基于UPLC—Q—TOF—MS技術的牛血清白蛋白誘導過敏反應的代謝組學研究

顧媛媛+張丹丹+馮程+王宇+陳大忠+王艷宏

[摘要]運用代謝組學技術，研究牛血清白蛋白誘導過敏反應大鼠與正常生理狀態(tài)大鼠尿液中內源性物質代謝的變化，篩選出與過敏反應相關的潛在生物標志物，進而分析其代謝通路，探討過敏反應的代謝機制。采用牛血清白蛋白誘導大鼠發(fā)生過敏反應為模型，檢測大鼠血清中組胺和類胰蛋白酶的含量，對大鼠肺和氣管的組織形態(tài)學進行觀察，通過UPLC-Q-TOF-MS技術對過敏反應模型組和空白對照組大鼠尿液進行代謝組學分析，采用主成分分析（PCA）和偏最小二乘辨別分析

（PLS-DA）的方法，觀察2組大鼠尿液的代謝輪廓差異，篩選出差異代謝物。模型組和對照組的代謝譜圖存在明顯差異，并篩選出與過敏反應相關的14個差異代謝物，4條主要代謝通路。該文建立了基于UPLC-Q-TOF-MS技術進行牛血清白蛋白誘導過敏反應的大鼠尿液代謝組學研究方法，推測牛血清白蛋白誘導過敏反應的作用機制可能涉及異黃酮、葉酸的生物合成，色氨酸代謝、煙酸和煙酰胺代謝等過程，為進一步探索代謝組學在藥物過敏反應研究中的應用奠定了基礎。

[關鍵詞]牛血清白蛋白； 生物標志物； 代謝組學； 過敏反應

[Abstract]The metabonomic techniques were used to study the changes in endogenous metabolites between urines of rats in normal physiological conditions and bovine serum albumin induced allergic reactions， identify potential biomarkers associated with allergic reactions， and then analyze the metabolic pathways and the metabolic mechanisms of allergic reactions. The bovine serum albumin-induced allergic reactions in rats were adopted as a model to detect histamine and tryptase in rat serum and observe the issue morphology of lungs and trachea in rats. UPLC-Q-TOF-MS was applied in metabonomic analysis on urines between control group and allergic reaction model group. Principal component analysis（PCA） and partial least squares discriminant analysis（PLS-DA） were applied to observe the differences in metabolic profiling between urines of the two groups and select differential metabolites. There were significant differences in metabolism spectrum between the model group and the control group. Totally 14 differential metabolites and 4 major metabolic pathways were screened out. The metabonomic research method for urines of rats with bovine serum albumin-induced allergic reactions based on UPLC-Q-TOF-MS was established in this study. It was speculated that the mechanism of bovine serum albumin-induced allergic reactions may involve biosynthesis of isoflavone and folic acid and metabolism of tryptophan， nicotinic acid and nicotinamide. It lays a foundation for further exploration of the application of metabolomics in drug allergy reaction studies.

[Key words]bovine serum albumin； biomarker； metabolomics； allergic reaction

doi：10.4268/cjcmm20162123

過敏反應又稱變態(tài)反應，是指機體受同一抗原再次刺激后產生的一種異常或病理性免疫反應，主要表現(xiàn)為生理功能紊亂和組織損傷。過敏反應是臨床常見的不良反應，大多數(shù)藥物都有可能引起過敏反應，嚴重影響人類的健康，其危害不容忽視。隨著新藥涌現(xiàn)、藥物的不合理應用等原因，藥物過敏反應發(fā)生率一直居高不下。尤其是中藥注射劑在臨床的廣泛應用，其不良反應（ADR）報道也逐年增加，尤以過敏反應事件較多。然而過敏反應機制并未完全明確^[1-3]。

代謝組學是一種后基因時代的全新組學技術，以生物體內低相對分子質量物質的動態(tài)規(guī)律變化。是從整體觀出發(fā)，以機體代謝組學變化為載體，以時空動態(tài)性和全局性觀點，全面解析疾病對機體的影響^[4-6]。

本試驗應用代謝組學技術，以牛血清白蛋白誘導大鼠產生過敏反應動物模型為研究對象，分析過敏反應引起的機體代謝狀態(tài)和內源性小分子代謝物的變化，通過比較這些代謝物的變化情況，尋找與過敏反應密切相關的生物標記物和代謝通路，進而探討過敏反應的代謝機制，為中藥注射劑的臨床安全應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑 美國Waters AcquityTM UPLC液相色譜儀（包括四元梯度泵，在線真空脫氣機，自動進樣器，二極管陣列檢測器，柱溫箱）；美國Micromass Q-TOF microTM四極桿-飛行時間質譜（電噴霧離子源-正、負離子掃描方法-Lockspray）；色譜柱為ACQUITY UPLCTM BEH C18色譜柱（2.1 mm×50 mm，1.7 μm，Waters Corp，Milford USA）；KDC-160 HR高速冷凍離心機（科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司）；酶標儀（賽默飛世爾中國上海儀器有限公司）；超低溫冰箱（Thermo）；KQ5200 E超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；JA 2003精密電子天平（上海良平儀器廠）。

牛血清白蛋白BSA（美國，Sigma公司）；0.9%氯化納注射液（中國浙江都邦藥業(yè)股份有限公司）；大鼠血清組胺檢測試劑盒（中國上海藍基生物科技有限公司）；胰蛋白（中國北京索萊寶科技有限公司）；色譜級乙腈（美國Fisher公司），屈臣氏蒸餾水（中國廣州屈臣氏食品有限公司），色譜級甲酸（中國天津科密歐化學試劑有限公司），亮氨酸-腦啡肽（美國Sigma公司）。

1.2 動物分組與造模 健康SD雄性大鼠（SPF級），體重（200±20） g，由黑龍江中醫(yī)藥大學藥物安全性評價中心提供，動物使用編號SYXK（黑）2013-012。給予標準飼料和飲用水，且控制室內溫度為（22±1） ℃、相對濕度40%～50%。12 h蔽光，12 h光照，自由飲水飲食，每只大鼠單獨代謝籠正常飼養(yǎng)適應1周后開始試驗。

16只大鼠隨機分為空白對照組和模型組，大鼠腹腔注射致敏，隔日1次，連續(xù)注射3次。于首次致敏后第14天和第21天對大鼠進行尾靜脈注射激發(fā)給藥，對照組給予同樣體積的0.9%氯化鈉注射液，即刻至30 min觀察大鼠出現(xiàn)的體征表現(xiàn)。每組給藥情況為空白對照組：致敏給予生理鹽水1.0 mL/只，激發(fā)給予生理鹽水2.0 mL/只；模型組：致敏給予0.6%的BSA，1.0 mL/只，激發(fā)給予2.4%的BSA，2.0 mL/只^[7-8]。

1.3 生化指標檢測 按大鼠Histamine ELISA檢測試劑盒說明書進行操作，檢測大鼠血清組胺含量。采用專屬性底物法檢測類胰蛋白酶。

1.4 組織病理學檢查 于最后一次收集完尿液，將大鼠麻醉，取固定部位肺和氣管組織，置于4%多聚甲醛液中固定，常規(guī)脫水透明、浸蠟、包埋、切片、HE染色、脫水、透明、封片，普通光學顯微鏡下觀察病理組織學改變。

1.5 樣本的預處理與UPLC-Q-TOF-MS分析條件^[9-11] 于每次給藥第2天7：00—8：00收集每只大鼠12 h內的尿樣，13 000 r·min^-1（4 ℃）離心15 min，過0.22 μm微孔濾膜后進樣檢測。第14天和第21天給藥激發(fā)后30 min于眼靜脈叢采血，室溫放置30 min，3 000 r·min^-1離心15 min，分離血清，置于-80 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

色譜條件：ACQUITY UPLCTM BEH C18色譜柱（2.1 mm×50 mm，1.7 μm，Waters Corp，Milford USA）；流動相A為乙腈，B為0.1%甲酸水，梯度洗脫，0～8 min，2%～40% A，8～10 min，40%～98% A，10～13 min，98%～100% A；柱溫40 ℃；流速0.3 mL·min^-1。

質譜條件：美國Micromass Q-TOF microTM四極桿-飛行時間質譜系統(tǒng)，電噴霧電離源（ESI），采用正負離子掃描檢測；脫溶劑溫度為350 ℃，錐孔流速為20 L·h^-1；毛細管電壓正離子掃描為 1 300 V，負離子掃描為 1 500 V；樣品錐孔電壓60 V；提取錐孔電壓5.0 V；離子源溫度為110 ℃；碰撞能30 V；碰撞氣為氬氣；準確質量校正采用亮氨酸-腦啡肽溶液（556.277 1[M+H]⁺，554.261 5[M-H]-），掃描范圍m/z 100～1 500。

1.6 數(shù)據處理 目前，代謝組學海量數(shù)據處理是通過現(xiàn)代化學信息學和生物統(tǒng)計學領域的新方法對獲得的多維復雜數(shù)據進行降維和信息挖掘^[12]。將空白對照組和模型組大鼠尿液代謝輪廓數(shù)據導入Markerlynx軟件進行色譜峰識別以及峰匹配，并采用PCA對獲得的多維復雜數(shù)據進行降維處理，同時采用偏最小二乘-判別分析（PLS-DA）方法對獲得的復雜數(shù)據進行統(tǒng)計分析。對差異性代謝物進行二級質譜分析，解析生物標志物及相關的代謝通路。

2 結果

2.1 宏觀體征 在3次致敏過程中模型組大鼠與空白對照組的一般情況無明顯差異，尾靜脈激發(fā)給藥后，模型組大鼠均出現(xiàn)了明顯的精神萎糜、活動減少、哮喘、痙攣等過敏反應癥狀，但無動物死亡；而空白對照組大鼠無明顯的過敏反應癥狀。

2.2 生化指標和病理切片 與空白對照組進行比較，模型組大鼠組胺和類胰蛋白酶含量增加，且均具有顯著性差異（P<0.01），具體見表1，2。

細胞層完整，固有層可見膠原纖維和彈性纖維，可見血管、淋巴管以及淋巴組織。軟骨環(huán)完整。模型組氣管黏膜層和黏膜下層增厚，大部分假復層纖毛上皮細胞和固有層消失，細胞嗜堿性增強，見圖1。

空白對照組肺組織結構完好；模型組肺動脈血管見有擴張淤血，大部分肺泡組織不張，肺泡隔增厚，有散在的炎細胞，見圖2。

2.3 大鼠尿液UPLC-TOF-MS代謝輪廓和整體表征 2組大鼠第2次激發(fā)給藥后12 h尿液代謝產物利用ESI正離子模式分別采集對照組和模型組大鼠尿液樣本數(shù)據，得到尿液樣本的BPI圖。在優(yōu)化的分析條件下，正負離子掃描模式13 min的有效洗脫時間內獲得較好的分離和響應效果，結果見圖3，4。

2.4 數(shù)據分析 對尾靜脈第2次激發(fā)后12 h大鼠尿液進行檢測分析，用Markerlyns XS軟件進行數(shù)據降維和質譜矩陣信息的獲取，進行Pareto模式的PCA，采用OPLS-DA對2組尿液代謝物組進行分析，得到反應組間變化的Scores plot，見圖5，6。在正、負離子掃描模式下，2組聚類分組明顯，代謝物表型差異顯著，表明模型組內源性代謝物的含量發(fā)生了很大變化，說明給予牛血清白蛋白后大鼠正常生理代謝紊亂，從代謝物組變化的角度可證明牛血清白蛋白誘導過敏反應模型造模成功。

2.5 表征過敏反應標志物的篩選及結構鑒定 對空白組和模型組大鼠尿液進行OPLS-DA分析，對VIP>2的差異變量進行色譜峰提取并積分，進行非參數(shù)t檢驗，篩選P<0.05的數(shù)據變量得到有意義的生物標志物，對其進行結構解析，確定內源性生物標記物。采用MS/MS測定標記物的精確信息，得到測定誤差范圍內相應的可能的化學物分子式；通過分子式及相對分子質量在HMDB及KEGG等檢索數(shù)據庫進行檢索，結合MS/MS選出可能的1種或幾種化合物，最終通過色譜保留行為以及MS/MS數(shù)據來確定標記物的化學結構，在正離子檢測模式下，初步鑒定了8個生物標記物的結構，在負離子檢測模式下，初步鑒定了6個生物標記物的結構，具體見表3，4，分別為mahanimbinine，15-oxo-lipoxin A4，3-methyldioxyindole， isopentenyladenine-9-N-glucoside serinyl-valine， 7， 8-dihydroneopterin， 1-methylguanosine， norcotinine， 2′-hydroxydaidzein， 4， 6-dihydroxyquinoline，N-nitrosothialdine， alanyl-hydroxyproline， pterin， nicotinamide riboside。將鑒定出的標志物輸入MPetA數(shù)據庫中，構建分析代謝通路，見表3，4。

3 討論

經前期試驗摸索，從宏觀體征、生化指標和肺、氣管的病理指標判斷，過敏反應動物模型造模成功，本研究進一步運用代謝組學方法結合UPLC-MS分析技術，研究過敏反應大鼠尿液中小分子內源性代謝物的變化規(guī)律，并篩選出貢獻大的且有差異的特征性標志物，初步判定14個生物標記物^[13]，在對這些標記物的研究發(fā)現(xiàn)15-oxo-lipoxin A4是脂氧素衍生物。脂氧素（LXS）和阿司匹林觸發(fā)脂氧素（ATL）是由花生四烯酸產生的促炎脂質衍生的介質，在結構、形式和功能上區(qū)別于許多其他促炎脂質衍生的介質^[14]。脂氧素A4（LXA4）引發(fā)細胞反應，并通過激活特異受體ALX調節(jié)白細胞在體內的運輸，通過花生四烯酸（AA2）衍生的類二十烷酸，包括前列腺素（PG）和白三烯（LTs），對發(fā)揮局部免疫過敏和炎癥反應具有重要作用。在本次試驗中發(fā)現(xiàn)模型組5-氧代脂氧素A4有增加趨勢，表明大鼠體內5-氧代脂氧素A4代謝發(fā)生紊亂，推測大鼠可能產生免疫應激反應，在過敏反應發(fā)生的同時，也伴隨著炎癥的產生。

7，8-dihydroneopterin是通過用γ干擾素在刺激人單核細胞衍生的巨噬細胞產生，曾在病毒感染和自身免疫性疾病人體體液中發(fā)現(xiàn)。該試驗模型組大鼠尿液中7，8-dihydroneopterin有上調趨勢，推測大鼠可能產生免疫應激反應。

3-methyldioxyindole是乙醛脫氫酶的一個代謝物，在代謝中形成，是主要的尿代謝物。有學者認為，3-甲基吲哚的體內氧化產物是色氨酸的代謝產物，通過在結腸中的細菌產生的^[15]。

4，6-dihydroxyquinoline是在單胺氧化酶的作用下轉化而來，是5-羥色氨酸的代謝通路轉化而來，5-羥色氨酸是5-羥色胺的前體物質，查閱文獻^[13]發(fā)現(xiàn)5-羥色胺能促進下丘腦釋放神經遞質的作用，故說明下丘腦神經遞質的分泌被抑制。

pterin涉及到葉酸的生物合成通路，在此通路中pterin因主要合成葉酸而呈下調趨勢。葉酸的抗氧化應激作用引起活性氧化基因（自由基、過氧化物等）的產生和抗氧化防御之間的失衡。最近有報道發(fā)現(xiàn)，過敏性反應和氧化應激分子存在十分重要的關系。過敏性反應時，肥大細胞激活后，刺激免疫系統(tǒng)（immune system），可以激活肥大細胞的活性氧（ROS），體內產生的有害物質，并通常作為氧化劑。

綜上所述，本試驗通過對特征性生物標志物進行分析，發(fā)現(xiàn)并鑒定了14個潛在生物標志物，并且呈現(xiàn)一定的上調或下調趨勢，這些生物標志物主要與異黃酮、葉酸的生物合成，色氨酸、煙酸和煙酰胺的代謝等通路相關。通過對所述標志物的代謝軌跡變化，探討過敏反應的產生、發(fā)展過程，進而從機體代謝通路異常來初步了解牛血清白蛋白誘導過敏反應的代謝機制。下一步筆者將對其他生物標志物與過敏反應的具體聯(lián)系進行深入研究，為避免藥物的過敏反應提供理論支持。

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[責任編輯 曹陽陽]