代谢组学在变态反应(过敏)性疾病领域的应用

凯丽比努尔·阿卜力克木，胡凤侠，王倩，梁俊琴

作者单位：830002 乌鲁木齐，新疆维吾尔自治区人民医院皮肤性病科，新疆皮肤病临床医学研究中心，新疆皮肤病研究重点实验室(XJYS1707)

变态反应(过敏)性疾病是指机体接触过敏原后，引起生理功能障碍和(或)组织细胞损伤而导致的病理免疫反应。常见的有特应性皮炎、湿疹、慢性特发性荨麻疹、支气管哮喘、变应性鼻炎、过敏性结膜炎和食物过敏等。近年来，其发病率不断上升，严重威胁人类健康[1]。过敏性疾病的发病机制至今尚不明确，涉及免疫、环境及基因等多种因素。除部分疾病可查出致敏原外，仍有大部分查不到病因，导致疾病反复发作。因此明确其发病机制及治疗靶点是目前要解决的关键问题。代谢组学是对生物体小分子量(相对分子质量<1 000)的代谢产物，如氨基酸、脂质、糖、有机酸等进行定性和定量分析，反映生物体整体代谢水平及生理病理状态的技术手段[2]。根据是否对代谢物具有针对性分为靶向和非靶向代谢组学，根据所研究内源性代谢物质的分布可分为：细胞、呼吸、尿液、血液和组织代谢组学等。目前，代谢组学的主要分析技术包括：核磁共振谱(nuclear magnetic resonance，NMR)、质谱(mass spectrum，MS)、液相色谱(liquid chromatograph，LC)和气相色谱(gas chromatography，GC)分析法及它们之间的联用系统，包括液相色谱-质谱(liquid chromatography-mass spectrometer，LC-MS)和气相色谱-质谱(gas chro-matography-mass spectrometer，GC-MS)分析法[3]。随着代谢组学技术的不断进步与优化，它在疾病的发病机制研究、早期诊断和鉴别诊断、药效机制探讨及生物标志物的发现等领域应用广泛。代谢组学在过敏性疾病领域尽管还处于初期探索阶段，但其在特应性皮炎、支气管哮喘及变应性鼻炎等疾病的研究和应用取得了重要进展。本文综述代谢组学技术在常见过敏性疾病的应用研究进展。

1 代谢组学在皮肤变态反应(过敏)性相关疾病的应用

1.1 特应性皮炎

特应性皮炎(atopic dermatitis，AD)是皮肤科最常见的过敏性疾病，具有剧烈瘙痒且反复发作的特点，其复杂的发病机制和治疗方案依旧是目前的研究热点。通过代谢组学技术寻找其可能存在的异常代谢物及代谢通路，为发现其发病机制及新的治疗靶点提供了可能。Dimitris等[4]通过GC-MS技术对AD患者血清脂肪酸进行分析，发现月桂酸、肉豆蔻酸和硬脂酸等是AD早期诊断潜在的生物标志物。Chiu等[5]对AD患儿及健康对照组血浆代谢物进行NMR分析并对丝聚蛋白(FLG)基因进行了测序，发现AD组氮和氨基酸代谢以及与微生物相关的甲烷和丙酸代谢明显异常，并与特定的FLG突变相关，部分代谢物水平与总IgE血清水平呈正相关，由此推断宿主遗传学相关的多种微生物群落结构有助于调节AD对过敏反应的易感性。段函等[6]进一步分析AD患儿血浆氨基酸代谢变化，筛选出涉及精氨酸和脯氨酸代谢，乙醛酸和二羧酸代谢，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路的7种代谢差异物，同时发现组氨酸代谢通路在外源型与内源型AD组之间呈现出显著的代谢差异，内源型AD组的组氨酸水平较外源型低，并均低于对照组，该发现进一步为通过补充组氨酸治疗FLG缺陷AD患者提供了理论依据。Ilves等[2]对AD患者病变及非病变皮肤与正常对照组皮肤进行穿刺活检进行靶向代谢组学分析，发现包括氨基酸、生物胺、酰基肉碱、鞘磷脂或磷脂酰胆碱等在内的77种代谢产物在各组之间存在显著差异。Emi等[7]通过NMR技术发现AD患者汗液中葡萄糖浓度显著升高，且与疾病严重程度呈正相关。Ji等[8]对AD患儿使用地奈德和吡美莫司乳膏后尿液代谢物的变化进行代谢组学研究，发现地奈德治疗组患儿尿液中与癌症相关的代谢产物较吡美莫司组发生了显著改变，说明婴幼儿使用吡美莫司相较于地奈德更具有安全性。Chen等[9]通过非靶向代谢组学技术研究发现黄连解毒汤治疗AD的分子机制，发现治疗组和对照组之间存在涉及组氨酸、精氨酸生物合成及嘧啶代谢等通路的40种代谢差异物。以上研究均通过代谢组学技术对AD发病机理及治疗方案进行了代谢标志物初步探索，代谢物水平的变化不仅表明遗传易感性在AD发病机制中起重要作用，同时表明炎症、屏障功能受损以及对特应性皮肤氧化应激的易感性。更多的代谢组学研究将有助于我们识别AD内在型别，有利于促进个性化防治。

1.2 慢性自发性荨麻疹

慢性自发性荨麻疹(chronic spontaneous urticaria，CSU)是指无法明确病因的慢性荨麻疹，表现为每天或间歇出现荨麻疹超过6周，发病机制涉及多个因素，包括免疫、环境、肠道菌群等[10]。Detong等[11]应用LC-MS技术评估CSU患者肠道微生物群和血清代谢物之间的关系，发现CSU组存在谷氨酸和琥珀酸、二十二碳六烯酸和花生四烯酸、蔗糖和嘌呤等差异代谢物，及丁酸代谢异常通路，由此推测宿主肠道菌群失调导致丁酸水平降低可能在CSU的发病机制中起重要作用。另一项最新研究通过对CSU患者和健康对照组粪便标本进行非靶向代谢组学分析，发现CSU组α-MG和甘草酸表达上调，3-吲哚丙酸(IPA)、黄嘌呤和异丁烯酸表达下调[12]。以上两组研究均证实了CSU与健康人群的肠道菌群组成及功能不同，这为研究CSU的发病机制提供了新的思路，也为进一步研究过敏性疾病肠道菌群与代谢产物和免疫之间的分子相互作用建立了一个重要的知识框架。

2 代谢组学在下呼吸道变态反应(过敏)性相关疾病的应用

支气管哮喘(bronchial asthma)是具有多种不同复杂内型的异质性慢性炎症性疾病，表现为反复发作的咳嗽和喘息，发病机制尚不明确，可能与饮食、环境和遗传等因素相关。代谢组学技术有助于哮喘的预测、诊断及发现潜在的生物标志物。研究人员基于对哮喘患者血浆代谢产物分析确定了哮喘的代谢组学内型，包括胆汁酸合成增加以及氨基酸、类固醇、嘌呤、鞘脂、甲烷等代谢异常和肠道微生物群失衡[13]，其中精氨酸、赖氨酸和蛋氨酸途径相关的代谢物与患儿易发作相关[14]。Chiu等[15]提出血浆丙酮酸、尿缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸代谢以及粪便丁酸盐的减少与儿童哮喘的过敏致敏显著相关。有学者对哮喘患者痰液进行代谢组学分析，发现组氨酸、甘油磷脂、烟酸和烟酰胺、亚油酸代谢以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成参与了不同哮喘表型的发病机制[16]。Chang等[3]发现哮喘患者呼出气冷凝液代谢物中乳酸、甲酸、丁酸和异丁酸存在代谢异常。最新研究则发现哮喘患儿花生四烯酸代谢的类二十烷酸水平，特别是12(S)-羟基二十碳四烯酸(HETEs)和15(S)-HETEs显著高于健康个体，接受皮下特异性免疫治疗(subcutaneous specific immunotherapy，SCIT)的患者血清类花生酸谱代谢物在治疗的第一年增加，然后开始下降，三年后显著低于基线水平[17]，由此提出12(S)-和15(S)-HETEs是哮喘儿童发病机制及随访的潜在生物标志物。Park等[18]发现激素抵抗患儿存在谷胱甘肽代谢、酪氨酸代谢和芳香族化合物降解途径的异常代谢，其中谷胱甘肽能通过谷胱甘肽过氧化物酶清除自由基，与气道反应性以及炎症调节有关，由此提出谷胱甘肽和γ 谷氨酰半胱氨酸可能成为重要的药物靶点。另一项基于质谱技术研究的的成人哮喘患者尿液代谢组学大规模研究结果显示不同疾病严重程度的哮喘患者治疗前后尿液代谢物差异明显，且大部分代谢物对常见的治疗方式较为敏感，其中肉碱是与哮喘严重程度最为密切相关的代谢物，是唯一不受治疗影响的代谢物，由此提出肉碱代谢的改变是一个独立于口服类固醇治疗的潜在的治疗靶点[19]。以上研究结果表明，对支气管哮喘患者外周血液、呼气冷凝液、尿液及粪便等进行代谢组学分析，寻找与其发病机制相关的代谢标志物，有助于进一步为支气管哮喘患者诊断、鉴别诊断、分型及监测治疗方案的有效性提供理论依据。

3 代谢组学在上呼吸道变态反应(过敏)性相关疾病的应用

3.1 过敏性(变应性)鼻炎

过敏性(变应性)鼻炎(allergic rhinitis，AR)是指个体接触过敏原后，通过IgE介导的多种细胞因子及炎性介质参与的鼻黏膜非感染性慢性炎症性疾病，表现为反复打喷嚏、鼻痒、鼻塞、流清涕等。研究人员使用代谢组学技术对AR患者血液代谢产物研究筛选出涉及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢，半胱氨酸、甲硫氨酸代谢和色氨酸代谢通路的9种差异代谢物[20]，及7种血清脂肪酸差异代谢物[21]，Xie等[22]对轻度、中重度AR患者与对照组进行血清代谢物分析比较，进一步证实大部分异常代谢产物与甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、嘧啶代谢、鞘脂代谢、精氨酸和脯氨酸代谢以及脂肪酸代谢有关，以此为基础研究AR患者症状激发前后血液代谢物谱，发现与缓解期相比，在发作期有18种血液代谢物含量明显下降[23]。Chiu等[24]采用NMR技术检测发现AR患儿粪便组氨酸和丁酸代谢物水平显著降低，其中丁酸含量降低与特异性免疫球蛋白水平升高有关。Adamko等[25]利用H1-NMR技术研究AR患者症状激发前后尿液代谢物谱，筛选出与AR严重程度关联密切的11种尿液代谢物。以上研究表明AR的发生机制及发作过程均可能与氨基酸代谢、脂质代谢及能量代谢等代谢异常有关，为更好地了解AR潜在的发病机制，客观评价AR严重程度，发现精细化诊断AR 的潜在生物标志物做出一定贡献。也有学者将代谢组学技术用于AR的疗效评价，Shi等[26]及Yu等[27]对舌下免疫治疗(sublingual immunotherapy，SLIT)的AR患者治疗前后血清进行分析，鉴定出涉及4条代谢途径，即牛磺酸和亚牛磺酸代谢、戊糖和葡萄糖醛酸相互转化、戊糖磷酸途径以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢的129种差异代谢物，并发现在治疗1年后，治疗有效患者的L-酪氨酸代谢水平升高，反之降低，说明L-酪氨酸可能是AR患者SLIT治疗疗效评价的潜在生物标志物。Zheng等[28]通过代谢组学技术评估单一屋尘螨SCIT(SM-SCIT)与双螨变应原SCIT(DM-SCIT)疗法的疗效，发现在SM-SCIT或DM-SCIT治疗约一年后，ω-6相关的花生四烯酸和亚油酸途径显示出显著差异，表明花生四烯酸及其下游代谢物是有助于区分SCIT疗法的选择的潜在的生物标志物。

3.2 慢性鼻-鼻窦炎伴鼻息肉

慢性鼻-鼻窦炎伴鼻息肉(chronic rhinosinusitis with nasal polyps，CRSwNP)是指以长期鼻塞，呼吸和睡眠困难，嗅觉丧失等为主要症状的鼻腔鼻窦粘膜炎性疾病，主要病理特征为Th2型炎症介导的鼻黏膜上皮屏障破坏和广泛的嗜酸性粒细胞(eosinophils，EOS)浸润，根据组织中EOS浸润程度可分为EOS浸润为主型鼻息肉(Eos NP)和非EOS浸润为主型鼻息肉(non-Eos NP)。其治疗以糖皮质激素结合鼻内镜手术为主要形式，但仍有相当部分患者疗效不佳。最新研究表明生物标志物(如特定细胞群、蛋白质、非编码RNA、mRNA、细胞因子等)有助于区分其不同的表型和内在型，为靶向治疗提供有价值的诊断信息[29]。目前关于CRSwNP代谢组学研究较少，有研究者对Eos NP、non-Eos NP和对照组患者鼻腔粘膜组织进行非靶向代谢组学分析，发现三组代谢表达模式不同，其中亚油酸是最重要的差异代谢物，该差异可能和息肉来源的EOS相关，为进一步理解CRSwNP的发病机制及预后效果评价提供了重要参考[30]。

4 代谢组学在眼部变态反应(过敏)性相关疾病的应用

过敏性结膜炎(allergic conjunctiviti，AC)是结膜对外界变应原产生超敏反应的常见过敏性疾病之一。其经典发病机制包括IgE介导的Ⅰ型超敏反应及T淋巴细胞介导的IV型超敏反应，此外，多种细胞因子、过敏原介导的神经调节机制、菌群失调机制、脂质介质作用可能也与其发病相关。目前关于AC的代谢组学分析以动物模型为主，Toshiaki等[31]用LC-MS分析法从AC小鼠结膜组织样本中剖析出许多脂质分子，其中ω-3脂肪酸(FAs)减少了结膜中的炎症脂质介质，并缓解了小鼠症状。另一项研究则通过高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)发现喂食ω-3脂肪酸的小鼠较ω-6组相比，游离花生四烯酸水平降低了50%，表明膳食ω-3脂肪酸通过抑制来自花生四烯酸的各种促炎脂质介质的产生缓解AC症状[32]，由此推断，用膳食ω-3脂肪酸改变脂质介质谱可能是预防和治疗AC的一种安全实用的方法。

5 代谢组学在消化系统变态反应(过敏)性相关疾病的应用

食物过敏(food allergy，FA)食物过敏是由于某种食物或食品添加剂等引起的IgE或非IgE介导的导致消化系统内或全身性变态反应。目前其诊断主要依据患者临床病史及血清食物特异性IgE水平，但传统诊断方法的局限性往往导致诊断延误或过度诊断，因此通过代谢组学技术发现更好的诊断或预后生物标志物将有利于精确诊断及治疗FA。有学者对IgE介导的FA相关人类和动物代谢组学研究进行系统综述后编制了一个包含277个潜在生物标志物的数据集，发现IgE-FA儿童血浆色氨酸及其代谢产物水平改变，粪便短链脂肪酸水平降低，及组氨酸、嘌呤、嘧啶和脂质代谢通路的改变[33]。另一项研究则通过LC-MS技术鉴定FA患儿脂类代谢产物，发现鞘磷脂和酰肉碱有明显的改变[34]。以上研究为寻找并改进FA的诊断和预后生物标志物提供了重要依据，有助于深入了解FA潜在发病机制。

综上，变态反应性疾病临床表现各不相同，发病机制涉及免疫、环境、基因等多种因素，其异质性增加了诊断和个性化治疗的挑战。代谢组学技术将生物体的遗传、环境、饮食和肠道微生物之间的相互作用直观的表述出来，从而为进一步了解机体生理病理状态下新陈代谢变化提供了便利。通过分析代谢物分泌情况的差异表达进而寻找可能的特异性生物标志物是具有科学依据且具有发展前景的便捷可行的新手段。目前针对过敏性疾病的代谢组学研究还需进一步深入，部分过敏性疾病无相关代谢组学研究，相信随着相关研究的进一步深入，对过敏性疾病的了解将会更加全面，为研究过敏性疾病的发病机制、预防和治疗提供新思路和新方法，并推动生物标志物发现和个性化医疗的发展，以更好地管理和控制变态反应性疾病。