代谢组学在感染性疾病中的研究进展

王霞 赛海芳

青岛大学附属威海市中心医院感染管理科，威海 264400

代谢组学是一种用于测定和定量生物系统中代谢物的整体方法，可以通过量化代谢物来分析生化途径，这些代谢物是主要代谢途径中的已知参与者，包括糖酵解、三羧酸（TCA）循环和磷酸戊糖途径［1］。糖酵解是葡萄糖转化为丙酮酸，被增殖细胞使用，产生腺苷5′-三磷酸（ATP），将还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）还原为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）。磷酸戊糖途径从糖酵解分支到中间代谢物葡萄糖-6-磷酸，并将细胞代谢转向结果用于细胞生长和增殖的核苷酸和氨基酸前体的合成及氧化还原代谢和脂肪酸合成的还原代谢物的合成。TCA 循环涉及将丙酮酸或脂肪酸转化为ATP、NADH 和黄素腺嘌呤二核苷酸对苯二酚形式（FADH2），其中间体可用于氨基酸和脂质的合成［2-3］。NADH 和FADH2 用于线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）代谢以产生能量，非增殖细胞使用它来维持其基础代谢率［4］。脂肪酸氧化是一种替代能量生产途径，能比糖酵解更有效地产生ATP。脂肪酸合成用于增殖和生长细胞，产生维持细胞结构完整性所需的脂质。

代谢组学的研究是与表型关系密切的组学方法，并且在生物化合物之间的相互作用方面信息量最大，成为了解感染性疾病研究中宿主-病原体相互作用的宝贵工具，为代谢组学在发现可用于疾病诊断的生物标志物及其在药物发现中的应用提供见解［5-6］。代谢组学研究包括靶向和非靶向代谢组学两种［4］。靶向方法通常是在形成需要测试的假设前，旨在量化一组预定的代谢物［7］。非靶向方法最初被称为指纹识别，它基于比较和鉴定样本的完整代谢谱与参考的完整代谢谱之间的差异［8］。非靶向代谢组学的目的是识别由正在研究的特定因素引起的代谢物变化。这种方法的目的不是绝对定量，而是识别样品与参考之间的差异，然后将改变的代谢物集合列表用于靶向代谢组学研究。因此，非靶向和靶向代谢组学均提供了受影响代谢途径的定量和洞察。代谢物并非单一生化途径所独有，这使得它们的表征和分类比基因更复杂。

代谢组学分析可用于了解宿主-病原体相互作用，并筛选宿主样本中具有特定状态特征的生物标志物［9］。生物标志物可用于疾病诊断、预后、分期以及评估在病毒、细菌和寄生虫感染中应用的新药。代谢组学分析通常采用质谱（MS）和核磁共振（NMR）波谱两种技术［10］。NMR 的主要优点在于其非破坏性、可重复性和简单的样品制备。样品被放置在磁场中，无线电脉冲以非零动量改变原子核。NMR研究中常用的波谱是1H-NMR，C13-NMR 和31P-NMR，其灵敏度高。MS 根据分子的质荷比测量和分离分子，通常在分子的色谱分离之前可以通过液相色谱（LC）和/或气相色谱（GC）来实现，提供最高的代谢组覆盖率，包括用于极性代谢物的亲水作用色谱和用于具有更高疏水性分子的反相LC［11-12］。

代谢组水平的改变反映了级联反应中的紊乱，弥合了基因组和表型之间的差距［13］。代谢物是代谢途径的产物和中间分子，包括脂质、糖、核苷酸和氨基酸等小分子［14］。其水平的变化可以在疾病症状发作前发生，使得代谢组学成为研究化合物作用方式和深入了解感染性疾病的重要诊断和预后工具。本综述就代谢组学技术在生物标志物筛选和病毒、细菌、寄生虫感染等感染性疾病中代谢物的发现以及免疫代谢组学的应用进行探讨，以期为感染性疾病的诊断研究提供新的依据。

代谢组学在人类免疫缺陷病毒（HIV）疾病研究中的临床应用

HIV 是一种逆转录病毒，可导致获得性免疫缺陷综合症（艾滋病）。HIV 感染约两周后，HIV 病毒载量达到峰值，急性和原发感染后多是无症状阶段，在症状出现和疾病进展之前可能持续数年［15］。即使在无症状阶段，感染也会导致分化决定族抗原4 T细胞逐渐减少，因为病毒结合并感染细胞已在其中复制。代谢组学一直是HIV 研究中的多功能工具，并已应用于疫苗开发和疾病诊断。从血浆中识别生物标志物可对应于潜在疫苗提供的保护，Sitole 等［16］通过血浆和脑脊液的非靶向超高效液相色谱（UPLC）验证葡萄糖和脂质的水平发生显著变化。

代谢组学可用于获得代谢谱，以区分HIV 感染（治疗和未治疗）个体与对照受试者。HIV 的感染引起免疫反应，中性粒细胞产生活性氧（ROS）以防御病原体入侵。与抗氧化剂相关的不成比例ROS 水平会导致氧化应激（OS），在HIV疾病进展和发病机制中起着关键作用［17］。在抗逆转录病毒治疗（cART）的情况下，OS状态与HIV感染进展之间存在密切关系，OS 的生物标志物是监测HIV 疾病进展的一种手段。

使用代谢组学研究可用于鉴定与HIV 诱导OS 相关的代谢物标志物［18］。采用非靶向和靶向代谢组学方法研究，可探索OS 的变化，例如氨基酸代谢、丙氨酸和谷氨酰胺等改变，其区别可以通过脂质和氨基酸的差异来检测。色氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、苯丙氨酸、精氨酸、苏氨酸和天门冬氨酸氨基转移酶等氨基酸的改变与HIV 和cART 诱导的代谢并发症以及OS 密切相关［19］。Mann AE 等［20］使用毛细管柱对来自撒哈拉以南非洲HIV 人群的5 个血浆样品进行了分析，发现HIV 样品中吲哚胺2，3-双加氧酶水平升高。与HIV 获得的结果相比，色氨酸水平与免疫反应有关，这种氨基酸的持续消耗与T 细胞衰竭和色氨酸分解代谢有关，其增加导致色氨酸的上调分解和尿氨酸途径中间体积累，结果表明色氨酸水平变化与炎症和HIV的发展有关。

代谢组学在乙型肝炎研究中的临床应用

代谢组学可以提供一种灵敏的方法来确定疾病的阶段，无需活检和组织学等高风险方法，从而推进乙型肝炎病毒（HBV）的研究［21］。HBV急性感染发展为慢性疾病后为肝纤维化（LF）和肝硬化，可进展为肝细胞癌（HCC）。

Gouveia 等［22］使用非靶向流程来鉴定代谢物标志物，这些标志物可用于区分HBV 分期，并根据不同疾病阶段和健康对照的血清样本支持HCC 的早期诊断，成功地鉴定了HBV 感染的特征代谢物、肝硬化的进展以及肝硬化和HCC（天冬酰胺和β-谷氨酸）之间的区别。糖酵解和TCA 循环等核心途径发生重大变化，使HCC得以发展；TCA循环的阻塞被认为是由观察到的苹果酸、柠檬酸和琥珀酸增加引起的，导致对糖酵解的依赖。研究表明苯丙氨酸、苹果酸和5-甲氧基色胺作为区分HBV 和对照组的潜在生物标志物以及棕榈酸可用于识别HBV 肝硬化的潜在生物标志物［23］。Huang等［24］对HBV 阳性和对照血清样本进行了MS分析，以研究慢性HBV期间的代谢组，并进一步证明了代谢重编程如何指示疾病分期。Iannacone和Guidotti［25］研究发现鸟氨酸水平增加以及瓜氨酸和谷氨酸水平增加，这表明与肝损伤相关的尿素循环失调，为治疗干预提供了新的可能性。

代谢组学在丙型肝炎研究中的临床应用

丙型肝炎病毒（HCV）是感染引起丙型肝炎的主要原因，可在70%的感染者中发展为慢性疾病［26］。纤维化的阶段通常使用名为METAVIR 的量表分类为F0、F1-2、F3 和F4，其范围从没有纤维化迹象到肝硬化，后期的主要风险是进一步发展为HCC［27］。近年来，抗HCV 治疗取得了长足进展，直接作用抗病毒药物（DAAs）取代了聚乙二醇化干扰素（Peg-IFN）和利巴韦林，并提供了有效的治疗。由于代谢组学提供了基因型和表型之间的联系，因此它已成为HCV 诊断和疾病分期的有用工具。

使用NMR 鉴定用于疾病诊断的生物标志物，并且MS与不同色谱方法的组合已经确定了糖代谢的改变和血浆中葡萄糖等代谢物的增加［28］。代谢组学可以为疾病分期提供一种灵敏且非侵入性的方法，相关研究试图使用统计方法生成一种算法，通过使用血浆中的氨基酸比率来区分阶段，基于数据挖掘和多变量统计分析生成的公式［（苯丙氨酸）/（缬氨酸）+（苏氨酸+蛋氨酸+鸟氨酸）］［29］。分析患者的血浆样本，使用活检确定其纤维化状态，通过受试者操作特征曲线下面积来测量性能，结果产生高置信度（95%置信区间），其具有评估非侵入性LF 的潜力，确定了可用作纤维化标志物的改变，例如半胱氨酸和胆汁酸。

NMR 在疾病分期中有重要作用。由于DAAs 治疗直接针对病毒复制，并且不包括生物活性分子，使用Peg-IFN，收集HCV 患者和健康对照组的血清NMR 谱图以表征其代谢指纹，收集血清样品的 H-N 以及一个 CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脉冲序列以增强信号［30］。METAVIR 水平之间的差异，这些差异集中在酪氨酸和甲酸盐水平的增加上，它们涉及多种途径，如氮和丙酮酸代谢，表明这些分子具有作为纤维化生物标志物的潜力。Yang J等［31］研究DAAs 治疗如何逆转由感染引起的代谢物水平变化，并有效地区分HCV或HBV患者与健康对照组。HCV感染导致某些代谢物（乳酸、3-羟基丁酸、乙酸盐和丙酮酸）增加，表明糖酵解途径上调，据推测糖酵解途径是由病毒诱导的［27］。与HBV 的结果类似，HCV 诊断和分期可以从代谢组学的应用中受益。

代谢组学在新型冠状病毒（SARS-CoV-2）研究中的临床应用

代谢组学方法可通过检测SARS-CoV-2 患者唾液腺和口腔的上皮细胞血管紧张素转换酶2 受体，生成大量数据，快速筛选分子以发现用于诊断和预测疾病严重程度的生物标志物［32-34］。使得唾液成为进一步代谢组学分析的有吸引力靶标，可提供快速、灵敏和准确的诊断。最新研究表明，免疫代谢在感染中起着重要作用，一组使用NMR 和LC/MS将SARS-CoV-2 阳性患者样本的全血代谢物与SARS-CoV-2阴性健康对照样本进行比较，新型冠状病毒肺炎（COVID-19）患者的样本中发现α-1-顺式糖蛋白信号A增加、尿氨酸/色氨酸比值增加以及几种脂质谱的调节，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会刺激宿主的严重炎症反应，这些发现有助于识别COVID-19疾病炎症和其他合并症的潜在分子［35］。

除了关于COVID-19 的免疫代谢组学研究外，还有研究确定了COVID-19 疾病的宿主生物标志物。Sindelar M等［36］发现通过比较精氨酸/尿氨酸比率，易将COVID-19 阳性血浆样本与健康对照区分开来，COVID-19的特征是尿氨酸、肌酐、精氨酸、肌氨酸和溶血磷脂酰胆碱的水平发生了变化。尿氨酸途径从色氨酸降解开始，导致以NAD 形式产生能量。尿氨酸水平升高表明色氨酸降解增加，与活化T细胞释放干扰素γ 有关［37］。肌酐作为疾病严重程度的潜在生物标志物，肌酐或精氨酸与肌酐的比率在死亡率预测中产生了100%的准确率［38］。Wang等［39］使用代谢组学的验证基于代谢特征可以将健康个体的血清与感染个体的血清区分开来， UPLC/MS/MS 检测了204 种代谢物（包括氨基酸和碳水化合物）的改变，这些改变可能可以作为评估病例严重程度的生物标志物，如血小板脱颗粒和巨噬细胞活性。

代谢组学在结核病（TB）研究中的临床应用

TB 是一种由病原体结核分枝杆菌（Mtb）引起的细菌性潜在致命疾病。Mtb 感染一直是免疫代谢研究备受关注的领域，Mtb 主要感染巨噬细胞，促炎和抗炎反应的平衡是宿主控制Mtb的最佳选择。du Preez等［40］调查了Mtb感染中两种主要巨噬细胞亚型（肺泡和间质巨噬细胞）的转录组和代谢组，旨在为TB 诊断和识别不同类型的TB 提供更快、更灵敏的方法。非靶向GC/MS 已被用于比较健康对照组和TB患者痰液样本的代谢谱。TB 患者和对照组在PCA 图中形成可识别的簇，并且在多种化合物（如碳水化合物）中观察到显着的代谢物变化［41］。血浆和血清的靶向和非靶向LC/MS 研究揭示了代谢改变，从而能够区分TB 阳性患者和对照组。Chandra 等［42］在TB 诊断方面研究表明，四种尿液代谢物作为活动性TB 的生物标志物：双乙酰精胺、新蝶呤、唾液酸和N-乙酰己糖胺。宿主对Mtb感染的反应是一个重要的研究领域，不仅因为代谢在Mtb 和宿主中的作用对感染的进展和结果至关重要，而且对于疾病的诊断和生物标志物的开发也至关重要。

代谢组学在尿路感染（UTI）研究中的临床应用

每年大约发生1.5 亿例UTI 病例，使其成为全球常见的细菌感染之一［43］。UTI 可能是社区获得性的或在医疗保健相关治疗期间发生的，主要影响女性。多种革兰阳性和革兰阴性细菌，如大肠杆菌、奇异变形杆菌、肺炎克雷伯菌、腐生葡萄球菌和粪肠球菌，均与UTI 有关［44］。大多病例是由尿路致病性大肠杆菌（UPEC）引起的，它是该疾病的主要病原体，UPEC在细胞内感染周期中还拥有多种铁吸收和运输系统，是铁螯合铁载体和血载体。宿主可以通过铁结合蛋白（如乳铁蛋白、铁蛋白、转铁蛋白、卵清蛋白和铁运蛋白）保留游离铁，铁运蛋白与大肠杆菌铁载体肠杆菌素具有高亲和力，铁运载蛋白与UPEC菌株相关铁载体的结合亲和力较低［45-46］。因此，这些为UPEC 清除宿主铁提供了进化优势。UTI患者尿液样本的多种二胺、多胺和酰化缀合物在多年来一直用作尿液感染的生物标志物。

小 结

代谢组学可进行生物标志物的筛选，生物标志物是一种可以量化为生物过程、致病过程或治疗干预反应的标准指标分析物，以帮助疾病诊断和预后，评估治疗的效果。免疫代谢将代谢变化与免疫细胞联系，为进一步了解感染和治疗干预提供了潜力。且由于代谢组反映了个体基因组、转录组和蛋白质组谱的所有变化，可为感染性疾病和遗传疾病提供有效和准确的个性化治疗计划，已成为代谢物空间定位的有力方法。综上，代谢组学的广泛应用可为感染性疾病的临床研究提供新的依据。

作者贡献声明王霞：酝酿和设计试验，实施研究，采集数据，分析/解释数据，起草文章，对文章的知识性内容作批评性审阅，统计分析，行政、技术或材料支持，指导，支持性贡献；赛海芳：酝酿和设计试验，对文章的知识性内容作批评性审阅，指导