系統(tǒng)性紅斑狼瘡的代謝組學(xué)研究進(jìn)展

崔玙,程淼,郭峰

系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus,SLE)是一種發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,臨床治愈率低,影響全身多個(gè)器官和系統(tǒng)的自身免疫性疾病;臨床常表現(xiàn)為長(zhǎng)期低熱或反復(fù)高熱、面部蝶形紅斑、口腔潰瘍、腎臟病變及關(guān)節(jié)炎等[1]。在全球范圍內(nèi),SLE的發(fā)病率為每年0.3/100 000～23.2/100 000,我國(guó)發(fā)病率約為每年97.5～100/100 000,多見于年輕女性,男女患病比例約為1∶9[2]。目前,SLE發(fā)病原因尚未完全闡明,也缺乏敏感性和特異性較高的診斷標(biāo)志物[3]。代謝組學(xué)是運(yùn)用質(zhì)譜等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)生物系統(tǒng)代謝產(chǎn)物進(jìn)行定量或定性分析研究的學(xué)科,可研究機(jī)體的動(dòng)態(tài)功能及代謝標(biāo)志物,其研究過程主要包括樣品收集、代謝物測(cè)定、數(shù)據(jù)獲取及分析[4]。因代謝組學(xué)的研究標(biāo)本多為血清、糞便及尿液等,具有簡(jiǎn)單易得、所需成本低、代謝物豐富等優(yōu)點(diǎn),故近年來(lái)關(guān)于代謝組學(xué)的發(fā)展較為迅速。本文通過對(duì)近年來(lái)關(guān)于SLE代謝組學(xué)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述,以期對(duì)SLE的發(fā)病機(jī)制、臨床診斷及治療用藥提供新的思路。

1 代謝組學(xué)概述

代謝組學(xué)是通過組學(xué)檢測(cè)手段,以血液、尿液、糞便等為主要研究標(biāo)本,尋找特異性代謝物或代謝組的一種系統(tǒng)生物學(xué)方法[5]。氫譜、碳譜及磷譜在內(nèi)的核磁共振譜(NMR)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用等技術(shù)對(duì)生物體液中的內(nèi)源性代謝物進(jìn)行檢測(cè)分析是代謝組學(xué)的主要檢測(cè)分析手段[6]。代謝組學(xué)通過監(jiān)測(cè)所有影響因素,包括基因表達(dá),蛋白質(zhì)表達(dá)及環(huán)境因素的整體結(jié)果,提供了在特定細(xì)胞過程中產(chǎn)生的獨(dú)特化學(xué)指紋的“自上而下”的綜合視圖[7]。代謝組學(xué)方法分為非靶向代謝組學(xué)和靶向代謝組學(xué)。非靶向代謝組學(xué)方法多用于整體分析,無(wú)差別地對(duì)代謝標(biāo)志物進(jìn)行全方位檢測(cè),測(cè)定潛在的生物標(biāo)志物,涵蓋范圍廣,缺點(diǎn)是只能獲得待測(cè)樣本中代謝產(chǎn)物的相對(duì)含量,費(fèi)用較高。靶向代謝組學(xué)方法只檢測(cè)特定的代謝產(chǎn)物,所測(cè)代謝物受限制,且需要靈敏度較高的檢測(cè)手段,但對(duì)于代謝物標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行定量檢測(cè),有助于深入探尋疾病的具體發(fā)生機(jī)制[8]。

2 代謝組學(xué)在SLE中的應(yīng)用

2.1 代謝組學(xué)在SLE發(fā)病機(jī)制中的應(yīng)用 目前SLE發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明,認(rèn)為與多方面因素有關(guān),包括家族遺傳易感性、環(huán)境變化、免疫影響及雌激素水平等[9]。代謝組學(xué)通過多途徑參與SLE的發(fā)病機(jī)制,包括脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝及腸道微生物代謝。

脂質(zhì)代謝改變是SLE發(fā)生發(fā)展中的特點(diǎn)之一。Huang等[10]使用液相色譜-質(zhì)譜串聯(lián)(LC-MS/MS)分析發(fā)現(xiàn),SLE患者與健康人(HCs)的脂質(zhì)組學(xué)特征顯著不同,鞘脂代謝被確定為與SLE高活性相關(guān)的代謝途徑。鞘脂是細(xì)胞膜的重要組成部分,包括神經(jīng)酰胺、1-磷酸鞘胺醇(S1P)、鞘胺醇、鞘磷脂及糖鞘脂等多種分子[11]。在動(dòng)脈硬化發(fā)生初期,可發(fā)現(xiàn)鞘脂分子水平的變化,鞘脂分子在動(dòng)脈粥樣中發(fā)揮不可替代的作用[12]?；趧?dòng)脈粥樣硬化患者的脂質(zhì)代謝失衡,推測(cè)脂質(zhì)代謝異常引起的體內(nèi)高脂血癥環(huán)境可能與SLE的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[13]。氨基酸代謝異常也是SLE發(fā)病的重要機(jī)制,在SLE患者發(fā)病前期或中后期,氨基酸代謝異常,引起免疫功能紊亂的氨基酸水平有所上升。Iwasaki等[14]以SLE患者、RA患者及健康人群為研究對(duì)象,使用液相色譜-質(zhì)譜法和毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜法分析血漿樣品的代謝譜,結(jié)果表明血漿組氨酸水平與美國(guó)風(fēng)濕病協(xié)會(huì)(ACR)損傷指數(shù)SDI呈負(fù)相關(guān),高抗雙鏈DNA (dsDNA)抗體水平或合并狼瘡腎炎(LN)的SLE患者血漿組氨酸水平明顯低于抗dsDNA抗體低水平或未合并LN的SLE患者。組氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白溶質(zhì)載體基因家族15成員4 (SLC15A4) 是9個(gè)SLE易感基因之一[15],通過組氨酸在溶酶體中的濃度來(lái)調(diào)節(jié)TLR7-induced b細(xì)胞產(chǎn)生I型10 IFN[16],支持在SLE發(fā)病機(jī)制中維持其穩(wěn)態(tài)作用,組氨酸的低水平可能與SLE的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。與健康對(duì)照組相比,SLE患者腸道菌群紊亂,腸道生態(tài)失衡,致病菌(如羅伊氏乳桿菌)相對(duì)豐度水平升高,抗炎作用的菌群(如乳酸菌)有所減少[17]。與其他乳酸菌不同,羅伊氏乳桿菌可通過參與I型干擾素途徑而惡化自身免疫表現(xiàn)[18]。Mu等[19]在MRL-lpr小鼠糞便代謝組學(xué)研究中發(fā)現(xiàn),乳酸菌在MRL/lpr小鼠中明顯減少,通過增加乳酸菌可糾正腸漏,促進(jìn)IL-10分泌,改善腎功能并延長(zhǎng)小鼠存活時(shí)間。

2.2 代謝組學(xué)在SLE診斷中的應(yīng)用 目前用于SLE診斷和疾病監(jiān)測(cè)的常規(guī)血清學(xué)指標(biāo)的靈敏度和特異性有限,如抗核抗體、抗雙鏈DNA抗體及補(bǔ)體水平。腎臟活檢仍然是確定腎臟受累患者預(yù)后的金標(biāo)準(zhǔn),但腎活檢作為一種侵入性操作,具有一定的損傷風(fēng)險(xiǎn)。所以有必要尋找一種新型SLE診斷、分類及預(yù)后的生物標(biāo)志物。

2.2.1 脂質(zhì)代謝 脂質(zhì)代謝組學(xué)是SLE生物標(biāo)志物的重要研究領(lǐng)域。脂質(zhì)在SLE患者血清中被評(píng)為最顯著變化的代謝物類別[20]。Li等[21]通過高效液相色譜-質(zhì)譜串聯(lián)法研究[22]發(fā)現(xiàn),神經(jīng)酰胺和三甲胺N-氧化物 (TMAO) 在活動(dòng)性SLE患者的血清中明顯升高。神經(jīng)酰胺是基于鞘氨醇脂質(zhì)的第二信使之一,與氧化應(yīng)激有關(guān),而氧化應(yīng)激又參與凋亡信號(hào)傳導(dǎo)。血清神經(jīng)酰胺水平升高可能有助于細(xì)胞凋亡,從而加劇SLE進(jìn)展。脂質(zhì)代謝異常使SLE患者動(dòng)脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)增加,故SLE常合并高血脂疾病。三甲胺N-氧化物(TMAO)是三甲胺(TMA)氧化的產(chǎn)物,三甲胺是一種常見的代謝產(chǎn)物,來(lái)源于腸道菌群的膽堿代謝。循環(huán)TMAO水平與動(dòng)脈粥樣硬化密切相關(guān),可能通過增加巨噬細(xì)胞內(nèi)膽固醇積累而導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化[23]。神經(jīng)酰胺和TMAO可能作為SLE的治療靶標(biāo)。Zhang等[24]通過使用基于超高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜(UPLC-MS/MS)方法發(fā)現(xiàn)區(qū)分SLE與LN患者的28種特征性代謝產(chǎn)物,5種血清代謝產(chǎn)物診斷性能較高,為L(zhǎng)N的診斷提供了更多的參考,并為SLE進(jìn)展為L(zhǎng)N的病理生理學(xué)研究提供更多支持。Zhang等[25]對(duì)133名SLE患者和30名健康對(duì)照者進(jìn)行了LC-MS/MS代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)研究,13種差異代謝產(chǎn)物被鑒定為SLE的潛在生物標(biāo)志物,其中溶血磷脂酰乙醇胺(LPE)診斷SLE的AUC為0.903。有研究[26]表明,LPE可用于識(shí)別SLE患者,對(duì)SLE具有診斷價(jià)值。

2.2.2 氨基酸代謝 SLE患者與健康人群氨基酸代謝存在差別,可為SLE的早期診斷、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。Li等[27]研究發(fā)現(xiàn), SLE患者血清?；撬岷扛哂诮】祵?duì)照組。?；撬岷颗c疾病活性呈正相關(guān),?；撬岽龠M(jìn)I型IFN誘導(dǎo)基因表達(dá),激活淋巴細(xì)胞,并促進(jìn)自身抗體分泌,引發(fā)蛋白尿,導(dǎo)致嚴(yán)重的腎炎。主要機(jī)制是通過增強(qiáng)pDC介導(dǎo)的I型IFN產(chǎn)生,參與SLE發(fā)病。血清?；撬釋?duì)SLE的診斷和疾病活動(dòng)度評(píng)估具有一定價(jià)值。色氨酸是一種必需氨基酸,同源性狼瘡易發(fā)小鼠模型實(shí)驗(yàn)[28]表明,色氨酸代謝異常可激活自身免疫疾病。對(duì)同源性狼瘡易發(fā)小鼠補(bǔ)充色氨酸會(huì)改變腸道菌群,上調(diào)與腸上皮完整性有關(guān)的基因表達(dá)。這些結(jié)果表明,腸道微生物失調(diào)與自身免疫激活存在功能聯(lián)系。

2.2.3 尿液代謝 尿液標(biāo)本獲取具有取樣量少、實(shí)施方便、無(wú)創(chuàng)傷及經(jīng)濟(jì)有效的優(yōu)點(diǎn)。尿液代謝組學(xué)可方便有效的分析SLE患者內(nèi)源性代謝產(chǎn)物,判定機(jī)體在疾病發(fā)病時(shí)、活動(dòng)期或治療時(shí)的差異。尿液代謝物可作為臨床診斷、活動(dòng)度評(píng)估的生物標(biāo)志物[29]。Kalantari等[30]使用1H-核磁共振(1H-NMR)方法,比較LN患者、SLE患者與健康對(duì)照者(HCs)的尿液代謝差異。與SLE和HC受試者相比,LN患者的β丙氨酸尿排泄量顯著降低。推測(cè)與LN患者腎臟肌肽含量降低有關(guān)。肌肽由腎臟中合成,在維持正常腎功能中起著至關(guān)重要的作用,低水平的肌肽可使腎臟易受氧化應(yīng)激損害。Liu等[31]分析了15個(gè)不同年齡MRL/lpr小鼠樣本,13周時(shí)觀察到尿素和尿酸鹽增加。尿素水平升高與腎功能受損有關(guān),尿酸鹽可促進(jìn)炎癥途徑的激活和腎臟中自身抗體的沉積,導(dǎo)致腎小球?yàn)V過率降低[32]。近一半的SLE患者會(huì)發(fā)生腎損傷,包括腎小球和腎小管間質(zhì)病變[33]。高水平的尿酸和尿酸鹽有助于SLE患者腎功能評(píng)估。

2.2.4 腸道微生物代謝 新陳代謝和腸道微生物群變化已成為SLE診斷的關(guān)鍵特征。Yuan等[34]使用2DLC-MS、GC×GC-MS等四個(gè)分析平臺(tái)方法,比較閹割BWF1(雄激素耗盡)雄性、完整(雄激素補(bǔ)充)雄性、雌性小鼠的糞便代謝物發(fā)現(xiàn),與閹割耗盡的雄性小鼠相比,雌性小鼠死亡率增加,且2組存活率均顯著低于完整雄性小鼠。雄激素的這種保護(hù)作用可能與微生物群代謝物變化有關(guān)。雄激素會(huì)影響腸道菌群,并受腸道菌群的反向影響。與完整的雄性小鼠相比,雌性和閹割耗盡的雄性小鼠差異之一是組氨酸代謝。組氨酸是組胺的前體,組胺是一種效應(yīng)分子,可根據(jù)靶細(xì)胞和表達(dá)組胺受體的類型介導(dǎo)炎癥或調(diào)節(jié)反應(yīng),益生菌和內(nèi)源性細(xì)菌物種可產(chǎn)生組胺并影響腸道免疫反應(yīng)[35],組胺水平的測(cè)定對(duì)SLE的診斷有參考價(jià)值。Yan等[36]使用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MC)分析發(fā)現(xiàn), SLE患者與30名健康對(duì)照者(HCs)糞便代謝組存在顯著差異。ROC分析發(fā)現(xiàn),L-纈氨酸、嘧啶、芥酸酰胺、L-亮氨酸診斷SLE的曲線下面積(AUC)為0.886、0.833、0.829、0.803,L-纈氨酸、芥酸酰胺、2,4-二叔丁基苯酚聯(lián)合診斷的AUC為0.959。此外, L-色氨酸與SLEDAI-2K呈正相關(guān)(P=0.007)。

2.3 代謝組學(xué)在SLE治療中的應(yīng)用 在SLE治療方面,西醫(yī)主要采用免疫抑制劑及激素治療為主,長(zhǎng)期使用對(duì)肝腎功能損害較大;中醫(yī)藥對(duì)減緩SLE進(jìn)展及減輕癥狀方面頗有療效,主要通過臨床經(jīng)驗(yàn)用藥,未形成系統(tǒng)的證型分類及治療用藥。目前關(guān)于治療SLE的藥物代謝組學(xué)研究不斷增加。

Zhang等[24]使用LC-MS/MS代謝組學(xué)方法對(duì)SLE患者和健康患者進(jìn)行血清代謝物分析發(fā)現(xiàn),硫酸脫氫表雄酮(DHEA-S)為差異代謝物,硫酸脫氫表雄酮(DHEA-S)是脫氫表雄酮(DHEA)的分泌產(chǎn)物,DHEA在SLE患者中水平較低[37],短期內(nèi)補(bǔ)充DHEA對(duì)輕中度SLE有較好的治療作用[38],DHEA可能是治療SLE的新途徑。Saegusa等[39]使用氣相色譜/質(zhì)譜法(GC/MS)檢查SLE患者和健康受試者血清代謝組的差異發(fā)現(xiàn),25種代謝物水平存在差異,谷氨酸水平差異較大。MRL/lpr小鼠脾單核細(xì)胞和SLE患者外周血單個(gè)核細(xì)胞(PBMC)中谷氨酸水平明均升高,降低細(xì)胞內(nèi)谷氨酸水平,腎病理性病變得到改善[40],降低谷氨酸水平可能是一種新的SLE治療手段。

Wei等[41]用氣相色譜-質(zhì)譜法分析給藥后SLE模型小鼠(MRL/lpr)、醋酸潑尼松治療SLE小鼠、中藥處方治療SLE小鼠及對(duì)照小鼠的尿液樣本發(fā)現(xiàn),SLE模型小鼠組尿液代謝物與其他組均存在差異。代謝途徑異常主要體現(xiàn)在能量代謝和氨基酸代謝紊亂,能量代謝異?？僧a(chǎn)生大量促炎物質(zhì),加速SLE進(jìn)展;氨基酸代謝異?？蓪?dǎo)致機(jī)體生理功能和免疫功能的紊亂,加速SLE的進(jìn)展。這些結(jié)果可為進(jìn)一步探索中醫(yī)藥治療SLE的機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。Liu等[42]研究發(fā)現(xiàn),解毒止血滋陰方(JP)對(duì)治療SLE有良好的效果,服用JP 8周后,MRL/lpr小鼠尿蛋白顯著降低,腎小球周圍炎性細(xì)胞浸潤(rùn)、基底膜增厚和間質(zhì)纖維化減少。代謝組學(xué)聯(lián)合智能通路分析表明,狼瘡小鼠腎損傷過程可能與法尼醇X受體(FXR)通路異常有關(guān),FXR可能作為L(zhǎng)N和腎纖維化的有效治療靶點(diǎn),JP可介導(dǎo)腎臟FXR表達(dá)激活,從而為L(zhǎng)N的預(yù)防和治療發(fā)揮抗炎和抗纖維化作用。

3 小結(jié)

代謝組學(xué)可在代謝水平發(fā)現(xiàn)疾病標(biāo)志物,輔助疾病的早期診斷,為臨床治療提供方向。通過代謝組學(xué)探究SLE的發(fā)病機(jī)制,尋找有效診斷SLE的差異代謝物,開發(fā)治療SLE有效且副作用小的藥物是目前關(guān)于SLE代謝組學(xué)的研究方向。代謝組學(xué)目前在營(yíng)養(yǎng)食品健康、環(huán)境學(xué)、植物學(xué)等方面均有所應(yīng)用,但在SLE的研究較為薄弱,尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。雖然能找到SLE與健康人群的差異代謝物,但不能十分明確與SLE密切相關(guān)的代謝物,且關(guān)于差異代謝物的具體作用通路和機(jī)制尚不明確,呼吁更多的研究深入探索具體機(jī)理機(jī)制。