系统性红斑狼疮的代谢组学研究进展

崔玙,程淼,郭峰

系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus,SLE)是一种发病机制复杂,临床治愈率低,影响全身多个器官和系统的自身免疫性疾病;临床常表现为长期低热或反复高热、面部蝶形红斑、口腔溃疡、肾脏病变及关节炎等[1]。在全球范围内,SLE的发病率为每年0.3/100 000～23.2/100 000,我国发病率约为每年97.5～100/100 000,多见于年轻女性,男女患病比例约为1∶9[2]。目前,SLE发病原因尚未完全阐明,也缺乏敏感性和特异性较高的诊断标志物[3]。代谢组学是运用质谱等现代科学技术对生物系统代谢产物进行定量或定性分析研究的学科,可研究机体的动态功能及代谢标志物,其研究过程主要包括样品收集、代谢物测定、数据获取及分析[4]。因代谢组学的研究标本多为血清、粪便及尿液等,具有简单易得、所需成本低、代谢物丰富等优点,故近年来关于代谢组学的发展较为迅速。本文通过对近年来关于SLE代谢组学的相关文献进行综述,以期对SLE的发病机制、临床诊断及治疗用药提供新的思路。

1 代谢组学概述

代谢组学是通过组学检测手段,以血液、尿液、粪便等为主要研究标本,寻找特异性代谢物或代谢组的一种系统生物学方法[5]。氢谱、碳谱及磷谱在内的核磁共振谱(NMR)和气相色谱-质谱联用(GC-MS)、液相色谱-质谱联用(LC-MS)、毛细管电泳-质谱联用等技术对生物体液中的内源性代谢物进行检测分析是代谢组学的主要检测分析手段[6]。代谢组学通过监测所有影响因素,包括基因表达,蛋白质表达及环境因素的整体结果,提供了在特定细胞过程中产生的独特化学指纹的“自上而下”的综合视图[7]。代谢组学方法分为非靶向代谢组学和靶向代谢组学。非靶向代谢组学方法多用于整体分析,无差别地对代谢标志物进行全方位检测,测定潜在的生物标志物,涵盖范围广,缺点是只能获得待测样本中代谢产物的相对含量,费用较高。靶向代谢组学方法只检测特定的代谢产物,所测代谢物受限制,且需要灵敏度较高的检测手段,但对于代谢物标准品进行定量检测,有助于深入探寻疾病的具体发生机制[8]。

2 代谢组学在SLE中的应用

2.1 代谢组学在SLE发病机制中的应用 目前SLE发病机制尚未完全阐明,认为与多方面因素有关,包括家族遗传易感性、环境变化、免疫影响及雌激素水平等[9]。代谢组学通过多途径参与SLE的发病机制,包括脂质代谢、氨基酸代谢及肠道微生物代谢。

脂质代谢改变是SLE发生发展中的特点之一。Huang等[10]使用液相色谱-质谱串联(LC-MS/MS)分析发现,SLE患者与健康人(HCs)的脂质组学特征显著不同,鞘脂代谢被确定为与SLE高活性相关的代谢途径。鞘脂是细胞膜的重要组成部分,包括神经酰胺、1-磷酸鞘胺醇(S1P)、鞘胺醇、鞘磷脂及糖鞘脂等多种分子[11]。在动脉硬化发生初期,可发现鞘脂分子水平的变化,鞘脂分子在动脉粥样中发挥不可替代的作用[12]。基于动脉粥样硬化患者的脂质代谢失衡,推测脂质代谢异常引起的体内高脂血症环境可能与SLE的发病机制有关[13]。氨基酸代谢异常也是SLE发病的重要机制,在SLE患者发病前期或中后期,氨基酸代谢异常,引起免疫功能紊乱的氨基酸水平有所上升。Iwasaki等[14]以SLE患者、RA患者及健康人群为研究对象,使用液相色谱-质谱法和毛细管电泳-质谱法分析血浆样品的代谢谱,结果表明血浆组氨酸水平与美国风湿病协会(ACR)损伤指数SDI呈负相关,高抗双链DNA (dsDNA)抗体水平或合并狼疮肾炎(LN)的SLE患者血浆组氨酸水平明显低于抗dsDNA抗体低水平或未合并LN的SLE患者。组氨酸转运蛋白溶质载体基因家族15成员4 (SLC15A4) 是9个SLE易感基因之一[15],通过组氨酸在溶酶体中的浓度来调节TLR7-induced b细胞产生I型10 IFN[16],支持在SLE发病机制中维持其稳态作用,组氨酸的低水平可能与SLE的发病机制有关。与健康对照组相比,SLE患者肠道菌群紊乱,肠道生态失衡,致病菌(如罗伊氏乳杆菌)相对丰度水平升高,抗炎作用的菌群(如乳酸菌)有所减少[17]。与其他乳酸菌不同,罗伊氏乳杆菌可通过参与I型干扰素途径而恶化自身免疫表现[18]。Mu等[19]在MRL-lpr小鼠粪便代谢组学研究中发现,乳酸菌在MRL/lpr小鼠中明显减少,通过增加乳酸菌可纠正肠漏,促进IL-10分泌,改善肾功能并延长小鼠存活时间。

2.2 代谢组学在SLE诊断中的应用 目前用于SLE诊断和疾病监测的常规血清学指标的灵敏度和特异性有限,如抗核抗体、抗双链DNA抗体及补体水平。肾脏活检仍然是确定肾脏受累患者预后的金标准,但肾活检作为一种侵入性操作,具有一定的损伤风险。所以有必要寻找一种新型SLE诊断、分类及预后的生物标志物。

2.2.1 脂质代谢 脂质代谢组学是SLE生物标志物的重要研究领域。脂质在SLE患者血清中被评为最显著变化的代谢物类别[20]。Li等[21]通过高效液相色谱-质谱串联法研究[22]发现,神经酰胺和三甲胺N-氧化物 (TMAO) 在活动性SLE患者的血清中明显升高。神经酰胺是基于鞘氨醇脂质的第二信使之一,与氧化应激有关,而氧化应激又参与凋亡信号传导。血清神经酰胺水平升高可能有助于细胞凋亡,从而加剧SLE进展。脂质代谢异常使SLE患者动脉粥样硬化风险增加,故SLE常合并高血脂疾病。三甲胺N-氧化物(TMAO)是三甲胺(TMA)氧化的产物,三甲胺是一种常见的代谢产物,来源于肠道菌群的胆碱代谢。循环TMAO水平与动脉粥样硬化密切相关,可能通过增加巨噬细胞内胆固醇积累而导致动脉粥样硬化[23]。神经酰胺和TMAO可能作为SLE的治疗靶标。Zhang等[24]通过使用基于超高效液相色谱串联质谱(UPLC-MS/MS)方法发现区分SLE与LN患者的28种特征性代谢产物,5种血清代谢产物诊断性能较高,为LN的诊断提供了更多的参考,并为SLE进展为LN的病理生理学研究提供更多支持。Zhang等[25]对133名SLE患者和30名健康对照者进行了LC-MS/MS代谢组学和脂质组学研究,13种差异代谢产物被鉴定为SLE的潜在生物标志物,其中溶血磷脂酰乙醇胺(LPE)诊断SLE的AUC为0.903。有研究[26]表明,LPE可用于识别SLE患者,对SLE具有诊断价值。

2.2.2 氨基酸代谢 SLE患者与健康人群氨基酸代谢存在差别,可为SLE的早期诊断、风险评估提供依据。Li等[27]研究发现, SLE患者血清牛磺酸含量高于健康对照组。牛磺酸含量与疾病活性呈正相关,牛磺酸促进I型IFN诱导基因表达,激活淋巴细胞,并促进自身抗体分泌,引发蛋白尿,导致严重的肾炎。主要机制是通过增强pDC介导的I型IFN产生,参与SLE发病。血清牛磺酸对SLE的诊断和疾病活动度评估具有一定价值。色氨酸是一种必需氨基酸,同源性狼疮易发小鼠模型实验[28]表明,色氨酸代谢异常可激活自身免疫疾病。对同源性狼疮易发小鼠补充色氨酸会改变肠道菌群,上调与肠上皮完整性有关的基因表达。这些结果表明,肠道微生物失调与自身免疫激活存在功能联系。

2.2.3 尿液代谢 尿液标本获取具有取样量少、实施方便、无创伤及经济有效的优点。尿液代谢组学可方便有效的分析SLE患者内源性代谢产物,判定机体在疾病发病时、活动期或治疗时的差异。尿液代谢物可作为临床诊断、活动度评估的生物标志物[29]。Kalantari等[30]使用1H-核磁共振(1H-NMR)方法,比较LN患者、SLE患者与健康对照者(HCs)的尿液代谢差异。与SLE和HC受试者相比,LN患者的β丙氨酸尿排泄量显著降低。推测与LN患者肾脏肌肽含量降低有关。肌肽由肾脏中合成,在维持正常肾功能中起着至关重要的作用,低水平的肌肽可使肾脏易受氧化应激损害。Liu等[31]分析了15个不同年龄MRL/lpr小鼠样本,13周时观察到尿素和尿酸盐增加。尿素水平升高与肾功能受损有关,尿酸盐可促进炎症途径的激活和肾脏中自身抗体的沉积,导致肾小球滤过率降低[32]。近一半的SLE患者会发生肾损伤,包括肾小球和肾小管间质病变[33]。高水平的尿酸和尿酸盐有助于SLE患者肾功能评估。

2.2.4 肠道微生物代谢 新陈代谢和肠道微生物群变化已成为SLE诊断的关键特征。Yuan等[34]使用2DLC-MS、GC×GC-MS等四个分析平台方法,比较阉割BWF1(雄激素耗尽)雄性、完整(雄激素补充)雄性、雌性小鼠的粪便代谢物发现,与阉割耗尽的雄性小鼠相比,雌性小鼠死亡率增加,且2组存活率均显著低于完整雄性小鼠。雄激素的这种保护作用可能与微生物群代谢物变化有关。雄激素会影响肠道菌群,并受肠道菌群的反向影响。与完整的雄性小鼠相比,雌性和阉割耗尽的雄性小鼠差异之一是组氨酸代谢。组氨酸是组胺的前体,组胺是一种效应分子,可根据靶细胞和表达组胺受体的类型介导炎症或调节反应,益生菌和内源性细菌物种可产生组胺并影响肠道免疫反应[35],组胺水平的测定对SLE的诊断有参考价值。Yan等[36]使用气相色谱-质谱(GC-MC)分析发现, SLE患者与30名健康对照者(HCs)粪便代谢组存在显著差异。ROC分析发现,L-缬氨酸、嘧啶、芥酸酰胺、L-亮氨酸诊断SLE的曲线下面积(AUC)为0.886、0.833、0.829、0.803,L-缬氨酸、芥酸酰胺、2,4-二叔丁基苯酚联合诊断的AUC为0.959。此外, L-色氨酸与SLEDAI-2K呈正相关(P=0.007)。

2.3 代谢组学在SLE治疗中的应用 在SLE治疗方面,西医主要采用免疫抑制剂及激素治疗为主,长期使用对肝肾功能损害较大;中医药对减缓SLE进展及减轻症状方面颇有疗效,主要通过临床经验用药,未形成系统的证型分类及治疗用药。目前关于治疗SLE的药物代谢组学研究不断增加。

Zhang等[24]使用LC-MS/MS代谢组学方法对SLE患者和健康患者进行血清代谢物分析发现,硫酸脱氢表雄酮(DHEA-S)为差异代谢物,硫酸脱氢表雄酮(DHEA-S)是脱氢表雄酮(DHEA)的分泌产物,DHEA在SLE患者中水平较低[37],短期内补充DHEA对轻中度SLE有较好的治疗作用[38],DHEA可能是治疗SLE的新途径。Saegusa等[39]使用气相色谱/质谱法(GC/MS)检查SLE患者和健康受试者血清代谢组的差异发现,25种代谢物水平存在差异,谷氨酸水平差异较大。MRL/lpr小鼠脾单核细胞和SLE患者外周血单个核细胞(PBMC)中谷氨酸水平明均升高,降低细胞内谷氨酸水平,肾病理性病变得到改善[40],降低谷氨酸水平可能是一种新的SLE治疗手段。

Wei等[41]用气相色谱-质谱法分析给药后SLE模型小鼠(MRL/lpr)、醋酸泼尼松治疗SLE小鼠、中药处方治疗SLE小鼠及对照小鼠的尿液样本发现,SLE模型小鼠组尿液代谢物与其他组均存在差异。代谢途径异常主要体现在能量代谢和氨基酸代谢紊乱,能量代谢异常可产生大量促炎物质,加速SLE进展;氨基酸代谢异常可导致机体生理功能和免疫功能的紊乱,加速SLE的进展。这些结果可为进一步探索中医药治疗SLE的机制提供了实验依据。Liu等[42]研究发现,解毒止血滋阴方(JP)对治疗SLE有良好的效果,服用JP 8周后,MRL/lpr小鼠尿蛋白显著降低,肾小球周围炎性细胞浸润、基底膜增厚和间质纤维化减少。代谢组学联合智能通路分析表明,狼疮小鼠肾损伤过程可能与法尼醇X受体(FXR)通路异常有关,FXR可能作为LN和肾纤维化的有效治疗靶点,JP可介导肾脏FXR表达激活,从而为LN的预防和治疗发挥抗炎和抗纤维化作用。

3 小结

代谢组学可在代谢水平发现疾病标志物,辅助疾病的早期诊断,为临床治疗提供方向。通过代谢组学探究SLE的发病机制,寻找有效诊断SLE的差异代谢物,开发治疗SLE有效且副作用小的药物是目前关于SLE代谢组学的研究方向。代谢组学目前在营养食品健康、环境学、植物学等方面均有所应用,但在SLE的研究较为薄弱,尚未形成统一的规范标准。虽然能找到SLE与健康人群的差异代谢物,但不能十分明确与SLE密切相关的代谢物,且关于差异代谢物的具体作用通路和机制尚不明确,呼吁更多的研究深入探索具体机理机制。