代谢组学在支气管哮喘发病机制中的研究进展

代谢组学在支气管哮喘发病机制中的研究进展
余静
【期刊名称】《临床肺科杂志》
【年(卷),期】2016(021)005
【总页数】3页(P924-926)
【作者】余静
【作者单位】210000 江苏南京,南京中医药大学
【正文语种】中文
支气管哮喘(以下简称哮喘)是世界上最常见的一种慢性呼吸系统疾病之一。

以喘息、胸闷、气促为主要表现，以气道炎症和气道高反应性为主要特征。

虽然糖皮质激素是治疗持续性哮喘的强有力的抗炎剂，但部分患者可表现出一定程度的不敏感或耐药，这可能与哮喘患者的CYP3A酶对不同激素的代谢清除差异有关[1，2]。

且有报道统计到2025年估计有额外的1亿人患有哮喘[3]，给患者家庭和医疗行业带
来严重的负担，从而更加激励我们尽快找到治疗和控制哮喘的最佳方案。

基因变异和环境变化都可引发哮喘，有研究表明遗传易感性和环境暴露对哮喘的发展有显著的影响，且基因与环境的相互作用也可导致哮喘和过敏症的发生[4]。

其他“组学”技术已很好地运用于呼吸系统疾病[5]，而代谢组学是20世纪90年代逐渐发展起来的一门新兴学科，是继基因组学和蛋白质组学的生物系统学的又一组成部分，仍处于起步阶段，它主要研究某一时刻细胞内的代谢产物，可以通过观察不同阶段代谢物的变化指导临床治疗。

目前运用比较广泛的方法是液相色谱-质谱联用(liquid chromatography-mass
spectroscopy ,LC-MS)法、气相色谱-质谱联用(gas chromatography-
mass spectroscopy,GC-MS)法和核磁共振谱(nuclear magnetic resonance，NMR)法。

人们已成功将代谢组学运用到其他呼吸系统疾病如慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)中和囊性纤维化
(cystic fibrosis,CF)中，观察到其代谢物的变化[6-8]，为疾病的个体化治疗提供了方便。

一、核磁共振光谱
NMR是研究原子核对射频辐射的吸收，可以定性分析各种有机物和无机物的成分和结构，是代谢组学研究的主要技术方法之一，其优点是无创而又高通量，但其灵敏度较低，难以鉴定具体的化合物。

其中19F-NMR的干扰小，对环境的敏感度
较高，可以无创地检测不同的治疗化合物在体内的分布[9]，有助于判断治疗疗效。

而1H-NMR有很高的自然丰度和良好的共振，因此应用最为广泛。

NMR法的样
本预处理相对比较简单，我们可对获得的数据采用偏最小二乘分析法、正交投影进行多元统计分析及皮尔森相关系数分析。

二、质谱(MS)
质谱主要是研究离子的质荷比(质量-电荷比)，即将样品中的组分进行电离，成为
有不同荷质比的离子，最终得到质谱图，确定其质量，质谱有高特异性和灵敏度，因此也广泛运用。

而质谱分析的样品预处理则较复杂，色谱-质谱联用技术集高分
离度、高通量及高灵敏度和特异性于一体，从而成为代谢组学研究最主要的技术之一。

超高液相色谱(UPLC)分离技术的运用使得LC-MS联用技术更具优势。

成玉等人[10]采用超高液相色谱-四极杆飞行时间高分辨率质谱(UPLC-Q-TOF-MS)联用
技术考察并研究了血清前处理，该研究显示出该方法良好的重现性、精密度和稳定性，为大样本的代谢组学研究提供了依据。

一、支气管肺泡灌洗液代谢组学
支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid，BALF)是用固定容量的生理溶液冲洗肺，但其有创性使其在人类研究收到限制。

WE Ho[11]等人建立一个实验
性哮喘小鼠模型，并采用LC-MS和GC-MS来测定其BALF中的代谢产物。

该实
验分为原始组、卵清蛋白致敏组、哮喘模型组和经地塞米松治疗的哮喘组，其研究结果揭示了哮喘模型中乳酸、苹果酸、肌酐和胆碱的增加，及磷脂酰胆碱、甘油二酯、甘油三酯(胆固醇和胆酸的降低，且与炎性细胞的聚集显著相关，这表明实验
性哮喘小鼠BALF中代谢物的改变与炎症的产生有着密切的关系，从而提醒我们逆转这些代谢物的改变有利于炎症的消除。

而虽然地塞米松可以逆转部分糖类、脂质和固醇等代谢物的变化，但不能阻止乳酸和苹果酸的增加，反而可以引起其他代谢物的变化，如肌酐的进一步增加。

随后又有研究[12]通过LC-MS、GC-MS及多重细胞因子谱分析，对实验性屋尘螨(house dust mite,HDM)引起的过敏性哮喘BALF的代谢物改变和细胞因子改变
进行调查研究，其结果表明HDM气道暴露可以导致G-CSF, IL-12(p40), IL-4, IL-5,KC, IL-10, MCP-1, MIP-1α和MIP-1β的增加。

也可促进巨噬细胞、淋巴细胞数、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和炎性细胞因子的增加。

BALF能量代谢物，尤其苹果酸，甘露糖及其他许多BALF代谢物的变化可能参与了HDM诱导的气道炎症。

不同于地塞米松[1]，泼尼松龙表现出对HDM诱导的代谢变化相当弱的逆转作用，它可以对抗肺嗜酸性粒细胞增多发挥抗炎作用，但无法逆转HDM引起的代谢物
改变。

再次激励我们研究出针对逆转这些代谢物变化的药物来作为过敏性哮喘的一种替代治疗。

二、尿液代谢组学
尿液在任何年龄段都可获得，且是无创的，是分析疾病的一种方便而又有意义的生物流体。

Erik J. Saude等[13]研究表明人类尿液样品的NMR分析是临床医师治疗哮喘的一个有用的工具，可以区分哮喘儿童与健康儿童及正有急性加重的哮喘儿童。

刘莉等人[14]通过UPLC-Q-TOF-MS法初步确认了4-乙酰基胞苷、6-甲基腺苷以及一种未确定化合物(荷质比为365.14)是哮喘发作潜在的生物标志物。

一项多因
素分析研究表明哮喘患儿尿液中尿苷酸、甲基咪唑乙酸以及一个类似异亮氨酸Pro 片段结构物的减少[15]。

三、血清代谢组学
血液是处在不停的运动和代谢变化中，可以反映某一特定时刻机体内部的代谢情况，从而为研究疾病状态下机体的代谢变化提供了强有力的参考。

梁振宇等人[16]的研究显示了哮喘组较高水平的IL-6、IL-8，以及较低水平的可溶性糖化终末产物受体。

而血清及诱导痰中的血管内皮生长因子与哮喘的气流受限、严重程度相关，尤其是嗜酸粒细胞型哮喘[17]。

与健康受试者相比，哮喘患者血清表现出较高浓度的蛋氨酸，谷氨酰胺，组氨酸和较低水平的甲醇，甲酸，乙酸，胆碱，精氨酸，葡萄糖
o-磷酸胆碱，且血清代谢物浓度与哮喘严重程度也密切相关[18]。

为哮喘的早期诊断治疗及预防加重提供了依据。

而8-异前列腺素F2α水平与哮喘的严重程度有关，可以通过抗氧化应激改善哮喘症状[19]。

四、呼出气冷凝液代谢组学
呼出气冷凝液(Exhaled breath condensate,EBC)的收集是研究肺部疾病的一种无创的方法，在儿童也高度可行，已有研究[20]证实EBC的NMR谱可以鉴别哮喘
儿童和健康儿童，精确度为86%。

EBC优点是可以研究细胞内液中挥发性和非挥
发性化合物，且有研究[21]表明基于NMR的代谢组学是有效的不依赖于EBC冷
凝温度的，即不同温度下的模型，都可以正确区分哮喘患者和健康受试者。

吸烟哮喘患者的EBC pH值远远低于不吸烟者[22]，说明吸烟也是影响哮喘的一个重要因素。

Ibrahim.B等[23]利用NMR分析，成功区分了哮喘患者和健康受试者间的EBC代谢分布，该项研究包括82名成人哮喘患者和35名成人健康对照组，其中
五个识别光谱区可以区分哮喘患者和对照组，且具有良好的重现性。

该研究也识别
了不同的哮喘表型，即嗜酸性粒细胞增多型、中性粒细胞增多型、哮喘控制型和使用吸入性糖皮质激素治疗的哮喘型。

中医药源远流长，以辩证论治和整体观念为其特点，在治疗疾病方面体现了同病异治和异病同治的特性。

李威[24]等人利用NMR代谢组学技术发现，不同证型的哮喘患者血浆代谢组学存在差异，如肾虚痰瘀型患者血浆中丙酮酸、甘氨酸升高，而非肾虚痰瘀型则表现在异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、乳酸、丙氨酸、糖蛋白、丙酮、酪氨酸及1-甲基组胺酸的升高，从而为中医辨证论治提供了参考依据。

陈馨馨[25]等人研究表明过敏性哮喘家兔模型组的支气管肺泡灌洗液中的甘氨酸、天冬氨酸、十四酸及半乳糖显著升高，表明其参与过敏性哮喘的发病过程，而经仙味保金方治疗可以使其含量渐趋正常，说明这些代谢物受到中药药理作用的影响。

随着哮喘发病率的增加以及对哮喘认识的提升，我们意识到哮喘是一种发病机制比较复杂的疾病，给家庭和社会带来严重的负担，虽然糖皮质激素是目前治疗哮喘的主要方法，但仍有部分患者对此收益较少，因此早期预防、明确诊断及有效治疗哮喘是临床医生迫切需要关注的问题。

代谢组学的合理运用，使得我们可以尽早观察到哮喘患者代谢水平的变化，以及相关炎症细胞的浸润，从而对指导个体化治疗有着重大的意义。