免疫球蛋白介导的食物过敏(FA)是一个主要的公共卫生问题，影响着大约10%的婴儿和2-4%的学龄儿童。牛乳过敏(CMA)通常在婴儿和幼儿中引起FAs。相当大比例的致敏个体对可疑食物耐受而不出现过敏症状；这种现象称为致敏耐受。致敏耐受表型背后的免疫原性和代谢特征在很大程度上仍不清楚。

2024年2月，浙江工商大学傅玲琳教授团队在J ALLERGY CLIN IMMUN(IF=14.2)上发表了题为“Metabolomics identifies phenotypic biomarkers of amino acid metabolism in milk allergy and sensitized tolerance”的文章。通过对30例临床IgE介导的牛乳过敏(MA)，20例牛乳致敏耐受(MST）的儿童和21例健康儿童的血清代谢和免疫学特征进行了研究，并在独立队列中结合非靶向代谢组学和靶向验证，确定候选代谢物为食物过敏的表型和诊断生物标记物，为儿童过敏的病理机制提供了洞察力，并提出了潜在的治疗靶点，其中非靶向代谢组和靶向氨基酸代谢物检测服务由诺禾致源提供。

研究思路

研究结果

1. 代谢组可以从致敏耐受性中区别出IgE介导的牛乳过敏

通过对MA组(n=30)、MST组(n=20)和非致敏、非特应性HC组(n=21)三组的血清样本的非靶代谢组检测，共测得763种化合物，主要包括类脂和类脂分子、有机酸及其衍生物等。非监督主成分(PCA)分析中，QC聚集，各重复间相关性系数高，也说明数据质量高。为了评估样本组之间的差异，使用偏最小二乘法（PLS-DA）建模，PLS-DA分析显示各组之间明显分离，证实了模型的有效性和预测的准确性(图2A)。非监督分层聚类分析进一步揭示了各组之间的不同代谢模式，MA和MST组聚集在一起并且与HC组分开(图2B)。两两比较为MA组与MST组和HC组之间的代谢差异提供了额外的证据(图2C)。结果证实了与FA和致敏耐受性明显相关的代谢特征，且可以将MA组与非过敏组区分开来。

图1 非靶代谢检测分析

2. MA和致敏作用通过扰动的精氨酸-脯氨酸-谷氨酸相互作用来表征

将MA与MST、MST与HC、MA与HC的两两比较中，分别鉴定了32、79和95个差异表达的代谢物(DEM)。最显著的DEM是脂代谢物、有机酸及其衍生物(主要是氨基酸和多肽, 图3A)。MA和MST 组之间比较发现MA组中有32种特有的代谢产物，其中11种DEM在MA组种下调（HA.vs HC.）, 说明代谢特征的共同变化导致过敏。通路分析显示，MA或致敏耐受个体中独特的代谢途径受到干扰，MST组与MA组和HC组相比，氨基酸代谢、丁酸代谢、牛磺酸代谢等通路被富集(图3B)，且谷氨酸、4-氨基丁酸(GABA)和亚精胺为这些通路中所涉及的DEM，它们参与精氨酸、脯氨酸代谢和谷胱甘肽代谢：L-精氨酸是L-鸟氨酸合成多胺的前体，也通过提供谷氨酸促进L-脯氨酸和γ-氨基丁酸的生物合成(图3D)。在三个组别中部分代谢物间的相关系数较强(例如，r精氨酸与谷氨酸, 图3E-F)。与HC组相比，MA组精氨酸表达量显著降低, 精胺表达量显著升高。与MA组相比，MST组中脯氨酸、谷氨酸和GABA水平显著升高(图3C)。尤其是谷氨酸和γ-氨基丁酸能将两组进行区别(图3G)。多重细胞因子分析进一步揭示了在MA和MST组中差异表达的10种细胞因子，其中大多数与谷氨酸和GABA水平密切相关(图3H)。相反，只有两种细胞因子(IL-9和PDGF-BB)在MA组(与HC+MST组相比)有差异表达，且它们与候选代谢物之间的相关性较差。

图2 不同组别比较的差异代谢物及代谢通路分析

3. MA的多敏化表型与色氨酸代谢异常有关

MA组进一步分为单敏化(MA_mono，n=14)和多敏化(MA_Poly，n=12)表型。在患有CMA的儿童中，MA_Poly组的总IgE水平高于MA_Poly组，但牛奶sIgE水平相似(图4A)。代谢物组确定了亚组之间的58个DEM。非监督等级聚类将MA组分层为两个类似于敏化表型的子簇(图4B)。KEGG途径分析表明，MA_Poly 和MA_mono相比，色氨酸代谢是最丰富的途径。值得注意的是，色氨酸代谢中的几个关键代谢物在MA_Poly亚组中有个显著下调，包括犬尿氨酸、5-羟色胺和吲哚途径中的那些(图4C)。

图3 MC多敏化表型的代谢途径分析

4. 代谢组学研究结果的独立验证

通过一个独立的队列进行绝对定量验证。与HC组相比，MA组的血清精氨酸含量显著降低，而MST组与HC组相比的谷氨酸水平显著升高，而Pro水平则趋于高于MA组(图5B)。使用精氨酸、谷氨酸或它们的组合作为标记物，在区分MA和MST儿童方面显示出比牛奶特异性免疫球蛋白E更好的区分能力(图5C)。然而，尽管精氨酸和谷氨酸是通过质谱检测的，但它的浓度太低，无法量化。因此，精氨酸和谷氨酸是准确诊断敏感者MA的潜在的生物标志物。此外，在MA_Poly亚组中观察到较高浓度的色氨酸及其下游代谢物(犬尿氨酸和吲哚-3-醋酸)浓度较低(图5D)。

图4 独立队列的绝对定量验证分析

研究总结

该研究通过收集牛乳过敏、敏感耐受和健康儿童的血清样本，利用非靶代谢组学筛选与不同牛乳过敏表型有关的生物学标志物。分析发现精氨酸、脯氨酸及谷胱甘肽代谢在不同牛乳过敏表型患者中有显著差异，精氨酸通过多胺途径代谢并促进谷氨酸的合成在抑制IgE-介导的牛乳过敏反应中有重要作用；且患有CMA儿童的疾病负担与色氨酸代谢通路有关。该结果在独立队列（n=41）中得到了进一步验证。其为食物过敏及其表型的免疫学机制研究开启了新思路，并为过敏性疾病的干预治疗以及特殊人群的膳食模式需求提供重要参考。

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参考文献

Zhang, Qiaozhi et al. “Metabolomics identifies phenotypic biomarkers of amino acid metabolism in milk allergy and sensitized tolerance[J].”The Journal of allergy and clinical immunology, S0091-6749(24)00293-8. 24,2024.