-
脓毒症是感染引起的宿主反应失调进而导致危及生命的器官功能障碍[1]。脓毒症是严重创伤、烧伤以及感染、休克、急性胰腺炎、大型外科手术等过程中常见的并发症，是重症监护病房（intensive careunit，ICU）患者死亡的常见原因。目前，全球每年约有脓毒症患者 3150 万，严重脓毒症患者 1940 万，死亡人数达 530 万，年发病率为 288/10 万，病死率为 17%[2-3]。肺部是脓毒症患者最容易受损伤的靶器官，急性肺损伤（acute lung injury，ALI）是脓毒症患者的常见严重并发症，其发病机制复杂，研究显示，脓毒症患者中约 68.2%合并 ALI，90 d 病死率约为 35.5%[4-6]。因此，如何准确评估脓毒症急性肺损伤的发生发展，对于早期识别和尽早干预治疗、观察临床疗效及预后具有重要的意义。目前，传统的诊断方法在临床实际应用中仍具有局限性。近年来，多组学技术广泛应用于脓毒症生物学标志物的筛选及建立中。现就脓毒症急性肺损伤在多组学方面的研究进行综述。
-
1 脓毒症 ALI 的发病机制及病理变化
-
脓毒症 ALI 可出现肺泡上皮细胞（alveolar epithelial cell，AEC）和肺毛细血管内皮细胞受损，进而产生非心源性肺水肿，临床上主要表现为进行性的低氧血症和呼吸困难。其发病机制主要包含血管内皮损伤机制和肺泡上皮损伤机制，前者包括炎症反应、细胞焦亡、氧化应激、细胞凋亡及自噬等，后者主要包括发病初期 AT-Ⅱ细胞的过度自噬导致肺泡上皮损伤进而诱发的急性肺损伤[7]。以上两类损伤机制中还包含了复杂的分子机制，尚待进一步研究证实。与此对应的脓毒症 ALI 的干预治疗主要包括减轻血管内皮损伤和保护并修复肺泡上皮。早期抑制炎症反应及保护血管内皮对脓毒症 ALI 的治疗尤为重要，前者主要包括抑制炎症反应和抑制 TLR4 介导的炎症信号通路。此外，保护并修复肺泡上皮的途径主要通过保护肺泡上皮、促进 AEC 修复、应用外泌体以及机械通气等手段来实现。
-
脓毒症急性肺损伤包含三个阶段的病理变化[8]：早期炎性渗出阶段、亚急性期组织化增生阶段和晚期纤维化阶段。早期干预往往能使患者控制在前两个阶段，干预不及时常常发展为脓毒症休克期，产生不可逆的脏器损伤，甚至死亡[9]。
-
2 脓毒症 ALI 的代谢组学研究进展
-
2.1 代谢组学简介
-
代谢组学是一门系统地研究生物在新陈代谢动态过程中产生的代谢产物的变化规律的科学，主要研究参与各种代谢路径的底物和产物的小分子代谢物（分子量<1000 D）。代谢组学特征谱可以判断某种疾病状态、疾病严重程度，也可用于筛选模式标志物，用于疾病的早期诊断及预后。常用检测方法包括核磁共振技术（nuclear magneticresonance，NMR）、液相色谱-质谱（liquid chromatographymass spectrometry，LC-MS）以及气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry， GC-MS）等技术，其中 NMR 和 LC-MS 应用最广泛， GC-MS 主要用于植物研究。临床样本的选择比较多样，主要包括血清/血浆、尿液、粪便等。此外，急性肺损伤代谢组学研究还可以选择标本支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）、呼出气冷凝物（exhaled breath condensate，EBC）、组织样本、痰液等标本。核磁共振技术和质谱两种检测方法都可以在给定的系统中对代谢产物进行无差别筛选，随后与相应的数据库比较鉴定。其中，核磁共振技术样品损耗量极少，样品前处理过程简便，并且重现性较好，所以一般用于体液的相关代谢组学研究。其中质谱检测具有更高的灵敏度和分辨率，因此在代谢组学研究中常常作为首选。选择相应的检测技术后，所有样品均需经过样品前处理才能用于脓毒症 ALI 的代谢组学研究，再将收集数据经过处理与分析，进而得出代谢组学特征谱[10-11]。质谱检测在进样时需对复杂样品进行一个或多个维度的分离处理。超高效液相色谱（ultra-performance liquid chromatography，UPLC）的毛细管区带电泳，是比较常见的分离处理进样系统。离子源与进样系统连接后，被测样品的分子被电离成离子，进而转变成离子束。电喷雾电离是最常见的离子源。质谱最核心的部件是质量分析器，它可根据质荷比的不同，将离子源电离产生的离子分离并按一定规律排列成谱。常见的质量分析器组成包括离子阱质量分析器、飞行时间分析器（timeof flight，TOF）以及四极杆分析器（quadrupoles，Q）等。其中，越来越多的研究者将超高效液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱用于代谢组学研究，这源于 UPLC-Q-TOF/MS 的检测优势：它具有高效率、高灵敏度的高分辨质谱，此外，它还能通过能量碰撞扫描，得到对应的二级质谱信息，进一步鉴定或推断相关化合物的结构，因此应用更广泛[12]。代谢产物是生物系统的终端产物，其他组学技术如基因组学、转录组学和蛋白质组学等都可以通过代谢组学中的特征图谱得以展现，更接近表型；代谢组学样品检测量少，更容易编译出独特的特征图谱；适用性广，用于检测多种生物样本，识别并量化小分子物质；对外界刺激更敏感，可实时性和动态性反映代谢物浓度变化[13-14]。
-
2.2 脓毒症急性肺损伤的代谢组学研究
-
2.2.1 脓毒症 ALI 的能量代谢及代谢紊乱
-
代谢组学分析低分子量代谢物的变化，包括在疾病发展过程中可能不断产生的物质，因此代谢组学数据可以准确反映生物系统的状态。脓毒症发生、发展过程中常常伴随着明显的代谢变化，蛋白质分解代谢增加导致氨基酸、多肽浓度和种类的变化；脂肪分解代谢增加导致脂质、脂肪酸的变化，同时还包括负氮平衡等代谢变化。
-
代谢组学研究可发现脓毒症伴随着代谢紊乱。 Su 等[15]研究表明脓毒症与代谢紊乱共病，包括氨基酸、脂肪酸和胆汁酸异常。师莹莹[16]鉴定得到与脓毒症相关的差异代谢物共 41 种，并发现牛磺酸和亚牛磺酸代谢，缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成等多种代谢途径发挥着治疗脓毒症的作用。
-
2.2.2 代谢组学作为脓毒症肺损伤治疗的评估手段
-
代谢组学研究可用于评估脓毒症肺损伤治疗手段。LeGouëllec 等[17]研究发现，代谢组学可用于急性呼吸窘迫综合征（ARDS）患者抗铜绿假单胞菌新药治疗效果的评估。孙琅[18]对不同时期的脓毒血症进行代谢物差异性分析，发现了 95 种差异性代谢产物，其中 21 种代谢物的含量在整个疾病进程中都发生明显的变化。Cui 等[19]采用液相质谱-色谱法检测脓毒症小鼠血浆和肺组织的代谢变化，发现脓毒症小鼠血浆样本中有 22 种差异代谢物和 5 种代谢途径，肺样本中有 11 种差异代谢物和 3 种代谢途径。4 种血浆代谢物（乙酰胆碱、精胺、苯丙氨酸、苏氨酸）和 1 种肺代谢物[磷脂酰胆碱 PC（36:4）]与血浆的白细胞介素（IL）-6/肿瘤坏死因子（TNF）-α相关。脓毒症大鼠的氨基酸和甘油磷脂代谢途径发生了改变，脂肪间充质干细胞治疗（ADMSCs）后逆转氨基酸和甘油磷脂代谢途径，这为 ADMSCs 治疗脓毒症提供了可靠的依据。
-
2.2.3 代谢组学作为预测疾病特异性生物标志物的手段
-
代谢组学可用于筛选预测疾病的特异性生物标志物。Lin 等[20]通过 GC-MS 技术检测脓毒症患者血浆标本代谢物，发现 124 种血浆差异代谢物，74 种差异代谢途径，进一步的亚组分析确定了脓毒症诱导的急性肾损伤（AKI）有 7 种代谢物，脓毒症诱导的 ARDS 中有 3 种代谢物，脓毒症诱导的心肌功能障碍（SIMD）有 7 种差异代谢物，脓毒症诱导的急性肝缺血（AHI）中有 4 种代谢物。差异代谢物主要为氨基酸、脂肪酸和三羧酸（TCA）-循环产物，能量代谢、氨基酸代谢和脂质代谢在脓毒症患者中下调，这些体内环境失调可作为脓毒症诱导的能量失调的新的临床标志。Stringer 等[21]通过 NMR 技术对脓毒症 ALI 患者进行代谢组学研究，发现 4 种代谢物水平发生改变，鞘磷脂水平相对较低，总谷胱甘肽、磷脂酰丝氨酸、腺苷的水平相对较高，同时根据代谢组学研究结果确定了 4 种不同的代谢网络和相关的关键酶。这为脓毒症诱导的 ARDS 的预测提供了潜在生物标志物。
-
这些研究为脓毒症提供了丰富的相关代谢物质基础，也表明了通过代谢组学方法可发现具有特异性和敏感性的生物标志物，用于脓毒症 ALI 的疾病预测，同时为脓毒症 ALI 的治疗评估研究提供了新思路，提示可通过代谢物与机体生理和病理变化之间的潜在联系，寻找潜在的相关的代谢标志物，以评估脓毒症急性肺损伤患者的代谢紊乱状态。
-
3 脓毒症急性肺损伤的微生物组学研究进展
-
3.1 微生物组学简介
-
微生物组学是揭示微生物多样性与人和生态稳定性之间关系的学科。微生物组中数量最多的是包含厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门、梭杆菌门等 9 个菌门在内的细菌组。细菌组中的肠道菌群是肠道微生态中重要组成部分，是寄生在人体肠道内最庞大、最复杂的微生物群落[22]。正常情况下，肠道菌群具有保护功能，使机体免疫机制和宿主炎性反应之间保持动态平衡，从而维持肠道的正常生理功能。内外环境变化常会导致肠源细菌失衡和肠道细菌移位，进而导致细菌数量或种类改变一系列等改变，这种病理状态即为肠道菌群失调。肠道菌群的变化主要包括肠道菌群比例和数量的改变。与肠道菌群不同，正常人的肺部菌群数量和种类较少[23]。正常情况下，肺部菌群主要来源于上呼吸道细菌迁移，肺部菌群的清除来自于咳嗽反应以及宿主免疫防御等，这些共同维持了肺部菌群稳态[24]。关于菌群的检测技术主要包括传统的细菌培养法以及逐渐兴起的分子生物学技术。近年来， DNA 测序技术在肠道菌群的检测研究中发挥重要作用，已经发展到相当高的水平，主要包括针对 16SrRNA/DNA 的 PCR、实时荧光定量 PCR（realtime quantitative polymerase chainreaction，qRT-PCR）、基于 PCR 基础上的 16SrDNA 指纹技术、分子探针技术、基因芯片技术以及宏基因组测序技术[25]，测序技术广泛应用于大规模菌群多样性研究。各种方法各有优缺点，采用不同技术相结合的研究方法进行肠道菌群的研究，能帮助我们更全面了解肠道微生态、肠道菌群的多样性和功能，为临床疾病诊断和治疗提供新的研究思路和方法。
-
3.2 脓毒症急性肺损伤的微生物组学研究
-
3.2.1 脓毒症与体内微生态的相关性
-
Prescott 等[26] 研究发现，临床患者患严重脓毒症的风险与其体内微生物稳态失衡的严重程度呈正相关，首次在人类中证实微生物组在脓毒症的发生和发展过程起到重要作用。其中，肠道菌群是脓毒症微生物组研究的重点，肠道菌群及其代谢产物具有维持肠微生态稳定、保护肠道屏障及维护免疫防御等重要功能。
-
近几年来，国内外学者多采用测序技术研究肠道微生态、肺部微生态以及菌群多样性与疾病的相关性[27]。基因测序技术可用于脓毒症患者菌群多样性的探究，脓毒症患者的肠道微生物往往发生变化。Fan 等[28]研究表明脓毒症患者肠道菌群多样性发生改变，其中数量下降的细菌主要有共生菌厚壁菌门、普雷沃菌、抗炎菌粪便杆菌、布拉菌和乳球菌，而变形菌门细菌数量增加，且多数患者存在大肠埃希菌或葡萄球菌等某一种优势菌群过度生长，细菌丰度均大于 50%。Hilty 等[29]研究表明，出生后 2 周的小鼠肺部微生物菌群由原来的厚壁细菌和变形杆菌转变为假线菌群落结构，表明菌群结构发生改变。
-
3.2.2 脓毒症急性肺损伤与“肠-肺”轴
-
肠道菌群通过“肠-肺”轴在肺部疾病中扮演重要角色。“肠肺”轴是脓毒症微生物组学研究中的重要概念，它是指肠道菌群和/或其代谢产物在肺部进行交互的作用。脓毒症发生发展过程中，常常发生肠道菌群紊乱，随后 IL-6、IL-10、TNF-α等众多炎性因子被激活，使得肠道通透性增加，肠黏膜和肠上皮细胞发生损伤，进而通过“肠-肺”轴发生细菌易位，最终反过来驱动脓毒症并暴发炎性反应[30]。“肠-肺”轴在脓毒症中起到连接肠道微生态与肺部微生态的关键作用。在脓毒症发生发展过程中，最先受到损伤的器官为肺，这表明脓毒症患者发生急性肺损伤的诱因是肠源性感染。Mathieu 等[31]研究表明，正常人群肺部菌群主要有普雷沃菌、梭杆菌、链球菌、奈瑟氏菌等优势菌，与口腔菌群结构最接近。
-
Dickson 等[32]研究发现，急性呼吸窘迫综合征患者肺部肠道微生物细菌数量增加，主要包含有肠杆菌、普雷沃菌、梭杆菌等优势菌。进而通过测序方法发现小鼠肺部肠道优势菌增加，主要包括肠球菌属和毛螺菌属，约占肺部微生物组的 40%。随后对急性呼吸窘迫综合征患者肺泡灌洗液基因测序得出相似结论，肺部同样出现肠道优势菌拟杆菌门，并发现其在肺部定植的数量越多，患者的全身炎症越严重。与此同时，Dang 等[33]研究发现，ARDS 患者肺泡灌洗液发现大量肠道细菌，肠道菌群含量也与全身炎症呈正相关。以上研究表明，肠道菌群是脓毒症小鼠与 ARDS 患者的肺部微生物主要来源，肠道菌群通过“肠-肺”轴发挥肺与肠之间的桥梁作用。
-
3.2.3 微生物组学作为脓毒症治疗及评估的手段
-
利用肠道菌群调节菌群生态失调，可用于脓毒症的治疗。提取健康人粪便中的功能菌，植入患者肠道内，使患者正常肠道菌群得以重建的方法称为粪便微生物菌群移植（fecal microbial transplantation，FMT），它是一种新型的微生物组治疗方法。研究发现该方法在耐药菌感染与腹泻等疾病的治疗中具有重要作用，同时也对脓毒症治疗有效[34]。临床细菌耐药形势逐年严峻，多重耐药菌增加，临床用药面临巨大压力，通过 FMT 等微生物组研究，可能为脓毒症的治疗提供新的思路。同时也为脓毒症急性肺损伤的研究提供了丰富的相关肠道菌群变化的基础，也表明通过微生物组学方法可以挖掘出具有特异性和敏感性的标志性肠道菌群，探索这些肠道菌群与机体生理和病理变化之间的潜在联系，以评估脓毒症急性肺损伤患者的菌群紊乱状态，为进一步肠道菌群导致肺部感染的机制研究肺部感染如何影响肠道功能奠定基础。
-
目前对于脓毒症急性肺损伤的研究多停留在动物实验，只能针对某些炎性因子、某些靶点或信号通路进行单中心研究[35-37]；临床患者样本收集量少，检测时间点单一，导致临床对该病的早期诊断受到限制，不能对病情的严重程度进行精准分级。
-
综上所述，脓毒症肺损伤的发生发展是一个复杂的网络，免疫状态、代谢水平的改变、基因表达水平的异常等诸多因素都会影响着患者生命体特征的改变。微生物组学、代谢组学等多组学的研究方法不仅在脓毒症急性肺损伤早期诊断、机制研究、确定致病靶点起到推动作用，也为脓毒症基础科学和精准医学研究提供了新的思路。
-
参考文献
-
[1] Singer M,Deutschman CS,Seymour CW,et al.The third international consensus definitions for sepsis and septic shock(sepsis-3)[J].JAMA,2016,315(8):801-810.
-
[2] Miyashita T,Ahmed AK,Nakanuma S,et al.A three-phase approach for the early identification of acute lung injury induced by severe sepsis[J].In Vivo,2016,30(4):341-349.
-
[3] Fleischmann C,Scherag A,Adhikari NKJ,et al.Assessment of global incidence and mortality of hospital-treated sepsis.current estimates and limitations [J].Am J Respir Crit Care Med,2016,193(3):259-272.
-
[4] 贺志维,徐昉.维生素代谢组学在ARDS中应用的研究进展[J].中华危重病急救医学,2021,33(10):1262-1265.
-
[5] Jawad I,Lukšič I,Rafnsson SB.Assessing available information on the burden of sepsis:global estimates of incidence,prevalence and mortality[J].J Glob Health,2012,2(1):010404.
-
[6] Xie JF,Wang HL,Kang Y,et al.The epidemiology of sepsis in Chinese ICUs:a national cross-sectional survey[J].Crit Care Med,2020,48(3):e209-e218.
-
[7] 张宇,卢笑晖,连新宝.脓毒症急性肺损伤的发生机制及治疗研究进展[J].解放军医学杂志,2021,46(11):1159-1164.
-
[8] 张芮豪,夏金根,詹庆元.脓毒症并发急性呼吸窘迫综合征的危险因素及预测评分研究进展 [J].解放军医学杂志,2020,6(12):1309-1314.
-
[9] Yao YM,Zhang H.Better therapy for combat injury [J].Mil Med Res,2019,6(1):23.
-
[10] Lacy P.Metabolomics of sepsis-induced acute lung injury:a new approach for biomarkers [J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2011,300(1):L1-L3.
-
[11] Spratlin JL,Serkova NJ,Eckhardt SG.Clinical applications of metabolomics in oncology:a review [J].Clin Cancer Res,2009,15(2):431-440.
-
[12] Guan S,Jia BJ,Chao K,et al.UPLC-QTOF-MS-based plasma lipidomic profiling reveals biomarkers for inflammatory bowel disease diagnosis[J].J Proteome Res,2020,19(2):600-609.
-
[13] 林逢雨,李毅,宋超,等.急性呼吸窘迫综合征的代谢组学研究进展[J].中华危重症医学杂志(电子版),2021,7(1):71-75.
-
[14] 段晓媛,许巍.急性呼吸窘迫综合征的代谢组学研究进展[J].中华危重病急救医学,2022,34(4):434-439.
-
[15] Su LX,Li H,Xie AM,et al.Dynamic changes in amino acid concentration profiles in patients with sepsis [J].PLoS One,2015,10(4):e0121933.
-
[16] 师莹莹.基于代谢组学和生物信息学的血必净注射液治疗脓毒症的药效学及机制研究[D].郑州:郑州大学,2019.
-
[17] LeGouëllec A,Moyne O,Meynet E,et al.High-resolution magic angle spinning NMR-based metabolomics revealing metabolic changes in lung of mice infected with P.aeruginosa consistent with the degree of disease severity [J].J Proteome Res,2018,17(10):3409-3417.
-
[18] 孙琅.万古霉素耐药肠球菌的分子特征及肠球菌感染小鼠代谢组学分析[D].北京：北京协和医学院,2016.
-
[19] Cui YQ,Liu SH,Zhang XJ,et al.Metabolomic analysis of the effects of adipose-derived mesenchymal stem cell treatment on rats with sepsis-induced acute lung injury [J].Front Pharmacol,2020,11:902.
-
[20] Lin SH,Fan J,Zhu J,et al.Exploring plasma metabolomic changes in sepsis:a clinical matching study based on gas chromatography-mass spectrometry [J].Ann Transl Med,2020,8(23):1568.
-
[21] Stringer KA,Younger JG,McHugh C,et al.Whole blood reveals more metabolic detail of the human metabolome than serum as measured by 1H-NMR spectroscopy:implications for sepsis metabolomics[J].Shock,2015,44(3):200-208.
-
[22] Ley RE,Peterson DA,Gordon JI.Ecological and evolutionary forces shaping microbial diversity in the human intestine [J].Cell,2006,124(4):837-848.
-
[23] Wypych TP,Wickramasinghe LC,Marsland BJ.The influence of the microbiome on respiratory health [J].Nat Immunol,2019,20(10):1279-1290.
-
[24] Venkataraman A,Bassis CM,Beck JM,et al.Application of a neutral community model to assess structuring of the human lung microbiome[J].mBio,2015,6(1):e02284-e02214.
-
[25] 刘玉婷,郝微微,温红珠,等.肠道菌群的检测方法及研究进展 [J].世界华人消化杂志,2016,24(20):3142-3148.
-
[26] Prescott HC,Dickson RP,Rogers MAM,et al.Hospitalization type and subsequent severe sepsis [J].Am J Respir Crit Care Med,2015,192(5):581-588.
-
[27] Kaakoush NO,Day AS,Huinao KD,et al.Microbial dysbiosis in pediatric patients with Crohn’s disease[J].J Clin Microbiol,2012,50(10):3258-3266.
-
[28] Fan E,Brodie D,Slutsky AS.Acute respiratory distress syndrome:advances in diagnosis and treatment[J].JAMA,2018,319(7):698-710.
-
[29] Hilty M,Burke C,Pedro H,et al.Disordered microbial communities in asthmatic airways[J].PLoS One,2010,5(1):e8578.
-
[30] 邵瑞飞,杨艳,郑志榕,等.肠道菌群和“肠-肺”轴在脓毒症中的作用[J].基础医学与临床,2020,40(8):1109-1112.
-
[31] Mathieu E,Escribano-Vazquez U,Descamps D,et al.Paradigms of lung microbiota functions in health and disease,particularly,in asthma[J].Front Physiol,2018,9:1168.
-
[32] Dickson RP,Singer BH,Newstead MW,et al.Enrichment of the lung microbiome with gut bacteria in sepsis and the acute respiratory distress syndrome [J].Nat Microbiol,2016,1(10):16113.
-
[33] Dang AT,Marsland BJ.Microbes,metabolites,and the gut-lung axis[J].Mucosal Immunol,2019,12(4):843-850.
-
[34] Wardill HR,Secombe KR,Bryant RV,et al.Adjunctive fecal microbiota transplantation in supportive oncology:emerging indications and considerations in immunocompromised patients[J].EBioMedicine,2019,44:730-740.
-
[35] Zheng LZ,Su JM,Zhang ZY,et al.Salidroside regulates inflammatory pathway of alveolar macrophages by influencing the secretion of miRNA-146a exosomes by lung epithelial cells[J].Sci Rep,2020,10(1):20750.
-
[36] Chen S,Ding RY,Hu ZW,et al.MicroRNA-34a inhibition alleviates lung injury in cecal ligation and puncture induced septic mice[J].Front Immunol,2020,11:1829.
-
[37] Qiang ZZ,Dong H,Xia YY,et al.Nrf2 and STAT3 alleviates ferroptosis-mediated IIR-ALI by regulating SLC7A11 [J].Oxid Med Cell Longev,2020,2020:5146982.
-
摘要
脓毒症是临床常见的严重并发症，肺部是脓毒症易损伤的靶器官，急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合症（ALI/ARDS）是脓毒症患者常见的严重并发症，其发病机制复杂，发生率和死亡率很高。目前传统的诊断方法在临床实际应用中仍具有较大挑战和局限性，近年来，多组学技术广泛应用于脓毒症生物学标志物的筛选及建立中。本文对脓毒症急性肺损伤在代谢组学和微生物组学方面的研究进展进行综述。