組學技術(shù)在慢性阻塞性肺疾病診斷中的應(yīng)用研究進展

吳雪，王俊軼，李國平，

1 川北醫(yī)學院臨床醫(yī)學院，四川南充 637000；2 成都市第三人民醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是以不可逆氣流受限為特征的慢性氣道炎癥性疾病，有著較高的發(fā)病率及病死率［1］。目前，COPD 的診斷主要依賴于病史采集和肺功能檢測，臨床上尚缺乏敏感度和特異度較高的早期生物標志物以輔助診斷。組學技術(shù)是一種將高通量技術(shù)應(yīng)用于生命科學研究的方法，其包括代謝組學、蛋白質(zhì)組學、轉(zhuǎn)錄組學等多個方面的技術(shù)。簡單來說，組學技術(shù)可以幫助研究者同時研究大量生物分子，并且可以追蹤這些分子在不同層面（如轉(zhuǎn)錄組水平、蛋白質(zhì)水平等）的變化。因此，組學技術(shù)可以為生命科學研究提供更為全面和深入的視角。組學技術(shù)的發(fā)展使人們對疾病的研究方式也發(fā)生改變，通過高通量和高分辨平臺可以測量數(shù)千個基因轉(zhuǎn)錄本、蛋白質(zhì)或代謝物，因此有大量以組學技術(shù)為支撐的研究在COPD 中開展。現(xiàn)就代謝組學、蛋白質(zhì)組學、轉(zhuǎn)錄組學等組學技術(shù)在COPD 診斷中的應(yīng)用研究進展進行綜述，以期為COPD 的診斷及鑒別提供理論支持。

1 代謝組學在COPD診斷中的應(yīng)用

代謝組學以相對分子質(zhì)量小于1 500 Da的內(nèi)源性代謝物為研究對象，利用色譜質(zhì)譜技術(shù)和核磁共振技術(shù)對各種生理及病理過程中的代謝應(yīng)答進行定量測定［2］。代謝組學可分為靶向代謝組學和非靶向代謝組學兩大類，前者用于研究特定的代謝產(chǎn)物或代謝通路，可應(yīng)用于某種疾病的代謝異常、評估藥物作用機制等方面；后者則是以同一時期生物體內(nèi)全部的代謝物為研究對象，用于發(fā)現(xiàn)和鑒定代謝的潛在標志物、研究代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等方面。作為最接近表型的組學方法之一，代謝組學技術(shù)被廣泛應(yīng)用于COPD 早期代謝生物標志物鑒定、COPD 急性加重（AECOPD）代謝生物標志物鑒定及COPD 與呼吸系統(tǒng)合并疾病的鑒別。

1.1 COPD 早期代謝生物標志物鑒定 早期生物標志物是一類能在疾病發(fā)生的前階段或疾病發(fā)生的早期階段有助于輔助診斷的生物分子或細胞特征。代謝組學可以通過測定疾病組與對照組之間的差異代謝物，從而發(fā)現(xiàn)疾病早期的代謝改變，因此其可用于鑒定COPD 早期生物標志物。炎癥反應(yīng)是COPD最重要的病理生理過程之一。一項綜合了5 557 個大樣本的血漿代謝組學研究發(fā)現(xiàn)，循環(huán)血液中的糖蛋白乙?；梢宰鳛镃OPD 的生物標志物［3］，可為臨床診斷該疾病提供依據(jù)。另一項研究也支持了這一觀點，該研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)糖基化修飾產(chǎn)物N-乙酰糖蛋白在COPD 患者及健康對照者之間存在差異［4］。此外，代謝組學還可以通過篩選與肺功能相關(guān)的代謝產(chǎn)物應(yīng)用于COPD 的預(yù)測。有研究發(fā)現(xiàn)，在COPD 早期，犬尿氨酸與肺功能呈負相關(guān)［5］；另有研究發(fā)現(xiàn)，N-3和N-6多不飽和脂肪酸與肺功能呈正相關(guān)［6］。上述代謝物通過預(yù)測肺功能，可為COPD的早期診斷和疾病嚴重程度分級提供參考，但單一指標的靈敏性和特異性均有限。GODBOLE 等［7］發(fā)現(xiàn)將參與精氨酸生物合成和氨?；?tRNA 生物合成途徑的代謝物組合，可用于預(yù)測用力呼氣一秒容積，其預(yù)測的準確率優(yōu)于單一代謝物。上述研究發(fā)現(xiàn)為患者肺功能下降到COPD 診斷標準前的早期識別提供了可能。

1.2 AECOPD 代謝生物標志物鑒定 AECOPD 可導(dǎo)致患者臨床癥狀加重，肺功能迅速下降，增加患者死亡風險［8］。因此，在AECOPD 早期識別和及時干預(yù)顯得十分重要。通過血清代謝組學研究發(fā)現(xiàn)，氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝與AECOPD 密切相關(guān)。研究顯示，基于丙酮酸、異亮氨酸、L-甲基組氨酸和谷氨酰胺4種血清代謝物濃度加權(quán)總和的代謝物評分與AECOPD 風險的增加有關(guān)［9］。LABAKI 等［10］也發(fā)現(xiàn)，低濃度的色氨酸、異亮氨酸、纈氨酸和支鏈氨基酸與1 年內(nèi)呼吸系統(tǒng)癥狀急性加重的發(fā)生率獨立相關(guān)。除了氨基酸代謝之外，脂質(zhì)代謝一直以來都是代謝組學關(guān)注的重點。近期的一項研究進一步發(fā)現(xiàn)，在重度COPD 患者中甘油磷脂代謝通路明顯下調(diào)［11］，其與疾病的嚴重程度相關(guān)。除此之外，還發(fā)現(xiàn)溶血磷脂酰膽堿、溶血磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇這三種磷脂表達的降低可能與AECOPD 相關(guān)［12］。上述氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝的改變與AECOPD 密切相關(guān)，但由于各項研究之間的樣本數(shù)量與樣本來源存在差異，上述研究結(jié)論還需要繼續(xù)擴大樣本量或增加樣本的類型進一步驗證。

1.3 COPD與呼吸系統(tǒng)合并疾病的鑒別

1.3.1 COPD 合并哮喘（ACO） COPD 和哮喘的臨床癥狀相似，兩者常合并發(fā)生，臨床上通常難以區(qū)分。代謝組學技術(shù)可以篩選出兩者之間差異的代謝物，并以此來鑒定ACO。通過使用膽堿衍生化超高液相色譜聯(lián)合質(zhì)譜對患者血漿樣本進行檢測，發(fā)現(xiàn)ACO 患者和COPD 患者之間存在明顯的代謝差異，ACO 患者具有更高水平的類花生酸代謝，其代謝產(chǎn)物羥基二十碳四烯酸可作為區(qū)分二者的血液標志物［13］。GHOSH 等［14］也發(fā)現(xiàn)，ACO 與COPD 患者存在明顯差異的代謝物及免疫介質(zhì)，其中能量代謝產(chǎn)物、膽固醇、脂肪酸與免疫介質(zhì)之間存在顯著相關(guān)性，提示ACO 患者的炎癥狀態(tài)可能與代謝損傷之間存在關(guān)聯(lián)。針對上述機制進行深入研究，開發(fā)識別ACO的生物標志物，將有助于該疾病的鑒別及早期診斷。

1.3.2 結(jié)核相關(guān)COPD 肺結(jié)核是COPD 的危險因素之一，對COPD 的發(fā)生有重要影響。一項針對結(jié)核相關(guān)COPD 的代謝組學研究發(fā)現(xiàn)，與炎癥有關(guān)的花生四烯酸及二十烷酸在結(jié)核相關(guān)COPD 患者中處于較高水平。通過KEGG 通路富集分析發(fā)現(xiàn)，這種差異與脂肪酸代謝和色氨酸分解代謝的改變相關(guān)，脂氧化物的變化與血清白細胞介素6 及C 反應(yīng)蛋白水平呈正相關(guān)［15］。上述代謝改變可鑒別結(jié)核相關(guān)COPD和其他原因?qū)е碌腃OPD。

1.3.3 COPD 相關(guān)肺動脈高壓 COPD 是導(dǎo)致肺動脈高壓的主要原因之一。一項同時分析血清和呼出氣凝析液的代謝組學研究發(fā)現(xiàn)，COPD 合并肺動脈高壓的患者具有更高的能量需求，乳酸和丙酮酸這兩種代謝物在血清和呼氣凝析液中均表現(xiàn)出顯著變化，并且與肺動脈收縮壓力相關(guān)，這兩種物質(zhì)的代謝改變可能與COPD患者肺動脈高壓的發(fā)生有關(guān)［16］。

2 蛋白質(zhì)組學在COPD診斷中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)組學是研究蛋白質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、表達、修飾狀態(tài)以及相互作用的技術(shù)，其可利用質(zhì)譜技術(shù)、蛋白質(zhì)分離鑒定技術(shù)和蛋白質(zhì)修飾研究技術(shù)等，全面而系統(tǒng)地分析生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的動態(tài)變化和相互作用，以此來深入研究疾病的發(fā)生機制［17］。因此，蛋白質(zhì)組學技術(shù)被廣泛應(yīng)用于COPD 早期蛋白質(zhì)標志物鑒定、AECOPD 預(yù)測以及COPD 與呼吸系統(tǒng)合并疾病的鑒別。

2.1 COPD 早期蛋白質(zhì)標志物鑒定 探索COPD 早期蛋白質(zhì)標志物有助于COPD 的早期診斷。炎癥反應(yīng)是COPD 病理過程的中心環(huán)節(jié)，可導(dǎo)致肺組織損傷。一項基于肺組織的蛋白組學研究發(fā)現(xiàn)，COPD患者中Ⅰ型膜蛋白、具有膠原結(jié)構(gòu)的巨噬細胞受體和多功能細胞表面蛋白的表達較對照組下調(diào)，上述蛋白質(zhì)的改變可能通過促進炎癥反應(yīng)而加速COPD的發(fā)生發(fā)展［18］。另一項基于血清色譜質(zhì)譜的研究通過聯(lián)合酶聯(lián)免疫吸附測定，發(fā)現(xiàn)肌動蛋白結(jié)合蛋白、胰島素樣生長因子結(jié)合蛋2 及富亮氨酸α2 糖蛋白1可作為COPD 的血清蛋白標志物［19］。然而，單一的蛋白質(zhì)標志物用于COPD 的預(yù)測可能存在一定局限性。通過構(gòu)建與肺功能和肺氣腫百分比相關(guān)的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)中多種蛋白質(zhì)組合的模型對COPD進行預(yù)測，其預(yù)測的能力優(yōu)于單一標志物［20］。

2.2 AECOPD 蛋白質(zhì)標志物鑒定 蛋白質(zhì)水解和免疫應(yīng)答在AECOPD 的病理生理過程中起到重要作用。通過痰液樣本同位素標記的方法測定蛋白酶底物，發(fā)現(xiàn)AECOPD 與氣道彈性蛋白酶活性的增加以及特定彈性蛋白酶底物的加工增加有關(guān)，蛋白質(zhì)水解通過調(diào)節(jié)COPD 患者氣道中的彈性蛋白酶活性，從而誘發(fā)AECOPD［21］。血液樣本的蛋白組學研究也支持這一觀點，TAN 等［22］通過血漿定量蛋白質(zhì)組學技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，參與蛋白水解調(diào)節(jié)的α1抗胰凝乳蛋白酶、α 胰蛋白酶抑制劑重鏈H3 等多種蛋白質(zhì)與AECOPD 密切相關(guān)。LI等［23］通過COPD 蛋白質(zhì)組學研究發(fā)現(xiàn)，先天免疫應(yīng)答和蛋白水解途徑與AECOPD 密切相關(guān)，其中抗人類表皮生長因子受體3 單鏈抗體、脂蛋白A、結(jié)合珠蛋白相關(guān)蛋白等可以作為COPD快速進展的生物標志物。

2.3 COPD 與呼吸系統(tǒng)合并疾病的鑒別 COPD 是一種阻塞性通氣功能障礙性疾病，常合并呼吸衰竭。賴氨酸巴豆?；揎検墙M蛋白除賴氨酸乙?；揎椫獾牧硪环N生物學功能，對疾病有著特定調(diào)節(jié)作用。在賴氨酸巴豆?；揎椀牡鞍捉M學研究中發(fā)現(xiàn)，COPD 合并Ⅱ型呼吸衰竭患者與對照組比較存在90種經(jīng)巴豆?；揎椙也町惐磉_的蛋白質(zhì)，這些差異表達的巴豆?；稽c可能參與了COPD 合并Ⅱ型呼吸衰竭的發(fā)生［24］。另外一項COPD 和新型冠狀病毒肺炎的血漿蛋白質(zhì)組學研究發(fā)現(xiàn)，肝細胞生長因子和多種趨化因子驅(qū)動了全身炎癥失調(diào)，導(dǎo)致COPD 患者更容易感染嚴重的新型冠狀病毒肺炎［25］。這些研究結(jié)果為了解COPD 并發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病提供了重要的參考，進一步的研究可能有助于尋找COPD合并疾病的發(fā)病機制。

3 轉(zhuǎn)錄組學在COPD診斷中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)錄組學是研究RNA 表達及調(diào)控的一種重要方法，其可通過高通量RNA 測序、單細胞測序、微陣列芯片等技術(shù)，對特定時期細胞內(nèi)全部RNA 進行定性和定量分析，從而揭示基因表達規(guī)律和調(diào)控的機制［26］。在COPD 的研究中，轉(zhuǎn)錄組學被廣泛應(yīng)用于研究遺傳變異對疾病發(fā)生的影響，通過比較COPD組和對照組之間的基因表達差異，可以識別與COPD 發(fā)生相關(guān)的關(guān)鍵基因和通路，了解遺傳變異在COPD 的病理過程的促發(fā)機制，從而對COPD 進行診斷和鑒別。

LI等［27］通過肺組織單細胞RNA 測序，將生長因子結(jié)合蛋白5 基因和凱因蛋白基因鑒定為與重度COPD 相關(guān)的纖毛上皮細胞基因，可用于COPD 嚴重程度的預(yù)測。然而，僅基于差異基因模型對COPD的預(yù)測和診斷能力十分有限，因此MOLL 等［28］建立了包括轉(zhuǎn)錄風險評分、多基因風險評分和臨床因素的COPD 預(yù)測模型，通過比較發(fā)現(xiàn)，將轉(zhuǎn)錄組學評分添加到預(yù)測模型中可以提升模型的預(yù)測能力。此外，轉(zhuǎn)化生長因子途徑也與COPD 的發(fā)生密切相關(guān)。PARKER 等［29］聚焦于轉(zhuǎn)化生長因子β 途徑的研究，發(fā)現(xiàn)跨越轉(zhuǎn)化生長因子β2下游200 kb 區(qū)域內(nèi)的遺傳變異與肺氣腫有關(guān)，從而將轉(zhuǎn)化生長因子β 途徑與肺氣腫聯(lián)系起來。另有一項小鼠肺組織轉(zhuǎn)錄組學聯(lián)合乙?；M學的研究篩選出了19 個差異表達基因，并通過體內(nèi)研究驗證了編碼醛縮酶A 基因在COPD 患者及COPD 小鼠模型的肺組織中均顯著下調(diào)并高度乙?；崾揪幋a醛縮酶A 基因可作為COPD 診斷的特異性標志物［30］。上述基因的發(fā)現(xiàn)可能為疾病的診斷及預(yù)測提供新的思路，然而由于不同類型的樣本之間的差異以及RNA 文庫質(zhì)量的參差，相關(guān)研究結(jié)論還需要更大樣本量的研究來驗證。綜上所述，近年來組學技術(shù)的發(fā)展為復(fù)雜疾病的研究提供了有力支持。代謝組學研究發(fā)現(xiàn)了COPD 的早期代謝標志物、AECOPD 的代謝變化及COPD 與哮喘等不同呼吸系統(tǒng)疾病的代謝差異；蛋白質(zhì)組學研究鑒定了COPD 早期、AECOPD 的蛋白質(zhì)標志物，并可鑒別COPD 與呼吸系統(tǒng)合并疾??；轉(zhuǎn)錄組學研究則發(fā)現(xiàn)了COPD 的特異性表達基因及潛在預(yù)測模型。這在一定程度上說明組學技術(shù)在COPD 的診斷方面有著重要價值。然而，目前的組學研究的樣本量以及樣本類型存在差異，未來還需要基礎(chǔ)研究驗證機制，以及更多大樣本量、多中心的前瞻性臨床研究進一步驗證，才能推動實驗成果向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。