基于代谢组学技术的病毒传染性疾病研究

仪器信息网讯 代谢组学是继基因组学、转录组学及蛋白质组学之后发展起来的一门新兴组学，是整合包括色谱联用质谱和核磁共振等现代分析技术、生物化学以及生物信息学等学科的一门交叉学科技术，用于研究生命活动链条下游的代谢物内稳态情况。 

代谢组学概念及常用技术

代谢组学是系统地对代谢物及其水平变化进行快速识别分析，其中代谢物是基因表达的最终产物，且代谢物的水平是由代谢途径中所有酶的活性及作用于这些酶的效应物所决定的，因此代谢组学所涉及的代谢物变化与机体的生理、病理、发育状态直接相关。

代谢组学研究方法

代谢组学主要的两种分析技术，其一是核磁共振，另一种是质谱技术。与质谱技术相比，核磁共振确实具有一些明显的特色，如分析样品只需要简单甚至无需前处理、成本低、快速、重复性好等，但在灵敏度和代谢物识别的覆盖范围上不如质谱，因此限制了其应用，目前研究使用最多的代谢组学技术依然是质谱技术。

质谱分析技术为代谢物提供了高专一性的、与化学结构直接相关的分子质量或特征碎片离子等质谱信息，这些信息可通过与数据库中的标准图谱进行化学结构匹配来确定代谢物，或用于位置代谢物结构的推导。质谱技术与色谱分离技术的联用可实现复杂样品的代谢组学分析，从本质上提高了以质谱技术为基础的代谢组学的研究能力和范围。

此外，代谢组学包括靶向代谢组学和非靶向代谢组学，前者是针对特定的代谢通路所涉及的代谢物进行定性和定量研究；相比较前者，后者采用高端分析技术进行代谢物全谱（理论上）轮廓差异分析、发现特异性代谢物并进行结构表征和代谢通路分析。在非靶向代谢组学研究中，由于代谢物的种类多、物化性质和浓度差异大，因此需要通过多种技术的整合，才能够比较全面和准确地实现代谢调控所涉及的差异性代谢物识别和定量分析的全谱覆盖。

结合当前疫情，我们来关注下代谢组学技术在病毒感染及病毒宿主间的相互作用机制研究，下文将介绍一些基于代谢组学技术的病毒传染性疾病的相关研究应用。

基于代谢组学技术的病毒传染性疾病研究中的应用案例

案例1:中东综合征（Middle East Respiratory Syndrome，MERS）研究中的多组学技术

MERS是由冠状病毒(MERS-CoV)感染引起的一种呼吸道传染性疾病，主要表现为非典型肺炎和急性呼吸综合征，重症病例可发展为急性肾衰竭而导致死亡。

2016年，Nakayasu等开发了MPLEx(metabolite, protein, and lipid extraction)样本制备法，该方法简单快速且适用于多组学的研究。基于该方法，研究者以侵染MERS-Cor的肺泡上皮细胞Calu-3为研究对象，通过蛋白组学、代谢组学和脂质组学研究，发现病毒感染过程中糖酵解/糖异生变化，以及脂肪酸、磷脂酰胆碱和神经酰胺等变化，为MERS-CorV感染人体机制的研究提供有力的数据支撑。

 多组学代谢网路图

案例2: 埃博拉（Ebola hemorrhagic fever, EBHF）病毒研究中的多组学技术

 EBHF是由埃博拉病毒感染导致的急性出血性、动物源性传染病，1976年在非洲的苏丹和扎伊尔首次暴发，主要通过病人的血液、唾液、汗水和分泌物等途径传播。2017年，西北太平洋国家实验室及东京大学等的研究人员对来自感染埃博拉病毒患者的单核细胞和血浆，基于转录组学、蛋白质组学、代谢组学及脂质组学平台，发现血浆游离氨基酸、葡萄糖、果糖、二酰基甘油磷酸甘油、单酰基甘油磷酸丝氨酸、神经酰胺、可溶性VSIG4、骨髓细胞趋化因子受体等的变化，并由此推断肠组织损伤、T细胞激活受损、炎症、胰腺组织损伤和胰酶释放等可能在EVD发病机制中的作用，研究结果有助于改善高危患者的预后。

总体流程图

 案例3: 水痘-带状疱疹病毒（Varicella zoster virus， VZV）研究中的代谢组学技术

水痘是由水痘-带状疱疹病毒（Varicella zoster virus， VZV）初次感染引起的急性传染病，主要发生在婴幼儿和学龄前儿童，相比儿童，成人发病症状更为严重。2018年，Kuhn M等基于靶向代谢组学研究平台，对水痘不同亚型患者及对照样本的脑脊液样本进行研究，发现与VZV相关的4个代谢物，进一步的分析表明与VZV相关的代谢物增加可能与神经炎症/免疫激活、神经信号和细胞压力等相关。

 差异代谢物结果展示

 案例4: 拉沙病毒研究中的代谢组学技术

拉沙热（Lassa fever, LASV）是一种急性、传染性强烈的国际性传染病，是由拉沙病毒引起，于1969年在尼日利亚东北地区的拉沙镇发现。绝大多数的人类感染表现为轻症或无症状，其他表现为严重多系统疾病；主要通过直接接触拉沙热患者的血液、尿、粪便或其它身体分泌物进行传播，还可在人之间传播。

Gale TV等收集拉沙热患者血清进行非靶向代谢组学研究，发现LASV感染对血液凝集、脂质、氨基酸和核苷酸代谢通路产生较大影响；同时，作者也发现PAF及其类似物等可能作为潜在的生物标志物。

拉沙热潜在生物标志物

 案例5: SARS病毒研究中的多组学技术 

SARS（重症急性呼吸综合征）为一种由SARS冠状病毒（SARS-CoV）引起的急性呼吸道传染病，WHO将其命名为重症急性呼吸综合征，2002年出现在中国广东省。

Wu Qi等收集感染SARS康复患者12年后的血清样本与健康样本进行常规代谢组学（GC-MS/LC-MS）和脂质组学分析，发现磷脂酰肌醇和溶血磷脂酰肌醇在康复患者体内升高，可能与使用高剂量的甲基强的松龙有关。

 肌醇含量分布

参考文献

Nakayasu ES, et al. MPLEx: a Robust and Universal Protocol for Single-Sample Integrative Proteomic, Metabolomic, and Lipidomic Analyses. mSystems. 2016 May 10;1(3).

Eisfeld AJ, et al. Multi-platform 'Omics Analysis of Human Ebola Virus Disease Pathogenesis. Cell Host Microbe. 2017 Dec 13.

Kuhn M, et al. Mass-spectrometric profiling of cerebrospinal fluid reveals metabolite biomarkers for CNS involvement in varicella zoster virus reactivation. J Neuroinflammation. 2018 Jan 17;15(1):20.

Gale TV, et al. Metabolomics analyses identify platelet activating factors and heme breakdown products as Lassa fever biomarkers. PLoS Negl Trop Dis. 2017 Sep 18;11(9):e0005943.

Wu Q, et al. Altered Lipid Metabolism in Recovered SARS Patients Twelve Years after Infection. Sci Rep. 2017 Aug 22;7(1):9110.