陳陣，何善財，徐青青，許元騰

變應性鼻炎(allergic rhinitis,AR)是特應性個體接觸環(huán)境中變應原后，通過IgE介導的多種細胞因子及炎性介質(zhì)參與的鼻腔黏膜慢性非感染性炎癥。目前，AR發(fā)病機制的假說包括“衛(wèi)生假說”、“老朋友假說”等[1]。盡管經(jīng)過多年的研究，AR的確切病因仍未完全闡明。探索更好的AR診斷、治療及療效監(jiān)測的潛在生物標志物成為目前的研究熱點。研究者正不斷努力應用一種新技術——代謝組學，去尋找有效生物標記物，用于AR診斷、監(jiān)測和治療。

代謝組學是繼基因組學和蛋白質(zhì)組學之后一門新興技術，旨在研究給定樣本中大量代謝物的整體變化，然后進行深層數(shù)據(jù)挖掘和生物信息分析[2]。內(nèi)源性和外源性因素的微小變化可以在代謝產(chǎn)物的水平上反映出來。因此，代謝組學研究有將遺傳、環(huán)境和生理因素與特定的病理狀態(tài)聯(lián)系起來的巨大潛力。在過去的幾十年里，代謝組學已經(jīng)成為研究代謝過程、識別潛在生物標志物和解開各種疾病代謝通路的有力工具。生物樣品制備和儀器技術的進步，使得對多種代謝物的高通量分析成為可能，激發(fā)了人們對AR代謝組學研究的極大興趣。本文就AR代謝組學研究進展進行綜述，并分析代謝組學這一新技術運用于AR診斷、監(jiān)測及治療的可行性。

1 代謝組學研究中主要分析平臺

核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)譜和質(zhì)譜(mass spectrum,MS)是代謝組學使用的兩種主要分析平臺。核磁共振波譜具樣品制備簡單、分析時間短、信號穩(wěn)健和絕對量化等優(yōu)點[3]，然而其靈敏度低，無法測量低豐度的代謝物。盡管如此，最近的技術已經(jīng)最小化了這些缺點，并提高了NMR技術的靈敏度和分辨率[4]。相比之下，MS分析法具有靈敏度高，特異性強等優(yōu)點，被廣泛地應用于代謝組分的檢測。特別是色譜-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)，包括液相色譜-質(zhì)譜(liquid chromatography-mass spectrometer,LC-MS)和氣相色譜-質(zhì)譜(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)，是目前最流行的技術。但由于質(zhì)譜只能對經(jīng)過分離、離子化處理后的代謝組分進行定性和定量分析，有些代謝物在質(zhì)譜儀中不能被離子化，因此無法檢測出所有的代謝物。GC-MS主要用于分析揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性代謝物。LC-MS檢測物質(zhì)沒有偏向性，可以分析不穩(wěn)定、難揮發(fā)和分子量大的代謝物，二者提供了相互補充的代謝信息[5]。非靶向分析和靶向分析是代謝組學研究的兩種傳統(tǒng)策略[6]。非靶向代謝組學具有最好的代謝物覆蓋率，可以幫助我們發(fā)現(xiàn)新的目標分析物，但它對低豐度代謝物的重復性差，敏感性有限。靶向代謝組學因其高靈敏度和可靠的定量能力而被視為代謝物定量的金標準，但它涵蓋代謝信息是有限且均為已知的。更多代謝組學方法的實施流程見圖1。

圖 1 代謝組學實施流程圖Fig 1 Implementation flow chart of metabonomics

2 代謝組學研究在變應性鼻炎的應用

2.1 血液代謝組

AR患者代謝組學研究的生物學基質(zhì)主要集中在血液，這可能與血液具有微創(chuàng)性、易獲得無污染樣本的特點有關。多項研究應用非靶向代謝組學技術分析AR患者血清表明，AR患者血液中的代謝物含量有明顯改變，多種代謝通路發(fā)生紊亂。茍小軍等[7]基于GC-MS技術對AR患者血液中的代謝物進行研究，并篩選出了9個與AR發(fā)病機制密切相關的代謝物，可能與能量代謝、氨基酸代謝、脂肪酸代謝等代謝異常有關。Ma等[8]應用LC-MS代謝組學方法廣泛探索AR患者血清代謝物譜，發(fā)現(xiàn)10種與AR密切相關的血液代謝物，可能與卟啉與葉綠素代謝及嘌呤代謝有關。Zhou等[9]采用H1-NMR技術研究了37例花粉癥患者在癥狀激發(fā)前后血液代謝物譜，發(fā)現(xiàn)與緩解期相比，花粉癥患者在發(fā)作期有18種血液代謝物含量明顯下降，只有1種代謝物顯著升高，提示花粉癥發(fā)作過程與能量代謝、氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝來有關。有研究表明脂肪酸通過激活促炎性核因子-κB途徑加劇IL-6為主導的炎癥反應[10]。楊艷等[11]在此基礎上，應用靶向代謝組學技術研究AR患者血清游離脂肪酸譜，發(fā)現(xiàn)7個有顯著差異的脂肪酸，為發(fā)現(xiàn)精細化診斷AR的潛在生物標志物做出一定貢獻。梁薇等[12]開創(chuàng)性的將代謝組學技術應用于AR患者中醫(yī)癥型的研究，發(fā)現(xiàn)肺虛感寒證和腎陽虧虛證過敏性鼻炎患者血清的代謝共性和各自特征，在分子水平上解釋了中醫(yī)癥型之間的區(qū)別。青蒿花粉皮下免疫治療的療效目前還沒有可靠度的客觀評價指標，Shi等[13]采用LC-MS和GC-MS代謝組學技術，對患者治療前后血清樣品進行代謝組學分析，發(fā)現(xiàn)在皮下免疫治療1年后，治療有效患者的L-酪氨酸代謝水平升高，而治療無效患者的L-酪氨酸代謝水平降低，說明L-酪氨酸可能是AR患者皮下免疫治療療效評價的潛在生物標志物。

2.2 尿液代謝組

尿液樣本易得性和無創(chuàng)性的特點使其成為臨床分析生物標記物的理想來源。早在上個世紀60～70年代，已經(jīng)有研究注意到花粉熱患者尿中5羥色胺的代謝產(chǎn)物5-HIAA升高，表明根據(jù)尿液代謝物區(qū)分AR患者和非AR患者成為可能[14]。Adamko等[15]利用H1-NMR技術研究豚草過敏的AR患者激發(fā)前后尿液代謝物譜，成功區(qū)分出與AR嚴重程度關聯(lián)密切的11種尿液代謝物,證明通過尿液代謝物來客觀評價AR嚴重程度是一種可行的方法。

2.3 腸道菌群代謝組

腸道菌群代謝組可以提供有關宿主、飲食和腸道微生物之間相互作用的信息，為探索微生物群與宿主表型之間的聯(lián)系提供了一條有前途的途徑[16]。腸道菌群代謝組學已廣泛應用于各種疾病的生物標志物識別，如腸易激綜合征[17]和非酒精性脂肪肝[18]等。然而，這種方法用于過敏性疾病的研究還很少，特別是針對AR的研究。一項大型的前瞻性隊列研究表明嬰兒期腸道微生物群多樣性的降低與學齡期患過敏性疾病的風險增加有關[19]，為此有理由相信AR患者腸道菌群代謝物也存在改變，并對AR發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生影響。Chiu等[20]聯(lián)合NMR代謝組學及16S rRNA基因測序技術檢測兒童糞便，發(fā)現(xiàn)AR患兒的糞便Dorea菌、Dialister菌和組氨酸水平顯著降低，而其差異代謝物與差異菌群無明顯關聯(lián)，在一定程度上為AR腸道菌群多組學研究提供借鑒。腸道菌群代謝組在其他過敏性疾病上研究的相對較多，特別是哮喘[21]和食物過敏[22]。目前研究較一致認為過敏性疾病患者的糞便短鏈脂肪酸減少，而短鏈脂肪酸是能調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)功能，促進機體Th1/Th2免疫平衡的關鍵點之一。

3 變應性鼻炎動物模型代謝組學研究

動物模型可以嚴格把控實驗條件，增強實驗組間的可比性，使其在代謝組學研究中具有獨特優(yōu)勢。雖然已有多種動物模型實驗用于變應性鼻炎的研究，目前最廣泛應用的是卵清蛋白致敏的AR動物模型[23]。通過超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法檢測小鼠血清，王嬡等[24]經(jīng)過PLS-DA法建模發(fā)現(xiàn)，實驗組和對照組樣本可以達到基本分離，證明代謝組學對小鼠AR模型的診斷具有一定可行性，為AR的早期診斷提供新的參考。中醫(yī)鼻炎治療在一定程度上有很好效果，但其具體生物學機制仍未闡明。姜茗宸等基于代謝組學技術研究消風宣竅湯對變應性鼻炎小鼠血液[25]、尿液[26]和脾臟[27]代謝物譜的影響，發(fā)現(xiàn)消風宣竅湯可逆轉(zhuǎn)AR小鼠體內(nèi)多種組織的多種代謝途徑紊亂從而改善AR癥狀。Zhuang等[28]運用代謝組學技術研究炒制蒼耳子中藥提取液對小鼠變應性鼻炎模型血清代謝譜的影響，發(fā)現(xiàn)其主要通過甘油磷脂代謝和支鏈氨基酸代謝途徑起到治療作用，為一步揭示蒼耳子對變應性鼻炎小鼠模型的治療作用機制提供一個可行的策略。Chen等[29]應用LC-MS/MS研究黃芩苷可通過調(diào)節(jié)與花生四烯酸代謝、檸檬酸循環(huán)、組氨酸代謝、亞油酸代謝有關的代謝平衡來減輕或逆轉(zhuǎn)AR小鼠癥狀。Zhang等[30]基于代謝組學技術研究生物活性成分京尼平甙(Geniposide，GP)對代謝生物標志物和代謝途徑的分子機制，并證明了GP通過改善細胞生長和增殖、組織發(fā)育和自由基清除途徑對小鼠實驗性變應性鼻炎具有保護作用。Liang等[31]應用代謝組學聯(lián)合16SrRNA基因測序技術研究麻黃附子瀉心湯對卵清蛋白誘導的AR大鼠模型的治療作用，發(fā)現(xiàn)麻黃附子瀉心湯通過恢復AR大鼠腸道菌群的多樣性及增加糞便和血清SCFA的含量從而改善AR小鼠癥狀。未來基于動物模型的代謝物學研究將為AR診斷及藥物治療機制探索創(chuàng)造更多機會與可能。

4 過敏原及藥物成分代謝組學研究

代謝組學在AR方面的應用不僅僅局限于針對疾病或動物模型的研究，還涉及過敏原及治療藥物的分析研究。Gilles等[32]通過對花粉代謝組學分析，揭示腺苷是樹突狀細胞發(fā)起的輔助性T細胞反應中的主要調(diào)節(jié)因子， 也對Treg細胞的功能起到重要調(diào)節(jié)作用，這為由花粉引起的變應性鼻炎的免疫機制及診治提供了研究依據(jù)。An等[33]采用陰離子交換液相色譜方法，鑒定了一種新型的屋塵螨變應原，將有助于屋塵螨過敏的診斷和治療，特別是對屋塵螨主要變應原無反應的患者。

5 變應性鼻炎代謝組學優(yōu)缺點及未來展望

代謝組學通過展示多種生物流體和組織中代謝物變化的總體“指紋”，提供了無數(shù)潛在的生物標記物和治療靶點。依靠其高靈敏度和特異性，代謝組學今后勢必成為各類小分子代謝物研究的首選方法。然而，代謝組學仍處于初級階段，尤其是在AR方面。雖然代謝組學在過去的10年里取得了很大的進展，但是代謝產(chǎn)物的公共和商業(yè)數(shù)據(jù)庫仍然是有限且不完整的。目前的代謝發(fā)現(xiàn)只是AR病因?qū)W整體圖景的“冰山一角”。另一個重要的問題是個體的異質(zhì)性，受試者在基因型、病史、疾病進展、生活方式和飲食等方面的差異很可能影響其代謝，從而掩蓋疾病的直接影響。

優(yōu)化實驗方案的驗證性研究將成為今后的研究方向。研究中發(fā)現(xiàn)的潛在生物標志物和代謝途徑需要大規(guī)模人群進行驗證。如上所述，在進一步細分的AR亞型中可能識別到特定的靶點。同時使用互補分析平臺對多種生物流體(如呼出氣和鼻腔灌洗液等)和組織(如鼻黏膜等)進行聯(lián)合分析，可以深入揭示生物研究的整體情況。此外，越來越多的證據(jù)表明微生物群失調(diào)和微生物代謝水平的變化與AR的發(fā)病密切相關。在腸道中發(fā)現(xiàn)了一些參與過敏性疾病調(diào)節(jié)的代謝物，其濃度可由腸道菌群調(diào)節(jié)，進而影響免疫系統(tǒng)的功能。將代謝組學與其他技術(如基因組學、蛋白質(zhì)組學和轉(zhuǎn)錄組學)相結(jié)合，將有助于更好地理解宿主-微生物的相互作用，并為AR的診斷和治療提供新的思路。