非靶向代谢组学-经典案例-诺禾致源

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非靶向代谢组学

客户文章（IF 32+）/多组学揭秘血液生态系统的奥秘

一、研究背景

血液是健康的根本之源。血液中不同的血细胞、微环境细胞、血浆各成分间复杂而高度协调的相互作用，是维持组织器官之间互作的信息纽带，这与成熟的地球生态及海洋生态的系统理念相似，因此作者认为血液系统也是一种生态，而血液生态的失衡也成为感染及各种其他系统性疾病发生发展的重要根源。对于新冠这样的系统性疾病血液生态观研究也就至关重要，这也正式开启了血液生态系统的研究的大门。随着研究体系不断优化，更多前沿组学技术的整合和生物信息学方法的完善，也为血液生态系统将在各种系统性疾病的研究发挥着及其重要的作用。
2023年5月16日，中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）王洪、程涛、朱平、周家喜课题组，联合西湖大学郭天南、南开大学沈中阳及天津大学王西墨，共同在Immunity（IF=32.4）在线发表了题为“ Multi-omics blood atlas reveals unique features of immune and platelet responses to SARS-CoV-2 Omicron breakthrough infection”的研究论文。该研究通过对转录组、蛋白质组、代谢组和免疫组库等系统性解析，揭示了Omicron感染者的血液生态系统，其中本研究中非靶向代谢组学，单细胞转录组等检测服务由诺禾致源提供。

图1 SARS-CoV-2奥密克戎患者血液生态系统多组学研究设计

二、研究思路

三、研究结果

1.血浆蛋白质组和代谢组分析
作者对Omicron患者和健康对照者进行了血浆蛋白质组学和代谢组学分析，定量了803个蛋白和546个代谢物。蛋白质组学和代谢组学数据分析显示，轻度和中度患者的差异不显著（图2）。然而，健康组、急性感染组和康复组的差异显著，比较发现有476个差异蛋白（DEP）和447个差异代谢物（DEM）。差异表达代谢物和差异表达蛋白的均匀流形近似和投影（UMAP）可视化显示，对不同疾病阶段的分类和聚类具有较高的准确性。Omicron疾病的不同阶段检测到血小板相关反应，DEM和DEP的联合分析再次确定了与血小板活化等途径的显著关联。总体研究表明血小板在Omicron感染者中发挥着关键作用。图2 血浆蛋白质组和代谢组分析揭示Omicron患者明显的血小板相关失调
2.血小板蛋白质组和转录组分析
为了剖析Omicron突破性感染中血小板功能的分子机制，作者从新冠肺炎患者和健康对照中分离血小板，进行平行蛋白质组和RNA-seq的转录组分析（图3），定量了4804个血小板蛋白。使用Mfuzz将鉴定的415个DEP分为四簇。每簇分别在不同的代谢途径中富集，其中簇4蛋白（如：IFIT1、IFIT5和PARP14）在恢复正常水平之前迅速增加，显示出抗病毒免疫的特征，表明了血小板可能在宿主对Omicron突破性感染的快速反应中发挥强大的免疫支持作用。分析结果表明，血小板在急性Omicron突破性感染期间可能具有抗病毒能力。
对健康对照组和感染原始菌株或Omicron菌株患者的转录组测序分析（图3）。Omicron组与感染原始菌株患者相比，1083个差异表达的血小板基因中，有943个基因表达减少。与SARS-CoV-2 感染患者相比，在Omicron感染期间与止血、血小板活化和伤口愈合为特征的血小板促凝特征相关的基因表达较低。结果揭示了原始COVID-19患者的血小板促血栓形成特征更强，进而造成严重的微血栓形成和多器官衰竭，而Omicron患者的血小板表现出更强的抗病毒免疫特征，表明血小板可能参与了感染急性期的免疫反应。图3 血小板蛋白质组和转录组分析显示Omicron菌株感染下免疫特征增强，血栓形成减少
3.多组学整合揭示了宿主反应动力学的前景
研究者通过MOFA整合了来自102个标本的4组数据集，并进一步解剖其临床相关性以获得生物学观点。接下来，作者通过与主要临床参数的相关性评估了这些因素的临床相关性。Omicron菌株感染期与前15个因素的相关性最大，证实了疾病期是血液生态系统变异的主要原因。基于不同奥密克戎期样本的因子值，可将Omicron感染阶段的广泛分子变化分为三组：分别为急性反应（AR）、持续反应（PR）和恢复期反应（CR）。后通过对最高加权转录本、蛋白质、代谢物的通路分析，进一步探讨了不同组学数据集中三组疾病期相关因子的生物学功能。Omicron菌株感染会产生两波宿主反应：首先是感染早期血小板参与了宿主对应激反应的准备，包括适应性免疫信号的快速激活以及血小板中干扰素增强刺激的抗病毒信号；其次是恢复期宿主血液生态系统中存在的持久应激，在恢复期细胞对应激和缺氧的反应和活性氧的解毒作用明显；这为快速抑制病毒复制、减少对各种器官的系统损伤，并为全球范围内减弱病毒毒性机制提供了见解（图4）。图4 多组学整合揭示了宿主反应动力学的前景
4.单细胞转录组分析
为了剖析Omicron菌株感染不同严重程度和阶段的免疫失调，作者对急性期、急性期后、 1 个月随访阶段患者以及健康对照的 PBMC 的进行了单细胞转录组测序（图5），还进行了B细胞受体测序（BCR）和T细胞受体测序（TCR）。分析发现，与健康供体相比，Omicron患者PBMC细胞组成波动剧烈，且B细胞中的细胞数量和分子功能，以及血小板白细胞聚集体的丰度，在随访阶段仍然异常。
血小板和各种免疫细胞之间形成的聚集体表明，血小板可能以血小板-白细胞聚集体的形式调节对Omicron的免疫反应。作者通过体外测量血小板和免疫细胞之间的相互作用也证实了单细胞分析的结果。进一步通过细胞共培养试验及效应T细胞单细胞测序（有无血小板相互作用）分析，揭示血小板优先与白细胞形成聚集体，以调节免疫细胞功能，这表明在Omicron突破性感染期间存在非常规的免疫图谱（图5）。图5 Omicron患者外周血细胞的单细胞转录组分析对Omicron变体的免疫应答研究发现，B细胞和T细胞的免疫反应在急性期被强烈激活，但迅速减弱，与初始 SARS-CoV-2的患者在急性期和恢复期报告的高免疫反应不同。中度患者出院后免疫反应被重新激活（图6）。图6. 单细胞水平的Omicron变异的免疫应答分析
5.复阳性患者表现出BCR克隆减少、抗体水平降低和Omicron中和能力降低
BCR和TCR克隆扩增分析发现，在复阳性患者中BCR克隆减少，同时BCR和TCR库的多样性略有增加。复阳性患者表现出一代抗病毒抗体减少，但其潜在的分子机制仍不清楚。因此，BCR克隆减少可能是复阳性患者体液免疫受损的潜在的机制。进一步对复阳性和非复阳性个体的血清抗体水平和中和能力进行测量，结果证实了复阳性患者与非复阳性患者相比，对Omicron菌株的抗体水平和中和能力较低（图7）。
复阳成为对抗高传染性Omicron菌株策略中迫切解决的问题，因此，需要探寻能够预测复阳性高危患者的方法。作者使用随机森林算法，并整合临床指标、血浆蛋白质组和代谢组数据，开发了一个机器学习模型以预测再阳性的概率。首先，基于训练集进行特征选择，筛选出4个临床特征、4个血浆代谢物和10个蛋白质，且通过独创性路径分析构建的网络发现被选择的分子生物标志物是高度互联的。然后构建了三个单类随机森林模型，临床指标、代谢组和蛋白质组模型的ROC曲线得分分别为0.674、0.659和0.812。接下来又将阈值设置为35个样本重叠训练集中复阳性的比例，将3个单类模型进行集成，形成整合logistic模型，得到了更好的性能（AUC=0.855）。基于研究者的蛋白质组和整合模型，两个预测队列表现出较高的预测能力（图7）。图7.机器学习模型能准确预测免疫功能下降的复阳性患者

研究结论

虽然宿主对原始SARS-CoV-2毒株的反应得到了很好的解释，但Omicron变异株的反应却没有得到有效的解决。作者分析了SARS-CoV-2奥密克戎患者的1000多个血细胞或血浆样本的临床现象、转录组、蛋白质组、代谢组和免疫系统。并整合多组学分析了多个疾病阶段的宿主反应动力学，以揭示血液中的分子和细胞景观。在Omicron患者中检测到干扰素介导的血小板抗病毒特征增强，血小板优先与白细胞形成广泛的聚集体，以调节免疫细胞功能。此外，复阳性的患者显示，B细胞受体克隆、抗体生成和对抗Omicron的中和能力显著降低。最后，作者开发了一个机器学习模型，预测患者复阳性的可能性。该研究为激发研究系统性疾病和新出现的公共卫生问题的范式转变提供了新思路。

参考文献

Wang H, Liu C, Xie X, et al. Multi-omics blood atlas reveals unique features of immune and platelet responses to SARS-CoV-2 Omicron breakthrough infection. Immunity. 2023;56(6):1410-1428.e8.