综述：结核病代谢组学中的动物模型：当前证据的系统评价与转化相关性之路

《Frontiers in Molecular Biosciences》：Animal models in tuberculosis metabolomics: a systematic review of current evidence and the road to translational relevance

本综述系统评价了动物模型在结核病（TB）代谢组学研究中的应用现状，指出其虽能部分复现人类TB的关键代谢特征（如氨基酸、谷胱甘肽和一碳代谢通路紊乱），但在代谢物水平重叠度低（仅4.7%）。文章强调物种差异、样本基质、感染方案和分析方法等因素影响结果可比性，呼吁未来研究需扩大模型使用、标准化协议并采用整合多组学方法以提升动物模型的转化价值。

　　

1 引言

尽管全球持续努力，由结核分枝杆菌（Mtb）引起的肺结核（TB）仍然是一个重大的健康挑战。深入了解TB的潜在生物学机制及其个体间差异，对于改进疾病检测和深化对TB发病机制的理解至关重要。

组学方法（包括基因组学、蛋白质组学、转录组学和代谢组学）已被广泛应用于研究TB的复杂生物学机制。代谢组学涉及生物基质（如血液、尿液或组织）中小分子代谢物的系统识别和定量，反映了机体当前的生理状态。由于其与表型的强相关性，代谢组学越来越多地用于疾病表征。

然而，代谢组学数据因高生物变异性而难以解释。年龄、性别、饮食、合并症、微生物组组成、昼夜节律和压力等因素均可影响代谢物水平。动物模型在严格控制实验条件下，通过标准化疾病严重程度、环境影响、遗传、年龄和营养等因素，能够实现更一致和可重复的研究。

动物模型已广泛用于TB研究，以研究疾病的各个方面，包括发病机制、潜伏期、治疗效果和疫苗接种。然而，其在TB代谢组学中的应用仍在发展中，仅有有限数量的基于动物模型的研究专注于表征TB诱导的宿主代谢组变化。动物模型中的代谢组改变可能由于物种差异和TB病理学的变异而与人固有不同。因此，研究这些模型是否能准确反映人类在Mtb感染期间的代谢反应尤为重要。

本综述旨在总结和评估迄今为止动物模型在TB代谢组学中的应用，特别关注这些模型中TB诱导的代谢物谱在多大程度上反映了人类活动性肺结核中观察到的宿主代谢变化。

2 方法

2.1 数据来源与搜索策略

系统检索了PubMed、Web of Science和Scopus数据库，遵循PRISMA指南。搜索未设语言或日期限制。手动筛选了纳入出版物和相关综述的参考文献列表以获取额外研究。

2.2 资格标准

纳入截至2025年7月2日以英文发表的原始研究。合格的研究设计包括队列研究、病例对照研究和横断面研究。研究需使用代谢组学调查任何药物敏感Mtb菌株引起的肺部感染在有症状的人类和/或动物宿主中导致的代谢组改变。排除了仅关注潜伏性TB感染（LTBI）、耐多药结核病（MDR-TB）、治疗反应、合并症、肺外结核或疫苗开发的研究。仅考虑体内生物样本基质。

2.3 筛选与研究选择

两名评审员独立进行数据库搜索和研究筛选。根据资格标准对标题和摘要进行筛选，并对无法确定的研究进行全文筛选。分歧通过讨论解决。

2.4 数据提取与质量控制

使用结构化表格提取数据。将所有报告的差异代谢物名称针对人类代谢组数据库（HMDB）进行命名统一。使用改编的QUDOMICS工具和STAIR工具对所有纳入研究进行质量和偏倚风险评估。

2.5 数据合成与分析途径

数据手动提取并使用Microsoft 365平台和R软件处理。采用三阶段分析策略：首先总结一般研究特征；其次，使用MetaboAnalyst 6.0对每个模型和样本基质进行通路分析；第三，解读特定代谢物变异在活动性肺结核背景下的潜在生物学和转化相关性。

3 结果

3.1 搜索结果

初始搜索识别出808篇出版物，去除重复项并初步筛选后剩余290篇。通过手动筛选参考文献增加22篇，共312篇进行进一步筛选。最终80项研究符合资格标准。

3.2 质量评估结果

质量评估显示大多数研究为中等质量（n=54），部分为高质量（n=26），无低质量研究。人类研究的参与者人数从3到694不等，动物研究的样本量较小（6至40）。动物研究普遍缺乏样本量计算的透明度。

3.3 搜索产生的数据

3.3.1 一般研究特征

基于作者 affiliation，大多数研究贡献来自中华人民共和国（PRC），其次是美国（USA）、南非和印度。纳入的71项（88.8%）研究涉及人类参与者，9项（11.3%）使用动物模型。组间比较主要分为TB与健康对照（HC）和TB与非TB组。

3.3.2 研究模型特征

人类参与者主要集中在18-59岁年龄组，大多数研究（84.5%）包括男性和女性。动物研究中，小鼠是主要物种（66.7%），其次是豚鼠（22.2%）和牛（11.1%）。小鼠模型中，C57BL/6品系最常用。动物感染特征（如Mtb菌株、剂量、感染途径和持续时间）存在显著差异。

3.3.3 代谢组学研究流程

大多数研究（71.4%）采用非靶向代谢组学方法。最常用的分析平台是液相色谱-质谱联用（LC-MS，51.2%），其次是气相色谱-质谱联用（GC-MS，27.9%）和核磁共振（NMR，16.3%）。最常用的样本基质是血液（血清28.6%，血浆17.6%），其次是尿液（12.1%）和组织（16.5%）。

3.3.4 TB诱导的差异代谢物

共捕获7,770个差异代谢物条目。人类研究贡献6,924个条目，对应3,657个独特代谢物。动物模型研究贡献828个条目，对应417个独特代谢物。人类与动物模型研究中报告的差异代谢物重叠有限，仅172个（4.7%）人类代谢物也在动物模型中被报道。小鼠肺组织重叠度最高（3.8%）。

通路分析揭示了人类和动物模型中一致紊乱的代谢通路，包括：1）丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢；2）精氨酸生物合成；3）甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢；4）谷胱甘肽代谢；5）乙醛酸和二羧酸代谢；6）叶酸一碳池代谢。

尽管在显著通路中检测到重叠，但这些共享通路内代谢物变化的方向并非在所有研究中都保守。

4 讨论

4.1 物种特异性观察

比较分析表明存在一些对Mtb感染的保守代谢反应。通路分析显示，跨研究模型一致观察到循环氨基酸水平降低，特别是在丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢中。所有研究模型中叶酸一碳池代谢的一致紊乱，以及豚鼠和小鼠中与人类研究相似的精氨酸生物合成和谷胱甘肽代谢紊乱也被发现。小鼠组织中观察到组织特异性改变。

在动物模型中，小鼠似乎与人类在紊乱通路上重叠度最高。代谢物特异性变异进一步强调了重要的种间差异。

4.2 基于不同组间比较的差异

动物模型研究通常比较Mtb感染动物与HC，这有助于理解TB过程。人类研究通常包括TB患者与HC或非TB个体的比较。值得注意的是，在不同对照组（即HC与非TB）之间的比较中经常观察到相反的趋势。非TB人群固有的异质性可能会混淆解释。

4.3 由诱导的Mtb感染方案引起的变异

Mtb本身的感染特征是动物模型研究中的重要考虑因素。尽管动物物种、品系和Mtb感染菌株存在差异，但仍观察到一些保守的代谢物反应。然而，所使用的感染菌株仅代表了公认的Mtb谱系中的两个，这引发了关于其代表性的担忧。感染途径、持续时间和剂量是影响观察到的代谢反应的额外变量。

4.4 代谢组学工作流程变量

除了物种差异，样本基质的选择对观察到的TB代谢特征有显著影响。与人类研究相比，动物模型研究中使用的样本基质多样性有限。然而，动物模型提供了使用组织样本（尤其是肺组织）的优势。某些通路似乎仅在特定样本基质中发生改变。代谢组学方法和分析平台的选择也显著影响动物模型中检测到的代谢物。

4.5 动物模型选择：优势、局限性与未来前景

动物模型在TB代谢组学中应用有限的因素包括许多动物模型的转化相关性挑战，以及后勤和实际限制。尽管存在挑战，动物模型的选择仍然是代谢组学结果的关键决定因素。小鼠模型具有实际优势，但关键限制是无法完全复现人类TB病理学。豚鼠对Mtb更易感，并发展出与人类TB病理学密切相似的肉芽肿。牛模型具有高度转化性，但大规模使用受到限制。未来的研究需要探索替代动物模型，并系统评估实验变量。除了选择和优化动物模型，样本基质和代谢组学方法的选择也至关重要。整合多组学方法有望提供更深入的见解。

5 结论

总之，这些发现表明动物模型能在一定程度上复现人类TB的关键代谢特征，尽管结果在很大程度上取决于物种、品系、样本类型和所选的代谢组学方法。尽管目前利用不足，这些模型在基于代谢组学的TB疾病表征方面具有相当大的潜力。本系统综述全面概述了动物模型在TB代谢组学疾病表征中的当前应用，并强调了推进这些模型走向转化相关性的关键考虑因素。