血液代谢组学在系统性红斑狼疮中的应用进展

文照禾 综述，刘力 审校

（1.天津市儿童医院综合内科，天津 300070；2.天津医科大学研究生院，天津 3000041）

系统性红斑狼疮（SLE）是以存在多种自身抗体和免疫复合物沉积为主要特征的慢性自身免疫性疾病[1]，肾、皮肤、血液系统和神经系统等均可受累。SLE 的发病机制复杂，涉及遗传易感性、环境等多个因素，其临床表现多样，病程反复，目前缺乏敏感性和特异性良好的检验标志物。代谢组学是一种新组学领域，利用高通量检测技术研究生物样本在基因改变或环境变化等情况下其代谢物种类、数量及其变化规律。研究SLE 患者的血液代谢组学特征，可为确定关键致病环节、寻找新的生物标志物提供新思路。

1 代谢组学简介

代谢组学是继表观基因组学、转录组学、蛋白组学后出现的，研究相对分子量＜1 000 的内源性小分子的组学。其通过对生物代谢物进行测定，监测机体受到内外因素刺激后的代谢物水平变化，推测机体内的病理生理过程，为疾病的早期诊断、远期预后及发病机制的研究提供可靠依据。代谢组学分为靶向代谢组学和非靶向代谢组学。前者需要分析样本中所有的代谢物，用于筛选生物标志物，后者则是基于某种生化假设，定量测定特定代谢物，探索某条代谢途径。

目前常用的代谢组学技术包括核磁共振法（nuclear magnetic resonance，NMR）、气相色谱-质谱法（gas chromatography spectrometer，GC-MS）和液相色谱-质谱法（liquid chromatography spectrometer，LC-MS），这3 种方法各有优缺点。NMR 是一种非破坏性技术，样品可被重复分析且不需要特殊预处理，但检测灵敏度低，常导致高丰度分析物掩盖低丰度分析物。GC-MS 技术性能稳定且重现性好，目前主要应用于靶向代谢组。LC-MS 具有广泛的代谢物检测范围，可以对大量代谢物进行分离，提供较全面的代谢组学数据[2]。

2 代谢组学在SLE 发病机制中的应用

血液中的代谢物既是机体病理生理过程中的产物，又是功能信号分子，参与调节细胞的增殖、分化、凋亡等过程。

既往研究发现SLE 患者T 细胞线粒体具有持续超极化的特点，导致活性氧簇（ROS）生成增加，发生氧化应激[3]。Wu 等[4]研究发现，SLE 患者血清中重要的抗氧化剂谷胱甘肽减少，伴随谷胱甘肽合成途径中的副产物γ-谷氨酰多肽、二甲基甘氨酸显著升高和甲基供体如蛋氨酸、胆碱、半胱氨酸的减少。从下游产物角度验证了SLE 患者体内存在氧化应激。Hu 等[5]发现SLE 患者血清中内源性抗氧剂缩醛磷脂类物质下降，脂质过氧化产物溶血磷脂酰乙醇胺和4-羟基壬烯醛（4-HNE）显著增加，其中4-HNE具有易反应性，可损伤半胱氨酸、组氨酸和赖氨酸残基，从而损伤蛋白质功能，且在血液中稳定存在，从分子水平提示氧化应激如何参与SLE 的发病，如何导致多脏器的损伤。Hu 等[6]还推测多种脂质过氧化产物，尤其是磷脂过氧化产物，可能成为抗原表位，诱导SLE 患者中大量抗体生成，即发生自身抗原氧化修饰，并展开研究验证了SLE 患者外周单核细胞脂代谢的改变与抗心磷脂抗体、相关炎症因子水平存在相关性，体外培养的单核细胞添加抗氧化剂后脂质改变可以被纠正（图1）[6]。

图1 氧化应激如何以分子水平参与SLE 发病

3 代谢组学在SLE 诊断中的应用

Ouyang 等[7]最早使用NMR 技术联合分析SLE患者血清代谢物的特征，并根据SLE组和健康对照组（HC）间的差异代谢物建立OPLS-DA 模型，其预测SLE 的敏感性为60.9%，特异性为97.1%。与HC组相比，SLE组大部分氨基酸水平降低；三羧酸循环中的柠檬酸盐、丙酮酸盐降低；合成嘌呤核苷酸的甲酸盐浓度降低；高密度脂蛋白降低、极低密度脂蛋白和低密度脂蛋白浓度升高。随后Wu 等[4]利用GC/LC-MS 平台联合分析在SLE组与HC组间发现了超过100 种差异代谢物，两者的观察结果具有一致性。SLE 差异代谢物主要集中在脂代谢、氨基酸代谢及能量代谢途径[8-10]。

血清代谢物不仅能鉴别SLE 患者和健康人群。在Bengtsson 等[11]的研究中，血清代谢物在SLE、原发性干燥综合征和系统性硬皮病患者中同样存在显著差异。Checa 等[12]根据SLEDAI 评分评估SLE患者活动性，≥6 分为活动性组，＜6 分为非活动性组，发现两组间的神经酰胺（C16∶0）：鞘氨醇-1-磷酸（S1P）比值差异具有统计学意义。Liu 等[13]发现SLE 模型小鼠在第9 周病初时血清代谢物水平改变以三羧酸循环、糖酵解为主，第11 周出现淋巴结病变时脂肪酸合成代谢物水平显著上升，第13 周出现皮肤病变时尿素、尿酸和吲哚-3-乳酸升高。Zhang 等[14]将133例SLE 患者分为仅肾脏受累组、仅皮肤受累组、仅血液系统受累组和多系统受累组，比较各组间血清代谢谱，差异主要集中在脂代谢物。Xie 等[15]应用GC-MS 对11 例SLE 伴皮损（SL）患者、10 例SLE 无皮损（SNL）患者血清代谢物进行比较，发现了包括L-α-氨基丁酸、脱氢抗血酸、甘氨酸和L-酪氨酸在内的14 个差异代谢物。Baig 等[16]对SLE 患者颈动脉斑块进展情况开展了8～9 年的随访，与无斑块进展组相比，动脉粥样斑块进展组患者基线血清样本中的白三烯B4，5-羟基二十碳二烯酸，9/13-羟基十二烯酸显著升高。Zhang 等[17]研究提出，鞘磷脂、神经酰胺、磷脂酰胆碱类物质在鉴别SLE 和狼疮肾炎方面具诊断价值。上述研究结果提示，血液代谢物或能区分SLE 不同临床表型和评估疾病状态。

非靶向代谢组学提供的大量潜在生物标志物需要被进一步验证。Zhang 等[17]纳入32 例女性SLE患者和25 名健康女性作为发现集，应用非靶向代谢组学筛选发现谷胱甘肽代谢途径是最为富集的通路，再应用靶向代谢组学在36 例SLE、30 例HC组成的验证集中，验证了SLE组L-焦谷氨酸水平上升，并发现其与血沉、抗sm 抗体存在相关性。但有研究报道SLE 患者L-焦谷氨酸水平下降[18]或无显著变化[11]，这是否与地域、人种等因素有关还有待进一步研究。

现有研究存在的矛盾为开发单一生物标志物带来挑战，但代谢组学确能提示SLE 患者体内存在代谢通路障碍。2017 年欧洲一项横断面研究运用LC-MS 检测了109 例女性SLE 患者和23 名HC组的血清代谢物，与HC组相比，SLE组神经酰胺、己糖基神经酰胺升高，鞘脂类碱基、鞘氨醇-1-磷酸（S1P）下降，其中神经酰胺（C16∶0）和神经酰胺（C24∶1）最能显著区分SLE组和HC组[12]。该研究中虽然肾脏受累SLE组神经酰胺（C16∶0）水平高于无肾脏受累SLE组，但不具有统计学意义。上述结果与2018年欧洲另一项同样使用LC-MS 的研究存在差异：Patyna 等[19]研究发现SLE 患者S1P 升高，并认为血清神经酰胺（C24∶1）在临界值827 ng/mL 时对肾脏受累SLE组和非肾脏受累组SLE 具有鉴别能力。虽然现有研究中发现的差异物代谢物种类不同、水平改变不一致[20-23]，但均能提示SLE 的脂代谢，尤其是鞘脂代谢和甘油磷脂通路紊乱。

考虑到上述情况，代谢通路上的几种代谢物联合应用或具有更高的诊断价值。Zhang 等[14]研究发现，脱氢表雄激素硫酸酯（DHEAS）、苯甲酸、2-甲基丁酰甘氨酸和脂肪酸（20:1）的组合对诊断SLE 显示出最佳的预测效率（曲线下面积0.998）。Zhang 等[17]研究显示，神经酸、补体C1q、胱抑素C（曲线下面积0.916）为鉴别SLE 有无肾脏受累的最佳组合。Iwasaki 等[24]发现，组氨酸、色氨酸、N-N-二甲基甘氨酸和酪氨酸联合诊断获得的曲线下面积为0.91，高于单独使用任何一种氨基酸。

4 代谢组学在SLE 药物评价中的应用

Checa 等[12]对22 例女性SLE 患者免疫抑制治疗前后的鞘脂水平进行分析，发现治疗后鞘脂恢复到HC组水平并伴有SLEDAI 评分下降，但由于采用的治疗方案不同，无法对数据进一步分析。Guleria 等[25]使用NMR 对18 例增生型狼疮性肾炎（LN）初治时使用了不同剂量环磷酰胺等免疫抑制剂6个月后（LNT）以及对30 名HC 的血清代谢谱进行分析发现，与LN组相比，LNT组脂代谢物降低，脂代谢的最终产物乙酸盐水平升高，同时LNT组并未表现出与HC组相似的代谢谱，主要的差异代谢物集中在能量代谢和氨基酸代谢。

受限于SLE 的个体化治疗，目前尚无研究SLE药物应答与无应答患者血液代谢物差异的报道。现有相关研究受限于研究样本量小，研究结果具有一定局限性，但这提示了使用血液代谢物监测治疗进展的可能，脂质水平的正常化或成为SLE 治疗的重要截止点。

5 小结

SLE 是全身性自身免疫性疾病，发病机制复杂，具有临床异质性。随着代谢组学技术的提高和在SLE 中的广泛应用，未来通过寻找不同临床表型的差异代谢途径或能从代谢物组的角度为SLE 亚类分型提供依据。代谢组学是描述现象的学科，其发现的代谢物既可以是机体代谢途径中的结果，也可以是改变体内代谢通路的信号调控分子。为解释在生物样本中发现的现象，越来越多的研究以代谢组学为基础，结合基因组学、转录组学、蛋白组学等多学科共同探索SLE 的发病机制，从改善代谢途径的角度提供新的治疗靶点，与基础实验结合的免疫细胞代谢组学已成为代谢组学一项重要分支。

代谢物反映了多因素作用下机体病理生理的整体状态，临床研究中的多种混杂因素均可对代谢物结果造成影响，如膳食摄入[26]、生活环境[27]、生活方式[28]。更重要的是患者药物使用情况对代谢物的影响，糖皮质激素、多种免疫抑制剂均被报道可影响机体糖脂水平[29-31]。这些都为代谢组学结果的解释带来了困难，现有的小样本研究中结果不一致的情况或与其相关。以小鼠作为研究对象，收集开始治疗前的生物样本可改善这一问题。现有研究多为非靶向、横断面研究，越来越多的潜在生物标志物已被初步筛选出来，接下来需要开展靶向研究来验证这些结果，同时进一步开展患者的随访调查，动态了解不同疾病状态下、不同药物治疗反应下，尤其是复发患者、药物治疗无应答患者的代谢物水平改变，这些数据将对临床监测管理SLE 具有重要意义。