对伯克霍尔德菌（Burkholderia thailandensis）感染呼吸道上皮细胞的代谢组学分析为潜在的治疗靶点提供了新的见解

《mSystems》：Metabolomic profiling of Burkholderia thailandensis infection of airway epithelial cells provides insights into potential therapeutic targets

利用未标记代谢组学分析伯克霍尔德菌泰国亚种E264感染小鼠气道上皮细胞（LA-4）的极性代谢物，发现聚胺、NAD+代谢、三羧酸循环等核心代谢途径显著改变，揭示病原体通过劫持宿主代谢（如UDP-GlcNAc、谷氨酸、半胱氨酸代谢）促进感染，并鉴定出硝酸盐还原酶、聚胺乙酰转移酶等潜在治疗靶点，为抗生物武器研究提供新思路。

　　 Burkholderia pseudomallei 是一种革兰氏阴性土壤细菌，能够引起人类严重的传染病——脓肿分枝杆菌病（melioidosis）。这种病原体因其潜在的生物武器特性而受到高度重视，其对全球公共健康和国家安全构成重大威胁。当前，针对该病原体的代谢活动及其与宿主相互作用的机制仍存在许多未知，但近年来，基于非靶向质谱分析的代谢组学方法为探索这一领域提供了新的工具。本研究利用非靶向代谢组学技术，分析了 Burkholderia thailandensis E264（一种用于替代 Burkholderia pseudomallei 的安全模型）在感染期间与气道上皮细胞（AECs）之间的代谢变化，旨在揭示感染过程中宿主与病原体之间的化学互动，为开发新的治疗策略提供线索。

### 代谢组学的重要性与挑战

代谢组学是一种研究生物体内所有代谢物的科学方法，能够揭示生物体在特定生理或病理条件下的化学反应网络。这种技术在理解宿主-病原体相互作用方面具有独特价值，因为代谢物的组成往往能够反映细胞的生理状态和应激反应。然而，传统的代谢组学方法通常偏向于分析非极性代谢物，忽略了极性代谢物可能在感染过程中发挥的重要作用。极性代谢物，如多胺类化合物、NAD+代谢物和三羧酸循环（TCA）中间产物，已被证实与先天免疫和适应性免疫反应、应激响应及维持细胞稳态密切相关。因此，研究这些极性代谢物的变化对于揭示病原体如何适应宿主环境并增强其感染能力至关重要。

本研究采用了一种基于水相液相色谱（HILIC）和质谱的非靶向代谢组学方法，对 Burkholderia thailandensis 与气道上皮细胞的共培养系统进行了深入分析。通过这种技术，研究人员能够识别感染过程中极性代谢物的显著变化，并进一步探讨这些变化对宿主和病原体的影响。该研究不仅揭示了病原体如何利用宿主的代谢途径来促进自身生存，还发现了宿主在面对感染时如何调整其代谢反应以应对病原体的攻击。

### 代谢组学分析的发现

研究结果显示，在 Burkholderia thailandensis 挑战后，气道上皮细胞的代谢物组成发生了显著变化。这些变化主要体现在以下几个方面：

1. **多胺代谢途径**：多胺类化合物在宿主细胞中通常发挥支持细胞生长和膜稳态的作用。然而，在感染过程中，这些代谢物的水平显著下降，尤其是精胺和亚精胺。这种下降可能与细胞凋亡相关，表明病原体可能通过影响这些关键代谢物来调控宿主的免疫反应。与此同时，一些上游代谢物如腐胺和N-乙酰腐胺的水平显著上升，可能表明病原体通过改变宿主的代谢通路来获取其所需的营养物质。

2. **NAD+代谢**：NAD+ 是细胞能量代谢和信号传导中的关键分子。研究发现，在感染后，NAD+及其前体的水平显著下降，而烟酸（NA）的水平则显著上升。这一变化可能反映了宿主细胞在应对感染时的代谢调整，同时也可能表明病原体通过利用宿主的NAD+代谢途径来支持其自身的生长和生存。这些发现提示了NAD+代谢在宿主防御中的重要性，并为开发针对病原体的治疗策略提供了新的思路。

3. **三羧酸循环（TCA）**：TCA循环是细胞能量生产的核心途径之一。在感染过程中，TCA循环的中间产物如柠檬酸、富马酸和苹果酸的水平显著下降，这可能表明宿主细胞在感染后转向了更快速的能量生成方式，如糖酵解（Warburg效应）。这种代谢转变可能有助于病原体获取其所需的营养物质，同时对宿主细胞的正常功能造成干扰。

4. **核苷酸代谢**：研究发现，在感染后，一些核苷酸衍生物如N1-甲基腺嘌呤、N3-甲基腺嘌呤、N6-甲基腺嘌呤和N7-甲基鸟嘌呤的水平显著上升，而腺嘌呤的水平则下降。这些变化可能反映了宿主细胞在感染期间的DNA损伤反应，也可能表明病原体通过改变宿主的代谢途径来调控其自身的基因表达和毒力因子的产生。

5. **肽聚糖合成**：肽聚糖是细菌细胞壁的重要组成部分，对细菌的生存和抗药性至关重要。研究发现，在感染后，尿苷二磷酸-N-乙酰葡萄糖胺（UDP-GlcNAc）的水平显著下降，而其代谢中间产物如UDP-N-乙酰胞壁酸（UDP-MurNAc）和UDP-MurNAc-五肽的水平显著上升。这表明病原体可能利用宿主的UDP-GlcNAc来促进其自身的肽聚糖合成，从而增强其在宿主细胞内的存活能力。

6. **色氨酸代谢**：色氨酸是宿主细胞中重要的氨基酸之一，其代谢产物如色氨酮和色氨酸在感染后表现出显著变化。这些变化可能反映了病原体对宿主免疫反应的干扰，以及宿主在应对感染时的代谢调整。

7. **牛磺酸相关代谢物**：牛磺酸是一种含硫的氨基酸，对宿主的免疫反应和抗氧化功能具有重要作用。研究发现，在感染后，牛磺酸和亚牛磺酸的水平显著下降，这可能表明病原体通过消耗这些代谢物来削弱宿主的免疫防御能力。

8. **谷胱甘肽（GSH）及其相关代谢物**：谷胱甘肽是宿主细胞中重要的抗氧化剂，其水平在感染后显著下降，可能表明宿主细胞在应对感染时的氧化应激反应被干扰。此外，其他相关代谢物如氧化型谷胱甘肽（GSSG）和眼酸（OPH）的水平也受到影响，进一步说明了感染对宿主代谢平衡的破坏。

9. **尿黑酸（UCA）的积累**：尿黑酸是一种由组氨酸降解产生的代谢物，其在感染后显著积累。尿黑酸已被证实具有抗炎和免疫抑制作用，可能在病原体与宿主的相互作用中发挥重要作用。

10. **病原体特异性代谢物**：除了上述共同代谢途径外，研究还发现了一些病原体特异性代谢物，如鸟苷酸类化合物（HMAQs）、HMAQ-N-氧化物、酰基高丝氨酸内酯（acylhomoserine lactone）、吡咯喹啉醌（pyochelin）、霍帕内醇（hopanoids）、酰基醇（acybolins）和杆菌醇（bactobolins）。这些代谢物可能在病原体的毒力和生存策略中扮演关键角色。

### 代谢变化的生物学意义

上述代谢变化不仅揭示了病原体如何利用宿主的代谢资源来支持其感染过程，还表明宿主在面对感染时如何调整其代谢反应以应对病原体的攻击。例如，多胺代谢物的减少可能影响宿主细胞的生长和免疫功能，而NAD+代谢物的改变可能干扰宿主的细胞信号传导和能量代谢。TCA循环的中断可能削弱宿主细胞的能量供应，从而降低其对病原体的抵抗力。此外，核苷酸代谢的变化可能与DNA损伤修复和病原体的基因调控有关，而肽聚糖合成的增强可能帮助病原体在宿主细胞内维持其结构完整性。

这些代谢变化的共同点在于，它们都可能为病原体提供生存优势，同时也可能为宿主的免疫系统提供新的干预靶点。例如，通过抑制病原体的烟酸脱氨酶（PNC1）或多胺乙酰转移酶（SpeG），可以减少病原体对宿主代谢资源的利用，从而限制其在宿主细胞内的繁殖。此外，针对尿黑酸或牛磺酸代谢的干预可能有助于恢复宿主的免疫功能，增强其对抗病原体的能力。

### 未来研究方向

本研究的结果为理解 Burkholderia 感染的代谢机制提供了新的视角，并为开发新的治疗策略奠定了基础。然而，为了进一步验证这些发现的临床相关性，还需要进行更深入的研究。例如，可以利用动物模型来评估这些代谢变化对感染过程的影响，以及这些代谢物是否可以作为新的药物靶点。此外，开发更加复杂的感染模型，如肺芯片（lung-on-a-chip）和类器官（organoid）模型，将有助于研究病原体如何在不同的细胞环境中影响宿主的代谢网络。

总之，本研究通过非靶向代谢组学方法，揭示了 Burkholderia thailandensis 在感染期间与宿主细胞之间的复杂代谢互动。这些发现不仅有助于理解病原体如何适应宿主环境，还为开发针对这种病原体的新疗法提供了重要的线索。未来的研究应继续探索这些代谢物在宿主防御和病原体生存中的具体作用，并评估针对这些代谢途径的干预措施是否能够有效抑制感染。