吳銳劍,黃宇戈,羅連響
支氣管哮喘(以下簡(jiǎn)稱哮喘)是一種常見的慢性氣道炎癥性疾病,其特征是可逆性氣流受限和氣道高反應(yīng)性,臨床表現(xiàn)為反復(fù)發(fā)作的喘息、咳嗽、胸悶和氣促[1]。哮喘是兒童最常見的慢性疾?。?],其發(fā)病與飲食、遺傳、微生物和環(huán)境等因素相關(guān)[3],具體發(fā)病機(jī)制尚未明確。目前臨床主要根據(jù)臨床癥狀、體征、肺功能和呼出氣一氧化氮(FeNO)等進(jìn)行診斷及病情評(píng)估。我國(guó)兒童哮喘流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示,城市兒童哮喘的漏診率達(dá)30%[4]。而且目前臨床上哮喘常用的輔助檢查——肺功能和FeNO 無法監(jiān)測(cè)肺部炎癥情況,亦不能預(yù)測(cè)病情惡化。代謝物是生物學(xué)和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果,具備將基因型和表型聯(lián)系起來的巨大潛力,代謝組學(xué)有助于從整體上識(shí)別和量化生物體內(nèi)的代謝物變化。
代謝組學(xué)是對(duì)生物體液、細(xì)胞、組織、器官或生物中的低分子量分子或代謝產(chǎn)物進(jìn)行客觀地整體測(cè)量[5]。以往人們主要將代謝物視為下游產(chǎn)物,即生物標(biāo)志物,隨著對(duì)代謝物的深入了解發(fā)現(xiàn),代謝物不僅是疾病的生物標(biāo)志物,依據(jù)各自酶的活性其還可以修飾蛋白質(zhì)和DNA,并與之相互作用,從而改變蛋白質(zhì)組和表觀基因組[6-7](圖1)。代謝物可作為信號(hào)分子來控制轉(zhuǎn)錄因子,進(jìn)而控制基因表達(dá);此外,代謝物作為染色質(zhì)修飾酶的輔助因子和輔助底物,積極參與表觀遺傳調(diào)控。代謝物還通過核糖開關(guān)傳感小分子配體和轉(zhuǎn)錄后修飾影響RNA 代謝。最后,代謝物通過跨膜受體和轉(zhuǎn)錄因子的變構(gòu)調(diào)節(jié),作為生化反應(yīng)催化中的輔酶因子和共底物,以及通過翻譯后修飾,來主動(dòng)控制蛋白活性。因此,代謝組學(xué)不僅能為臨床提供哮喘的潛在生物標(biāo)志物,還有助于進(jìn)一步了解哮喘的發(fā)病機(jī)制。
圖1 代謝物與表觀基因組、蛋白質(zhì)組的相互作用Figure 1 Interactivities of metabolite with epigenome and proteome
目前哮喘相關(guān)的代謝組學(xué)研究主要是針對(duì)成人哮喘,兒童哮喘相關(guān)的代謝組學(xué)研究相對(duì)較少。兒童生理特點(diǎn)與成人不同,兒童處在生長(zhǎng)發(fā)育階段,器官發(fā)育尚未成熟,功能尚未完善,兒童代謝水平有其自身特點(diǎn)。例如,成人哮喘患者的血清精氨酸高于非哮喘者[8],而在兒童中結(jié)果正好相反[9],這可能由兒童免疫系統(tǒng)不成熟導(dǎo)致[8,10]。與成人相比,兒童更易受遺傳、性別[11]、年齡[12]、體質(zhì)指數(shù)(BMI)[13]、飲食[14]、藥物[15]、外界環(huán)境等因素影響,因此,需嚴(yán)格控制研究人群的人口學(xué)特征。此外,代謝組學(xué)在兒童哮喘中的意義不僅局限于哮喘的診斷,還包括哮喘的預(yù)測(cè),本文對(duì)代謝組學(xué)在兒童哮喘中的應(yīng)用進(jìn)行綜述,以期在疾病早期對(duì)患兒進(jìn)行干預(yù),從而獲得更好的預(yù)后。
代謝組學(xué)按研究策略可分為靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)。非靶向代謝組學(xué)是對(duì)特定環(huán)境、特定生理狀態(tài)下生物實(shí)體代謝物組成的分析[16],其目的在于對(duì)所有代謝物進(jìn)行分析并從中篩選差異代謝物。而靶向代謝組學(xué)則是依賴于先驗(yàn)代謝物及其生化途徑對(duì)特定的代謝物進(jìn)行定量分析,重復(fù)性更好、靈敏度更高[17]。
獲取代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的兩種最常見的分析方法是核磁共振光譜(NMR)和質(zhì)譜(MS)。NMR 是基于能量吸收和由于外部磁場(chǎng)變化而使原子核重新發(fā)射的原理的光譜技術(shù)[18],其優(yōu)勢(shì)在于具有很高的可重復(fù)性和定量性,且不會(huì)對(duì)樣本造成破壞,但與此相對(duì)的是靈敏度較低[19]。MS 通過質(zhì)荷比(m/z)和離子化合物通過相對(duì)強(qiáng)度獲取光譜數(shù)據(jù)[20],具有很高的靈敏度和特異度以及良好的動(dòng)態(tài)范圍,這使其特別適合靶向代謝組學(xué)研究。代謝組學(xué)中MS 的主要弱點(diǎn)之一是定量分析,所用樣品制備類型及其分子環(huán)境會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度[21]?;贛S 的代謝組學(xué)通常在分離步驟之后進(jìn)行,這會(huì)降低生物樣品的復(fù)雜性,并允許在不同時(shí)間對(duì)不同分子集合進(jìn)行MS分析[18]。MS 技術(shù)中最常用的分離技術(shù)是液相色譜(LC)和氣相色譜(GC)色譜柱,分別稱為L(zhǎng)C-MS 技術(shù)和GC-MS 技術(shù)[22]。GC-MS 相對(duì)穩(wěn)定、靈敏度高,具有出色的分離再現(xiàn)性,使用商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件即可輕松鑒定代謝物,但樣品前處理工作量大,只能鑒定易揮發(fā)物質(zhì)且難以進(jìn)行新的化合物;而LC-MS 技術(shù)具有更高的靈敏度、更廣泛的代謝物檢測(cè)范圍和多樣化的方法,但穩(wěn)定性更差,化合物鑒定更困難[23]。
代謝組學(xué)研究最常用的樣本包括呼出氣、尿液、糞便、血液(血清和血漿),肺泡灌洗液和痰誘導(dǎo)樣本由于其侵入性及技術(shù)的復(fù)雜性,在臨床取樣時(shí)較少見。樣本選擇取決于研究問題的相關(guān)性和實(shí)際操作的可行性。關(guān)于不同樣本的生理特征、優(yōu)缺點(diǎn)以及相關(guān)注意事項(xiàng)詳見表1。
表1 代謝組學(xué)常見檢測(cè)樣本的比較Table 1 Comparison of common samples for metabonomics analysis of childhood asthma
2.1 血漿和血清代謝組學(xué) 血漿和血清是代謝組學(xué)分析使用最廣泛的樣本類型,用于研究各種疾病以揭示潛在的生物標(biāo)志物。兩者均有很好的重現(xiàn)性,且兩者之間有很高的相關(guān)性,但血清樣品的濃度、靈敏度和可靠性更高[33-34]。血漿和血清相比其他類型的樣本,優(yōu)勢(shì)在于能反映樣本采集時(shí)生理狀態(tài)的全局視圖,但缺點(diǎn)在于差異缺乏組織特異性。CHECKLEY 等[35]在一項(xiàng)包含100 名兒童的病例對(duì)照研究中使用LC-MS 技術(shù)對(duì)血清中的18 種代謝物進(jìn)行代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),哮喘患兒的還原型谷胱甘肽濃度比對(duì)照組高70%。谷胱甘肽是一種三肽硫醇,能通過谷胱甘肽過氧化物酶清除自由基,并與呼吸道反應(yīng)性以及炎癥調(diào)節(jié)有關(guān)。哮喘患者肺部和血液中的谷胱甘肽升高是對(duì)相關(guān)氧化應(yīng)激的適應(yīng)性反應(yīng)[36]。FITZPATRICK 等[37]在兒童血漿樣本中使用了非靶向LC-MS技術(shù)來區(qū)分輕度和重度哮喘,并確定了與哮喘嚴(yán)重程度相關(guān)的兩個(gè)代謝途徑:甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝途徑以及N-?;掖及泛蚇-?;D(zhuǎn)移酶途徑。絲氨酸是包括甘氨酸和半胱氨酸在內(nèi)的幾種氨基酸的前體,甘氨酸和半胱氨酸是重要的抗氧化劑谷胱甘肽的必須成分。N-?;掖及妨字怯赡は嚓P(guān)的N-?;D(zhuǎn)移酶形成的,可響應(yīng)細(xì)胞損傷而代謝為N-酰基乙醇胺,并在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和抗氧化應(yīng)激的細(xì)胞保護(hù)中發(fā)揮重要作用。兒童重度哮喘可能與抗氧化劑谷胱甘肽失衡有關(guān)[38],患兒氣道[39]和體循環(huán)[40]中的谷胱甘肽水平降低,導(dǎo)致氣道炎性增加和細(xì)胞功能受損。在成人研究中,哮喘患者體循環(huán)中的谷胱甘肽水平較正常人降低,但并無明顯差異[41-42],這可能與紅細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激的補(bǔ)償反應(yīng)有關(guān)[43];有趣的是,在COMHAIR 等[41]的研究中,患有嚴(yán)重氣流受限的哮喘患者傾向于增加血清谷胱甘肽,這與CHECKLEY 等[35]在哮喘兒童中的研究一致。
2.2 呼出氣代謝組學(xué) 近幾年,呼出氣中代謝成分的分析受到廣泛關(guān)注,因?yàn)槠涫且环N非侵入性的方法,具有提供有關(guān)下呼吸道有價(jià)值的臨床信息的潛力。目前兒童哮喘領(lǐng)域中大多數(shù)研究應(yīng)用GC-MS 技術(shù)來研究單個(gè)呼吸中含有的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)或使用電子鼻(eNOSE)技術(shù)來研究VOC混合物,這些化合物來源可以是外源(細(xì)菌)或內(nèi)源(細(xì)胞)。盡管GC-MS 存在需要訓(xùn)練有素的研究人員和無法獲得實(shí)時(shí)在線調(diào)查結(jié)果的缺點(diǎn),其仍然被認(rèn)為是呼出氣分析的“金標(biāo)準(zhǔn)”,因?yàn)槠淠軌蜃R(shí)別化合物,從而深入了解病理生理過程,并驗(yàn)證檢測(cè)到的化合物的來源[44]。而eNOSE 技術(shù)快速、便宜、容易使用,因此是一種具有吸引力的護(hù)理技術(shù)[44]。一項(xiàng)前瞻性研究使用GC-MS 技術(shù)分析VOC 發(fā)現(xiàn),6 種VOC的組合能預(yù)測(cè)兒童哮喘的惡化(靈敏度:100%,特異度:93%)[45],VOC 以烴類為主。另一項(xiàng)針對(duì)兒童的前瞻性研究表明,VOC 分析(GC-MS 法)可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)采樣后14 d 的哮喘發(fā)作(靈敏度:88%,特異度:75%)[46],VOC 包含了3 種醛類、1 種烴類,與前一研究相似。醛類和烴類化合物均與氧化劑對(duì)細(xì)胞膜中不飽和脂肪酸的損傷有關(guān)[47-49]。在成人中也有類似研究,用于預(yù)測(cè)停止吸入皮質(zhì)類固醇后哮喘的控制[50-51],正確分類率可達(dá)95%,有助于患者的哮喘檢測(cè)和管理。得益于無創(chuàng)、易于獲得且能反映氣道生理的優(yōu)勢(shì),呼出氣代謝組學(xué)在監(jiān)測(cè)氣道炎癥方面的潛力巨大。
2.3 腸道代謝組學(xué) 腸道代謝組學(xué)在探索腸道菌群對(duì)健康的廣泛影響中受到了越來越多的關(guān)注,糞便是一種非侵入性樣本,是腸道消化過程的最終產(chǎn)物[52],越來越多的研究表明,腸道微生物在哮喘發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[53]。CHIU 等[54]通過NMR 技術(shù)對(duì)85 名兒童的糞便進(jìn)行代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),糞便丁酸鹽的減少與螨蟲特異性IgE 水平升高以及兒童哮喘的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。而丁酸鹽對(duì)哮喘的改善作用,在另外兩篇文獻(xiàn)中得到了進(jìn)一步證實(shí)[55-56]。丁酸鹽是結(jié)腸細(xì)胞的重要能量來源,對(duì)于結(jié)腸完整性至關(guān)重要[57]。通過保留腸道屏障,丁酸鹽可防止細(xì)菌異位至循環(huán)系統(tǒng);此外丁酸鹽通過抑制HDAC 活性來抑制2 型固有淋巴細(xì)胞(ILC2)增殖和GATA3表達(dá),從而減少細(xì)胞因子IL-5 和IL-13 的產(chǎn)生[58]。在成人中,丁酸鹽被證明能誘導(dǎo)嗜酸粒細(xì)胞的凋亡以及抑制嗜酸粒細(xì)胞黏附于內(nèi)皮,并阻止其向嗜酸粒細(xì)胞趨化因子-2 的遷移,這可能與組蛋白去乙?;傅囊种朴嘘P(guān)[59]。此外,丁酸鹽還可促進(jìn)抗原特異性B 淋巴細(xì)胞中IL-10 基因的轉(zhuǎn)錄和IL-10 的表達(dá)[60],而產(chǎn)生IL-10 的B 淋巴細(xì)胞具有免疫抑制功能[61]。除丁酸鹽外,多不飽和脂肪酸和膽汁酸均有助于哮喘的改善,而鞘脂和色氨酸代謝物作為潛在的重要途徑值得未來進(jìn)行深入研究(表2)。腸道代謝物代表宿主和腸道菌群之間的化學(xué)相互作用,并具有無創(chuàng)、易于收藏和可重復(fù)收集等優(yōu)勢(shì),但由于腸道代謝物可衍生自宿主、微生物群或包含飲食在內(nèi)的外源性來源,所以很難查明代謝物的具體來源。
表2 腸道代謝物及其在哮喘發(fā)展中的作用機(jī)制Table 2 Roles of intestinal metabolites involved in the pathogenesis of childhood asthma
2.4 尿液代謝組學(xué) 尿液代謝組學(xué)是近年來發(fā)現(xiàn)非侵入性生物標(biāo)志物的一個(gè)重要領(lǐng)域,其可以檢測(cè)出針對(duì)特定疾病或治療干預(yù)的細(xì)微代謝差異。與其他生物流體相比,尿液的特點(diǎn)是易于收集、代謝產(chǎn)物豐富、能反映體內(nèi)所有生化途徑的不平衡,并且在腎功能正常的情況下,尿液被過濾、細(xì)胞污染程度低[75]。SAUDE 等[76]對(duì)135 名兒童的尿液應(yīng)用靶向NMR,篩選出23 種代謝物鑒別穩(wěn)定哮喘患兒與健康對(duì)照組兒童、28 種代謝物鑒別穩(wěn)定哮喘患兒與急性哮喘患兒,盡管該研究并沒有將飲食、采樣時(shí)間、藥物的使用情況等混雜因素進(jìn)行亞組分析,但也為后來兒童哮喘的代謝組學(xué)研究提供了參考和方向。一項(xiàng)基于兩個(gè)獨(dú)立的兒童哮喘前瞻性隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn),哮喘母親所生的健康新生兒在4 周齡時(shí),可以通過尿液樣本中的代謝譜將健康兒童與正在發(fā)展為哮喘的兒童區(qū)分開,并且兩個(gè)出生隊(duì)列有14 個(gè)重疊的區(qū)分特征[77]。其他研究也表明,生命最初幾年的尿液代謝組學(xué)譜可預(yù)測(cè)反復(fù)喘息和哮喘[78-79]。與兒童研究不同,成人哮喘尿液代謝組學(xué)更多關(guān)注哮喘與慢性阻塞性肺疾?。–OPD)的鑒別診斷,在ADAMKO 等[80]的研究中,16 種尿液代謝物能將病情惡化1~2 周后的哮喘及COPD 患者進(jìn)行分類,準(zhǔn)確率達(dá)94%,對(duì)非病情惡化的哮喘患者的陽(yáng)性預(yù)測(cè)值為90.9%,這項(xiàng)研究與SAUDE 等[76]的研究有3 個(gè)重疊的化合物,分別是二甲胺、葡萄糖和1-甲基煙酰胺,二甲胺與一氧化氮途徑有關(guān)[81],高血糖和1-甲基煙酰胺與哮喘惡化有關(guān)[82-83]。與哮喘生物標(biāo)志物的篩選相比,預(yù)測(cè)哮喘的發(fā)生、發(fā)展可能更具臨床意義[84]。
代謝組學(xué)為研究環(huán)境與宿主之間的相互作用提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì),因?yàn)榇x物代表對(duì)環(huán)境刺激以及上游遺傳和調(diào)控修飾(表觀遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄、翻譯后修飾)的響應(yīng),但是,代謝組學(xué)本身可能無法捕獲相互作用過程中環(huán)境因素特征的范圍或宿主反應(yīng)的范圍。首先,代謝物的水平受許多混雜因素的影響,例如性別[11]、年齡[12]、BMI[13]、飲食[14]、吸煙、藥物[15]、體力活動(dòng)、并發(fā)癥等;其次,代謝組學(xué)研究過程相關(guān)操作,例如樣品收集時(shí)間[85]、收集程序、前處理[86]、存儲(chǔ)[34]、凍融[87]、提取程序[88]、稀釋、分析方法等,也會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響,所以,規(guī)范的操作可以減少偏差,增加結(jié)果的可靠性;最后,在數(shù)據(jù)處理過程中,由于變量數(shù)常大于樣本數(shù)量,所以數(shù)據(jù)會(huì)過度擬合,從而導(dǎo)致錯(cuò)誤。為解決過度擬合的問題,就需要足夠的樣本量,使用內(nèi)部交叉驗(yàn)證或Bootstrapping 算法對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn),并在獨(dú)立的外部樣本中對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
遺傳、調(diào)控和環(huán)境刺激在生物系統(tǒng)中觸發(fā)了廣泛的輸入-輸出級(jí)聯(lián),疾病的發(fā)病機(jī)制需要在這種廣泛的生物學(xué)系統(tǒng)背景下進(jìn)行驗(yàn)證。代謝組學(xué)是整合來自各種組學(xué)研究(基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組和微生物組)的數(shù)據(jù),可能會(huì)為在復(fù)雜的生物系統(tǒng)背景下理解疾病的發(fā)展過程提供更大的機(jī)會(huì)[89]。盡管單個(gè)組學(xué)研究得到了大量可訪問的數(shù)據(jù),但是通過組學(xué)整合來識(shí)別新的生物機(jī)制尚未達(dá)到預(yù)期,原因是高度異構(gòu)數(shù)據(jù)整合困難,以及目前所謂的大數(shù)據(jù)集與使用無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法有效工作所需的數(shù)據(jù)集相比仍然很小,并且難以達(dá)到所需的精度[90]。為了在多組學(xué)數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)高信息含量,仍需要遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并以高度系統(tǒng)化的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
其次,通過基于人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)方法,從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)復(fù)雜的功能關(guān)系,而無需先驗(yàn)證假設(shè)。機(jī)器學(xué)習(xí)模型的原理是在一個(gè)生物數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練,然后使用檢測(cè)到的模式來預(yù)測(cè)另一個(gè)。機(jī)器學(xué)習(xí)在典型的生物學(xué)應(yīng)用中分為兩大類,即有監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)。在有監(jiān)督學(xué)習(xí)中,機(jī)器學(xué)習(xí)算法的目標(biāo)是從已知分組的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集推算得出疾病的類別,屬于分類算法,其功能是預(yù)測(cè);相反,在無監(jiān)督學(xué)習(xí)中,目標(biāo)是從“未標(biāo)記”的樣本推斷可能的集合,屬于聚類算法,其功能是降維,對(duì)樣本間差異較小的特征不敏感。
此外,哮喘是一種復(fù)雜而異質(zhì)的疾病,可分為不同的表型及內(nèi)型,相同表型的患者,對(duì)同一藥物的反應(yīng)不盡相同。精確的內(nèi)型是通過特定的生物標(biāo)志物將病理生物學(xué)機(jī)制和可見特性聯(lián)系起來,其有望將哮喘細(xì)分為不同亞型并為個(gè)性化治療方案開辟道路。多組學(xué)數(shù)據(jù)為超越臨床表型的內(nèi)分型提供了機(jī)會(huì),特別是與上述機(jī)器學(xué)習(xí)聚類算法結(jié)合使用時(shí)。將多組學(xué)數(shù)據(jù)與聚類算法結(jié)合使用,可以識(shí)別同質(zhì)的哮喘內(nèi)型,這些內(nèi)型可能對(duì)特定的、個(gè)性化的治療方案做出相似反應(yīng)。
隨著代謝組學(xué)技術(shù)的發(fā)展,不再將代謝物視為下游產(chǎn)物,代謝物除了是飲食、環(huán)境、遺傳、微生物共同作用的結(jié)果,其還能調(diào)控基因表達(dá)、RNA代謝和蛋白質(zhì)活性,在哮喘的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮作用。通過對(duì)血液、呼出氣、糞便、尿液等樣本的檢測(cè),代謝組學(xué)可提供生物標(biāo)志物的篩選、發(fā)病機(jī)制的闡釋、疾病的預(yù)測(cè)與分度、呼吸道炎癥的監(jiān)測(cè)。此外,隨著系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展,運(yùn)用多組學(xué)融合手段對(duì)疾病進(jìn)行更加全面地研究也逐漸成為趨勢(shì)。未來,將基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、微生物組學(xué)和生物信息學(xué)結(jié)合,有利于為兒童哮喘的研究提供可信度更高的數(shù)據(jù),并有望借此區(qū)分不同哮喘亞型,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療和個(gè)體化治療。
作者貢獻(xiàn):黃宇戈、羅連響進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計(jì),文章的可行性分析;吳銳劍進(jìn)行文獻(xiàn)的收集、整理,以及撰寫論文;黃宇戈進(jìn)行文章的質(zhì)量控制及最終文章的修改,對(duì)文章整體負(fù)責(zé),監(jiān)督管理。
本文無利益沖突。
本文文獻(xiàn)檢索策略:
檢索Pubmed 數(shù)據(jù)庫(kù),檢索時(shí)間為建庫(kù)至2020 年12 月。納入標(biāo)準(zhǔn):(1)以檢索式metabolomics AND asthma AND (child OR children)檢索相關(guān)文獻(xiàn);(2)盡量以近10 年文獻(xiàn)作為參考文獻(xiàn)。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)重復(fù)文獻(xiàn);(2)與“代謝組學(xué)”“兒童”無關(guān)文獻(xiàn);(3)存在研究設(shè)計(jì)缺陷,質(zhì)量差的文獻(xiàn)。