据。Walker H等[28]采用直噴电喷雾质谱法进行非靶向双盲实验，对HPV持续感染组和无HPV感染组进行代谢产物的比较，结果证实代谢物分析方法可用于快速鉴别宫颈癌风险增加的妇女。Godoy-Vitorino F等[29]采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）对HPV患者尿液进行代谢组学分析，HPV阳性患者的代谢物与HPV阴性患者明显不同，鉴定了出三种尿代谢物5-氧脯氨酸、红叶酸和N-乙酰丙酮酸，它们可以区分HPV阳性病例和阴性对照，这些代谢物参与多种与能量和代谢相关的生化过程，可能是HPV高危宫颈感染的生物标志物。Kim DH等[30]通过HIV蛋白酶抑制剂对表达宫颈癌细胞HPV16 E6影响的代谢组学研究证明，基于超高效液相色谱-质谱（UPLC-MS）的代谢谱与适当的化学计量分析相结合是研究细胞对抗病毒药物反应的一种有价值的方法。

4 基于质谱的代谢组学在病毒性肺炎研究中的应用

肺炎是世界上幼儿和老年人死亡的主要原因[31-33]。我国小儿病毒性肺炎占小儿急性下呼吸道感染的1/3，病毒性肺炎所占的比例还在增加，其中呼吸道合胞病毒（Respiratory syncytial virus，RSV）最多[34]。Du LN等[35]采用超高效液相色谱-二维线性离子阱质谱联用仪（UPLC-LTQ/Orbitrap-MS）检测RSV实验组和对照组血浆和肺组织的代谢产物，发现血浆中11个生物标志物存在差异，肺组织中16个生物标志物存在差异，研究表明代谢组学是研究中医药治疗RSV肺炎疗效及相关生物标志物的有价值工具。孟欣等[36]通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）的代谢组学技术检测BALB/c小鼠合胞病毒（RSV）肺部感染对大肠黏膜组织内源性代谢物的影响，两组比较，发现亮氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、花生四烯酸、乳酸等含量均显著增高（P<0.05）。通过代谢组学的研究发现病毒性肺炎的特异性代谢物，有望成为疾病早期诊断和疗效的监测的指标。

5 小结

目前关于病毒性疾病代谢组学的研究处于萌芽状态，在病毒性疾病研究中应用较少，只是少数病毒性疾病应用质谱技术研究，对于发现差异代谢物进一步研究更少，不能确定是否对病毒性疾病的发生、发展起决定性作用，暂时还不能成为其有效的诊断指标，无法作为治疗的“靶点”，但代谢组学作为基因组学、转录组学、蛋白组学之后发展起来的新“组学”，正处于迅速发展的阶段，随着新的检测技术的出现，数据处理技术的不断完善，数据库建立和完善，代谢组学的应用范围会越来越广阔，代谢组学本身的特点决定其适合成为疾病早期诊断的方法，对病毒性疾病来说早期诊断很重要，如病毒性肝炎、HPV感染等，未来代谢组学方法会更多应用于病毒性疾病研究中，随着病毒性疾病的代谢组学的研究深入，可以帮助我们对病毒性疾病有更全面地认识，帮助我们认识疾病的发病机制，特异性的代谢产物可能成为检测的标志物，找到新的检测手段，成为治疗的靶点，为病毒性疾病研究提供新的思路。虽然其在医学领域的应用起步较晚，但目前代谢组学在医学领域的研究已经表现出了巨大潜力，将成为人们认识疾病的发病机制、疾病预防、检测、治疗疾病的有力工具。目前由于检测技术平台、分析技术、数据库建立等方面的限制，并不能检测分析出一个生物系统的所有代谢产物，影响代谢组学的应用。代谢组学需要进一步的发展和完善，尤其在病毒性疾病方面的应用更是任重而道远。

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（收稿日期：2019-11-27）