血液代謝組學(xué)炎癥相關(guān)的線粒體功能失調(diào)慢加急性肝衰竭的潛在機(jī)制

今天和大家分享一篇發(fā)表在Journal of Hepatology（IF=18.946）的文獻(xiàn)：Blood metabolomics uncovers inflammation-associated mitochondrial dysfunction as a potential mechanism underlying ACLF。

百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，慢加急性肝衰竭(ACLF)常發(fā)生于肝硬化患者中，特點(diǎn)是全身炎癥和器官功能衰竭。全身性炎癥需消耗非常高的能量，易導(dǎo)致器官功能衰竭。ACLF與六大器官系統(tǒng)(肝、腎、腦、凝血、循環(huán)和呼吸) 的不同組合,引發(fā)不同臨床表型。在大多數(shù)ACLF病例中，由病原相關(guān)分子模式(PAMPs)激活的天然免疫細(xì)胞被認(rèn)為在誘導(dǎo)全身炎癥中起主要作用。病原相關(guān)分子模式(PAMPs)是模式識(shí)別受體（PRR）識(shí)別結(jié)合的配體受體，主要是指病原微生物表面某些共有的高度保守的分子結(jié)構(gòu)。然而，ACLF在組織和細(xì)胞水平促進(jìn)器官衰竭的內(nèi)在機(jī)制尚不清楚。了解這些機(jī)制，不僅可以促進(jìn)對(duì)ACLF病理生理學(xué)的認(rèn)識(shí)，還能尋找新的器官功能衰竭生物標(biāo)志物并提供治療靶點(diǎn)。

本文采用LC-MS檢測(cè)技術(shù)對(duì)181例ACLF患者、650例肝硬化急性失代償(AD)患者、43例代償期肝硬化（CC）患者和29例健康人（HS）的血清進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)研究（圖1）。

圖1 文章整體思路

1 ACLF與血液代謝物增加有關(guān)
圖2A表明HS、CC、AD和ACLF患者的組間存在明顯的差異，說(shuō)明血液代謝物是導(dǎo)致從CC到ACLF的肝病嚴(yán)重程度相對(duì)于HS變化的主要因素。層次聚類分析可以看出ACLF中大部分代謝物的濃度較高，可以將這些患者與AD和CC患者區(qū)分開(kāi)來(lái)(圖2B)，表明與ACLF相關(guān)代謝物的相對(duì)含量升高。圖2C也說(shuō)明了這一特點(diǎn)，從CC到AD和ACLF顯著上調(diào)的代謝物數(shù)量逐漸增加，而在三組兩兩比較中，下調(diào)代謝物的數(shù)量沒(méi)有明顯差異。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，以ACLF/HS的結(jié)果為參照，將代謝物的變化幅度從最高到低排列，繪制克利夫蘭點(diǎn)圖(圖2D)，放大最上面的50個(gè)代謝物可以看到，ACLF的增加幅度都大于另外兩個(gè)患者組，絕大部分代謝物在AD中升高，并在ACLF中達(dá)到頂峰。在注釋到的137個(gè)代謝物中，從CC到AD和ACLF差異代謝物的數(shù)量明顯增加且絕大部分差異代謝物的相對(duì)含量逐漸升高。
 

圖2 代謝物的統(tǒng)計(jì)分析

2 血液代謝物構(gòu)成不同等級(jí)的ACLF的指紋圖譜
為尋找ACLF的血液代謝物指紋圖譜，計(jì)算了137種代謝物的AUC來(lái)評(píng)估每個(gè)代謝物區(qū)分ACLF與AD的準(zhǔn)確性(圖3Ai)，得到的AUCs進(jìn)行聚類分析，找到38個(gè)區(qū)分能力強(qiáng)且與ACLF顯著相關(guān)的代謝物(紫色條)，將38個(gè)特征代謝物與疾病的發(fā)展階段(從HS到CC、AD和ACLF)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，38個(gè)特征代謝物的含量在疾病的不同階段逐漸增加，并在ACLF中達(dá)到最大值(圖3B)。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，為進(jìn)一步探討代謝物與ACLF等級(jí)（ACLF-1表示單腎衰竭或任何其他類型的單器官衰竭；ACLF-2表示2個(gè)器官衰竭；ACLF-3表示存在3至6個(gè)器官衰竭）的相關(guān)性，以評(píng)估代謝物在區(qū)分三個(gè)ACLF等級(jí)(1、2或3)與AD的準(zhǔn)確性，圖3A(ii)顯示ACLF的三個(gè)ACLF等級(jí)時(shí)38個(gè)特征血液代謝物的AUC值均保持較高，說(shuō)明不同ACLF等級(jí)的代謝物變化的相似性非常高。ACLF-1已經(jīng)存在血液代謝物指紋圖譜，表明ACLF-1明顯不同于AD；有14個(gè)特征代謝物的AUC在ACLF-1和ACLF-2中非常接近，且低于ACLF-3。38個(gè)特征代謝物的AUC從AD到ACLF-1明顯增加，在ACLF-1和ACLF-2之間趨于穩(wěn)定，在ACLF-3中進(jìn)一步增加(圖3C)。結(jié)果表明，38個(gè)特征血液代謝物可以作為不同等級(jí)的ACLF的指紋圖譜來(lái)區(qū)分AD。

由于ACLF患者中腎衰竭的發(fā)生率較高，ACLF患者的血液代謝物指紋圖譜可能實(shí)際上反映了與腎衰竭相關(guān)的代謝物的變化。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，為了解決這個(gè)問(wèn)題，比較了3組（318例沒(méi)有任何器官衰竭的AD患者、105例僅腎功能衰竭患者和68例沒(méi)有腎功能衰竭的ACLF-2或ACLF-3患者）中ACLF的指紋圖譜的變化(圖3D)，僅腎功能衰竭組的特征代謝物顯著高于沒(méi)有任何器官功能衰竭的AD組，證實(shí)腎功能衰竭與代謝物指紋圖譜有關(guān)，無(wú)腎功能衰竭的ACLF-2或ACLF-3患者和僅腎功能衰竭的患者特征代謝物相似。因此，無(wú)腎衰竭的其它器官衰竭可能與ACLF血液代謝物指紋圖譜有關(guān)，不同器官衰竭之間也可能存在共同的代謝紊亂。
 

圖3 ACLF的血液代謝物指紋圖譜

3 ACLF血液代謝物指紋圖譜與全身炎癥相關(guān)
ACLF患者血漿中多種炎癥因子含量較AD患者顯著升高 (表1)，特別是兩個(gè)炎癥標(biāo)志物腫瘤壞死因子α(TNF-α)和可溶性CD163, 表明全身炎癥與ACLF血液代謝物指紋圖譜變化存在密切聯(lián)系。

表1 ACLF中的炎癥因子變化

4 細(xì)菌感染和非感染的ACLF具有相似的血液代謝物指紋圖譜
膿毒癥是指由細(xì)菌感染引起的全身炎癥反應(yīng)綜合征，一種急性全身炎癥的典型，已知膿毒癥會(huì)改變血液代謝。為研究細(xì)菌感染（膿毒癥）的ACLF患者(n=62)和無(wú)細(xì)菌感染的ACLF患者(n=117)的血液代謝物是否存在差異，分析了ACLF比AD的代謝物AUC，發(fā)現(xiàn)兩組患者的血液代謝物指紋圖譜非常相似(圖4)，表明無(wú)論是否存在細(xì)菌感染，ACLF的代謝狀態(tài)都是相似的。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，值得注意的是，不屬于ACLF代謝物指紋圖譜的31種代謝物的AUC在患膿毒癥的ACLF高于不患膿毒癥的ACLF(黃色條，圖4)，可能也證實(shí)了有膿毒癥的ACLF患者相比其它類型的ACLF患者的全身炎癥反應(yīng)更強(qiáng)烈這一事實(shí)。
 

圖4 有無(wú)細(xì)菌感染的ACLF的血液代謝物指紋圖譜

5 ACLF與葡萄糖代謝和線粒體β氧化相關(guān)
在ACLF患者中，葡萄糖代謝主要發(fā)生在胞漿內(nèi)，而不是在線粒體內(nèi)，葡萄糖-6-磷酸參與三條途徑：糖酵解、戊糖磷酸途徑和葡萄糖醛酸途徑。與健康人相比，全身炎癥的情況下，磷酸戊糖途徑中ACLF血液代謝物相對(duì)含量升高，如核酮糖-5-磷酸等；葡萄糖醛酸鹽途徑中ACLF血液指紋圖譜相關(guān)的代謝物相對(duì)含量增加，如葡萄糖醛酸等；糖酵解途徑代謝生成丙酮酸，丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A后進(jìn)入線粒體參與TCA循環(huán)，乙酰輔酶A氧化產(chǎn)生的CO2是導(dǎo)致線粒體損傷及NADH、FADH2氧化供能減少的原因之一 (圖5) ，同時(shí)4-羥基-3-甲氧基苯乙二醇硫酸鹽升高表明交感神經(jīng)活性增加以促進(jìn)糖酵解途徑。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，系統(tǒng)性炎癥環(huán)境下葡萄糖優(yōu)先快速激活先天免疫細(xì)胞產(chǎn)生ATP，激活糖酵解引起乳酸積累,同時(shí)線粒體氧化磷酸化被抑制。ACLF代謝物指紋圖譜主要反映了先天免疫細(xì)胞中糖代謝和能量代謝的變化，表明ACLF中糖代謝和線粒體β氧化異常。
 

圖5 ACLF血液代謝物的代謝通路

6 ACLF與脂代謝和氨基酸代謝相關(guān)
�；�肉堿是不同長(zhǎng)度的脂肪酸和肉堿連接，與健康人相比，全身炎癥的情況下, ACLF患者的短鏈和中鏈酰基肉堿含量升高(圖6B)。ACLF血液脂肪酰肉堿積累是線粒體β-氧化減少的一個(gè)標(biāo)志，線粒體β-氧化減少促使FA分解代謝降低。TCA循環(huán)通過(guò)FAs的完全氧化比葡萄糖代謝產(chǎn)生更多的ATP，因此,在ACLF中抑制線粒體β氧化易導(dǎo)致線粒體能源供應(yīng)急劇減少和器官衰竭。

與先前在急性全身炎癥中的發(fā)現(xiàn)一致，ACLF血液代謝物指紋圖譜中的氨基酸降解產(chǎn)物增加，如N6,N6,N6-trimethyl-L-lysine 等(圖6B) ，表明ACLF與蛋白質(zhì)水解代謝增加有關(guān)。ACLF具有和膿毒癥類似的導(dǎo)致器官衰竭的病理生理機(jī)制，PAMP誘導(dǎo)的急性全身炎癥會(huì)刺激下丘腦-垂體-腎上腺軸和交感神經(jīng)系統(tǒng)，激活糖原分解、蛋白質(zhì)水解和脂質(zhì)分解，強(qiáng)烈的分解代謝表現(xiàn)為FAs和氨基酸代謝產(chǎn)物的血液積累，這種協(xié)調(diào)的神經(jīng)體液反應(yīng)的為高消耗的炎癥反應(yīng)提供能量。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，同時(shí)這些反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生具有生物學(xué)效應(yīng)的衍生物，包括ROS、NO、CO和H2S等，這些改變可能與ACLF的許多并發(fā)癥（炎癥、免疫調(diào)節(jié)、血管擴(kuò)張、神經(jīng)毒性和內(nèi)皮功能障礙）的病理生理機(jī)制有關(guān)。細(xì)胞因子引起的應(yīng)激反應(yīng)和ROS、NO、CO和H2S的變化是最初的效應(yīng)因子，線粒體損傷是中間步驟，器官衰竭是最終的結(jié)果。
 

圖6 ACLF血液代謝物的代謝通路

百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，綜上所述，在ACLF中，強(qiáng)烈的全身炎癥與血液代謝物積累有關(guān)，這表明主要代謝途徑發(fā)生了顯著改變，尤其是線粒體功能障礙可能是ACLF的潛在機(jī)制。

百趣代謝組學(xué)幫劃重點(diǎn)：
大量AD和ACLF患者的血清進(jìn)行代謝組學(xué)檢測(cè)，注釋的137個(gè)代謝物中100個(gè)在ACLF患者增加，38個(gè)代謝物組成了ACLF血液指紋圖譜。
ACLF指紋圖譜的相對(duì)含量與全身炎癥的強(qiáng)度相關(guān)。
ACLF的指紋圖譜與糖代謝、脂代謝和氨基酸代謝相關(guān)。
ACLF指紋圖譜表明線粒體β-氧化供能減少可能是導(dǎo)致器官衰竭的潛在機(jī)制。