高分辨质谱成像揭示表皮葡萄球菌通过多胺代谢调控宿主抵御甲型流感病毒的代谢特征

《Analytica Chimica Acta》：High-resolution mass spectrometry imaging reveals metabolic signatures of Staphylococcus epidermidis in host defense against Influenza A virus

本研究针对甲型流感病毒(IAV)感染机制不清及鼻腔菌群调控宿主代谢的难题，开展了基于大气压基质辅助激光解吸电离(AP-MALDI)和轨道阱二次离子质谱(OrbiSIMS)双平台成像的空间代谢组学研究，发现表皮葡萄球菌(S. epidermidis)通过下调肺组织多胺代谢显著抑制IAV复制，并首次揭示硫酸盐/亚硫酸盐代谢在抗病毒过程中的关键作用，为呼吸道感染的微生物-宿主互作机制提供了创新性见解，对病毒性疾病的代谢靶点发现具有重要推动意义。

　　

在全球公共卫生领域，甲型流感病毒(Influenza A virus, IAV)始终是重大威胁，每年感染高达35%的人口。呼吸道作为IAV感染的主要部位，其上皮细胞不仅是病毒入侵的门户，也是宿主防御的第一道防线。近年来，研究发现鼻腔共生微生物群，特别是表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis, S. epidermidis)，在预防呼吸道病毒感染方面展现出巨大潜力。先前研究表明，S. epidermidis可通过调节宿主蛋白（如炎症细胞因子和巨型细胞外基质结合蛋白）以及改变宿主细胞代谢环境来发挥抗病毒作用。尤其值得注意的是，鼻腔S. epidermidis竟然能够抑制肺组织中的IAV感染，暗示小分子代谢物可能通过气道从鼻腔扩散或运输至肺上皮细胞。

然而，传统的代谢组学研究方法，如液相色谱-质谱联用(LC-MS)技术，虽然能够全面分析组织代谢组，但需要组织匀浆化处理，导致失去组织表面的生理相关结构和宝贵的空间信息，包括代谢物的分布和定位。这种局限性阻碍了人们对宿主-微生物代谢互作机制的深入理解。

为了突破这一技术瓶颈，研究人员开创性地将两种高分辨质谱成像(Mass Spectrometry Imaging, MSI)技术——大气压基质辅助激光解吸电离质谱(AP-MALDI-MS)和轨道阱二次离子质谱(OrbiSIMS)相结合，对福尔马林固定石蜡包埋(Formalin-Fixed Paraffin-Embedded, FFPE)小鼠肺组织切片进行空间代谢组学分析。这项研究发表在分析化学领域权威期刊《Analytica Chimica Acta》上，首次揭示了鼻腔菌群通过调节肺部多胺代谢抑制IAV复制的分子机制。

研究人员采用C57BL/6J小鼠模型，通过抗生素处理清除原生鼻腔微生物组后，分别接种S. epidermidis和IAV，并设置多胺补充实验组。利用AP-MALDI-MS（正离子模式，质量分辨率140,000 at m/z 200）和OrbiSIMS（负离子模式，质量分辨率240,000 at m/z 200）双平台对FFPE肺组织切片进行空间代谢物分析，通过METASPACE平台进行代谢物注释，使用MSIReader进行数据标准化和区域选择，并通过MetaboAnalyst 6.0进行统计和通路富集分析。LC-MS/MS用于关键代谢物的结构确证。

质量 spectrometry imaging-based spatial metabolite profiling workflow for FFPE mouse lung sections

研究团队建立了双平台MSI工作流程，通过对健康对照组FFPE肺组织的连续切片分别进行分析，避免了离子耗尽或基质干扰。AP-MALDI-MS主要检测到654个质量离子，以小极性代谢物为主，如羧酸及其衍生物（占总类别的22.3%）；而OrbiSIMS检测到343个质量离子，对脂质类别如脂肪酰基（27.7%）具有更高的空间分辨率和灵敏度。两种技术的互补性显著扩大了代谢物覆盖范围，增强了生物学解释的可信度。

Spatial metabolite profiling of IAV and S. epidermidis mouse models

通过对IAV感染和S. epidermidis接种小鼠模型的MSI分析，研究发现两者均引起显著的代谢扰动。多元统计分析显示三种条件（对照组、IAV感染和S. epidermidis接种）之间存在明显分离。单变量分析鉴定出IAV感染肺组织中有47个显著改变的质量离子，S. epidermidis接种组中有73个。代谢通路分析表明，IAV感染显著影响亚精胺和精胺生物合成、甘油酯代谢以及硫酸盐/亚硫酸盐代谢；而S. epidermidis接种影响了类似通路，包括多胺代谢、嘌呤代谢和甘油酯代谢，提示病毒感染与共生微生物活性之间存在潜在的代谢交叉对话。

空间分布分析显示，多胺代谢发生显著改变：IAV感染肺组织中腐胺（1.44倍）、亚精胺（1.57倍）、精胺（1.88倍）和N-乙酰腐胺（1.37倍）水平升高，精氨酸水平降低（0.77倍）；而S. epidermidis接种组织中亚精胺（0.56倍）和精胺（0.01倍）耗竭。鉴于多胺对病毒基因组包装、复制和蛋白质翻译至关重要，这些发现表明S. epidermidis介导的多胺耗竭可能干扰IAV复制。

硫酸盐/亚硫酸盐代谢也受到显著干扰：IAV感染肺中硫酸盐水平升高，而在S. epidermidis模型中受到抑制。这与最近发现病毒操纵有机硫代谢和亚硫酸盐为病毒提供适应性优势的结果一致。对比性的硫酸盐/亚硫酸盐代谢可能呈现与S. epidermidis诱导的抗病毒活性相关的关键代谢途径。

3-磷酸甘油在IAV和S. epidermidis模型中均增加。先前研究表明流感病毒感染下调甘油酯合成。由于3-磷酸甘油是该途径的关键前体，其在IAV感染肺中的积累表明脂质生物合成受损，可能是由于病毒诱导的代谢破坏。

S. epidermidis接种改变了嘌呤代谢，腺嘌呤水平发生显著变化。先前研究表明IAV感染上调原代人气道上皮细胞中嘌呤生物合成相关蛋白和小鼠肺中代谢物。因此，研究结果表明S. epidermidis诱导的嘌呤代谢下调可能代表一种新的治疗策略，可能通过抑制嘌呤合成来抑制IAV复制。

S. epidermidis limits influenza replication via polyamine depletion

鉴于S. epidermidis显著降低肺多胺水平，研究人员探究了其抗病毒效应是否与多胺耗竭直接相关。通过给小鼠鼻腔补充多胺的实验发现，S. epidermidis处理显著抑制病毒复制，而多胺处理恢复了IAV复制，使平均IAV PA mRNA水平增加114.1倍。空间代谢组学分析进一步证实了组织内多胺水平的变异性：与IAV感染对照组相比，S. epidermidis处理肺中亚精胺和精胺分别减少0.64倍和完全耗竭（0.008倍）；多胺补充部分恢复了这些水平，亚精胺和精胺分别达到IAV感染肺中水平的82.2%和44%。

Structural characterization of significant metabolites using LC?MS/MS

通过LC-MS/MS分析连续切片的FFPE肺组织，研究人员成功验证了关键代谢物的化学结构。在多胺代谢途径中，精氨酸、腐胺、亚精胺、精胺和N-乙酰腐胺基于其保留时间和碎片模式得到成功鉴定。MSI与LC-MS/MS的整合增强了对代谢通路注释的可信度，提供了更全面的生化解释。

研究结论表明，这种新型双平台MSI策略成功解析了FFPE肺组织切片中的代谢改变空间分布。通过结合两种技术的互补电离机制，实现了代谢物覆盖范围的扩展。这种MSI方法在识别与感染生物学相关代谢通路方面的成功，突出了其在各种疾病相关研究领域中生物标志物发现和治疗开发的潜力。

研究发现确立了S. epidermidis通过调节宿主多胺代谢来抑制IAV复制，这种效应可通过多胺补充逆转。然而，多胺补充后IAV复制的部分恢复表明，多胺耗竭不太可能是S. epidermidis抗病毒效应的唯一机制。其他未被平台捕获的通路可能也有贡献，例如神经酰胺代谢已被报道可限制肺上皮细胞中的IAV复制。需要进一步研究来确定鼻腔微生物群的抗病毒效应是 solely 依赖于多胺代谢还是涉及其他机制。

尽管采用了高空间分辨率MSI，但分析并未区分肺的特定组织学区域（如肺泡、细支气管或上皮区室）。因此，研究结果反映的是组织水平的代谢谱，而非微解剖异质性，这应被视为本研究的局限性。多胺补充实验为S. epidermidis与多胺相关抗病毒效应之间的机制联系提供了初步证据。然而，有限的样本量是一个重要限制，未来需要更大动物数量的研究来可靠地确立这一机制。

这项研究不仅揭示了鼻腔共生菌通过代谢调控抑制呼吸道病毒感染的新机制，也为空间代谢组学在感染性疾病研究中的应用提供了范式，为开发针对病毒感染的代谢靶向治疗策略奠定了重要基础。