新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）引起的肺炎（COVID-19）疫情已被世衛組織列為全球性重大流行?。ɡ塾嬎劳鼋?00萬），迫切需要行之有效的治療方案。研究表明，由促炎性細胞因子/趨化因子大量分泌所致的細胞因子風暴（CRS）是引起多器官損傷/功能衰竭等不良預后的重要因素；而靶向CRS的免疫療法為COVID-19治愈提供潛在可能性。因此，深入探究COVID-19患者體內CRS驅動因素及其發生機制具有重要臨床意義。

今年3月，重慶醫科大學感染性疾病分子生物學教育部重點實驗室黃愛龍教授課題組與清華大學藥學院胡澤平教授課題組在Nature Communications上在線發表了題為“Integrated cytokine and metabolite analysis reveals immunometabolic reprogramming in COVID-19patients with therapeutic implications”的研究論文。作者利用代謝組學和炎癥因子整合分析，發現COVID-19患者外周血代謝物與細胞因子/趨化因子間具有強相關性，進一步揭示了重癥新冠肺炎感染患者代謝紊亂與炎癥反應過度激活相關。此外，作者利用恒河猴模型證實干預精氨酸、色氨酸或嘌呤代謝可以有效抑制新冠病毒感染所致的PBMC細胞中炎癥因子釋放。

【研究材料】
? 健康人血清：17例
? 輕型新冠患者血清（14例入院1-18天患者；7例連續隨訪患者）
? 重癥新冠患者血清：23例入院1-18天患者
? 非新冠病毒感染的急性上呼吸道感染者血清：20例

【技術方法】
非靶代謝組學、靶向代謝組學、細胞因子/趨化因子分析

【實驗方法】
? 臨床檢測：COVID-19患者的臨床信息和血清細胞因子分析
? 組學檢測：COVID-19患者血清樣本的代謝譜分析
? 相關性分析1：細胞因子釋放與COVID-19患者代謝紊亂的相關性
? 相關性分析2：輕度COVID-19隨訪患者的縱向代謝物與細胞因子的相關性
? 動物實驗：調節代謝對PBMCs離體細胞因子釋放的影響

主要研究結果
1. 臨床檢測：COVID-19患者的臨床信息和血清細胞因子分析
作者對COVID-19患者隊列（包含17名健康對照、14名輕度和23名重度感染者）及7名輕度患者獨立隨訪隊列進行臨床信息收集和細胞因子分析：臨床信息結果顯示重癥患者中，淋巴細胞計數顯著減少，C反應蛋白（CRP）、丙氨酸氨基轉移酶（ALT）、天冬氨酸氨基轉移酶（AST）、直接膽紅素（DBIL）和葡萄糖顯著增加，與先前結果一致。

細胞因子分析顯示，細胞因子/趨化因子在COVID-19患者中顯著升高，其實IL-6、IL-1β、IL-10、IL-18和IFN-γ在內的CRS相關細胞因子表達與感染嚴重程度相關，表明COVID-19感染會導致廣泛而強烈的炎癥反應。

2. 組學檢測：COVID-19患者血清樣本的代謝譜分析
作者對上述樣本進行靶向和非靶向代謝組學分析，其中靶向鑒定到134種代謝物、非靶向鑒定到155種代謝物，其中有36種趨勢一致，并且與疾病嚴重程度相關。
接著，作者對20例非COVID-19疾病上呼吸道感染患者的血清樣本進行靶向代謝組學分析，發現與COVID-19感染者具有顯著差異，表明COVID-19患者具有獨特的代謝紊亂。
為進一步明確COVID-19患者體內的代謝改變情況，作者通過富集分析發現輕度和重度患者中初級膽汁酸的生物合成、氨基酸代謝和核酸代謝發生顯著擾動，而煙酸和煙酰胺代謝、色氨酸代謝和檸檬酸循環等幾種代謝途徑僅在重癥患者中發生改變。有趣的是，與疾病嚴重程度密切相關的代謝物大多與嘌呤代謝、色氨酸代謝和精氨酸代謝相關。

圖3. 輕度和重度COVID-19患者血清樣本的代謝譜分析

3. 相關性分析1：細胞因子釋放與COVID-19患者代謝紊亂的相關性
接著，作者調整年齡和性別后，利用線性回歸分別對輕度和重度患者的細胞因子和代謝物進行獨立相關性分析。結果顯示，輕度患者的代謝途徑失調與多種細胞因子（IL-15、IL-10、IL-2RA）高度相關；重度患者中代謝途徑失調與多種重要炎癥因子（IL-6、IP-10、IL-8、M-CSF、IL-1α）之間存在緊密的相關性。
值得注意的是，從輕度到重度患者，包括IL-6、IP-10和M-CSF在內的炎性細胞因子與代謝物的相關性增加。接著，作者重點關注了重癥患者的代謝物與CRS相關炎性細胞因子的相關性，發現IL-6、M-CSF、IP-10、GM-CSF、IL-18、IL-1α和IL-1β等14種炎性細胞因子與精氨酸代謝，色氨酸和NAD+的代謝產物密切相關。
以上結果提示這些代謝途徑紊亂與COVID-19患者中過度炎癥密不可分。

圖4. COVID-19患者血清中代謝物與細胞因子的相關性分析

4. 相關性分析2：輕度COVID-19隨訪患者的縱向代謝物與細胞因子的相關性
為確定新冠病毒感染后縱向代謝物與細胞因子間動態相關性，作者對癥狀發作后4-36天住院的輕度患者的代謝產物和細胞因子數據進行C均值聚類分析。
結果顯示，上述數據被分成4個主要的縱向軌跡簇：癥狀發作時，簇1中富集分子驟增，但在住院期間逐漸下降；簇2中分子在癥狀發作時急劇下降，并在隨后保持穩定；簇3分子保持穩定，在晚期出現延遲升高；簇4中分子逐漸升高后逐漸下降。
接著，作者對富集于4個簇的代謝物進行表征，發現精氨酸、鳥氨酸、色氨酸、谷氨酸、脯氨酸和嘌呤代謝中間產物（肌酐和腺嘌呤）呈上升趨勢，而犬尿氨酸、瓜氨酸呈下降趨勢。
相關性分析顯示：1）精氨酸代謝的中間體與促炎細胞因子（IL-6、M-CSF、MIP-1β）高度相關；2）犬尿氨酸與包括IP-10，MCP-3和M-CSF在內的促炎細胞因子呈正相關，而色氨酸與MIP-1α呈負相關；3）嘌呤代謝中大部分中間體與大多數促炎性細胞因子呈負相關。
總體而言，作者證實住院輕度患者的縱向代謝物與細胞因子以及臨床康復情況存在相關性。

圖5. 輕度COVID-19患者的縱向軌跡和代謝物-細胞因子的相關性分析

6. 動物實驗：調節代謝對PBMCs離體細胞因子釋放的影響
上述數據證實細胞因子與代謝物之間的強相關性，作者擬通過動物實驗進一步明確干預上述代謝途徑（精氨酸代謝、色氨酸代謝和嘌呤代謝）是否可以調節細胞因子分泌。作者利用SARS-CoV-2感染獼猴模擬臨床COVID-19患者過度炎癥反應狀態，并分離其PBMC細胞進行體外干預實驗。結果表明補充代謝物精氨酸或加入色氨酸代謝抑制劑（Epacadostat）及嘌呤代謝相關抑制劑（霉酚酸）可顯著抑制SARS-CoV-2誘導的PBMC細胞促炎因子釋放。此外，作者在PBMC中加入混合的促炎細胞因子后部分代謝物增加，表明代謝重編程過程中至少部分由SARS-CoV-2感染介導的細胞因子增加所引發。

圖6. 靶向代謝調節PBMC體內模式下細胞因子的釋放

小結
本研究作者通過對新冠肺炎（COVID-19）患者血清進行代謝組學和炎癥因子整合分析，發現患者體內代謝重塑與炎癥反應之間具有一定相關性，特別在重癥患者中兩者密切相關且相互作用。此外，作者利用非人靈長類動物（恒河猴）感染模型，證實干預精氨酸、色氨酸或嘌呤代謝能夠顯著緩解CRS。該研究為新冠肺炎病毒感染引起CRS的內在機制提供新的見解，并提示干預代謝重塑過程或可作為新冠肺炎感染患者的治療新策略。