近年来,代谢组学已成为生物医学多个领域的一种很有前途的工具。目前,核磁共振(NMR)和质谱学是代谢组学中广泛使用的分析平台。京都基因和基因组百科全书(KEGG)、人类代谢组数据库(HMDB)和Open MS是目前使用的主要数据库。代谢组学为了解各种疾病的病理生理学基础提供了一个综合平台。哮喘是一种多病因的复杂疾病,非常适合用代谢组学的方法来研究其病理生理。
近年来,代谢组学已成为生物医学多个领域的一种很有前途的工具。目前,核磁共振(NMR)和质谱学是代谢组学中广泛使用的分析平台。京都基因和基因组百科全书(KEGG)、人类代谢组数据库(HMDB)和Open MS是目前使用的主要数据库。代谢组学为了解各种疾病的病理生理学基础提供了一个综合平台。哮喘是一种多病因的复杂疾病,非常适合用代谢组学的方法来研究其病理生理。
这篇综述从系统和细胞水平总结了哮喘代谢组学的知识现状。这些发现表明,与能量代谢、大分子生物合成和氧化还原信号有关的各种代谢途径在哮喘中发生变化。此综述内容包括:1.哮喘生物样本的代谢组学结果;2.细胞中的代谢组学结果。
01
哮喘衍生的生物样本和代谢物(表1)
1.1尿液代谢组学
尿液中的各种代谢物可区分哮喘和健康参与者,柠檬酸循环(三羧酸循环,TCA循环)似乎是哮喘患者改变的主要途径。异常的TCA循环与儿童哮喘有关,并可能成为预测控制不佳的儿童哮喘的潜在尿液生物标志物。在哮喘患者中,尿液中的脂质过氧化产物,如2-甲基戊烷和辛烷,与哮喘严重程度的临床参数相关,包括 FEV1和嗜酸性粒细胞。另一方面,尿液代谢组学也可用于评估哮喘治疗的结果。接受β2AR和糖皮质激素治疗的哮喘儿童表现出三氯乙酸循环和丙酮酸代谢改变,其特征是柠檬酸减少和乳酸水平增加。然而尿液代谢组学筛选的质量和准确性会受到多种因素的影响,如尿样的稀释度、尿液pH值和离子种类等。通过在样本收集和处理中引入缓冲系统,可以最大限度地减少这些差异。
1.2血清/血浆代谢组学
人体和动物模型中基于血浆或血清的代谢组学研究已经阐明了氨基酸、核酸代谢物和脂衍生物与哮喘的关联,并确定了哮喘的代谢型。血清中脂质介质、激素浓度、血尿酸等,与哮喘的严重程度相关。另一方面,血浆代谢谱也有助于区分其他过敏性疾病,如食物过敏。在血清或血浆代谢组学中应考虑各种分析前因素,如收集管和收集时间、温度和离心条件可能会改变代谢情况,同时应仔细控制样品的运输和储存条件。
1.3呼出气中冷凝液(EBC)代谢组学
EBC可以测量各种生物标记物,包括过氧化氢、白三烯和氮氧化物,以评估呼吸道炎症和氧化应激。组织水平代谢过程产生的有机化合物(VOCs)是基于EBC代谢组学研究的主要焦点。EBC来源的VOCs可能成为诊断、表型和监测治疗反应的有前途的生物标记物。
表1 哮喘的系统代谢组学研究
02
细胞中的代谢组学(表2)
2.1抗原提呈细胞(APC)
研究表明,从氧化磷酸化到糖酵解的生物能开关是DC迁移和分化的特征。DC的迁移和分化是DC与其他免疫细胞下游相互作用的关键。糖酵解和氨基酸分解代谢增加促使巨噬细胞极化为促炎的M1表型,而促分解的M2巨噬细胞依赖于线粒体中的氧化磷酸化。这些差异可能是由于M2巨噬细胞对谷氨酰胺合成和N-糖基化的分化和极化的依赖,这需要中间体提供完整的TCA循环。
2.2 T淋巴细胞
哮喘患者T细胞的有氧糖酵解增加,其特征是乳酸生成增加,T细胞中己糖激酶(HK)和磷酸果糖激酶(PFKFB)的表达增加,同时T细胞增殖增加。T调节细胞(Treg)的功能也受到代谢物的调节。
2.3呼吸道上皮细胞
有证据表明,在人类哮喘和这种疾病的动物模型中,呼吸道上皮细胞的代谢功能障碍。在哮喘患者和HDM诱导的哮喘小鼠模型中,呼吸道上皮细胞表现为糖酵解升高,其特征是激活的IL-1/抑制性kappa B激酶ε(IκBε)信号。
人体呼吸道上皮细胞暴露于细颗粒物后,表现出TCA循环和氨基酸生物合成的改变,其特征是顺式乌头酸和苹果酸水平降低,苯丙氨酸和色氨酸水平升高。重要的是,PM2.5暴露还会升高氧化的谷胱甘肽(GSSG),扰乱谷胱甘肽代谢,并促进呼吸道上皮细胞线粒体的氧化损伤。此外,肥胖是难治性哮喘的一个风险因素,也与频繁加重有关,并与代谢紊乱呈正相关。
2.4气道平滑肌细胞(ASM)
对ASM细胞代谢的研究侧重于线粒体生物能量学,并描述ASM线粒体功能障碍与COPD和哮喘等呼吸道疾病有关。例如,香烟烟雾暴露模型表明,线粒体分裂/融合蛋白调节ASM细胞的增殖和凋亡。目前的研究倾向于证明ASM细胞的代谢改变有助于AHR和哮喘的发生。
多种内源性介质,包括细胞因子和代谢物,参与放大ASM细胞的收缩反应。花生四烯酸代谢产物是AHR的关键介质。前列腺素D2(PGD2)被认为是一种炎症介质,在包括哮喘在内的多种疾病中发挥作用。脂代谢产物调节钙动员和敏化途径来调节ASM细胞的缩短。
此外,脂质介质在气道重塑中也起着多种作用。例如,鞘氨醇1磷酸通过激活或上调转录因子、YES相关蛋白(Y AP)和叉头盒M1(FOXM1)诱导ASM细胞增殖。鞘氨醇类似物前处理通过干扰氧化磷酸化和其他代谢过程来抑制ASM细胞的增殖能力。
表2 与哮喘相关的细胞代谢组学研究
03
其他细胞和肺组织模型
除了哮喘,人类肺组织和其他类型细胞的代谢谱也在肺癌、胸腔积液、肺动脉高压等疾病中进行了研究。而体外平台,如精密切割的肺切片和有机类化合物,尚未被用作代谢平台来研究肺部疾病。
结 论
目前,绝大多数这些研究都集中在用于哮喘诊断的不同代谢物生物标志物上。此研究提出了一种高度集中的代谢组学方法,目标是肺中的单个细胞群体。ASM细胞是支气管痉挛的主要驱动力,在哮喘中表现出收缩表型的改变。因此,研究哮喘和肥胖症中ASM细胞的不同代谢特征将是一项卓有成效的努力。这类研究的发现不仅将提高我们对肥胖相关哮喘的理解,还可能促进精准医学对哮喘治疗的优化。
对哮喘的代谢组学研究存在一定的局限性。首先,由于混杂的外部环境因素和方法差异,不同研究之间的结果有很高的差异性。其次,为了最大限度地减少人为推断,必须确保研究中使用的人体样本的“同质性”。再者,在疾病状态下,代偿机制可能会驱动某些代谢,导致结果实际上并不反映病理过程。这些挑战中的大多数可以通过实验设计来纠正,尽管有局限性,基于细胞和组织的代谢组学可能提供新的平台来探索新的治疗靶点和途径,以了解呼吸道疾病的发病机制。
图1 细胞类型及其在哮喘中的代谢作用
专家观点
1. 气道高反应性(AHR)、炎症和气道重塑是哮喘的三个关键特征,与代谢之间的功能相互依存是机体稳态调节的核心之一,其功能失调将导致一系列的代谢紊乱。相反,特定代谢物的信号转导作用可能影响气道生理病理过程,可能与哮喘的发病机制密切相关。新兴的代谢组学分析可能为哮喘的发病机制和诊断提供启示。
2. 哮喘病人的循环代谢物与健康人不同,并与疾病的严重程度有关,而有些则受药物治疗、肥胖、病毒等的影响。哮喘代谢谱的进一步研究将有助于哮喘的个性化和精确化药物治疗。
3. 该文献所讨论的,同质细胞群体中的代谢组学研究代表着广泛研究领域的共同研究平台,包括药物发现、诊断标记、毒理学评估和信号通路识别。单细胞代谢组学有助于研究在常驻组织中表现出的特定疾病表型的分子机制。
因此,对于选定细胞类型的细胞代谢组学研究有助于阐明哮喘的发病机制 。
参考文献
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