《Biology》：Sex-Dependent Metabolic Alterations in Red Blood Cells During COVID-19
José Raul Herance,
Idoia álvarez-Ajuria,
Carolina Aparicio-Gómez,
Marina Giralt-Arnaiz,
Celia Moya-Latorre,
Rita Ortega-Vallbona and
Martina Palomino-Sch?tzlein
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这篇研究论文通过核磁共振（NMR）代谢组学技术，系统揭示了COVID-19患者红细胞的显著代谢重编程，并首次强调了性别差异的关键影响。男性患者（尤其在重症时）展现出更广泛的代谢紊乱（如氨基酸水平下降、抗氧化响应减弱），而女性患者则表现出独特的代谢适应（如2,3-BPG调节）。研究还发现，糖尿病、肥胖和心血管疾病等合并症能进一步塑造这些代谢模式，表明红细胞代谢不仅是COVID-19病理生理学的组成部分，还可能成为反映系统性疾病状态和潜在生物标志物的新来源。
3.1 COVID-19患者红细胞代谢谱的改变
研究发现，与健康对照组相比，COVID-19患者的红细胞代谢谱发生了显著变化，并且这些变化在重症患者中更为明显。主成分分析（PCA）显示，健康对照、中度COVID-19和重症COVID-19三组样本的代谢谱存在部分分离，表明随着疾病严重程度增加，红细胞的代谢谱呈现渐进性偏移。通过正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）进行的配对比较证实，无论是男性还是女性，健康对照与COVID-19患者之间存在清晰的代谢谱区分，但在区分中度与重症COVID-19患者时，男性的模型稳健有效，而女性的模型区分能力则较弱。这提示男性患者在重症状态下红细胞代谢的扰动更为显著。
在具体的代谢物层面，COVID-19导致了一系列与能量平衡和氧化还原稳定相关的代谢物发生一致性变化。这包括糖酵解和磷酸戊糖途径（PPP）中间产物的减少，以及谷胱甘肽（GSH）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）、磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和AMP水平的降低，这与红细胞能量和抗氧化能力的受损是一致的。同时，同型半胱氨酸、肌醇和IMP等代谢物水平则升高。这些共享的代谢变化反映了COVID-19感染引起的全身性氧化和代谢应激。热图分析进一步揭示了在基线水平（健康对照）以及COVID-19相关变化中，男性和女性之间存在代谢差异，并且男性患者在中度与重症COVID-19之间的代谢变化比女性患者更为明显。
3.2 仅在男性或女性患者中发生特异性改变的代谢物
研究识别出了仅在单一性别中发生显著变化的代谢物。在女性患者中，显著变化的代谢物是2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）水平的降低和IMP水平的升高。值得注意的是，2,3-BPG的下调主要出现在重症女性患者中，而2,3-BPG是调节血红蛋白氧亲和力的关键分子，其变化可能与感染期间的氧气输送生理学相关。
相比之下，男性患者显示出更广泛的红细胞特异性代谢紊乱，尤其是在重症疾病中更为显著。这些变化包括多种氨基酸水平的下降，如亮氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸、鸟氨酸、赖氨酸和甘氨酸，以及有机酸如乙酸盐的变化。此外，丙氨酸和脯氨酸在男性和女性患者中呈现相反的变化趋势：在男性中降低，在女性中升高。受试者工作特征（ROC）分析表明，肌醇和延胡索酸盐在男性中能更好地区分健康对照与COVID-19患者，而脯氨酸在女性中对区分健康对照与COVID-19、在男性中对区分中度与重症COVID-19具有较高的判别价值。有趣的是，在女性的中度与重症COVID-19比较中，没有任何代谢物能达到较高的判别能力（AUC > 0.8），这与多变量分析中女性组内中度与重症代谢差异较小的观察结果一致。
3.3 COVID-19患者中改变的代谢通路
通过通路富集分析，研究者探究了差异代谢物所映射的生物学通路。在男性和女性患者中，PPP相关通路均显著富集。在女性患者中，与糖酵解和氨基糖代谢相关的通路也发生富集。而在男性患者中，富集的通路范围更广，包括多种脂质相关通路（如de novo三酰甘油生物合成、脂肪酸代谢）、谷胱甘肽代谢、丙酮酸代谢以及支链氨基酸（BCAA）降解等。在中度与重症COVID-19的比较中，男性患者的通路富集信号更强，涉及多种氨基酸（如精氨酸、脯氨酸、甘氨酸/丝氨酸、BCAA）相关通路以及PPP和糖酵解通路。这些结果揭示了COVID-19对红细胞代谢影响的性别差异，男性患者在重症状态下的代谢紊乱涉及更为广泛的通路网络。
3.4 特定风险人群相关的代谢变化
研究考察了年龄、糖尿病、肥胖和心血管疾病等风险因素对红细胞代谢谱的修饰作用。在年龄≥50岁的亚组中，异亮氨酸、亮氨酸和乳酸盐水平的下降更为明显，这与整体分析中观察到的男性相关模式一致，且在≥50岁的女性患者中并未观察到这些变化。此外，葡萄糖水平的降低也仅出现在老年亚组中。
在糖尿病患者中，基线红细胞代谢谱就与非糖尿病患者不同。尽管许多代谢物在两组患者中表现出相似的COVID-19相关变化趋势，但部分在非糖尿病患者中观察到的显著变化（如葡萄糖、GSSG、2,3-BPG的降低，以及甘氨酸和肌酸的升高）在糖尿病患者中未达到统计学显著性。相反，乳酸水平的降低在糖尿病患者中更为显著。
在肥胖（BMI ≥ 30）患者中，同样观察到基线代谢谱的差异，并且一些COVID-19相关的代谢变化幅度更大，例如组氨酸的降低和肌氨酸的升高。赖氨酸的降低在男性COVID-19患者和高BMI患者中更为突出。
在患有心血管疾病的患者中，先前在整体队列中观察到的某些代谢变化（如2,3-BPG的降低、甜菜碱的升高、NAD的降低）未能被检测到。相反，该亚组出现了新的变化，如天冬酰胺水平的降低和三磷酸腺苷（ATP）水平的升高。这些发现表明，合并症和基础代谢状态会显著修饰红细胞对COVID-19感染的反应模式，是解释疾病机制和评估生物标志物时必须考虑的因素。
3.5 与严重结局相关临床参数关联的代谢变化
研究进一步分析了与疾病严重结局相关的临床参数，如血氧饱和度、体外膜肺氧合（ECMO）和死亡（exitus）。在低血氧饱和度患者中，α-酮戊二酸和丙氨酸水平降低，而甘油磷酸胆碱（GPC）水平升高。值得注意的是，丙氨酸的降低在女性患者中更为特
异。
接受ECMO治疗的患者表现出甘油水平的降低。此外，胆碱和鸟氨酸水平升高，而GSH水平进一步降低。有趣的是，GSSG在ECMO患者中也呈下降趋势，这与在肥胖队列中观察到的模式相似。
在死亡患者的比较中，发现了抗坏血酸和磷酸肌酸水平的升高，以及赖氨酸水平的进一步降低。鉴于这些结局定义亚组的样本量有限，这些关联需要谨慎解读，并在更大规模的队列中得到验证。
3.6 红细胞代谢组与关键临床参数的相关性
通过相关分析，研究发现红细胞代谢谱与多个临床血液学参数显著相关。红细胞分布宽度（RDW）、血浆肌酐和尿素水平、红细胞计数、血细胞比容（HCT）和血红蛋白（HGB）均显示出与代谢物的显著相关性。其中，与红细胞计数、HCT和HGB相关的代谢物相关性模式相似，而与RDW的相关性则对许多代谢物呈现相反的趋势。研究发现，许多在COVID-19患者中水平降低的代谢物（如乙酸盐、组氨酸、BCAA）与红细胞计数、HCT和HGB呈正相关。反之，那些在COVID-19患者中升高的代谢物（如丙氨酸、肌酸、同型半胱氨酸等）则与这些参数呈负相关。这提示红细胞代谢变化可能与血细胞功能和全身代谢状态密切相关。
4.1 核心的COVID-19红细胞代谢特征：氧化还原与能量代谢
COVID-19在红细胞中引发了一组可重复观察到的代谢变化，这些变化在男性和女性中普遍存在，并在不同风险分层中基本保持一致。核心变化涉及氧化还原平衡和能量代谢的紊乱。还原型谷胱甘肽（GSH）、吡哆胺、NADP/NADPH、PEP和AMP的减少，表明在COVID-19相关的氧化应激下，红细胞的还原能力和抗氧化防御系统受损。这些变化与磷酸戊糖途径的紊乱相一致，而该途径是红细胞生成NADPH的主要来源。同时，同型半胱氨酸、IMP和肌醇的升高进一步印证了氧化和代谢应激状态。肌醇的升高可能与红细胞膜稳态的改变及红细胞变形能力下降有关。
4.2 重症COVID-19男性患者中更显著的红细胞代谢重编程
除了共有的变化，性别分层分析揭示了男性和女性在代谢变化的模式和幅度上存在显著差异。女性患者的特异性变化包括2,3-BPG和尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-glucose）的降低，以及胆碱和脯氨酸的升高。2,3-BPG的降低可能直接影响血红蛋白的氧亲和力，从而与氧输送生理相关，并可能在急性重症和新冠后遗症（PCC）中发挥作用。
男性患者则表现出更广泛的代谢紊乱，特别是在重症状态下，中度与重症之间的代谢差异更为清晰。这些变化包括多种氨基酸（苯丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、赖氨酸、鸟氨酸、酪氨酸）和有机酸（α-酮戊二酸、乳酸盐、乙酸盐）水平的显著降低。支链氨基酸（BCAA）的变化在≥50岁的男性中尤为明显，提示年龄对此有调节作用。丙氨酸在不同性别中呈现相反的变化方向，这可能反映了不同的代谢背景。总体上，这些发现表明，在男性患者中观察到的更广泛的氨基酸和有机酸紊乱，可能暗示着一种更为严重的分解代谢和代谢应激状态，这与男性COVID-19重症率更高的流行病学观察相一致。
4.3 风险因素和合并症是红细胞代谢模式的调节因素
研究证实，患者的基础特征能够调节COVID-19相关红细胞代谢变化的可检测性和幅度。例如，先前观察到的肌酸升高在糖尿病患者亚组中并未检测到。谷胱甘肽氧化还原平衡（GSSG水平的上升趋势）的紊乱在糖尿病患者中不明显，而在肥胖和接受ECMO治疗的患者中，GSSG反而下降。这表明，这些合并症中已存在的氧化应激或改变的氧化还原稳态，可能会影响SARS-CoV-2感染期间观察到的谷胱甘肽反应。
心血管合并症也改变了一些关联，包括2,3-BPG、乙酸盐、甜菜碱和NAD的变化。此外，天冬酰胺和ATP仅在同时患有COVID-19和心血管疾病的亚组中显示出特异性变化。这些发现强调了在比较不同队列和研究潜在生物标志物时，必须考虑合并症相关的基线差异以及疾病间的相互作用。
