代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)在病毒研究中的應(yīng)用

在疫情逐步可控的情形下，一線的醫(yī)務(wù)工作者和科研人員將有更多精力和時間對冠狀病毒進(jìn)行更深一步的研究和認(rèn)識。我們此次調(diào)研了基于Orbitrap超高分辨的代謝組學(xué)，脂質(zhì)組學(xué)，以及藥物治療在病毒學(xué)研究中的應(yīng)用。致敬白衣天使和深耕醫(yī)學(xué)研究的學(xué)者。

目前的研究顯示，新型病毒進(jìn)入細(xì)胞的路徑與SARS冠狀病毒一樣，均是通過血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2）細(xì)胞受體入侵宿主。但入侵之后，作為從基因到蛋白作用下游的小分子，其發(fā)生的變化尚未可知。那么，針對這些代謝物組和脂質(zhì)組的研究會給醫(yī)護(hù)人員和科研工作者帶來什么幫助呢？

如我們所熟知的大數(shù)據(jù)模擬，通過模擬各種措施所產(chǎn)生的后果，以“上帝”視角為國家提供zui佳方案；而針對病患人員來說，基于“整體”觀的組學(xué)技術(shù)可以幫助科研人員實現(xiàn)系統(tǒng)研究的目的。通過宿主和病原體相互作用的研究，了解其相互作用的關(guān)系，從而加速開發(fā)新的更有針對性的療法或疫苗。

近幾年來，基于Orbitrap 的代謝組學(xué)，脂質(zhì)組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)研究為生命科學(xué)領(lǐng)域帶來了長足發(fā)展。同時針對病毒學(xué)免疫應(yīng)答，病毒-宿主相互作用，代謝動態(tài)變化等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，為科研工作者提供新的研究思路。

案例一基于代謝組學(xué)技術(shù)研究免疫應(yīng)答的過程如前所述，我們采取的措施就像機(jī)體的免疫應(yīng)答，“免疫系統(tǒng)”功能的好壞直接關(guān)系著這場戰(zhàn)役的勝敗。研究表明，小分子代謝物對免疫細(xì)胞的增殖分化及其功能息息相關(guān)。2017年發(fā)表在Cell 雜志的一項研究，整合轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)研究顯示，代謝反應(yīng)是人類對帶狀皰疹病毒疫苗的免疫反應(yīng)有效性的基礎(chǔ)。研究人員開展了病毒疫苗接種在健康成人身上的縱向研究，分別收集接種前和接種后的血液進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析。研究結(jié)果顯示，接種疫苗后第1天起，嘌呤代謝、亞油酸代謝、蛋氨酸和半胱氨酸代謝、甘油磷脂代謝和糖磷脂代謝發(fā)生了顯著變化，亞油酸酯和甘油磷脂代謝的途徑可能是抗原呈遞細(xì)胞的主要媒介，這些發(fā)現(xiàn)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果密切相關(guān)。通過構(gòu)建MMRN網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合接種者年齡、性別和病毒載量相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測有效性，揭示甾醇代謝整合了體液和細(xì)胞免疫反應(yīng)；而磷酸肌醇代謝提供了代謝表型，影響免疫結(jié)果。

通過此項研究，可以幫助研究人員對疫苗接種的免疫反應(yīng)進(jìn)行情境分析，確定影響療效的相關(guān)因素，同時為免疫反應(yīng)提供新的生物學(xué)見解，促進(jìn)未來的生物標(biāo)記物研究和疫苗開發(fā)。

案例二基于Orbitrap的多組學(xué)技術(shù)挖掘病毒——宿主相互作用一項針對于MERS-CoV研究，整合基于Orbitrap 的蛋白質(zhì)組學(xué)，代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)的多組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：通過對蛋白和代謝富集分析，感染MERS-CoV的細(xì)胞，包括氧化磷酸化，糖酵解/糖異生，嘌呤等5條代謝途徑發(fā)生了顯著變化；而且糖酵解/糖異生途徑中的幾乎所有蛋白質(zhì)在MERS-CoV感染期間的豐度都降低。底物葡萄糖積累表明，糖酵解比糖異生途徑更可能受到病毒感染的影響。

進(jìn)一步結(jié)合脂質(zhì)組學(xué)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在MERS-CoV感染期間，脂肪酸和鞘脂類發(fā)生了廣泛的變化。有報道顯示，鞘脂在病毒的攝取，復(fù)制，成熟和出芽中起著重要的作用，富含神經(jīng)酰胺的膜結(jié)構(gòu)可通過改變膜液流動性和增強(qiáng)囊泡融合來促進(jìn)包膜病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞，觸發(fā)宿主細(xì)胞凋亡，進(jìn)一步惡化病情。

案例三基于代謝組學(xué)技術(shù)挖掘病毒感染宿主后代謝動態(tài)變化情況

2019年發(fā)表在Viruses雜志上的另一篇文章，采用基于Orbitrap 的非靶標(biāo)和靶標(biāo)代謝組學(xué)方式研究了麻痹病毒（Cricket paralysis virus, CrPV）感染昆蟲Bm5細(xì)胞后宿主代謝的動態(tài)變化情況。

研究人員發(fā)現(xiàn)，CrPV感染導(dǎo)致Bm5細(xì)胞的代謝具有顯著和特定階段的變化。比如，CrPV持續(xù)感染過程中葡萄糖和谷氨酰胺水平均顯著升高，隨后在致病期急劇下降。不同代謝產(chǎn)物的豐度和途徑分析進(jìn)一步確定了病毒生命周期不同階段的特定代謝特征。為病毒感染宿主后的致病過程，疾病分期，以及藥物治療效果提供理論依據(jù)。

新興傳染病往往是人畜共患疾病，可以從動物傳播給人類。通過蛋白、代謝和脂質(zhì)等多組學(xué)技術(shù)可以幫助研究者還原宿主-病原體相互作用關(guān)系，從而為醫(yī)務(wù)人員和科研工作者提供理論依據(jù)。Orbitrap技術(shù)作為蛋白質(zhì)組學(xué)的金標(biāo)準(zhǔn)，其高靈敏度、高精度，高通量等特性在代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)研究中同樣表現(xiàn)出色，可以幫助研究者在一個平臺上實現(xiàn)多種組學(xué)研究的有機(jī)結(jié)合。

案例四病毒感染宿主藥物治療研究

目前新型病毒的診療方案發(fā)布第五版，同時各醫(yī)院所進(jìn)行的“一人一方案”的救治方式，體現(xiàn)了“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”的核心思想。老藥新用的磷酸氯喹臨床上已經(jīng)顯示出明確的療效；備受矚目的瑞德西韋（Remdesivir）臨床實驗已正式開始，相信在不久的將來就會有振奮人心的消息。

臨床試驗中不可缺少的一環(huán)就是生物樣品分析，通過受試者血漿，血清等生物樣本的分析，提供藥物在體內(nèi)藥代動力學(xué)信息，目前最主要的分析手段是通過液相-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。同時，因新冠患者的臨床癥狀，不同的患病人群如孕婦、兒童等的治療方案存在的不同，液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)可提供治療藥物監(jiān)測數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生調(diào)整用藥方案和劑量。本文介紹了利用UPLC-MS/MS（Transcend TLX1-TSQ Altis）同時定量人血漿中阿扎那韋等14種抗逆轉(zhuǎn)錄病du藥物和2種聯(lián)用增效藥物Cobicistat and Ritonavir，該方法在6分鐘內(nèi)即可完成對所有化合物的定量檢測，并已根據(jù)歐洲藥品管理局的指導(dǎo)原則進(jìn)行了充分的方法學(xué) 。16種分析物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

根據(jù)藥物在體內(nèi)濃度進(jìn)行考察，確定該方法的定量下限為2.5 ng/mL至10 ng/mL不等。準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性是生物分析中最重要的2項指標(biāo)，采用此方法，所有藥物的日內(nèi)及日間的精密度滿足生物分析要求，部分化合物重現(xiàn)性RSD% 低至0.2%，且所有藥物的準(zhǔn)確度均<13%。

16種分析物的疊加提取離子流圖低、中、高濃度QC準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性評估結(jié)果

臨床上抗病毒治療方案中，藥物聯(lián)用是重要的治療手段之一，因此一個方法中包含多化合物檢測是必要的。Transcend TLX1聯(lián)合TSQ Altis提供的快速樣本制備，所有化合物的快速檢測，對生物樣本分析的時效性提供非常重要的技術(shù)支撐，非常適合于臨床藥代動力學(xué)和治療藥物監(jiān)測研究。

面對來勢洶涌的疫情，全國上下正在積聚力量，攻克新型高致病性冠狀病毒。在這場沒有硝煙的戰(zhàn)“疫”中，賽默飛的每一位成員都在努力行動，為全力戰(zhàn)勝新型病毒保駕護(hù)航。

參考資料：

1. Li S, Sullivan NL, Rouphael N, et al. Metabolic Phenotypes of Response to Vaccination in Humans. Cell. 2017;169(5):862–877.e17. doi:10.1016/j.cell.2017.04.026 

2. Li H, Bullock K, Gurjao C, et al. Metabolomic adaptations and correlates of survival to immune checkpoint blockade. Nat Commun.  

2019;10(1):4346. Published 2019 Sep 25. doi:10.1038/s41467-019-12361-9 

3. Nakayasu ES, Nicora CD, Sims AC, et al. MPLEx: a Robust and Universal Protocol for Single-Sample Integrative Proteomic, Metabolomic, and Lipidomic Analyses. mSystems. 2016;1(3):e00043-16. Published 2016 May 10. doi:10.1128/mSystems.00043-16 

4. Burnum-Johnson KE, Kyle JE, Eisfeld AJ, et al. MPLEx: a method for simultaneous pathogen inactivation and extraction of samples for multi-omics profiling. Analyst. 2017;142(3):442–448. doi:10.1039/c6an02486f

5. Wang LL, Swevers L, Rombouts C, et al. A Metabolomics Approach to Unravel Cricket Paralysis Virus Infection in Silkworm Bm5 Cells. Viruses. 2019;11(9):861. Published 2019 Sep 16. doi:10.3390/v11090861 

6. Gouget H, Noé G, Barrail-Tran A, Furlan V. UPLC-MS/MS method for the simultaneous quantification of bictegravir and 13 others antiretroviral drugs plus cobicistat and ritonavir boosters in human plasma [published online ahead of print, 2019 Dec 24]. J Pharm Biomed Anal. 2019;181:113057. doi:10.1016/j.jpba.2019.113057

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