文献解读 | 痰液代谢物检测可区分哮喘与慢阻肺

一、背景介绍

哮喘和慢性阻塞性肺疾病（COPD）是常见的两种慢性气道疾病，在老年人中常表现出相似症状，如咳嗽、咳痰及活动后气促，常用诊断方法主要依赖症状、肺功能检查及影像学，但在鉴别诊断存在挑战，比如难以区分哮喘患者出现的持续气流受限，或吸烟的COPD患者出现嗜酸粒细胞升高，因此临床需要客观且可量化的“分子级”鉴别工具。代谢组学和脂质组学能够在短时间内检测上千种代谢物和脂质，并通过多变量统计分析筛选出具有潜在临床价值的标志物，而诱导痰液（IS）作为一种相对无创、直接反映气道局部微环境的样本，适用于两种组学分析，避免了支气管镜检查的侵入性问题，为解决这一难题提供了思路。

 

二、材料方法

研究纳入了15名哮喘患者和22名COPD患者，采用受试者吸入4.5%的高渗盐水诱导痰液作为研究样本，收集后选取黏液部分以减少唾液污染，样本经DTT和蛋白酶处理，震荡、过滤、两次离心后分离上清液，-80°C保存。采用UHPLC-Q Exactive MS平台进行组学分析，流动相系统包含乙腈和乙酸铵的水相（A）与含异丙醇、乙腈和乙酸铵的有机相（B），质谱在正/负离子模式下全扫描，并结合数据依赖性二级质谱（dd-MS2）进行结构鉴定。仪器校准使用Pierce™标准溶液，每10次样品运行插入质控样本以确保稳定性。原始数据通过Compound Discoverer和LipidSearch软件进行处理，基于高分辨精确质量数、同位素模式、加合物识别及MS2碎片离子匹配KEGG、HMDB、ChEBI、ChEMBL等数据库，对代谢物和脂质进行鉴定；将代谢组和脂质组数据整合为统一数据集，采用双侧Student’s t检验分析峰强度差异，显著性阈值设为p < 0.05；多变量分析包括偏最小二乘判别分析（PLS-DA）、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）和层次聚类分析；箱线图由OriginLab软件所绘制；Spearman相关性分析评估显著差异代谢物与肺功能指标（FEV1、FEV1/FVC），以MetaboAnalyst进行ROC曲线分析，评估潜在标志物诊断效能。

 

三、结果讨论

研究发现哮喘与COPD患者的代谢和脂质存在明显分离，PLS-DA和OPLS-DA得分图清晰区分了差异，VIP评分图进一步筛选出关键差异化合物，结合热图和火山图分析，揭示了50个差异最显著的代谢物和脂质，其中COPD患者中18种化合物显著下调，包括精胺等多胺类物质，以及PE(34:1)等甘油磷脂，另有4种化合物显著上调，包括鞘磷脂SM(d18:1/16:0)等，提示在COPD患者中鞘脂代谢通路可能被激活。ROC曲线分析显示，精胺等单个化合物的AUC值接近0.8，表明其具有良好的区分能力，通过整合多个差异代谢物构建的累积ROC曲线AUC达到0.99，显示出极高的诊断准确性，具备转化为临床检测工具的潜力。Spearman相关分析表明，精胺等下调代谢物的水平与FEV1%、FVC%及FEV1/FVC比值呈显著正相关，说明这些代谢物可用于鉴别诊断，能反映气流受限的严重程度。通路富集分析指出，精氨酸-脯氨酸代谢和多胺合成通路在COPD患者中显著受抑，这与精胺、腐胺等物质的减少一致，同时甘油磷脂（如PE、PG）的下降提示细胞膜稳态和抗炎能力受损，而鞘磷脂（SM）上升可能与中性粒细胞炎症和氧化应激增强有关。

 

四、研究概括

研究通过对哮喘和COPD患者诱导痰液的组学分析，系统揭示了两种疾病在气道局部的分子代谢差异，比如COPD患者中多胺类物质显著下调，而鞘磷脂等部分脂质上调，可用于鉴别诊断，有助于解决“哮喘-COPD重叠”的鉴别难题。应用“代谢组+脂质组”具有明显便利之处，可实时反映病理生理状态，结合IS样本，规避了支气管镜的侵入性风险，通过多变量统计和机器学习方法，可将多个弱信号整合为强效诊断模型，具备良好的临床转化前景。  

 

五、结果展开

图像摘要：1. 样本采集：收集哮喘（n=15）与 COPD（n=22）患者的诱导痰（IS）；2. 样本前处理：用甲醇-乙腈-水提取代谢物与脂质，离心取上清；3. 数据获取：UHPLC-MS/MS 进行非靶代谢组学+脂质组学分析。4. 数据分析：采用多变量统计（PLS-DA/OPLS-DA）实现两组完全分离、通路富集明确差异代谢通路、ROC 曲线评估 22 种候选标志物（精胺、腐胺、PE 34:1、PG 18:1/18:2 等）的鉴别力、Spearman 相关分析验证其与肺功能（FEV₁、FVC）关联、构建由 22 种 IS 代谢物/脂质组成的“哮喘-COPD 鉴别标志物面板”。

 

图1. 显示多变量统计方法对哮喘与COPD患者的代谢组及脂质组数据进行分析。  

A. 显示偏最小二乘判别分析（PLS-DA）得分图。

B. 显示正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）得分图。

C. 显示VIP（Variable Importance in Projection）得分图。

 

图2. 显示哮喘与COPD患者代谢物及脂质水平差异。  

A. 热图展示两组前50种差异代谢物及脂质的相对丰度：红色表示在哮喘组升高，蓝色表示降低；行对应化合物，列对应样本。

B. 火山图显示两组显著差异物：蓝点表示COPD显著下调，红点表示COPD显著上调，灰点表示无显著差异。

 

图3. 主要差异化合物的箱线图分析。

箱线图展示了与哮喘患者相比，COPD患者中18种显著下调化合物的峰强度分布，组间比较采用Student t检验，显著性以星号标示。

 

图4. 显示4种主要差异化合物的箱线图比较，表示了与哮喘患者相比，COPD患者中4种显著上调化合物的峰强度分布。

 

 

图5. 显示4种具有统计学意义的差异化合物ROC曲线分析，A–D依次显示Spermine（精胺）、PE(34:1)（磷脂酰乙醇胺 34:1）、Putrescine（腐胺）、PG(18:1_18:2)（磷脂酰甘油 18:1/18:2）的ROC曲线。 

 

图6. 显示14种代谢化合物的ROC曲线分析。

A–N分别显示AcCa(4:0)（丁酰肉碱）、6-Hydroxykynurenic acid（6-羟基犬尿喹啉酸）、D-Rhamnose（D-鼠李糖）、Hexanoic acid（己酸 / 己酸）、LPG(18:1)（溶血磷脂酰甘油 18:1）、LPE(O-18:2)（醚键溶血磷脂酰乙醇胺 18:2）、LPE(18:1)（溶血磷脂酰乙醇胺 18:1）、L-Lysine（L-赖氨酸、PC(33:0)（磷脂酰胆碱 33:0）、PG(18:1_18:1)（磷脂酰甘油 18:1/18:1）、PG(16:1_18:1)（磷脂酰甘油 16:1/18:1）、Pentanoate（戊酸）、PE(36:3)（磷脂酰乙醇胺 36:3）、PC(38:3)（磷脂酰胆碱 38:3）。

O. 显示通过整合所有诊断代谢化合物所构建的累积ROC曲线。

 

图7. 显示代谢化合物与肺功能参数的Spearman相关性分析。

子图分别展示与FEV1(%)（A）、FVC(%)（B）和FEV1/FVC（C）相关性最显著的代谢物和脂质。x轴表示Spearman相关系数，y轴表示相关性的显著性水平。

 

图8. 显示哮喘与COPD患者诱导痰中水平显著变化的主要代谢通路及相关物质。

 

参考文献：

Correnti, S., Preianò, M., Gamboni, F. et al. An integrated metabo-lipidomics profile of induced sputum for the identification of novel biomarkers in the differential diagnosis of asthma and COPD. J Transl Med 22, 301 (2024).