Metabolomic analyses of COVID-19 patients unravel stage-dependent and prognostic biomarkers
研究背景与意义
2019冠状病毒病（COVID-19）由严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）引起，对全球公共健康构成重大挑战。COVID-19患者临床表现异质性显著，从无症状感染到重症肺炎和多器官衰竭不等。深入理解COVID-19不同疾病阶段的代谢变化，对于揭示疾病机制、识别预后标志物及指导精准治疗具有重要意义。代谢组学作为研究生物体系功能状态的有力工具，可提供疾病发生发展过程中的代谢物动态变化信息。本研究通过对COVID-19患者血浆代谢组的系统分析，旨在探索与疾病严重程度相关的代谢标志物及潜在的预后生物标志物。
研究方法
研究对象
研究纳入了72名经RT-PCR确诊的SARS-CoV-2感染患者，根据临床特征将其分为轻度（门诊治疗）、中度（放射学证实的肺炎，住院治疗，氧疗需求<9L/min）和重症（重症监护病房，氧疗需求>9L/min）三组。同时纳入27名因流感样症状就诊但SARS-CoV-2检测阴性的患者作为对照组。此外，为识别与临床转归相关的代谢标志物，研究还纳入了25名中度COVID-19患者，这些患者接受了tocilizumab治疗，根据治疗后临床进展将患者分为预后良好组和预后不良组。
样本采集与处理
采集患者外周血样本，经离心分离后收集血浆或血清。采用甲醇/水混合溶剂提取代谢物，经过衍生化处理后，使用气相色谱-质谱联用（GC-MS）和超高效液相色谱-质谱联用（UHPLC-MS）技术对代谢物进行定性和定量分析。
代谢组学分析技术
GC-MS分析：将衍生化后的样本注入气相色谱-三重四极杆质谱联用仪，通过选择性离子监测模式进行靶向代谢物分析。
UHPLC-MS分析：对样本中的胆汁酸、短链脂肪酸和多胺等代谢物进行分析，采用电喷雾离子源，通过多反应监测模式进行检测。
统计分析方法
采用Wilcoxon秩和检验结合Benjamini-Hochberg多重检验校正方法，识别不同疾病阶段及预后组间差异表达的代谢物。运用随机森林分类模型评估代谢物对疾病阶段及预后的预测价值，通过主成分分析（PCA）和相关性分析揭示代谢物与细胞因子之间的关联。
研究结果
COVID-19不同疾病阶段的血浆代谢组变化
通过对不同严重程度COVID-19患者血浆代谢组的分析，研究发现与轻度患者相比，重症患者血浆中有77种代谢物发生显著改变，涉及氨基酸、脂质、多胺、糖类及其衍生物。具体变化如下：
糖类代谢物：包括阿拉伯糖、核糖及其还原产物核糖醇在内的多种单糖和糖醇水平在重症患者中显著升高。
氨基酸代谢物：精氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸等氨基酸水平在重症患者中上调，同时脱氨基酪氨酸水平降低，可能与抗生素使用抑制肠道细菌代谢有关。
多胺代谢物：精脒、亚精胺及其单乙酰化和二乙酰化衍生物水平随疾病严重程度增加而升高，提示多胺合成增强。
色氨酸代谢物：色氨酸水平在轻度和重症患者中均降低，其免疫抑制性代谢产物犬尿氨酸及邻氨基苯甲酸水平在重症患者中升高。
进一步采用随机森林分类模型对代谢物进行排序，发现29种代谢物在区分重症与轻度COVID-19患者中具有重要作用，其中28种在重症患者中表达升高，表明代谢物上调在疾病严重程度判定中占主导地位。
预后相关的代谢标志物
在中度COVID-19患者中，研究发现10种代谢物在预后良好与预后不良患者间存在显著差异。通过随机森林分类模型分析，发现邻氨基苯甲酸、S-腺苷甲硫氨酸和脯氨酸等代谢物的水平变化对预后具有预测价值。其中，邻氨基苯甲酸水平升高与预后不良密切相关，且与IL-10和IL-18水平持续升高相关。
代谢组与免疫组分的相关性
研究还探讨了代谢物与细胞因子之间的相关性。结果显示，邻氨基苯甲酸与IL-10和IL-18呈正相关，提示犬尿氨酸通路代谢物可能通过调节免疫反应影响COVID-19的病理进程。此外，IL-8与N1-乙酰亚精胺和牛磺酸相关，TNF-α与磷酸胆碱相关，表明代谢组与免疫组分之间存在紧密联系。
讨论
本研究系统分析了COVID-19患者血浆代谢组的阶段依赖性变化，揭示了与疾病严重程度密切相关的多种代谢物变化。这些代谢变化反映了COVID-19患者在不同疾病阶段的病理生理特征，如糖代谢紊乱、氨基酸代谢失调、多胺合成增加以及色氨酸代谢的免疫抑制状态。研究结果不仅增进了对COVID-19发病机制的理解，还为开发新的生物标志物和治疗靶点提供了依据。
特别是邻氨基苯甲酸作为一种潜在的预后生物标志物，其水平变化与COVID-19患者的临床转归密切相关。这一发现提示，通过调节犬尿氨酸通路限速酶（如IDO和TDO）的活性，可能为COVID-19的治疗提供新策略。然而，研究也存在局限性，如样本量相对较小、缺乏独立队列验证等，未来需要更大规模的前瞻性研究进一步验证这些代谢标志物的临床应用价值。
结论
本研究通过对COVID-19患者血浆代谢组的深入分析，揭示了不同疾病阶段特征性的代谢变化，并筛选出与预后相关的潜在生物标志物。这些发现为理解COVID-19的病理生理机制提供了新的视角，并为疾病的早期诊断、病情监测和治疗决策提供了潜在的代谢标志物。未来的研究应进一步验证这些标志物的临床有效性，并探索基于代谢调控的治疗干预措施。
| 名称 | 货号 | 规格 |
| V-PLEX Ab Peptide Panel 1 (6E10) Kit (5 Plate) | K15200E-2 | 5Plate |
| V-PLEX Ab Peptide Panel 1 (6E10) Kit (1 Plate) | K15200E-1 | 1Plate |
| V-PLEX Ab Peptide Panel 1 (6E10) Kit (25 Plate) | K15200E-4 | 25Plate |
