特發(fā)性肺纖維化代謝組學(xué)研究進(jìn)展

潘婷鈺 何海浪 周賢梅

南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科210029

特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一種慢性進(jìn)行性疾病,以纖維化、呼吸困難、肺功能惡化和生活質(zhì)量降低為特征[1]。患者確診年齡通常在60歲以上[2],預(yù)后不佳；生存期中位數(shù)為3～4年,5年生存率為20%～40%[3]。呼吸衰竭是最常見的死亡原因[4]。IPF是由肺泡上皮細(xì)胞重復(fù)損傷、肌成纖維細(xì)胞不可控增殖、細(xì)胞外基質(zhì)沉積等修復(fù)過程失調(diào)所致；然而,IPF的致病途徑尚未完全闡明[5-6]。IPF的診斷可以基于病史和特殊的高分辨率CT表現(xiàn),主要為雙肺基底部胸膜下蜂窩影伴牽拉性支氣管擴(kuò)張。當(dāng)高分辨率CT僅顯示部分特征與IPF一致時(shí),國(guó)際指南推薦外科肺活檢[2,7]。侵入性手術(shù)對(duì)于呼吸道受損的患者有一定風(fēng)險(xiǎn),因此迫切需要侵入性較小的方法來促進(jìn)診斷、評(píng)估預(yù)后和監(jiān)測(cè)治療策略的有效性。

IPF導(dǎo)致體內(nèi)病理生理過程變化,可引起代謝產(chǎn)物發(fā)生相應(yīng)改變。代謝組學(xué)是研究生物體系(細(xì)胞、組織或生物體)受刺激或擾動(dòng)后代謝組變化的科學(xué),最常用技術(shù)是核磁共振和高分辨率質(zhì)譜[8-9]。代謝組是指參與新陳代謝、維持生物體正常生長(zhǎng)功能和生長(zhǎng)發(fā)育的所有內(nèi)源小分子(＜1 000),如氨基酸、肽、碳水化合物、脂類、核酸[10]。公共人類代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)已建立,目前列出了42 000種代謝物[11],部分內(nèi)源性小分子化合物的生化代謝網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)比較清楚。近年來,關(guān)于IPF代謝組學(xué)的研究報(bào)道逐漸增多。廣泛的生物樣本已用于肺部疾病代謝組學(xué)研究,包括尿液、血漿、血清、腦脊液、呼氣冷凝液、支氣管肺泡灌洗液、唾液、完整組織、細(xì)胞及其提取物[12]。這些為IPF發(fā)病機(jī)制的研究、生物標(biāo)志物的篩選及藥物作用靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)提供了新的研究工具,使臨床醫(yī)師將代謝組學(xué)作為IPF疾病診斷、預(yù)后評(píng)估、治療方案選擇的整體方法的一部分成為可能?，F(xiàn)就IPF代謝組學(xué)相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述。

1 與發(fā)病機(jī)制可能相關(guān)的代謝組

1.1 鞘磷脂 鞘磷脂是質(zhì)膜的組成部分,并與細(xì)胞增殖途徑相聯(lián)系,可能與IPF的肺結(jié)構(gòu)重建有關(guān)。Zhao等[13]通過對(duì)8例IPF患者與8名健康受試者肺組織的質(zhì)譜檢測(cè),發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比,IPF患者肺中的代謝物二氫鞘氨醇、鞘氨醇、鞘磷脂水平降低,微陣列數(shù)據(jù)顯示IPF組SMPD1、SMPD4和DEGS1表達(dá)下調(diào),表明神經(jīng)酰胺的產(chǎn)生受到破壞,ACER3和SPHK1基因表達(dá)下調(diào),表明鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate,S1P)的產(chǎn)生受到干擾,提示IPF肺中鞘脂代謝降低。神經(jīng)酰胺/鞘氨醇和S1P構(gòu)成的代謝平衡參與細(xì)胞增殖與凋亡的調(diào)控[14]。S1P還與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)信 號(hào) 有關(guān)[15-16]。鞘氨醇激酶1通過細(xì)胞內(nèi)S1P抑制結(jié)締組織生長(zhǎng)因子表達(dá)[17],而細(xì)胞外S1P通過激活Rho信號(hào)級(jí)聯(lián),交叉激活結(jié)締組織生長(zhǎng)因子,從而加劇纖維化過程[15]。由此可見,IPF肺組織中細(xì)胞增殖及結(jié)構(gòu)重塑與鞘磷脂代謝的改變有一定關(guān)系。

1.2 精氨酸與鳥氨酸代謝 精氨酸代謝產(chǎn)物參與多種途徑,其中肌酸參與ATP的產(chǎn)生,而鳥氨酸可以轉(zhuǎn)化為腐胺和亞精胺,參與細(xì)胞增殖。鳥氨酸也可以轉(zhuǎn)化為脯氨酸和羥脯氨酸,用于纖維化的膠原形成。Kang等[18]通過氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測(cè)13例IPF患者和15名健康受試者的肺組織,發(fā)現(xiàn)IPF患者肺組織中膠原的關(guān)鍵成分脯氨酸水平較對(duì)照組增加,這歸因于通過鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶途徑產(chǎn)生的脯氨酸增加。相似地,Zhao等[13]的研究結(jié)果表明IPF患者肺組織中精氨酸代謝物肌酸、4-羥脯氨酸、腐胺和亞精胺水平升高。有實(shí)驗(yàn)顯示在人IPF肺組織和博來霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化模型中精氨酸酶表達(dá)增加[19-20]。精氨酸酶將精氨酸轉(zhuǎn)化為鳥氨酸,鳥氨酸是脯氨酸、羥脯氨酸、腐胺和亞精胺的前體,因此這些代謝物的增加可以用上調(diào)的精氨酸酶與鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶來解釋。羥脯氨酸是細(xì)胞外基質(zhì)中膠原的重要組成部分[21],其升高是纖維化的標(biāo)志。大量研究表明,多胺與細(xì)胞增殖、分化密切相關(guān)[22-23]。由此可見,精氨酸代謝與鳥氨酸代謝的上調(diào)在IPF發(fā)生發(fā)展中有一定作用。

1.3 核苷代謝 Kang等[18]的代謝研究表明,IPF患者肺組織中嘌呤代謝物肌苷和次黃嘌呤與正常肺組織相比增加。肌苷是腺苷的前體,細(xì)胞外腺苷水平與肺纖維化的進(jìn)展與加重密切相關(guān)[24]。Luo等[24]發(fā)現(xiàn)支氣管肺泡灌洗液中的腺苷水平隨著肺纖維化的進(jìn)展而逐漸升高,在進(jìn)展性纖維化模型中,提高腺苷水平會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的纖維化。且腺苷水平升高與IL-6和IL-17升高相關(guān),而IL-6和IL-17是肺纖維化中重要的炎性細(xì)胞因子。研究表明,IPF患者肺部腺苷受體增加[25]。嘌呤能信號(hào)的調(diào)節(jié)可調(diào)控組織修復(fù)和纖維化過程中的基質(zhì)沉積[26]。因此,嘌呤代謝與IPF組織的瘢痕形成有密切關(guān)系。

1.4 脂肪酸β-氧化及三羧酸循環(huán) 細(xì)胞能量學(xué)對(duì)于維持肺細(xì)胞功能非常重要。主要營(yíng)養(yǎng)底物如糖、氨基酸和脂肪酸的分解代謝將乙酰輔酶A引入三羧酸循環(huán),產(chǎn)生合成核苷酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)所需的代謝物,并產(chǎn)生能量。線粒體是細(xì)胞中重要的產(chǎn)生能量的結(jié)構(gòu),已有研究在不同的IPF肺細(xì)胞(肺泡上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞)中發(fā)現(xiàn)了線粒體功能障礙和代謝重編,這些促進(jìn)了肺泡結(jié)構(gòu)的低彈性改變,并增加了肺部細(xì)胞對(duì)促纖維化反應(yīng)激活的敏感性[27]。Zhao等[13]發(fā)現(xiàn)IPF患者肺中長(zhǎng)鏈脂肪酸己酸、辛酸、肉豆蔻酸和棕櫚油酸水平顯著升高,中鏈?；鈮A己酰肉堿、辛酰肉堿、棕櫚酰肉堿和琥珀酰肉堿明顯減少。脂肪酸需肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體中發(fā)生β-氧化,游離脂肪酸積累及肉堿穿梭減少表明IPF肺組織中線粒體的脂肪酸β-氧化減少。三羧酸循環(huán)接受β-氧化和糖酵解產(chǎn)生的乙酰輔酶A,并為電子傳輸鏈生成還原型黃素二核苷酸和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,是細(xì)胞能量產(chǎn)生的重要途徑。Zhao等[13]發(fā)現(xiàn)IPF肺組織中琥珀酰輔酶A合成酶及其代謝產(chǎn)物順式烏頭酸增加,而編碼異檸檬酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶和檸檬酸合成酶的基因顯著減少,趨勢(shì)是三羧酸循環(huán)酶和代謝物減少,潛在地表明IPF中三羧酸循環(huán)下調(diào)。三羧酸循環(huán)、線粒體β-氧化的減少可能導(dǎo)致替代能源途徑上調(diào),以支持細(xì)胞生長(zhǎng)和肺結(jié)構(gòu)重建。上調(diào)的肌酸代謝可能是其中之一。

1.5 糖代謝 糖酵解重編在IPF發(fā)病機(jī)制中起一定作用。Xie等[28]的實(shí)驗(yàn)研究表明糖酵解增強(qiáng)是肌成纖維細(xì)胞分化過程中的早期和持續(xù)事件,抑制糖酵解酶PFKFB3的藥理或遺傳方法不僅減少了體外成纖維細(xì)胞的激活,而且顯著改善了小鼠肺纖維化的嚴(yán)重程度。而Zhao等[13]研究顯示IPF肺中晚期糖酵解代謝產(chǎn)物1,6-二磷酸果糖和磷酸烯醇式丙酮酸水平明顯低于正常,且糖酵解酶PFKFB3、PFK、PGAM1、PGAM4、G6PC3和SLC2A4RG基因表達(dá)下調(diào),提示糖酵解率降低。但I(xiàn)PF組乳酸水平都高于對(duì)照組[13,28]。糖酵解高活性之后的乳酸發(fā)酵替代穩(wěn)態(tài)糖酵解之后的丙酮酸氧化,是肺癌代謝的標(biāo)志,被稱為Warburg效應(yīng)[29-30]。這種“有氧糖酵解”的確切機(jī)制尚不清楚,有人認(rèn)為細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生與這種糖酵解的變化有關(guān)[31]。IPF患者肺組織中乳酸水平升高,也提示IPF肺組織中的TGF-β激活機(jī)制可能是一種p H依賴性機(jī)制,促使IPF中肌成纖維細(xì)胞的分化[32]。

2 通過代謝組學(xué)技術(shù)尋找生物標(biāo)志物的研究進(jìn)展

生物標(biāo)志物可用于疾病診斷、判斷疾病分期或者用來評(píng)價(jià)藥物在目標(biāo)人群中的安全性及有效性。發(fā)現(xiàn)疾病相關(guān)的診斷標(biāo)志物是疾病診斷的關(guān)鍵。脂組學(xué)作為代謝組學(xué)的一個(gè)分支,能夠監(jiān)測(cè)患者與正常者之間的脂質(zhì)變化,從中找到差異較大的脂質(zhì)化合物,作為疾病早期診斷的指標(biāo)。Yan等[33]采用超高效液相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測(cè)IPF患者血漿中的血脂變化,鑒定其生物標(biāo)志物,隨后采用相關(guān)分析、受試者工作特征曲線和正交偏最小二乘判別分析評(píng)價(jià)脂代謝產(chǎn)物的變化,總共檢測(cè)到62種獨(dú)特的脂質(zhì),其中甘油磷脂24種,甘油脂30種,甾醇類3種,鞘脂4種,脂肪酸1種。所有測(cè)定的甘油磷脂和鞘磷脂在IPF對(duì)象中均呈下降趨勢(shì)。其中6個(gè)(編碼分別為R7、R9、R13、R16、R17和R21)對(duì)IPF組與對(duì)照組的鑒別具有較高的敏感性,可能成為未來診斷IPF疾病的潛在生物標(biāo)志物,且性別和吸煙與這6個(gè)有希望的生物標(biāo)志物水平?jīng)]有相關(guān)性。

實(shí)時(shí)呼吸分析以非侵入性、快速和無痛的方式洞察人體新陳代謝,為IPF的診斷提供了新思路。Gaugg等[34]用二次電噴霧電離質(zhì)譜分析實(shí)時(shí)呼氣驗(yàn)證Kang等[18]在IPF患者肺組織中檢測(cè)到的氨基酸信號(hào)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)IPF患者呼吸中脯氨酸、4-羥脯氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸/異亮氨酸和大蒜氨酸水平顯著升高,而焦谷氨酸和苯丙氨酸水平無顯著性差異。大蒜素在膠原和彈性蛋白纖維的交聯(lián)中起著關(guān)鍵作用[35]。彈性蛋白含有豐富的脯氨酸、纈氨酸、丙氨酸、亮氨酸和異亮氨酸。焦谷氨酸和苯丙氨酸在膠原蛋白和彈性蛋白中含量較低。與其他生理參數(shù)的相關(guān)分析表明,IPF患者的氨基酸呼吸水平與通常用于IPF分期的肺功能參數(shù)(預(yù)計(jì)用力肺活量百分比和肺一氧化碳擴(kuò)散能力預(yù)測(cè)百分比)基本無關(guān),可見Gaugg等[34]通過實(shí)時(shí)呼吸分析檢測(cè)到的氨基酸差異代謝物在預(yù)測(cè)IPF疾病的嚴(yán)重程度時(shí)有限,通過代謝組學(xué)技術(shù)尋找判斷IPF分期的生物標(biāo)志物有待進(jìn)一步研究。

Rindlisbacher等[36]通過超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析IPF患者呼氣冷凝液,發(fā)現(xiàn)58個(gè)代謝特征可以區(qū)分IPF患者的呼氣冷凝液和健康對(duì)照者的呼氣冷凝液。其中分子式為C21H44N2O的代謝物在IPF患者中與健康對(duì)照組相比上調(diào)了2.5倍,并在第二組IPF患者和健康對(duì)照組中得到驗(yàn)證。C21H44N2O可能是診斷IPF的潛在生物標(biāo)志物,其結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步研究。

Zhou等[37]通過UPLC-ESI-Q-TOFMS系統(tǒng)鑒定出IPF治療藥物尼達(dá)尼布在體內(nèi)外的19個(gè)代謝產(chǎn)物(其中8種未被描述),ADMET預(yù)測(cè)表明尼達(dá)尼布是細(xì)胞色素P450 3A4(CYP3A4)的底物,并且其大部分代謝物可能具有潛在的肝毒性和心臟毒性。此研究有助于了解尼達(dá)尼布相關(guān)不良反應(yīng)的機(jī)制,關(guān)于尼達(dá)尼布對(duì)IPF的治療反應(yīng)標(biāo)志物有待進(jìn)一步探尋。

3 通過代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)有效治療靶點(diǎn)的探尋

Rindlisbacher等[38]通過超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用的方法檢測(cè)到,與健康對(duì)照組相比,IPF患者血清中溶血磷脂酰膽堿和3-羥基癸酰肉堿水平升高。肺損傷后,表面活性脂質(zhì)成分二棕櫚酰磷脂酰膽堿被磷脂酶A2降解為溶血磷脂酰膽堿[39]。溶血磷脂酰膽堿是溶血磷脂酸(lysophosphatidic acid,LPA)的前體,主要由自體趨化素轉(zhuǎn)化。LPA是一種生物活性甘油磷脂,通過上皮細(xì)胞凋亡、血管滲漏、成纖維細(xì)胞遷移和增殖誘導(dǎo)肺、腎和肝纖維化[40-43]。先前的研究顯示IPF患者支氣管肺泡灌洗液和呼氣冷凝液中LPA水平升高[43-44]。LPA還通過LPA受體2誘導(dǎo)αvβ6整合素介導(dǎo)的支氣管上皮細(xì)胞TGF-β活化[45]。GLPG1690是一種口服型自體趨化素抑制劑,目前正在進(jìn)行IPF的Ⅲ期臨床試驗(yàn),涉及750例受試者,最短治療期為52周,若結(jié)果為陽(yáng)性可能最終意味著GLPG1690單獨(dú)或聯(lián)合使用將成為IPF患者急需的新治療選擇[46]。

由于膠原蛋白含有高濃度的甘氨酸和脯氨酸,幾個(gè)小組已經(jīng)測(cè)試了抑制氨基酸生物合成是否在減少纖維化反應(yīng)方面可能有效。為了支持這一方法,Hamanaka等[47]發(fā)現(xiàn),從頭開始的絲氨酸和甘氨酸合成途徑在TGF-β誘導(dǎo)的膠原合成和博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化過程中是必須的,絲氨酸和甘氨酸合成途徑中的磷酸甘油酸脫氫酶可能是治療IPF的潛在靶點(diǎn)。磷酸甘油酸脫氫酶小分子抑制劑NCT-503可以顯著減輕博來霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化的嚴(yán)重程度[47]。到目前為止,還沒有確定抑制其他涉及氨基酸生物合成的酶是否同樣有效。

4 結(jié)語

IPF是一種由多種原因?qū)е碌姆尾坷w維化疾病,預(yù)后差,病死率高。其發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明,且治療手段有限。代謝組學(xué)作為后基因組研究中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一,可反映各種因素作用于生物體的終末效應(yīng),具有綜合信息優(yōu)勢(shì)。通過代謝組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)的IPF基本生化途徑的擾動(dòng)有助于更全面地了解IPF發(fā)病機(jī)制；通過代謝組學(xué)技術(shù)探尋到的IPF生物標(biāo)志物有助于減少IPF診斷時(shí)患者的損傷風(fēng)險(xiǎn)；通過代謝組學(xué)啟發(fā)尋找到的GLPG1690、NCT-503等藥物作用靶點(diǎn)最終將促進(jìn)患者個(gè)性化治療的發(fā)展,提高患者生活質(zhì)量。雖然代謝組學(xué)技術(shù)在代謝物的身份驗(yàn)證等方面仍具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn),但隨著技術(shù)的進(jìn)步,高分辨率分析儀器(如QTOF-MS)提供的代謝物覆蓋范圍不斷擴(kuò)大,利用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)IPF的研究將具有更廣闊的前景[48]。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突