代謝組學(xué)在變態(tài)反應(yīng)(過(guò)敏)性疾病領(lǐng)域的應(yīng)用

凱麗比努爾·阿卜力克木，胡鳳俠，王倩，梁俊琴

作者單位：830002 烏魯木齊，新疆維吾爾自治區(qū)人民醫(yī)院皮膚性病科，新疆皮膚病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，新疆皮膚病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(XJYS1707)

變態(tài)反應(yīng)(過(guò)敏)性疾病是指機(jī)體接觸過(guò)敏原后，引起生理功能障礙和(或)組織細(xì)胞損傷而導(dǎo)致的病理免疫反應(yīng)。常見的有特應(yīng)性皮炎、濕疹、慢性特發(fā)性蕁麻疹、支氣管哮喘、變應(yīng)性鼻炎、過(guò)敏性結(jié)膜炎和食物過(guò)敏等。近年來(lái)，其發(fā)病率不斷上升，嚴(yán)重威脅人類健康[1]。過(guò)敏性疾病的發(fā)病機(jī)制至今尚不明確，涉及免疫、環(huán)境及基因等多種因素。除部分疾病可查出致敏原外，仍有大部分查不到病因，導(dǎo)致疾病反復(fù)發(fā)作。因此明確其發(fā)病機(jī)制及治療靶點(diǎn)是目前要解決的關(guān)鍵問題。代謝組學(xué)是對(duì)生物體小分子量(相對(duì)分子質(zhì)量<1 000)的代謝產(chǎn)物，如氨基酸、脂質(zhì)、糖、有機(jī)酸等進(jìn)行定性和定量分析，反映生物體整體代謝水平及生理病理狀態(tài)的技術(shù)手段[2]。根據(jù)是否對(duì)代謝物具有針對(duì)性分為靶向和非靶向代謝組學(xué)，根據(jù)所研究?jī)?nèi)源性代謝物質(zhì)的分布可分為：細(xì)胞、呼吸、尿液、血液和組織代謝組學(xué)等。目前，代謝組學(xué)的主要分析技術(shù)包括：核磁共振譜(nuclear magnetic resonance，NMR)、質(zhì)譜(mass spectrum，MS)、液相色譜(liquid chromatograph，LC)和氣相色譜(gas chromatography，GC)分析法及它們之間的聯(lián)用系統(tǒng)，包括液相色譜-質(zhì)譜(liquid chromatography-mass spectrometer，LC-MS)和氣相色譜-質(zhì)譜(gas chro-matography-mass spectrometer，GC-MS)分析法[3]。隨著代謝組學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與優(yōu)化，它在疾病的發(fā)病機(jī)制研究、早期診斷和鑒別診斷、藥效機(jī)制探討及生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。代謝組學(xué)在過(guò)敏性疾病領(lǐng)域盡管還處于初期探索階段，但其在特應(yīng)性皮炎、支氣管哮喘及變應(yīng)性鼻炎等疾病的研究和應(yīng)用取得了重要進(jìn)展。本文綜述代謝組學(xué)技術(shù)在常見過(guò)敏性疾病的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 代謝組學(xué)在皮膚變態(tài)反應(yīng)(過(guò)敏)性相關(guān)疾病的應(yīng)用

1.1 特應(yīng)性皮炎

特應(yīng)性皮炎(atopic dermatitis，AD)是皮膚科最常見的過(guò)敏性疾病，具有劇烈瘙癢且反復(fù)發(fā)作的特點(diǎn)，其復(fù)雜的發(fā)病機(jī)制和治療方案依舊是目前的研究熱點(diǎn)。通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)尋找其可能存在的異常代謝物及代謝通路，為發(fā)現(xiàn)其發(fā)病機(jī)制及新的治療靶點(diǎn)提供了可能。Dimitris等[4]通過(guò)GC-MS技術(shù)對(duì)AD患者血清脂肪酸進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)月桂酸、肉豆蔻酸和硬脂酸等是AD早期診斷潛在的生物標(biāo)志物。Chiu等[5]對(duì)AD患兒及健康對(duì)照組血漿代謝物進(jìn)行NMR分析并對(duì)絲聚蛋白(FLG)基因進(jìn)行了測(cè)序，發(fā)現(xiàn)AD組氮和氨基酸代謝以及與微生物相關(guān)的甲烷和丙酸代謝明顯異常，并與特定的FLG突變相關(guān)，部分代謝物水平與總IgE血清水平呈正相關(guān)，由此推斷宿主遺傳學(xué)相關(guān)的多種微生物群落結(jié)構(gòu)有助于調(diào)節(jié)AD對(duì)過(guò)敏反應(yīng)的易感性。段函等[6]進(jìn)一步分析AD患兒血漿氨基酸代謝變化，篩選出涉及精氨酸和脯氨酸代謝，乙醛酸和二羧酸代謝，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝通路的7種代謝差異物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)組氨酸代謝通路在外源型與內(nèi)源型AD組之間呈現(xiàn)出顯著的代謝差異，內(nèi)源型AD組的組氨酸水平較外源型低，并均低于對(duì)照組，該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步為通過(guò)補(bǔ)充組氨酸治療FLG缺陷AD患者提供了理論依據(jù)。Ilves等[2]對(duì)AD患者病變及非病變皮膚與正常對(duì)照組皮膚進(jìn)行穿刺活檢進(jìn)行靶向代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)包括氨基酸、生物胺、酰基肉堿、鞘磷脂或磷脂酰膽堿等在內(nèi)的77種代謝產(chǎn)物在各組之間存在顯著差異。Emi等[7]通過(guò)NMR技術(shù)發(fā)現(xiàn)AD患者汗液中葡萄糖濃度顯著升高，且與疾病嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。Ji等[8]對(duì)AD患兒使用地奈德和吡美莫司乳膏后尿液代謝物的變化進(jìn)行代謝組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)地奈德治療組患兒尿液中與癌癥相關(guān)的代謝產(chǎn)物較吡美莫司組發(fā)生了顯著改變，說(shuō)明嬰幼兒使用吡美莫司相較于地奈德更具有安全性。Chen等[9]通過(guò)非靶向代謝組學(xué)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)黃連解毒湯治療AD的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)治療組和對(duì)照組之間存在涉及組氨酸、精氨酸生物合成及嘧啶代謝等通路的40種代謝差異物。以上研究均通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)AD發(fā)病機(jī)理及治療方案進(jìn)行了代謝標(biāo)志物初步探索，代謝物水平的變化不僅表明遺傳易感性在AD發(fā)病機(jī)制中起重要作用，同時(shí)表明炎癥、屏障功能受損以及對(duì)特應(yīng)性皮膚氧化應(yīng)激的易感性。更多的代謝組學(xué)研究將有助于我們識(shí)別AD內(nèi)在型別，有利于促進(jìn)個(gè)性化防治。

1.2 慢性自發(fā)性蕁麻疹

慢性自發(fā)性蕁麻疹(chronic spontaneous urticaria，CSU)是指無(wú)法明確病因的慢性蕁麻疹，表現(xiàn)為每天或間歇出現(xiàn)蕁麻疹超過(guò)6周，發(fā)病機(jī)制涉及多個(gè)因素，包括免疫、環(huán)境、腸道菌群等[10]。Detong等[11]應(yīng)用LC-MS技術(shù)評(píng)估CSU患者腸道微生物群和血清代謝物之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)CSU組存在谷氨酸和琥珀酸、二十二碳六烯酸和花生四烯酸、蔗糖和嘌呤等差異代謝物，及丁酸代謝異常通路，由此推測(cè)宿主腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致丁酸水平降低可能在CSU的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。另一項(xiàng)最新研究通過(guò)對(duì)CSU患者和健康對(duì)照組糞便標(biāo)本進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)CSU組α-MG和甘草酸表達(dá)上調(diào)，3-吲哚丙酸(IPA)、黃嘌呤和異丁烯酸表達(dá)下調(diào)[12]。以上兩組研究均證實(shí)了CSU與健康人群的腸道菌群組成及功能不同，這為研究CSU的發(fā)病機(jī)制提供了新的思路，也為進(jìn)一步研究過(guò)敏性疾病腸道菌群與代謝產(chǎn)物和免疫之間的分子相互作用建立了一個(gè)重要的知識(shí)框架。

2 代謝組學(xué)在下呼吸道變態(tài)反應(yīng)(過(guò)敏)性相關(guān)疾病的應(yīng)用

支氣管哮喘(bronchial asthma)是具有多種不同復(fù)雜內(nèi)型的異質(zhì)性慢性炎癥性疾病，表現(xiàn)為反復(fù)發(fā)作的咳嗽和喘息，發(fā)病機(jī)制尚不明確，可能與飲食、環(huán)境和遺傳等因素相關(guān)。代謝組學(xué)技術(shù)有助于哮喘的預(yù)測(cè)、診斷及發(fā)現(xiàn)潛在的生物標(biāo)志物。研究人員基于對(duì)哮喘患者血漿代謝產(chǎn)物分析確定了哮喘的代謝組學(xué)內(nèi)型，包括膽汁酸合成增加以及氨基酸、類固醇、嘌呤、鞘脂、甲烷等代謝異常和腸道微生物群失衡[13]，其中精氨酸、賴氨酸和蛋氨酸途徑相關(guān)的代謝物與患兒易發(fā)作相關(guān)[14]。Chiu等[15]提出血漿丙酮酸、尿纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸代謝以及糞便丁酸鹽的減少與兒童哮喘的過(guò)敏致敏顯著相關(guān)。有學(xué)者對(duì)哮喘患者痰液進(jìn)行代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)組氨酸、甘油磷脂、煙酸和煙酰胺、亞油酸代謝以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成參與了不同哮喘表型的發(fā)病機(jī)制[16]。Chang等[3]發(fā)現(xiàn)哮喘患者呼出氣冷凝液代謝物中乳酸、甲酸、丁酸和異丁酸存在代謝異常。最新研究則發(fā)現(xiàn)哮喘患兒花生四烯酸代謝的類二十烷酸水平，特別是12(S)-羥基二十碳四烯酸(HETEs)和15(S)-HETEs顯著高于健康個(gè)體，接受皮下特異性免疫治療(subcutaneous specific immunotherapy，SCIT)的患者血清類花生酸譜代謝物在治療的第一年增加，然后開始下降，三年后顯著低于基線水平[17]，由此提出12(S)-和15(S)-HETEs是哮喘兒童發(fā)病機(jī)制及隨訪的潛在生物標(biāo)志物。Park等[18]發(fā)現(xiàn)激素抵抗患兒存在谷胱甘肽代謝、酪氨酸代謝和芳香族化合物降解途徑的異常代謝，其中谷胱甘肽能通過(guò)谷胱甘肽過(guò)氧化物酶清除自由基，與氣道反應(yīng)性以及炎癥調(diào)節(jié)有關(guān)，由此提出谷胱甘肽和γ 谷氨酰半胱氨酸可能成為重要的藥物靶點(diǎn)。另一項(xiàng)基于質(zhì)譜技術(shù)研究的的成人哮喘患者尿液代謝組學(xué)大規(guī)模研究結(jié)果顯示不同疾病嚴(yán)重程度的哮喘患者治療前后尿液代謝物差異明顯，且大部分代謝物對(duì)常見的治療方式較為敏感，其中肉堿是與哮喘嚴(yán)重程度最為密切相關(guān)的代謝物，是唯一不受治療影響的代謝物，由此提出肉堿代謝的改變是一個(gè)獨(dú)立于口服類固醇治療的潛在的治療靶點(diǎn)[19]。以上研究結(jié)果表明，對(duì)支氣管哮喘患者外周血液、呼氣冷凝液、尿液及糞便等進(jìn)行代謝組學(xué)分析，尋找與其發(fā)病機(jī)制相關(guān)的代謝標(biāo)志物，有助于進(jìn)一步為支氣管哮喘患者診斷、鑒別診斷、分型及監(jiān)測(cè)治療方案的有效性提供理論依據(jù)。

3 代謝組學(xué)在上呼吸道變態(tài)反應(yīng)(過(guò)敏)性相關(guān)疾病的應(yīng)用

3.1 過(guò)敏性(變應(yīng)性)鼻炎

過(guò)敏性(變應(yīng)性)鼻炎(allergic rhinitis，AR)是指?jìng)€(gè)體接觸過(guò)敏原后，通過(guò)IgE介導(dǎo)的多種細(xì)胞因子及炎性介質(zhì)參與的鼻黏膜非感染性慢性炎癥性疾病，表現(xiàn)為反復(fù)打噴嚏、鼻癢、鼻塞、流清涕等。研究人員使用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)AR患者血液代謝產(chǎn)物研究篩選出涉及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝，甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝，半胱氨酸、甲硫氨酸代謝和色氨酸代謝通路的9種差異代謝物[20]，及7種血清脂肪酸差異代謝物[21]，Xie等[22]對(duì)輕度、中重度AR患者與對(duì)照組進(jìn)行血清代謝物分析比較，進(jìn)一步證實(shí)大部分異常代謝產(chǎn)物與甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝、嘧啶代謝、鞘脂代謝、精氨酸和脯氨酸代謝以及脂肪酸代謝有關(guān)，以此為基礎(chǔ)研究AR患者癥狀激發(fā)前后血液代謝物譜，發(fā)現(xiàn)與緩解期相比，在發(fā)作期有18種血液代謝物含量明顯下降[23]。Chiu等[24]采用NMR技術(shù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)AR患兒糞便組氨酸和丁酸代謝物水平顯著降低，其中丁酸含量降低與特異性免疫球蛋白水平升高有關(guān)。Adamko等[25]利用H1-NMR技術(shù)研究AR患者癥狀激發(fā)前后尿液代謝物譜，篩選出與AR嚴(yán)重程度關(guān)聯(lián)密切的11種尿液代謝物。以上研究表明AR的發(fā)生機(jī)制及發(fā)作過(guò)程均可能與氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝及能量代謝等代謝異常有關(guān)，為更好地了解AR潛在的發(fā)病機(jī)制，客觀評(píng)價(jià)AR嚴(yán)重程度，發(fā)現(xiàn)精細(xì)化診斷AR 的潛在生物標(biāo)志物做出一定貢獻(xiàn)。也有學(xué)者將代謝組學(xué)技術(shù)用于AR的療效評(píng)價(jià)，Shi等[26]及Yu等[27]對(duì)舌下免疫治療(sublingual immunotherapy，SLIT)的AR患者治療前后血清進(jìn)行分析，鑒定出涉及4條代謝途徑，即牛磺酸和亞?；撬岽x、戊糖和葡萄糖醛酸相互轉(zhuǎn)化、戊糖磷酸途徑以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝的129種差異代謝物，并發(fā)現(xiàn)在治療1年后，治療有效患者的L-酪氨酸代謝水平升高，反之降低，說(shuō)明L-酪氨酸可能是AR患者SLIT治療療效評(píng)價(jià)的潛在生物標(biāo)志物。Zheng等[28]通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)評(píng)估單一屋塵螨SCIT(SM-SCIT)與雙螨變應(yīng)原SCIT(DM-SCIT)療法的療效，發(fā)現(xiàn)在SM-SCIT或DM-SCIT治療約一年后，ω-6相關(guān)的花生四烯酸和亞油酸途徑顯示出顯著差異，表明花生四烯酸及其下游代謝物是有助于區(qū)分SCIT療法的選擇的潛在的生物標(biāo)志物。

3.2 慢性鼻-鼻竇炎伴鼻息肉

慢性鼻-鼻竇炎伴鼻息肉(chronic rhinosinusitis with nasal polyps，CRSwNP)是指以長(zhǎng)期鼻塞，呼吸和睡眠困難，嗅覺喪失等為主要癥狀的鼻腔鼻竇粘膜炎性疾病，主要病理特征為Th2型炎癥介導(dǎo)的鼻黏膜上皮屏障破壞和廣泛的嗜酸性粒細(xì)胞(eosinophils，EOS)浸潤(rùn)，根據(jù)組織中EOS浸潤(rùn)程度可分為EOS浸潤(rùn)為主型鼻息肉(Eos NP)和非EOS浸潤(rùn)為主型鼻息肉(non-Eos NP)。其治療以糖皮質(zhì)激素結(jié)合鼻內(nèi)鏡手術(shù)為主要形式，但仍有相當(dāng)部分患者療效不佳。最新研究表明生物標(biāo)志物(如特定細(xì)胞群、蛋白質(zhì)、非編碼RNA、mRNA、細(xì)胞因子等)有助于區(qū)分其不同的表型和內(nèi)在型，為靶向治療提供有價(jià)值的診斷信息[29]。目前關(guān)于CRSwNP代謝組學(xué)研究較少，有研究者對(duì)Eos NP、non-Eos NP和對(duì)照組患者鼻腔粘膜組織進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)三組代謝表達(dá)模式不同，其中亞油酸是最重要的差異代謝物，該差異可能和息肉來(lái)源的EOS相關(guān)，為進(jìn)一步理解CRSwNP的發(fā)病機(jī)制及預(yù)后效果評(píng)價(jià)提供了重要參考[30]。

4 代謝組學(xué)在眼部變態(tài)反應(yīng)(過(guò)敏)性相關(guān)疾病的應(yīng)用

過(guò)敏性結(jié)膜炎(allergic conjunctiviti，AC)是結(jié)膜對(duì)外界變應(yīng)原產(chǎn)生超敏反應(yīng)的常見過(guò)敏性疾病之一。其經(jīng)典發(fā)病機(jī)制包括IgE介導(dǎo)的Ⅰ型超敏反應(yīng)及T淋巴細(xì)胞介導(dǎo)的IV型超敏反應(yīng)，此外，多種細(xì)胞因子、過(guò)敏原介導(dǎo)的神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制、菌群失調(diào)機(jī)制、脂質(zhì)介質(zhì)作用可能也與其發(fā)病相關(guān)。目前關(guān)于AC的代謝組學(xué)分析以動(dòng)物模型為主，Toshiaki等[31]用LC-MS分析法從AC小鼠結(jié)膜組織樣本中剖析出許多脂質(zhì)分子，其中ω-3脂肪酸(FAs)減少了結(jié)膜中的炎癥脂質(zhì)介質(zhì)，并緩解了小鼠癥狀。另一項(xiàng)研究則通過(guò)高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS)發(fā)現(xiàn)喂食ω-3脂肪酸的小鼠較ω-6組相比，游離花生四烯酸水平降低了50%，表明膳食ω-3脂肪酸通過(guò)抑制來(lái)自花生四烯酸的各種促炎脂質(zhì)介質(zhì)的產(chǎn)生緩解AC癥狀[32]，由此推斷，用膳食ω-3脂肪酸改變脂質(zhì)介質(zhì)譜可能是預(yù)防和治療AC的一種安全實(shí)用的方法。

5 代謝組學(xué)在消化系統(tǒng)變態(tài)反應(yīng)(過(guò)敏)性相關(guān)疾病的應(yīng)用

食物過(guò)敏(food allergy，F(xiàn)A)食物過(guò)敏是由于某種食物或食品添加劑等引起的IgE或非IgE介導(dǎo)的導(dǎo)致消化系統(tǒng)內(nèi)或全身性變態(tài)反應(yīng)。目前其診斷主要依據(jù)患者臨床病史及血清食物特異性IgE水平，但傳統(tǒng)診斷方法的局限性往往導(dǎo)致診斷延誤或過(guò)度診斷，因此通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)更好的診斷或預(yù)后生物標(biāo)志物將有利于精確診斷及治療FA。有學(xué)者對(duì)IgE介導(dǎo)的FA相關(guān)人類和動(dòng)物代謝組學(xué)研究進(jìn)行系統(tǒng)綜述后編制了一個(gè)包含277個(gè)潛在生物標(biāo)志物的數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)IgE-FA兒童血漿色氨酸及其代謝產(chǎn)物水平改變，糞便短鏈脂肪酸水平降低，及組氨酸、嘌呤、嘧啶和脂質(zhì)代謝通路的改變[33]。另一項(xiàng)研究則通過(guò)LC-MS技術(shù)鑒定FA患兒脂類代謝產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)鞘磷脂和酰肉堿有明顯的改變[34]。以上研究為尋找并改進(jìn)FA的診斷和預(yù)后生物標(biāo)志物提供了重要依據(jù)，有助于深入了解FA潛在發(fā)病機(jī)制。

綜上，變態(tài)反應(yīng)性疾病臨床表現(xiàn)各不相同，發(fā)病機(jī)制涉及免疫、環(huán)境、基因等多種因素，其異質(zhì)性增加了診斷和個(gè)性化治療的挑戰(zhàn)。代謝組學(xué)技術(shù)將生物體的遺傳、環(huán)境、飲食和腸道微生物之間的相互作用直觀的表述出來(lái)，從而為進(jìn)一步了解機(jī)體生理病理狀態(tài)下新陳代謝變化提供了便利。通過(guò)分析代謝物分泌情況的差異表達(dá)進(jìn)而尋找可能的特異性生物標(biāo)志物是具有科學(xué)依據(jù)且具有發(fā)展前景的便捷可行的新手段。目前針對(duì)過(guò)敏性疾病的代謝組學(xué)研究還需進(jìn)一步深入，部分過(guò)敏性疾病無(wú)相關(guān)代謝組學(xué)研究，相信隨著相關(guān)研究的進(jìn)一步深入，對(duì)過(guò)敏性疾病的了解將會(huì)更加全面，為研究過(guò)敏性疾病的發(fā)病機(jī)制、預(yù)防和治療提供新思路和新方法，并推動(dòng)生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)和個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展，以更好地管理和控制變態(tài)反應(yīng)性疾病。