陸德生 杜彥丹

[摘要] 隨著代謝組學(xué)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于代謝組學(xué)研究的范圍愈發(fā)廣泛，同時(shí)關(guān)于病毒性疾病代謝組學(xué)相關(guān)研究愈發(fā)興起。一些學(xué)者應(yīng)用質(zhì)譜技術(shù)研究HIV、慢性肝炎和病毒性肺炎等病毒性疾病的代謝組學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)體產(chǎn)生一些特異性代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物對(duì)疾病的發(fā)生、發(fā)展起到預(yù)判和療效監(jiān)測(cè)作用，可為疾病研究提供新的思路。本文現(xiàn)就質(zhì)譜在HIV、慢性肝炎、人乳頭瘤病毒和病毒性肺炎代謝組學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

[關(guān)鍵詞] 代謝組學(xué);質(zhì)譜;病毒性疾病;代謝產(chǎn)物

[中圖分類號(hào)] R363? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? ? ? ? [文章編號(hào)] 1673-9701（2020）06-0189-04

[Abstract] With the development of metabolomics and related technologies， the scope of metabolomics research has become wider， and at the same time， related research on metabolomics of viral diseases has become more and more popular. Some scholars have applied mass spectrometry to study the metabolomics of viral diseases such as HIV， chronic hepatitis， and viral pneumonia， and found that the body produces some specific metabolites. These metabolites play a role in predicting the occurrence and development of the disease and monitoring the efficacy， providing new ideas for disease research. This paper reviews the applications of mass spectrometry in metabolomics studies of HIV， chronic hepatitis， human papilloma virus， and viral pneumonia.

[Key words] Metabolomics; Mass spectrometry; Viral diseases; Metabolites

代謝組學(xué)是20世紀(jì)90年代中期繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后，新發(fā)展的一門“組學(xué)”，其研究的對(duì)象是機(jī)體受到內(nèi)外刺激后所有小分子（<1000Da[1]）的變化。代謝組學(xué)利用各種高通量分析化學(xué)方法對(duì)內(nèi)源性小分子代謝產(chǎn)物的組成和變化進(jìn)行定量定性分析，根據(jù)代謝物的變化，發(fā)現(xiàn)特異性代謝產(chǎn)物，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物，預(yù)測(cè)作用機(jī)制，了解機(jī)體的整體狀態(tài)[2]。代謝組學(xué)與其它組學(xué)相比有其自身的特點(diǎn)：①種類相對(duì)較少，便于研究;②與其他組學(xué)比較，更易于檢測(cè);③無(wú)需建立龐大的數(shù)據(jù)庫(kù);④各生物代謝產(chǎn)物較為相似，具有良好的通用性。代謝組學(xué)在人類疾病和健康密切相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的實(shí)用價(jià)值，比如毒理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域[3]，在疾病研究中最主要的應(yīng)用是篩選與疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物[4]，為疾病的診斷提供新方法，為治療提供新的代謝途徑靶點(diǎn)。

目前代謝組學(xué)技術(shù)主要有質(zhì)譜（MS）及其聯(lián)用技術(shù)、核磁共振（NMR）等技術(shù)。聯(lián)用質(zhì)譜技術(shù)主要有氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）等。GC高分離能力和MS高準(zhǔn)確度結(jié)合使GC-MS對(duì)復(fù)雜化合物實(shí)現(xiàn)分離、鑒定和分析[5]。當(dāng)LC和MS協(xié)同工作時(shí)，可以進(jìn)行多級(jí)MS來(lái)推測(cè)化合物的結(jié)構(gòu)，從而使LC-MS更準(zhǔn)確地完成定性和定量分析[6]。質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)是測(cè)定和鑒定代謝物準(zhǔn)確質(zhì)量的有效手段，具有較高的靈敏度和特異性，而NMR則適用于代謝物的結(jié)構(gòu)鑒定[7-8]。代謝組學(xué)在疾病研究方面首先發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志代謝物，闡明其與疾病的關(guān)系，在代謝層面闡述疾病的發(fā)病機(jī)制。具有較高的靈敏度和特異性的質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)更加適合發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志代謝物。

病毒是一類個(gè)體微小、無(wú)完整細(xì)胞結(jié)構(gòu)、含單一核酸（DNA或RNA）型、必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生并復(fù)制的非細(xì)胞型微生物，它主要由核酸和蛋白質(zhì)外殼組成。目前病毒檢測(cè)主要的方法有PCR技術(shù)（實(shí)時(shí)熒光定量PCR-TaqMan探針?lè)?、RT-PCR等）、化學(xué)發(fā)光法、免疫組織化學(xué)方法、ELISA法等方法[9-13]，上述方法無(wú)法在代謝層面認(rèn)識(shí)病毒性疾病?；谫|(zhì)譜的代謝組學(xué)在病毒性疾病相關(guān)研究中的應(yīng)用，可以幫助人們認(rèn)識(shí)病毒性疾病在發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中代謝發(fā)生了何種變化，可以使人們對(duì)病毒性疾病有更全面地認(rèn)識(shí)。

1 基于質(zhì)譜的代謝組學(xué)在HIV研究中的應(yīng)用

艾滋?。ˋcquired immuno deficiency syndrome，AIDS）是一種危害性極大的傳染病。2017年聯(lián)合國(guó)艾滋病規(guī)劃署對(duì)疫情公布的數(shù)據(jù)顯示，已超過(guò)3670萬(wàn)人感染[14]。據(jù)中國(guó)疾病預(yù)防控制中心統(tǒng)計(jì)，截至2018年9月30日，HIV感染者及AIDS病人共849 602例，死亡262 442例[15]。艾滋病嚴(yán)重威脅我國(guó)乃至全球的公共衛(wèi)生安全。目前AIDS機(jī)制尚不完全清楚，需要對(duì)發(fā)病機(jī)制進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，以期針對(duì)發(fā)病機(jī)制進(jìn)行預(yù)防與治療。龍卉[16]應(yīng)用質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（LC-MS和GC-MS）研究HIV感染者口腔代謝物變化，證實(shí)HIV感染者口腔代謝物變化明顯，GC-MS檢測(cè)10種代謝差異物，包括：葡萄糖、檸檬酸、磷酸鹽等;LC-MS檢測(cè)發(fā)現(xiàn)9種代謝差異物，包括膽堿、L-瓜氨酸、黃嗓嶺等。證實(shí)可以用一組口腔生物標(biāo)記物反映患者體內(nèi)代謝變化的輪廓[16]。馬素娜等[17]通過(guò)液相色譜質(zhì)譜分析（LC-MS）比較HIV/AIDS肺脾氣虛證與氣陰兩虛證患者尿液的代謝組學(xué)的差別，發(fā)現(xiàn)m/z 為967、155、317、213 的代謝物位為兩組的差異代謝物，其對(duì)醫(yī)生判斷臨床中醫(yī)證型有幫助，更好地指導(dǎo)臨床用藥。Hollenbaugh JA等[18]應(yīng)用LC-MS/MS研究HIV-1和HIV-2感染后人體巨噬細(xì)胞代謝譜的變化，發(fā)現(xiàn)HIV-1和HIV-2感染后巨噬細(xì)胞代謝不同，為認(rèn)識(shí)HIV不同亞型提供幫助。Shane Hodgson等[19]利用LC-MS技術(shù)，研究HIV相關(guān)性慢性阻塞性肺疾病中血漿鞘磷脂的變化。質(zhì)譜技術(shù)在HIV代謝組學(xué)中的應(yīng)用幫助人們?cè)诖x層面認(rèn)識(shí)AIDS，為AIDS的預(yù)防和治療提供新的思路。

2 基于質(zhì)譜的代謝組學(xué)在病毒性肝炎研究中的應(yīng)用

病毒性肝炎作為一種常見(jiàn)的傳染病，全球HBV和HCV患者和攜帶者人數(shù)高達(dá)5.55億[20]，人們一直對(duì)其進(jìn)行研究，希望能有效的預(yù)防和治療。近年來(lái)隨著各種技術(shù)快速的發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)應(yīng)用于病毒性肝炎的研究，使人們對(duì)病毒性肝炎的認(rèn)識(shí)更透徹，為預(yù)防和治療病毒性肝炎提供新思路。代謝組學(xué)作為新興組學(xué)也同樣被應(yīng)用于病毒性肝炎的研究。Mary A Rodgers AS等[21]利用液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）鑒定HBV患者脂質(zhì)代謝產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)HBV患者細(xì)胞中膽固醇的直接脫氫前體7-脫氫膽固醇（7-DHC）過(guò)表達(dá)量為正常的18倍，表明病毒復(fù)制與7-DHC的選擇性積累有關(guān)。Zhang AH等[22]應(yīng)用超高效液相色譜/電噴霧電離四倍飛行時(shí)間質(zhì)譜（UPLC-Q-TOF-HDMS）檢測(cè)HBV患者尿中代謝產(chǎn)物的變化，共鑒定出11種差異代謝物，其中有4種代謝物可作為HBV的診斷有效標(biāo)志物，達(dá)到了令人滿意的準(zhǔn)確性、敏感性和特異性。Liu Zhicheng等[23]采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）研究與HCV相關(guān)肝癌復(fù)發(fā)相關(guān)的候選代謝生物標(biāo)志物，通過(guò)對(duì)射頻消融術(shù)（RFA）治療前后血清樣品進(jìn)行代謝組學(xué)分析，肝細(xì)胞癌合并HCV感染患者，RFA治療前后復(fù)發(fā)明顯增高。進(jìn)一步分析顯示，與未復(fù)發(fā)的患者相比，復(fù)發(fā)患者的各種脂肪酸普遍增加，這可能與HCV感染有關(guān)。通過(guò)研究這些差異的代謝產(chǎn)物，有望為病毒性肝炎的早期診斷提供新的檢測(cè)手段和為疾病的進(jìn)展提供新的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

3 基于質(zhì)譜的代謝組學(xué)在人乳頭瘤病毒研究中的應(yīng)用

人乳頭瘤病毒（HPV）是屬于乳頭瘤病毒科的無(wú)包膜DNA病毒，其二十面體衣殼由一個(gè)長(zhǎng)7900 bp的環(huán)狀雙鏈DNA組成[24]。目前已分離出200多種不同的HPV基因型，其中約40種可感染肛門-生殖器致病[25]。在世界范圍內(nèi)，人類乳頭瘤病毒16和18導(dǎo)致的浸潤(rùn)性宮頸鱗狀細(xì)胞癌（SCC）占全部浸潤(rùn)性宮頸鱗狀細(xì)胞癌分別為55%和15%[26]。此外，約85%的肛管腫瘤、50%的外陰和陰莖腫瘤以及70%的陰道腫瘤可歸因于HPV感染，另外10%至90%的口咽癌可歸因于HPV感染[27]。HPV感染嚴(yán)重威脅著人類的健康，早期發(fā)現(xiàn)、治療HPV感染，對(duì)預(yù)防癌癥有重要作用。代謝標(biāo)志物能夠敏感地反映機(jī)體的不同生理病理狀態(tài)，因此可通過(guò)分析HPV患者與健康人的代謝輪廓得到HPV特異性代謝產(chǎn)物，通過(guò)對(duì)特性產(chǎn)物的篩查，為HPV感染早期診斷提供依據(jù)。Walker H等[28]采用直噴電噴霧質(zhì)譜法進(jìn)行非靶向雙盲實(shí)驗(yàn)，對(duì)HPV持續(xù)感染組和無(wú)HPV感染組進(jìn)行代謝產(chǎn)物的比較，結(jié)果證實(shí)代謝物分析方法可用于快速鑒別宮頸癌風(fēng)險(xiǎn)增加的婦女。Godoy-Vitorino F等[29]采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）對(duì)HPV患者尿液進(jìn)行代謝組學(xué)分析，HPV陽(yáng)性患者的代謝物與HPV陰性患者明顯不同，鑒定了出三種尿代謝物5-氧脯氨酸、紅葉酸和N-乙酰丙酮酸，它們可以區(qū)分HPV陽(yáng)性病例和陰性對(duì)照，這些代謝物參與多種與能量和代謝相關(guān)的生化過(guò)程，可能是HPV高危宮頸感染的生物標(biāo)志物。Kim DH等[30]通過(guò)HIV蛋白酶抑制劑對(duì)表達(dá)宮頸癌細(xì)胞HPV16 E6影響的代謝組學(xué)研究證明，基于超高效液相色譜-質(zhì)譜（UPLC-MS）的代謝譜與適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計(jì)量分析相結(jié)合是研究細(xì)胞對(duì)抗病毒藥物反應(yīng)的一種有價(jià)值的方法。

4 基于質(zhì)譜的代謝組學(xué)在病毒性肺炎研究中的應(yīng)用

肺炎是世界上幼兒和老年人死亡的主要原因[31-33]。我國(guó)小兒病毒性肺炎占小兒急性下呼吸道感染的1/3，病毒性肺炎所占的比例還在增加，其中呼吸道合胞病毒（Respiratory syncytial virus，RSV）最多[34]。Du LN等[35]采用超高效液相色譜-二維線性離子阱質(zhì)譜聯(lián)用儀（UPLC-LTQ/Orbitrap-MS）檢測(cè)RSV實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組血漿和肺組織的代謝產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)血漿中11個(gè)生物標(biāo)志物存在差異，肺組織中16個(gè)生物標(biāo)志物存在差異，研究表明代謝組學(xué)是研究中醫(yī)藥治療RSV肺炎療效及相關(guān)生物標(biāo)志物的有價(jià)值工具。孟欣等[36]通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）的代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)BALB/c小鼠合胞病毒（RSV）肺部感染對(duì)大腸黏膜組織內(nèi)源性代謝物的影響，兩組比較，發(fā)現(xiàn)亮氨酸、異亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、花生四烯酸、乳酸等含量均顯著增高（P<0.05）。通過(guò)代謝組學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)病毒性肺炎的特異性代謝物，有望成為疾病早期診斷和療效的監(jiān)測(cè)的指標(biāo)。

5 小結(jié)

目前關(guān)于病毒性疾病代謝組學(xué)的研究處于萌芽狀態(tài)，在病毒性疾病研究中應(yīng)用較少，只是少數(shù)病毒性疾病應(yīng)用質(zhì)譜技術(shù)研究，對(duì)于發(fā)現(xiàn)差異代謝物進(jìn)一步研究更少，不能確定是否對(duì)病毒性疾病的發(fā)生、發(fā)展起決定性作用，暫時(shí)還不能成為其有效的診斷指標(biāo)，無(wú)法作為治療的“靶點(diǎn)”，但代謝組學(xué)作為基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)之后發(fā)展起來(lái)的新“組學(xué)”，正處于迅速發(fā)展的階段，隨著新的檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷完善，數(shù)據(jù)庫(kù)建立和完善，代謝組學(xué)的應(yīng)用范圍會(huì)越來(lái)越廣闊，代謝組學(xué)本身的特點(diǎn)決定其適合成為疾病早期診斷的方法，對(duì)病毒性疾病來(lái)說(shuō)早期診斷很重要，如病毒性肝炎、HPV感染等，未來(lái)代謝組學(xué)方法會(huì)更多應(yīng)用于病毒性疾病研究中，隨著病毒性疾病的代謝組學(xué)的研究深入，可以幫助我們對(duì)病毒性疾病有更全面地認(rèn)識(shí)，幫助我們認(rèn)識(shí)疾病的發(fā)病機(jī)制，特異性的代謝產(chǎn)物可能成為檢測(cè)的標(biāo)志物，找到新的檢測(cè)手段，成為治療的靶點(diǎn)，為病毒性疾病研究提供新的思路。雖然其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚，但目前代謝組學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大潛力，將成為人們認(rèn)識(shí)疾病的發(fā)病機(jī)制、疾病預(yù)防、檢測(cè)、治療疾病的有力工具。目前由于檢測(cè)技術(shù)平臺(tái)、分析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)建立等方面的限制，并不能檢測(cè)分析出一個(gè)生物系統(tǒng)的所有代謝產(chǎn)物，影響代謝組學(xué)的應(yīng)用。代謝組學(xué)需要進(jìn)一步的發(fā)展和完善，尤其在病毒性疾病方面的應(yīng)用更是任重而道遠(yuǎn)。

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（收稿日期：2019-11-27）