新闻资讯

Nat Commun | 代谢组学整合分析揭示COVID-19患者体内免疫代谢重编程

2021-12-13
中科新生命
2096

新型冠状病毒(SARS-CoV-2)引起的肺炎(COVID-19)疫情已被世卫组织列为全球性重大流行病(累计死亡近300万),迫切需要行之有效的治疗方案。研究表明,由促炎性细胞因子/趋化因子大量分泌所致的细胞因子风暴(CRS)是引起多器官损伤/功能衰竭等不良预后的重要因素;而靶向CRS的免疫疗法为COVID-19治愈提供潜在可能性。因此,深入探究COVID-19患者体内CRS驱动因素及其发生机制具有重要临床意义。
今年3月,重庆医科大学感染性疾病分子生物学教育部重点实验室黄爱龙教授课题组与清华大学药学院胡泽平教授课题组Nature Communications上在线发表了题为“Integrated cytokine and metabolite analysis reveals immunometabolic reprogramming in COVID-19patients with therapeutic implications”的研究论文。作者利用代谢组学和炎症因子整合分析发现COVID-19患者外周血代谢物与细胞因子/趋化因子间具有强相关性,进一步揭示了重症新冠肺炎感染患者代谢紊乱与炎症反应过度激活相关。此外,作者利用恒河猴模型证实干预精氨酸、色氨酸或嘌呤代谢可以有效抑制新冠病毒感染所致的PBMC细胞中炎症因子释放。

【研究材料】
  健康人血清:17例
  轻型新冠患者血清(14例入院1-18天患者;7例连续随访患者)
  重症新冠患者血清:23例入院1-18天患者
  非新冠病毒感染的急性上呼吸道感染者血清:20例
【技术方法】
非靶代谢组学、靶向代谢组学、细胞因子/趋化因子分析
【实验方法】
  临床检测:COVID-19患者的临床信息和血清细胞因子分析
  组学检测:COVID-19患者血清样本的代谢谱分析
  相关性分析1:细胞因子释放与COVID-19患者代谢紊乱的相关性
  相关性分析2:轻度COVID-19随访患者的纵向代谢物与细胞因子的相关性
  动物实验:调节代谢对PBMCs离体细胞因子释放的影响
主要研究结果
1. 临床检测:COVID-19患者的临床信息和血清细胞因子分析
作者对COVID-19患者队列(包含17名健康对照、14名轻度和23名重度感染者)及7名轻度患者独立随访队列进行临床信息收集和细胞因子分析:临床信息结果显示重症患者中,淋巴细胞计数显著减少,C反应蛋白(CRP)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、天冬氨酸氨基转移酶(AST)、直接胆红素(DBIL)和葡萄糖显著增加,与先前结果一致。

图1.  轻度和重度COVID-19患者临床信息展示

细胞因子分析显示,细胞因子/趋化因子在COVID-19患者中显著升高,其实IL-6、IL-1β、IL-10、IL-18和IFN-γ在内的CRS相关细胞因子表达与感染严重程度相关,表明COVID-19感染会导致广泛而强烈的炎症反应。

图2.  COVID-19患者的细胞因子数据概述

2. 组学检测:COVID-19患者血清样本的代谢谱分析
作者对上述样本进行靶向和非靶向代谢组学分析,其中靶向鉴定到134种代谢物、非靶向鉴定到155种代谢物,其中有36种趋势一致,并且与疾病严重程度相关。
接着,作者对20例非COVID-19疾病上呼吸道感染患者的血清样本进行靶向代谢组学分析,发现与COVID-19感染者具有显著差异,表明COVID-19患者具有独特的代谢紊乱。
为进一步明确COVID-19患者体内的代谢改变情况,作者通过富集分析发现轻度和重度患者中初级胆汁酸的生物合成、氨基酸代谢和核酸代谢发生显著扰动,而烟酸和烟酰胺代谢、色氨酸代谢和柠檬酸循环等几种代谢途径仅在重症患者中发生改变。有趣的是,与疾病严重程度密切相关的代谢物大多与嘌呤代谢、色氨酸代谢和精氨酸代谢相关。


图3.  轻度和重度COVID-19患者血清样本的代谢谱分析

3. 相关性分析1:细胞因子释放与COVID-19患者代谢紊乱的相关性
接着,作者调整年龄和性别后,利用线性回归分别对轻度和重度患者的细胞因子和代谢物进行独立相关性分析。结果显示,轻度患者的代谢途径失调与多种细胞因子(IL-15、IL-10、IL-2RA)高度相关;重度患者中代谢途径失调与多种重要炎症因子(IL-6、IP-10、IL-8、M-CSF、IL-1α)之间存在紧密的相关性。
值得注意的是,从轻度到重度患者,包括IL-6、IP-10和M-CSF在内的炎性细胞因子与代谢物的相关性增加。接着,作者重点关注了重症患者的代谢物与CRS相关炎性细胞因子的相关性,发现IL-6、M-CSF、IP-10、GM-CSF、IL-18、IL-1α和IL-1β等14种炎性细胞因子与精氨酸代谢,色氨酸和NAD+的代谢产物密切相关。
以上结果提示这些代谢途径紊乱与COVID-19患者中过度炎症密不可分。


图4.  COVID-19患者血清中代谢物与细胞因子的相关性分析

4. 相关性分析2:轻度COVID-19随访患者的纵向代谢物与细胞因子的相关性
为确定新冠病毒感染后纵向代谢物与细胞因子间动态相关性,作者对症状发作后4-36天住院的轻度患者的代谢产物和细胞因子数据进行C均值聚类分析。
结果显示,上述数据被分成4个主要的纵向轨迹簇:症状发作时,簇1中富集分子骤增,但在住院期间逐渐下降;簇2中分子在症状发作时急剧下降,并在随后保持稳定;簇3分子保持稳定,在晚期出现延迟升高;簇4中分子逐渐升高后逐渐下降。
接着,作者对富集于4个簇的代谢物进行表征,发现精氨酸、鸟氨酸、色氨酸、谷氨酸、脯氨酸和嘌呤代谢中间产物(肌酐和腺嘌呤)呈上升趋势,而犬尿氨酸、瓜氨酸呈下降趋势。
相关性分析显示:1)精氨酸代谢的中间体与促炎细胞因子(IL-6、M-CSF、MIP-1β)高度相关;2)犬尿氨酸与包括IP-10,MCP-3和M-CSF在内的促炎细胞因子呈正相关,而色氨酸与MIP-1α呈负相关;3)嘌呤代谢中大部分中间体与大多数促炎性细胞因子呈负相关。
总体而言,作者证实住院轻度患者的纵向代谢物与细胞因子以及临床康复情况存在相关性。


图5.  轻度COVID-19患者的纵向轨迹和代谢物-细胞因子的相关性分析


6. 动物实验:调节代谢对PBMCs离体细胞因子释放的影响
上述数据证实细胞因子与代谢物之间的强相关性,作者拟通过动物实验进一步明确干预上述代谢途径(精氨酸代谢、色氨酸代谢和嘌呤代谢)是否可以调节细胞因子分泌。作者利用SARS-CoV-2感染猕猴模拟临床COVID-19患者过度炎症反应状态,并分离其PBMC细胞进行体外干预实验。结果表明补充代谢物精氨酸或加入色氨酸代谢抑制剂(Epacadostat)及嘌呤代谢相关抑制剂(霉酚酸)可显著抑制SARS-CoV-2诱导的PBMC细胞促炎因子释放。此外,作者在PBMC中加入混合的促炎细胞因子后部分代谢物增加,表明代谢重编程过程中至少部分由SARS-CoV-2感染介导的细胞因子增加所引发。


图6.  靶向代谢调节PBMC体内模式下细胞因子的释放

小结
本研究作者通过对新冠肺炎(COVID-19)患者血清进行代谢组学和炎症因子整合分析,发现患者体内代谢重塑与炎症反应之间具有一定相关性,特别在重症患者中两者密切相关且相互作用。此外,作者利用非人灵长类动物(恒河猴)感染模型,证实干预精氨酸、色氨酸或嘌呤代谢能够显著缓解CRS。该研究为新冠肺炎病毒感染引起CRS的内在机制提供新的见解,并提示干预代谢重塑过程或可作为新冠肺炎感染患者的治疗新策略。