特發(fā)性肺纖維化代謝組學(xué)研究進(jìn)展

2022特發(fā)性肺纖維化代謝組學(xué)研究進(jìn)展（全文）摘要特發(fā)性肺纖維化（IPF是一種以肺間質(zhì)纖維化和肺功能進(jìn)行性喪失為特征的間質(zhì)性肺病，預(yù)后不良，病因不明。代謝組學(xué)是對(duì)生命系統(tǒng)中獨(dú)特生物分子的測(cè)量和關(guān)于代謝途徑的研究，為IPF發(fā)病機(jī)制的研究、生物標(biāo)志物的篩選及藥物作用靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)提供了新的研究工具。本文綜述了代謝組學(xué)技術(shù)在IPF發(fā)病機(jī)制、生物標(biāo)志物及治療靶點(diǎn)研究中的最新進(jìn)展。特發(fā)性肺纖維化（idiopathicpulmonaryfibrosisIPF）是一種慢性進(jìn)行性疾病，以纖維化、呼吸困難、肺功能惡化和生活質(zhì)量降低為特征［1］?；颊叽_診年齡通常在60歲以上［2］，預(yù)后不佳；生存期中位數(shù)為3?4年，5年生存率為20%?40%［3］。呼吸衰竭是最常見(jiàn)的死亡原因［4］。IPF是由肺泡上皮細(xì)胞重復(fù)損傷、肌成纖維細(xì)胞不可控增殖、細(xì)胞外基質(zhì)沉積等修復(fù)過(guò)程失調(diào)所致；然而，IPF的致病途徑尚未完全闡明［5,6。IPF的診斷可以基于病史和特殊的高分辨率CT表現(xiàn)，主要為雙肺基底部胸膜下蜂窩影伴牽拉性支氣管擴(kuò)張。當(dāng)高分辨率CT僅顯示部分特征與IPF—致時(shí)，國(guó)際指南推薦外科肺活檢［2,7。侵入性手術(shù)對(duì)于呼吸道受損的患者有一定風(fēng)險(xiǎn)，因此迫切需要侵入性較小的方法來(lái)促進(jìn)診斷、評(píng)估預(yù)后和監(jiān)測(cè)治療策略的有效性。IPF導(dǎo)致體內(nèi)病理生理過(guò)程變化，可引起代謝產(chǎn)物發(fā)生相應(yīng)改變。代謝組學(xué)是研究生物體系(細(xì)胞、組織或生物體)受刺激或擾動(dòng)后代謝組變化的科學(xué)，最常用技術(shù)是核磁共振和高分辨率質(zhì)譜［8,9。代謝組是指參與新陳代謝、維持生物體正常生長(zhǎng)功能和生長(zhǎng)發(fā)育的所有內(nèi)源小分子(<10)，如氨基酸、肽、碳水化合物、脂類、核酸［10］。公共人類代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)已建立，目前列出了420種代謝物［11］，部分內(nèi)源性小分子化合物的生化代謝網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)比較清楚。近年來(lái)，關(guān)于IPF代謝組學(xué)的研究報(bào)道逐漸增多。廣泛的生物樣本已用于肺部疾病代謝組學(xué)研究，包括尿液、血漿、血清、腦脊液、呼氣冷凝液、支氣管肺泡灌洗液、唾液、完整組織、細(xì)胞及其提取物［12］。這些為IPF發(fā)病機(jī)制的研究、生物標(biāo)志物的篩選及藥物作用靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)提供了新的研究工具，使臨床醫(yī)師將代謝組學(xué)作為IPF疾病診斷、預(yù)后評(píng)估、治療方案選擇的整體方法的一部分成為可能?，F(xiàn)就IPF代謝組學(xué)相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述。1與發(fā)病機(jī)制可能相關(guān)的代謝組1.1鞘磷脂鞘磷脂是質(zhì)膜的組成部分，并與細(xì)胞增殖途徑相聯(lián)系，可能與IPF的肺結(jié)構(gòu)重建有關(guān)。Zhao等［13］通過(guò)對(duì)8例IPF患者與8名健康受試者肺組織的質(zhì)譜檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，IPF患者肺中的代謝物二氫鞘氨醇、鞘氨醇、鞘磷脂水平降低，微陣列數(shù)據(jù)顯示IPF組SMPD1、SMPD4和DEGS1表達(dá)下調(diào)，表明神經(jīng)酰胺的產(chǎn)生受到破壞，ACER3和SPHK1基因表達(dá)下調(diào)，表明鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate,S1P)的產(chǎn)生受到干擾，提示IPF肺中鞘脂代謝降低。神經(jīng)酰胺/鞘氨醇和S1P構(gòu)成的代謝平衡參與細(xì)胞增殖與凋亡的調(diào)控［14］。S1P還與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子0(transforminggrowthfactor-0,TGF-0)信號(hào)有關(guān)［15,16］。鞘氨醇激酶1通過(guò)細(xì)胞內(nèi)S1P抑制結(jié)締組織生長(zhǎng)因子表達(dá)［17］,而細(xì)胞外S1P通過(guò)激活Rho信號(hào)級(jí)聯(lián)，交叉激活結(jié)締組織生長(zhǎng)因子，從而加劇纖維化過(guò)程［15］。由此可見(jiàn)，IPF肺組織中細(xì)胞增殖及結(jié)構(gòu)重塑與鞘磷脂代謝的改變有一定關(guān)系。1.2精氨酸與鳥(niǎo)氨酸代謝精氨酸代謝產(chǎn)物參與多種途徑，其中肌酸參與ATP的產(chǎn)生，而鳥(niǎo)氨酸可以轉(zhuǎn)化為腐胺和亞精胺，參與細(xì)胞增殖。鳥(niǎo)氨酸也可以轉(zhuǎn)化為脯氨酸和羥脯氨酸，用于纖維化的膠原形成。Kang等［18］通過(guò)氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測(cè)13例IPF患者和15名健康受試者的肺組織，發(fā)現(xiàn)IPF患者肺組織中膠原的關(guān)鍵成分脯氨酸水平較對(duì)照組增加，這歸因于通過(guò)鳥(niǎo)氨酸轉(zhuǎn)氨酶途徑產(chǎn)生的脯氨酸增加。相似地，Zhao等［13］的研究結(jié)果表明IPF患者肺組織中精氨酸代謝物肌酸、4-羥脯氨酸、腐胺和亞精胺水平升高。有實(shí)驗(yàn)顯示在人IPF肺組織和博來(lái)霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化模型中精氨酸酶表達(dá)增加［19,20］。精氨酸酶將精氨酸轉(zhuǎn)化為鳥(niǎo)氨酸，鳥(niǎo)氨酸是脯氨酸、羥脯氨酸、腐胺和亞精胺的前體，因此這些代謝物的增加可以用上調(diào)的精氨酸酶與鳥(niǎo)氨酸轉(zhuǎn)氨酶來(lái)解釋。羥脯氨酸是細(xì)胞外基質(zhì)中膠原的重要組成部分［21］，其升高是纖維化的標(biāo)志。大量研究表明，多胺與細(xì)胞增殖、分化密切相關(guān)［22,23］。由此可見(jiàn)，精氨酸代謝與鳥(niǎo)氨酸代謝的上調(diào)在IPF發(fā)生發(fā)展中有一定作用。1.3核苷代謝Kang等［18］的代謝研究表明，IPF患者肺組織中嘌吟代謝物肌苷和次黃嘌吟與正常肺組織相比增加。肌苷是腺苷的前體，細(xì)胞外腺苷水平與肺纖維化的進(jìn)展與加重密切相關(guān)［24］。Luo等［24］發(fā)現(xiàn)支氣管肺泡灌洗液中的腺苷水平隨著肺纖維化的進(jìn)展而逐漸升高，在進(jìn)展性纖維化模型中，提高腺苷水平會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的纖維化。且腺苷水平升高與IL-6和IL-17升高相關(guān)，而IL-6和IL-17是肺纖維化中重要的炎性細(xì)胞因子。研究表明，IPF患者肺部腺苷受體增加［25］。嘌吟能信號(hào)的調(diào)節(jié)可調(diào)控組織修復(fù)和纖維化過(guò)程中的基質(zhì)沉積［26］。因此，嘌吟代謝與IPF組織的瘢痕形成有密切關(guān)系。1.4脂肪酸價(jià)氧化及三羧酸循環(huán)細(xì)胞能量學(xué)對(duì)于維持肺細(xì)胞功能非常重要。主要營(yíng)養(yǎng)底物如糖、氨基酸和脂肪酸的分解代謝將乙酰輔酶A引入三羧酸循環(huán)，產(chǎn)生合成核苷酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)所需的代謝物，并產(chǎn)生能量。線粒體是細(xì)胞中重要的產(chǎn)生能量的結(jié)構(gòu)，已有研究在不同的IPF肺細(xì)胞（肺泡上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞）中發(fā)現(xiàn)了線粒體功能障礙和代謝重編，這些促進(jìn)了肺泡結(jié)構(gòu)的低彈性改變，并增加了肺部細(xì)胞對(duì)促纖維化反應(yīng)激活的敏感性［27］。Zhao等［13］發(fā)現(xiàn)IPF患者肺中長(zhǎng)鏈脂肪酸己酸、辛酸、肉豆蔻酸和棕櫚油酸水平顯著升高，中鏈?；鈮A己酰肉堿、辛酰肉堿、棕櫚酰肉堿和琥珀酰肉堿明顯減少。脂肪酸需肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體中發(fā)生阮氧化，游離脂肪酸積累及肉堿穿梭減少表明IPF肺組織中線粒體的脂肪酸價(jià)氧化減少。三羧酸循環(huán)接受阮氧化和糖酵解產(chǎn)生的乙酰輔酶A，并為電子傳輸鏈生成還原型黃素二核苷酸和煙酰胺腺嘌吟二核苷酸，是細(xì)胞能量產(chǎn)生的重要途徑。Zhao等［13］發(fā)現(xiàn)IPF肺組織中琥珀酰輔酶A合成酶及其代謝產(chǎn)物順式烏頭酸增加，而編碼異檸檬酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶和檸檬酸合成酶的基因顯著減少，趨勢(shì)是三羧酸循環(huán)酶和代謝物減少，潛在地表明IPF中三羧酸循環(huán)下調(diào)。三羧酸循環(huán)、線粒體價(jià)氧化的減少可能導(dǎo)致替代能源途徑上調(diào)，以支持細(xì)胞生長(zhǎng)和肺結(jié)構(gòu)重建。上調(diào)的肌酸代謝可能是其中之一。1.5糖代謝糖酵解重編在IPF發(fā)病機(jī)制中起一定作用。Xie等［28］的實(shí)驗(yàn)研究表明糖酵解增強(qiáng)是肌成纖維細(xì)胞分化過(guò)程中的早期和持續(xù)事件，抑制糖酵解酶PFKFB3的藥理或遺傳方法不僅減少了體外成纖維細(xì)胞的激活，而且顯著改善了小鼠肺纖維化的嚴(yán)重程度。而Zhao等［13］研究顯示IPF肺中晚期糖酵解代謝產(chǎn)物1，6-二磷酸果糖和磷酸烯醇式丙酮酸水平明顯低于正常，且糖酵解酶PFKFB3、PFK、PGAM1、PGAM4、G6PC3和SLC2A4RG基因表達(dá)下調(diào)，提示糖酵解率降低。但I(xiàn)PF組乳酸水平都高于對(duì)照組［13,28］。糖酵解高活性之后的乳酸發(fā)酵替代穩(wěn)態(tài)糖酵解之后的丙酮酸氧化，是肺癌代謝的標(biāo)志，被稱為Warburg效應(yīng)［29,30］。這種"有氧糖酵解"的確切機(jī)制尚不清楚，有人認(rèn)為細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生與這種糖酵解的變化有關(guān)［31］。IPF患者肺組織中乳酸水平升高，也提示IPF肺組織中的TGF-0激活機(jī)制可能是一種pH依賴性機(jī)制，促使IPF中肌成纖維細(xì)胞的分化［32］。2通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)尋找生物標(biāo)志物的研究進(jìn)展生物標(biāo)志物可用于疾病診斷、判斷疾病分期或者用來(lái)評(píng)價(jià)藥物在目標(biāo)人群中的安全性及有效性。發(fā)現(xiàn)疾病相關(guān)的診斷標(biāo)志物是疾病診斷的關(guān)鍵。脂組學(xué)作為代謝組學(xué)的一個(gè)分支，能夠監(jiān)測(cè)患者與正常者之間的脂質(zhì)變化，從中找到差異較大的脂質(zhì)化合物，作為疾病早期診斷的指標(biāo)。Yan等［33］采用超高效液相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測(cè)IPF患者血漿中的血脂變化，鑒定其生物標(biāo)志物，隨后采用相關(guān)分析、受試者工作特征曲線和正交偏最小二乘判別分析評(píng)價(jià)脂代謝產(chǎn)物的變化，總共檢測(cè)到62種獨(dú)特的脂質(zhì)，其中甘油磷脂24種，甘油酯30種，甾醇類3種，鞘脂4種，脂肪酸1種。所有測(cè)定的甘油磷脂和鞘磷脂在IPF對(duì)象中均呈下降趨勢(shì)。其中6個(gè)編碼分別為R7、R9、R13、R16、R17和R21）對(duì)IPF組與對(duì)照組的鑒別具有較高的敏感性，可能成為未來(lái)診斷IPF疾病的潛在生物標(biāo)志物，且性別和吸煙與這6個(gè)有希望的生物標(biāo)志物水平?jīng)]有相關(guān)性。實(shí)時(shí)呼吸分析以非侵入性、快速和無(wú)痛的方式洞察人體新陳代謝，為IPF的診斷提供了新思路oGaugg等［34］用二次電噴霧電離質(zhì)譜分析實(shí)時(shí)呼氣驗(yàn)證Kang等［18］在IPF患者肺組織中檢測(cè)到的氨基酸信號(hào)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)IPF患者呼吸中脯氨酸、4-羥脯氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸/異亮氨酸和大蒜氨酸水平顯著升高，而焦谷氨酸和苯丙氨酸水平無(wú)顯著性差異。大蒜素在膠原和彈性蛋白纖維的交聯(lián)中起著關(guān)鍵作用［35］。彈性蛋白含有豐富的脯氨酸、纈氨酸、丙氨酸、亮氨酸和異亮氨酸。焦谷氨酸和苯丙氨酸在膠原蛋白和彈性蛋白中含量較低。與其他生理參數(shù)的相關(guān)分析表明，IPF患者的氨基酸呼吸水平與通常用于IPF分期的肺功能參數(shù)（預(yù)計(jì)用力肺活量百分比和肺一氧化碳擴(kuò)散能力預(yù)測(cè)百分比）基本無(wú)關(guān)，可見(jiàn)Gaugg等［34］通過(guò)實(shí)時(shí)呼吸分析檢測(cè)到的氨基酸差異代謝物在預(yù)測(cè)IPF疾病的嚴(yán)重程度時(shí)有限，通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)尋找判斷IPF分期的生物標(biāo)志物有待進(jìn)一步研究。Rindlisbacher等［36］通過(guò)超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析IPF患者呼氣冷凝液，發(fā)現(xiàn)58個(gè)代謝特征可以區(qū)分IPF患者的呼氣冷凝液和健康對(duì)照者的呼氣冷凝液。其中分子式為C21H44N2O的代謝物在IPF患者中與健康對(duì)照組相比上調(diào)了2.5倍，并在第二組IPF患者和健康對(duì)照組中得到驗(yàn)證。C21H44N2O可能是診斷IPF的潛在生物標(biāo)志物，其結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步研究。Zhou等［37］通過(guò)UPLC-ESI-Q-TOFMS系統(tǒng)鑒定出IPF治療藥物尼達(dá)尼布在體內(nèi)外的19個(gè)代謝產(chǎn)物其中8種未被描述），ADMET預(yù)測(cè)表明尼達(dá)尼布是細(xì)胞色素P4503A4(CYP3A4)的底物，并且其大部分代謝物可能具有潛在的肝毒性和心臟毒性。此研究有助于了解尼達(dá)尼布相關(guān)不良反應(yīng)的機(jī)制，關(guān)于尼達(dá)尼布對(duì)IPF的治療反應(yīng)標(biāo)志物有待進(jìn)一步探尋。3通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)有效治療靶點(diǎn)的探尋Rindlisbacher等［38］通過(guò)超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用的方法檢測(cè)到，與健康對(duì)照組相比，IPF患者血清中溶血磷脂酰膽堿和3-羥基癸酰肉堿水平升高。肺損傷后，表面活性脂質(zhì)成分二棕櫚酰磷脂酰膽堿被磷脂酶A2降解為溶血磷脂酰膽堿［39］。溶血磷脂酰膽堿是溶血磷脂酸(lysophosphatidicacid，LPA)的前體，主要由自體趨化素轉(zhuǎn)化。LPA是一種生物活性甘油磷脂，通過(guò)上皮細(xì)胞凋亡、血管滲漏、成纖維細(xì)胞遷移和增殖誘導(dǎo)肺、腎和肝纖維化［40,41,42,43。先前的研究顯示IPF患者支氣管肺泡灌洗液和呼氣冷凝液中LPA水平升高［43,44］。LPA還通過(guò)LPA受體2誘導(dǎo)av06整合素介導(dǎo)的支氣管上皮細(xì)胞TGF-0活化［45］。GLPG1690是一種服型自體趨化素抑制劑，目前正在進(jìn)行IPF的III期臨床試驗(yàn)，涉及750例受試者，最短治療期為52周，若結(jié)果為陽(yáng)性可能最終意味著GLPG1690單獨(dú)或聯(lián)合使用將成為IPF患者急需的新治療選擇［46］。由于膠原蛋白含有高濃度的甘氨酸和脯氨酸，幾個(gè)小組已經(jīng)測(cè)試了抑制氨基酸生物合成是否在減少纖維化反應(yīng)方面可能有效。為了支持這一方法，Hamanaka等［47］發(fā)現(xiàn)，從頭開(kāi)始的絲氨酸和甘氨酸合成途徑在TGF-0誘導(dǎo)的膠原合成和博來(lái)霉素誘導(dǎo)的肺纖維化過(guò)程中是必須的，絲氨酸和甘氨酸合成途徑中的磷酸甘油酸脫氫酶可能是治療IPF的潛在靶點(diǎn)。磷酸甘油酸脫氫酶小分子抑制劑NCT-503可以顯著減輕博來(lái)霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化的嚴(yán)重程度［47］。到目前為止，還沒(méi)有確定抑制其他涉及氨基酸生物合成的酶是否同樣有效。4結(jié)語(yǔ)IPF是一種由多種原因?qū)е碌姆尾坷w維化疾病，預(yù)后差，病死率高。其發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明，且治療手段有限。代謝組學(xué)作為后基因組研究中發(fā)展最快的領(lǐng)域