揭示SARS-CoV-2奥密克戎感染的血浆代谢组学特征

根据世界卫生组织新冠病毒疾病形势显示，自2021年11月发现严重急性呼吸综合征冠状病毒2（Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）奥密克戎突变株以来，截至2022年11月28日，全球新冠肺炎患者病例增加3.7亿。然而，SARS-CoV-2 Omicron（B.1.1.529）感染患者的死亡率显著下降，大多数患者无症状或症状轻微。与原始毒株和之前的变异株相比，奥密克戎感染引起的临床表现大多局限于上呼吸道，有更多的症状，包括咳嗽、咳痰、鼻塞、流鼻涕和声音嘶哑。奥密克戎有更多的突变，其刺突蛋白受体结合域内的突变稳定了刺突的构象，从而限制了抗体的中和效应。然而，奥密克戎感染的致病性降低是否体现在宿主反应中，目前尚不清楚。本研究旨在通过对血浆进行代谢组学分析来了解宿主对奥密克戎感染的反应。
\该研究通过非靶向代谢组学方法分析健康个体和奥密克戎感染且非重症患者的血浆样本，并且将奥密克戎毒株与原始毒株感染的非重症患者的代谢组学特征进行了比较。揭示了与健康个体相比，Omicron感染患者的适应性免疫力下降，抗炎能力提高；与原始毒株相比，奥密克戎感染患者的中性粒细胞功能和干扰素诱导的免疫力较弱，但抗氧化能力和肝脏解毒能力增强。

该研究共纳入33名健康受试者和50名Omicron患者，其中包括19名急性感染期患者和31名康复患者（图1A）。PCA图显示Omicron患者（包括感染组和康复组）与健康对照组之间存在明显差异，感染组和康复组之间的差异很小（图1B）。与健康对照组相比，感染组中鉴定出167种差异表达代谢物（Differentially Expressed Metabolites，DEMs），其中105种上调，62种下调（图1C）；在康复患者中检测到150种DEMs，其中112个上调，38个下调（图1D）。康复组和感染组之间有78种DEMs，其中44个上调，34个下调（图1E）。

图1. 研究设计概述

(图源：Li, et al., Cell death & disease, 2023)

差异代谢物可视化热图显示了改变的代谢物（图2A）。此外，KEGG富集分析显示，新冠肺炎患者（感染组和康复组）和健康对照组中的DEMs在氨基酸生物合成和代谢以及蛋白质消化和吸收中发挥着主要作用。然而，康复患者与感染患者中的DEMs在胆汁酸生物合成和分泌、甘油磷脂代谢、胆固醇代谢和其他过程中发挥着重要作用（图2B）。

图2. 奥密克戎患者和健康对照者血浆样本的代谢组学分析

(图源：Li, et al., Cell death & disease, 2023)

作者发现新冠肺炎患者的多种氨基酸代谢物上调，包括蛋氨酸、L-苏氨酸、L-组氨酸、L-天冬酰胺和N2-乙酰-L-鸟氨酸。在康复患者中，L-缬氨酸和犬尿酸恢复到正常水平。氨基酸水平的异常反映了患者体内蛋白质分解代谢的增加。氨基酸也参与免疫调节。在这项研究结果中，血浆甲硫氨酸的积累可能反映了该氨基酸用于T细胞活化减少。组氨酸升高表明奥密克戎感染抑制机体的炎症反应，因为组氨酸已被证明可以阻断氧化应激并下调中性粒细胞中的TNF-α水平。犬尿酸与炎性细胞因子和趋化因子呈正相关，而与T细胞反应呈负相关，它的上调反映了T细胞介导的免疫受到抑制。值得注意的是，N2-乙酰基-L-鸟氨酸和天冬酰胺是鸟氨酸循环相关的代谢产物，它的升高与“细胞因子风暴”高度相关。感染组的苏氨酸和L-缬氨酸水平较高，L-缬氨酸参与泛酸和辅酶A的生物合成，这对线粒体能量至关重要（图3A）。

新冠肺炎患者体内与机体免疫反应相关的代谢产物水平增加，包括新喋呤、N-（2-羟基苯基）乙酰胺和肌醇。新蝶呤的产生与免疫细胞的活化直接相关。它是一种由IFN-γ刺激的单核吞噬细胞产生的抗氧化剂，与新冠肺炎患者住院后的天数呈弱负相关，表明新喋呤升高是病毒感染的早期事件。N-（2-羟基苯基）乙酰胺通过减少IL-1β和TNF-α炎症因子的表达而具有抗炎特性。肌醇是磷脂表面活性剂的前体，用于刺激表面活性剂合成。它通过磷脂酰肌醇-3-激酶途径下调IL-6的表达，并减少炎症级联反应（图3B）。与健康对照组相比，感染患者的胆碱、油酸和视黄酸水平显著降低（图3C）。这可能是因为巨噬细胞介导的免疫被激活，巨噬细胞对病原体的极化反应需要增加胆碱的吸收，从而促进细胞因子的分泌。油酸刺激巨噬细胞中炎症因子的释放。视黄酸是一种维生素A代谢产物，可刺激B细胞产生抗体，全反式维甲酸（ATRA）是一种视黄醇衍生物，通过增强IFN-Ⅰ介导对病毒具有抗病毒活性，在人类细胞系和类器官中对SARS-CoV-2型感染显示出强大的抗病毒活性。这些发现表明，奥密克戎感染引起宿主产生抗病毒炎症反应，而不是适应性免疫。

图3. 奥密克戎患者和健康参与者之间的差异代谢产物

(图源：Li, et al., Cell death & disease, 2023)

作者揭示了奥密克戎与原始毒株引起宿主反应的差异性。他们最终纳入四篇与SARS-CoV-2原始毒株感染相关的文章（图4A），并根据P<0.05、FC>1.5的标准从提供的代谢物数据中筛选出非重症患者与健康对照组之间的差异代谢物，并进行KEGG途径富集分析（图4B）。作者发现这五项研究中没有共同的代谢途径。62种通路中有35种仅在奥密克戎患者中发现，这表明奥密克戎感染具有独特的代谢特征（图4C）。ATP结合盒（ATP-binding cassette，ABC）转运蛋白途径是最重要的途径之一，它负责ATP驱动的许多底物跨膜转运。然后作者比较了代谢产物（图4D），发现来自台州和广州的SARS-CoV-2感染者和奥密克戎感染者有更多相同的差异代谢产物。在Omicron患者和广州的患者中，L-肉碱、丙酰基肉碱、L-苯丙氨酸、L-5-羟色氨酸、N-乙酰缬氨酸和N-乙酰鸟氨酸水平均上调。L-肉碱和丙酰基肉碱是可以加速脂肪酸氧化的氨基酸。L-肉碱可以降低IL-6和TNF-α等炎症细胞因子的水平。此外，丙酰基肉碱通过增加柠檬酸循环来增加能量产生。有趣的是，Omicron感染患者血浆中4-羟基苯甲醛水平升高，而来自广州的患者有所下降，这可能表明奥密克戎患者通过激活局灶性粘附信号加速了伤口愈合。相比之下，奥密克戎患者体内胆碱水平因巨噬细胞活化而下调。与台州患者相比，奥密克戎患者只有硬脂酸盐减少，代谢产物包括1-甲基组氨酸、高精氨酸、肌酸、哌啶酸盐、5-羟基吲哚乙酸盐和鸟氨酸与台州患者变化相反。与感染原始毒株的患者相比，这些代谢产物的变化反映了奥密克戎感染患者的抗氧化能力和抗炎作用的增强。来自美国和意大利患者的甘胆酸盐、3-磷酸甘油酸、三乙醇胺和谷氨酰胺水平高于健康对照组，这与他们的研究结果一致。甘胆酸盐的增加可能与肝细胞损伤和肝细胞中甘胆酸盐摄取减少有关。3-磷酸甘油酸是糖酵解的代谢中间体，其增加与糖酵解增强有关。谷氨酰胺通过抑制炎症反应来增强免疫系统。总之，尽管奥密克戎与SARS-CoV-2原始毒株感染患者的代谢产物变化相似，但奥密克戎患者具有独特的代谢特征。血浆代谢组学研究表明，奥密克戎感染主要激活先天免疫，对适应性免疫有一定的抑制作用。机体增加抗氧化能力和加强能量供应促进更快的恢复。

图4. 奥密克戎与原始毒株感染的血浆代谢组学比较

(图源：Li, et al., Cell death & disease, 2023)

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，奥密克戎感染引起炎症反应和先天免疫，而适应性免疫受到抑制。与2019年原始毒株感染相似，宿主对奥密克戎感染产生抗炎反应并加速能量代谢。然而，在奥密克戎感染患者中观察到巨噬细胞极化的调节差异、中性粒细胞功能的降低，干扰素诱导的抗病毒免疫力较弱，宿主的抗氧化能力和肝脏解毒能力增强。因此，这些发现表明，奥密克戎感染比SARS-CoV-2原始毒株引起的炎症和免疫反应较弱。本研究仍有一些局限性，代谢物分析的患者数量较少，应在大规模研究中进一步分析。与健康对照组相比，康复组仍然表现出异常的蛋白质消化和吸收、氨基酸代谢和免疫反应，患者需要更长的时间才能恢复体内平衡。由于这些代谢组学数据来自不同的测试平台，血浆采样时间和处理方法可能不同，导致代谢物存在很大差异。