《Molecular and Cellular Pediatrics》：Untargeted metabolomics profiling of childhood asthma: linking metabolic pattern to disease severity
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这篇研究综述全面总结了通过非靶向代谢组学（LC-MS）方法探究儿童中重度哮喘血清代谢谱的最新进展。研究发现了腺苷和乳清酸等关键代谢物显著上调，而5-甲氧基色醇显著下调，并与疾病严重程度相关。这些代谢变化揭示了嘧啶、氨基酸和尿素循环等关键通路的中断，为哮喘的精准分型和个体化诊疗提供了新的潜在生物标志物（Biomarker）和思路。
背景
哮喘是一种异质性慢性气道炎症性疾病，也是全球儿童中最常见的慢性呼吸系统疾病，影响约14%的儿童和年轻人。该病显著增加发病率和医疗负担，并降低生活质量。儿童哮喘涉及复杂的病理生理和分子过程，包括多种细胞类型、介质和免疫途径。尽管诊断和治疗已取得显著进步，但其患病率和疾病负担仍在持续上升，特别是在儿童群体中。近期研究表明，代谢改变在疾病发展、严重程度和治疗反应中扮演着关键角色。代谢组学作为一种先进的、用于分析细胞活动产生的小分子的灵敏分析技术，结合质谱（MS）和生物信息学工具，为揭示哮喘等复杂疾病的致病途径提供了见解。然而，目前仅有有限的研究探讨了与哮喘严重程度相关的血清代谢组学改变。本研究旨在采用非靶向代谢组学分析方法，调查中重度哮喘儿童与健康对照者相比血清代谢物的失调情况。
方法
这项横断面研究共纳入了150名参与者，包括100名哮喘儿童（54名中度哮喘和46名重度哮喘）和50名年龄匹配的健康对照者。所有哮喘儿童均诊断为持续性哮喘，并至少连续接受三个月吸入性糖皮质激素（ICS）或ICS/长效β2受体激动剂（LABA）联合控制治疗。通过研究助理收集了入组儿童的临床资料，并使用经过验证的5项哮喘控制测试（ACT）问卷评估哮喘控制水平。哮喘严重程度由经过认证的儿科肺病学家根据全面的临床评估进行分类。研究采用超高效液相色谱-电喷雾电离-四极杆飞行时间质谱联用（UHPLC-ESI-QTOF-MS/MS）进行非靶向代谢组学分析。数据处理使用MetaboScape?4.0软件和MetaboAnalyst 5.0工具，通过主成分分析（PCA）、稀疏偏最小二乘判别分析（sPLS-DA）等方法评估组间差异。
结果
研究人群的临床特征与人口统计学数据
研究共纳入150名参与者，包括100名哮喘患者和50名健康对照者。三组参与者的平均年龄具有可比性。性别分布在各组间也无统计学显著差异。根据CDC的年龄别身体质量指数（BMI）分类，三组之间的BMI类别分布存在显著差异，与对照组相比，中度及重度哮喘患者的超重和肥胖比例更高。所有入组的哮喘患者均接受吸入性糖皮质激素治疗。
研究组别的代谢组学概况概览
通过UHPLC-ESI-QTOF-MS进行非靶向代谢组学分析后，共识别出8,037个代谢物特征。经过质控和数据库注释筛选后，保留了90个内源性代谢物用于后续统计分析。sPLS-DA分析显示，哮喘患者与健康对照者的代谢谱存在明显聚类和分离，表明疾病状态存在显著的代谢差异。然而，中度与重度哮喘患者的代谢谱在很大程度上相互重叠，表明两者具有高度相似的生化改变。单因素方差分析（ANOVA）鉴定出59种代谢物在三组间具有统计学显著差异。
哮喘患者与对照组的代谢组学分析
sPLS-DA分析显示，哮喘患者与健康对照组完全分离。火山图分析（FDR校正p<0.05，FC>1.5）揭示两组间有26种代谢物显著失调，其中23种上调，3种下调。显著上调的代谢物包括腺苷（Adenosine）、乳清酸（Orotic acid）和1,3-二甲基尿嘧啶（1,3-dimethyluracil）。相反，异柠檬酸（Isocitric acid）、L-岩藻糖（L-fucose）和5-甲氧基色醇（5-MTX）显著下调。通路分析显示，哮喘患者与对照组在嘧啶、嘌呤以及组氨酸和精氨酸代谢等多个代谢通路上存在显著改变。
中度哮喘患者与对照组的代谢组学分析
sPLS-DA分析显示，中度哮喘组与对照组存在清晰的分离。火山图分析鉴定出26种显著失调的代谢物，其中25种上调，仅异柠檬酸一种下调。通路和功能富集分析突出了组氨酸、嘧啶、精氨酸代谢，以及甘氨酸和丝氨酸代谢、苯乙酸代谢、尿素循环和氨循环等通路的显著改变。
重度哮喘患者与对照组的代谢组学分析
sPLS-DA分析显示，重度哮喘组与健康对照组之间存在明显的聚类和分离。火山图分析共标注出28种显著改变的代谢物，其中20种上调，8种下调。显著上调的代谢物包括腺苷、乳清酸和1,3-二甲基尿嘧啶。下调的代谢物包括异柠檬酸、5-MTX、脱氧胞苷（deoxycytidine）、尿酸（uric acid）和6-甲氨基嘌呤（6-(methylamino) purine）。通路和功能富集分析揭示了嘧啶代谢、尿素循环以及精氨酸、甘氨酸、脯氨酸、组氨酸和丝氨酸代谢等氨基酸代谢途径的显著紊乱。
与哮喘严重程度相关的代谢组学改变：中度与重度哮喘患者之间的分析
sPLS-DA分析显示，中度与重度哮喘组之间存在显著重叠。维恩图分析表明，重度哮喘组有18种特有的失调代谢物，中度哮喘组有11种特有的失调代谢物，而两组共享39种失调代谢物。在39种共享代谢物中，基于统计显著性（p<0.05）、变化倍数（FC>1.5）和在疾病严重程度中的一致性趋势，筛选出5种代表性代谢物：1,3-二甲基尿嘧啶、5-甲氧基色氨酸（5-Methoxytryptophan）、5-MTX、腺苷和乳清酸。对这些代谢物平均强度的分析显示：1,3-二甲基尿嘧啶从健康对照到中度哮喘患者呈稳步上升，并在重度哮喘中达到最高强度。5-甲氧基色氨酸在健康人与中度哮喘患者之间呈现适度增加，在重度哮喘中保持相对稳定。5-MTX则呈现相反趋势，与哮喘严重程度呈负相关。腺苷的变化模式最为显著，在健康对照中水平较低，在中度哮喘患者中适度增加，在重度哮喘患者中急剧上升。乳清酸的变化趋势与1,3-二甲基尿嘧啶相似，随着严重程度增加而逐渐升高。
讨论
本研究揭示了与哮喘严重程度相关的代谢组学改变，为了解儿童哮喘的生化变化提供了有价值的见解，并识别出潜在的新型诊断和预后代谢标志物。研究结果显示，哮喘患者与对照组之间存在显著的代谢物表达聚类，中度哮喘与对照组相比有26种代谢物失调，重度哮喘则有28种代谢物失调。值得注意的是，中度与重度哮喘组的代谢谱存在大量重叠，维恩图分析鉴定出39种两者共享的失调代谢物。
5-MTX水平在哮喘患者中下调，且在重度病例中降至最低。5-MTX是L-色氨酸的内源性衍生物和血清素代谢物，据报道具有抗炎、抗纤维化和抗氧化活性。其水平下降可能与色氨酸代谢改变有关，特别是与哮喘（尤其是夜间型哮喘）相关的褪黑素（Melatonin）合成失调可能存在关联。异柠檬酸作为三羧酸循环中的一种代谢物，在所有二元比较中均显著下调。近期研究表明，较低的异柠檬酸及相关代谢物水平与持续性咳嗽（哮喘的常见特征）有关。支气管舒张剂已被证明可以减少哮喘患者对柠檬酸吸入的咳嗽反应，支持了酸敏感机制在症状发展中的作用。
腺苷是一种信号分子，与哮喘的气道炎症和高反应性相关。本研究观察到哮喘患者腺苷水平较健康对照显著升高（5.2倍），且在中度哮喘组显著升高，在重度哮喘组达到最高水平，这进一步支持了其在气道炎症和高反应性中的潜在作用。
研究结果还显示，嘧啶代谢关键中间体乳清酸在哮喘患者中上调（4.9倍）。按疾病严重程度分层分析显示，其在中度（25.9倍）和重度（34.8倍）哮喘患者中仍显著高于健康对照。通路和功能富集分析表明，在所有二元比较中均存在嘧啶代谢失调，提示了从头嘧啶合成途径的潜在紊乱。乳清酸水平的持续升高与哮喘严重程度相关，支持其作为候选生物标志物进行进一步验证研究。
1,3-二甲基尿嘧啶是尿嘧啶的甲基化衍生物。本研究发现其在哮喘患者中上调（3.7倍），但在中度与重度哮喘之间的增加并不显著，表明其升高并不随疾病严重程度而加剧。
5-甲氧基色氨酸（5-MTP）是一种色氨酸代谢物，在疾病组中上调。现有证据表明，5-MTP水平升高可能代表一种代偿性抗炎反应。本研究发现5-MTP水平在哮喘患者中升高，在重度哮喘患者中升高尤为显著（p值<0.05），这可能反映了其与哮喘中炎症负担和组织重塑的关联。
此外，研究结果还显示多种氨基酸代谢通路失调，包括甘氨酸和丝氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、组氨酸代谢以及精氨酸生物合成。富集分析还发现哮喘儿童的尿素循环失调。精氨酸是尿素循环的中间体，其失调与L-精氨酸代谢改变有关。据报道，重度哮喘常与精氨酸酶活性增加相关，这会消耗L-精氨酸水平并增加病情加重的风险。类似地，在哮喘患者中观察到了谷氨酰胺代谢紊乱及其对苯乙酸代谢的下游影响。此前研究发现，与轻中度哮喘儿童相比，重度哮喘儿童的系统性谷氨酰胺水平显著降低。
结论
本研究揭示了哮喘儿童与健康对照者之间存在独特的代谢组学特征，并且中度与重度哮喘患者之间存在重叠的代谢谱，突显了哮喘所涉及的代谢途径的复杂性和特异性。与对照组相比，哮喘儿童共有26种代谢物失调，其中23种上调，3种下调。这些发现表明，多种循环代谢物与中重度儿科哮喘及其严重程度相关。然而，要将它们作为适用于全谱系哮喘的诊断或预后生物标志物应用于临床实践，仍需在包含轻度哮喘儿童的独立队列中进行进一步验证。
