新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）引起的肺炎（COVID-19）疫情已被世衛(wèi)組織列為全球性重大流行病（累計死亡近300萬），迫切需要行之有效的治療方案。研究表明，由促炎性細(xì)胞因子/趨化因子大量分泌所致的細(xì)胞因子風(fēng)暴（CRS）是引起多器官損傷/功能衰竭等不良預(yù)后的重要因素；而靶向CRS的免疫療法為COVID-19治愈提供潛在可能性。因此，深入探究COVID-19患者體內(nèi)CRS驅(qū)動因素及其發(fā)生機制具有重要臨床意義。
今年3月，重慶醫(yī)科大學(xué)感染性疾病分子生物學(xué)教育部重點實驗室黃愛龍教授課題組與清華大學(xué)藥學(xué)院胡澤平教授課題組在Nature Communications上在線發(fā)表了題為“Integrated cytokine and metabolite analysis reveals immunometabolic reprogramming in COVID-19patients with therapeutic implications”的研究論文。作者利用代謝組學(xué)和炎癥因子整合分析，發(fā)現(xiàn)COVID-19患者外周血代謝物與細(xì)胞因子/趨化因子間具有強相關(guān)性，進一步揭示了重癥新冠肺炎感染患者代謝紊亂與炎癥反應(yīng)過度激活相關(guān)。此外，作者利用恒河猴模型證實干預(yù)精氨酸、色氨酸或嘌呤代謝可以有效抑制新冠病毒感染所致的PBMC細(xì)胞中炎癥因子釋放。
【研究材料】
? 健康人血清：17例
? 輕型新冠患者血清（14例入院1-18天患者；7例連續(xù)隨訪患者）
? 重癥新冠患者血清：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
【技術(shù)方法】
非靶代謝組學(xué)、靶向代謝組學(xué)、細(xì)胞因子/趨化因子分析
【實驗方法】
? 臨床檢測：COVID-19患者的臨床信息和血清細(xì)胞因子分析
? 組學(xué)檢測：COVID-19患者血清樣本的代謝譜分析
? 相關(guān)性分析1：細(xì)胞因子釋放與COVID-19患者代謝紊亂的相關(guān)性
? 相關(guān)性分析2：輕度COVID-19隨訪患者的縱向代謝物與細(xì)胞因子的相關(guān)性
? 動物實驗：調(diào)節(jié)代謝對PBMCs離體細(xì)胞因子釋放的影響
主要研究結(jié)果
1. 臨床檢測：COVID-19患者的臨床信息和血清細(xì)胞因子分析
作者對COVID-19患者隊列（包含17名健康對照、14名輕度和23名重度感染者）及7名輕度患者獨立隨訪隊列進行臨床信息收集和細(xì)胞因子分析：臨床信息結(jié)果顯示重癥患者中，淋巴細(xì)胞計數(shù)顯著減少，C反應(yīng)蛋白（CRP）、丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（ALT）、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（AST）、直接膽紅素（DBIL）和葡萄糖顯著增加，與先前結(jié)果一致。
細(xì)胞因子分析顯示，細(xì)胞因子/趨化因子在COVID-19患者中顯著升高，其實IL-6、IL-1β、IL-10、IL-18和IFN-γ在內(nèi)的CRS相關(guān)細(xì)胞因子表達與感染嚴(yán)重程度相關(guān)，表明COVID-19感染會導(dǎo)致廣泛而強烈的炎癥反應(yīng)。
2. 組學(xué)檢測：COVID-19患者血清樣本的代謝譜分析
作者對上述樣本進行靶向和非靶向代謝組學(xué)分析，其中靶向鑒定到134種代謝物、非靶向鑒定到155種代謝物，其中有36種趨勢一致，并且與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)。
接著，作者對20例非COVID-19疾病上呼吸道感染患者的血清樣本進行靶向代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)與COVID-19感染者具有顯著差異，表明COVID-19患者具有獨特的代謝紊亂。
為進一步明確COVID-19患者體內(nèi)的代謝改變情況，作者通過富集分析發(fā)現(xiàn)輕度和重度患者中初級膽汁酸的生物合成、氨基酸代謝和核酸代謝發(fā)生顯著擾動，而煙酸和煙酰胺代謝、色氨酸代謝和檸檬酸循環(huán)等幾種代謝途徑僅在重癥患者中發(fā)生改變。有趣的是，與疾病嚴(yán)重程度密切相關(guān)的代謝物大多與嘌呤代謝、色氨酸代謝和精氨酸代謝相關(guān)。
圖3. 輕度和重度COVID-19患者血清樣本的代謝譜分析
3. 相關(guān)性分析1：細(xì)胞因子釋放與COVID-19患者代謝紊亂的相關(guān)性
接著，作者調(diào)整年齡和性別后，利用線性回歸分別對輕度和重度患者的細(xì)胞因子和代謝物進行獨立相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，輕度患者的代謝途徑失調(diào)與多種細(xì)胞因子（IL-15、IL-10、IL-2RA）高度相關(guān)；重度患者中代謝途徑失調(diào)與多種重要炎癥因子（IL-6、IP-10、IL-8、M-CSF、IL-1α）之間存在緊密的相關(guān)性。
值得注意的是，從輕度到重度患者，包括IL-6、IP-10和M-CSF在內(nèi)的炎性細(xì)胞因子與代謝物的相關(guān)性增加。接著，作者重點關(guān)注了重癥患者的代謝物與CRS相關(guān)炎性細(xì)胞因子的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)IL-6、M-CSF、IP-10、GM-CSF、IL-18、IL-1α和IL-1β等14種炎性細(xì)胞因子與精氨酸代謝，色氨酸和NAD+的代謝產(chǎn)物密切相關(guān)。
以上結(jié)果提示這些代謝途徑紊亂與COVID-19患者中過度炎癥密不可分。
圖4. COVID-19患者血清中代謝物與細(xì)胞因子的相關(guān)性分析
4. 相關(guān)性分析2：輕度COVID-19隨訪患者的縱向代謝物與細(xì)胞因子的相關(guān)性
為確定新冠病毒感染后縱向代謝物與細(xì)胞因子間動態(tài)相關(guān)性，作者對癥狀發(fā)作后4-36天住院的輕度患者的代謝產(chǎn)物和細(xì)胞因子數(shù)據(jù)進行C均值聚類分析。
結(jié)果顯示，上述數(shù)據(jù)被分成4個主要的縱向軌跡簇：癥狀發(fā)作時，簇1中富集分子驟增，但在住院期間逐漸下降；簇2中分子在癥狀發(fā)作時急劇下降，并在隨后保持穩(wěn)定；簇3分子保持穩(wěn)定，在晚期出現(xiàn)延遲升高；簇4中分子逐漸升高后逐漸下降。
接著，作者對富集于4個簇的代謝物進行表征，發(fā)現(xiàn)精氨酸、鳥氨酸、色氨酸、谷氨酸、脯氨酸和嘌呤代謝中間產(chǎn)物（肌酐和腺嘌呤）呈上升趨勢，而犬尿氨酸、瓜氨酸呈下降趨勢。
相關(guān)性分析顯示：1）精氨酸代謝的中間體與促炎細(xì)胞因子（IL-6、M-CSF、MIP-1β）高度相關(guān)；2）犬尿氨酸與包括IP-10，MCP-3和M-CSF在內(nèi)的促炎細(xì)胞因子呈正相關(guān)，而色氨酸與MIP-1α呈負(fù)相關(guān)；3）嘌呤代謝中大部分中間體與大多數(shù)促炎性細(xì)胞因子呈負(fù)相關(guān)。
總體而言，作者證實住院輕度患者的縱向代謝物與細(xì)胞因子以及臨床康復(fù)情況存在相關(guān)性。
圖5. 輕度COVID-19患者的縱向軌跡和代謝物-細(xì)胞因子的相關(guān)性分析
6. 動物實驗：調(diào)節(jié)代謝對PBMCs離體細(xì)胞因子釋放的影響
上述數(shù)據(jù)證實細(xì)胞因子與代謝物之間的強相關(guān)性，作者擬通過動物實驗進一步明確干預(yù)上述代謝途徑（精氨酸代謝、色氨酸代謝和嘌呤代謝）是否可以調(diào)節(jié)細(xì)胞因子分泌。作者利用SARS-CoV-2感染獼猴模擬臨床COVID-19患者過度炎癥反應(yīng)狀態(tài)，并分離其PBMC細(xì)胞進行體外干預(yù)實驗。結(jié)果表明補充代謝物精氨酸或加入色氨酸代謝抑制劑（Epacadostat）及嘌呤代謝相關(guān)抑制劑（霉酚酸）可顯著抑制SARS-CoV-2誘導(dǎo)的PBMC細(xì)胞促炎因子釋放。此外，作者在PBMC中加入混合的促炎細(xì)胞因子后部分代謝物增加，表明代謝重編程過程中至少部分由SARS-CoV-2感染介導(dǎo)的細(xì)胞因子增加所引發(fā)。
圖6. 靶向代謝調(diào)節(jié)PBMC體內(nèi)模式下細(xì)胞因子的釋放
小結(jié)
本研究作者通過對新冠肺炎（COVID-19）患者血清進行代謝組學(xué)和炎癥因子整合分析，發(fā)現(xiàn)患者體內(nèi)代謝重塑與炎癥反應(yīng)之間具有一定相關(guān)性，特別在重癥患者中兩者密切相關(guān)且相互作用。此外，作者利用非人靈長類動物（恒河猴）感染模型，證實干預(yù)精氨酸、色氨酸或嘌呤代謝能夠顯著緩解CRS。該研究為新冠肺炎病毒感染引起CRS的內(nèi)在機制提供新的見解，并提示干預(yù)代謝重塑過程或可作為新冠肺炎感染患者的治療新策略。
