多发性硬化（MS）疾病严重程度相关的循环代谢组特征及代谢通路解析

《Neurology Neuroimmunology & Neuroinflammation》：Metabolomic Profiles Associated With Disease Severity in Multiple Sclerosis

　　

背景与目的：目前仍缺乏可反映多发性硬化（MS）功能减退的敏感、微创生物标志物。非靶向代谢组学分析（untargeted metabolomic profiling）能够无偏地发现循环生物标志物及MS发病和进展相关的失调生物学通路。研究人员旨在识别与MS临床、影像和患者报告结局相关的候选循环代谢物特征，并刻画其潜在代谢通路。方法：研究人员对323例多发性硬化患者（PwMS）的541份样本进行非靶向循环代谢组学横断面分析，样本包括复发缓解型和进展型，共检测332种代谢物。采用线性混合效应模型评估代谢物水平与结局之间的关联，结局包括临床残疾（扩展残疾状态量表，EDSS）、功能测试（步行速度、手部灵活性和处理速度）、Neuro-QoL患者报告领域、光学相干断层扫描（OCT）衍生的视网膜层厚度及磁共振成像（MRI）衍生指标，并校正年龄、性别、种族、治疗状态和MS亚型。为识别与结局共同相关的代谢物簇，研究人员应用分层全对全关联分析（Hierarchical All-Against-All Association Analysis）和加权相关网络分析（weighted correlation network analysis）。基于RaMP数据库，对按效应量排序的结果进行快速基因集富集分析（Fast Gene Set Enrichment Analysis）以完成通路富集，并排除含少于3种代谢物的通路。结果：研究人员识别出多种在临床、患者报告和影像领域中与MS严重程度持续相关的代谢物。对甲酚硫酸盐（p-cresol sulfate）、对甲酚葡萄糖醛酸苷（p-cresol glucuronide）、苯乙酰谷氨酰胺（phenylacetylglutamine）及肉碱衍生类物质等代谢物与更严重的疾病程度相关；而色氨酸甜菜碱（tryptophan betaine）、麦角硫因（ergothioneine）、N-乙酰肌肽（N-acetylcarnosine）和吲哚丙酸（indolepropionate）与更有利的结局相关。通路分析突出显示氨基酸转运与代谢、芳香族和支链氨基酸通路及溶质载体转运体系统（solute carrier transporter systems），以及与MS严重程度相关的胆汁酸、鞘脂和肉碱相关通路。讨论：在PwMS中综合整合代谢组学、临床和影像数据，突出显示了与MS严重程度相关的特定代谢物和代谢通路。这些候选代谢物需在独立队列中进行外部验证，并为未来旨在改善MS疾病监测和管理的生物标志物发现研究提供依据。

多发性硬化（MS）为免疫介导的脱髓鞘和神经退行性疾病，临床及病理异质性明显，当前仍缺乏稳健、微创且能可靠关联功能结局并预测疾病进展的生物标志物。代谢组学（metabolomics，对小分子代谢物进行系统分析）可整合遗传、环境、饮食、微生物群及病理生理影响，非靶向方法有助于无偏发现候选标志物和机制线索；既往MS代谢组学研究多受靶向检测覆盖有限、结局单一等限制。因此，研究人员在较大MS队列中开展非靶向循环代谢组学分析，旨在评估循环代谢物特征与临床残疾、患者报告结局（PROs）、磁共振成像（MRI）体积指标及光学相干断层扫描（OCT）视网膜厚度等疾病严重程度指标的关联，为生物标志物发现和代谢机制阐释提供依据。研究提示，多种代谢物及通路与MS严重程度呈生物学一致关联，候选标志物需外部验证，并可能促进疾病监测与管理研究。关键技术方法：样本来自Johns Hopkins多发性硬化精准医学中心（JHU）多个在研/近期研究（富马酸二甲酯RRMS、奥瑞珠单抗纵向RRMS、低25-羟基维生素D高加索RRMS基线及便利抽样）；共541份（血浆341、血清200）来自323例PwMS。采用非靶向LC/MS与GC/MS检测，质控后保留332种代谢物，ComBat校正批次。结局含扩展残疾状态量表（EDSS）、iPad功能测试、Neuro-QoL/患者决定疾病步骤（PDDS）、OCT视网膜层厚度和MRI体积。分析以线性混合效应（LME）模型为主（校正年龄、性别、种族、疾病修正治疗（DMT）状态、MS亚型），结合分层全对全关联分析（HAllA）、加权基因共表达网络分析（WGCNA）及RaMP-fgsea，并行敏感性分析。研究结果：研究队列的人口学与临床特征：描述性统计显示，541份样本来自323例PwMS，女性72.1%、白人84.1%，平均年龄45.35岁，复发缓解型MS（RRMS）389份（71.9%）；个体间代谢组差异大于个体内差异（p<1E?16）。不同结局样本量不同，如EDSS 386份、OCT 373份、MRI 151份。代谢物与多发性硬化严重程度的关联：分层全对全关联分析：通过HAllA（Pearson相关）发现多个代谢物簇与临床、影像和PROs相关；p-cresol glucuronide、p-cresol sulfate、苯乙酰谷氨酰胺（PAGln）和三甲胺N-氧化物（TMAO）等肠道菌群来源芳香族氨基酸（AAA）代谢物与更重残疾及较低视盘周围视网膜神经纤维层（pRNFL）厚度相关；支链氨基酸（BCAA）代谢物及phenyllactate、imidazole lactate与较低残疾相关；tryptophan betaine、ergothioneine等甜菜碱类与较低残疾和更好PRO相关；中长链酰基肉碱与较差认知相关，类固醇激素代谢物与疲劳负相关。单个代谢物的多变量分析：LME模型显示，临床残疾方面，p-cresol sulfate、p-cresol glucuronide、PAGln、indoleacetate与较差结局相关，phenylalanine、tyrosine、tryptophan、phenyllactate、vanillylmandelate、kynurenate及甜菜碱、乙酰化氨基酸与较好结局相关，C3、C5、C6、C8、C12、C14、C16、C16:1、C18、C18:2等肉碱衍生物与较差结局尤其较差认知相关。MRI方面，N⁶,N⁶,N⁶-trimethyllysine、ergothioneine、betaine及N-acetylcarnosine、N-acetylvaline等与更大MRI体积相关；3-indoxyl sulfate、6-hydroxyindole sulfate、BCAA相关代谢物及部分肉碱衍生物亦与更大MRI体积相关。OCT方面，p-cresol glucuronide与较低黄斑神经节细胞-内丛状层（GCIPL）和pRNFL厚度相关，其他肠道AAA代谢物与较低GCIPL相关；N-acetylcarnosine与较大pRNFL相关。患者报告结局方面，indolepropionate与较好PRO相关，3-methoxycatechol sulfate、p-cresol sulfate、p-cresol glucuronide、PAGln与较差PRO相关；ergothioneine、tryptophan betaine及色氨酸衍生物与较好PRO相关。敏感性分析在6个月内结局、女性、进展型MS、排除肾功能降低、排除相关DMT、校正非DMT药物、BMI和病程后总体一致。通路富集分析：基于LME效应量排序和RaMP数据库的fgsea显示，氨基酸转运与代谢、AAA（色氨酸、酪氨酸、犬尿氨酸）通路、BCAA代谢、溶质载体（SLC）转运、胆汁酸、鞘脂、宿主-微生物互作及NAD⁺合成等通路在临床、影像和PROs中反复富集。加权基因共表达网络分析：WGCNA识别13个模块，黑色、绿黄和蓝色模块与多结局显著相关；黑色模块（imidazole lactate、indolelactate、phenyllactate、N-acetylcarnosine、3-indoxyl sulfate、N⁶,N⁶,N⁶-trimethyllysine等）主要与较低临床残疾和更大MRI体积相关；绿黄模块（indoleacetate、p-cresol sulfate、p-cresol glucuronide、PAGln、TMAO等）与更重临床残疾、更高PDDS和较低GCIPL相关；蓝色模块（BCAA、AAA及C3、C5、2-methylbutyrylcarnitine等肉碱衍生物）与较低临床残疾和更大MRI体积相关。讨论部分总结：研究指出，肠道菌群来源AAA代谢物与MS严重程度相关，并可在脑脊液检测、与神经丝轻链相关；实验研究提示其可损害神经元放电、诱导轴突损伤、破坏内皮紧密连接并促发微胶质、巨噬细胞和T细胞炎性信号；indolepropionic acid可能经孕烷X受体和芳香烃受体增强紧密连接、抑制促炎因子和氧化应激。甜菜碱类在神经炎症/神经退行模型具神经保护证据；Zhang et al.等提出tryptophan betaine与阿尔茨海默病和帕金森病共享因果代谢标志物，并涉及SLC介导转运。SLC22A家族转运这些物质及肉碱/肌肽；因RaMP注释限制，SLC转运仅呈中度富集。鞘脂为髓鞘和神经元膜结构成分，其代谢改变与脱髓鞘和轴突易损相关；胆汁酸作为信号分子调节免疫细胞、微胶质、星形胶质和血脑屏障，MS中循环胆汁酸及信号降低，TUDCA在临床前模型减轻神经炎症并保护血脑屏障。研究优势为代谢物覆盖较广、整合临床/影像/PROs、含RRMS和进展型MS、样本量较大及互补分析；局限为横断面不能推断因果、饮食和菌群等残余混杂、批次技术变异、MRI/OCT样本量较小、缺乏系统的心脏代谢共病和体力活动数据、未覆盖短链脂肪酸，需独立队列外部验证、靶向代谢组学和纵向研究。研究结论翻译：在这项使用非靶向循环代谢组学分析的大型研究中，研究人员识别出候选生物标志物特征，其与临床残疾、患者报告结局（PROs）以及MRI衍生和OCT衍生指标呈生物学一致的关联。研究结果进一步支持越来越多的证据，即代谢组学分析能够识别与MS严重程度相关的候选生物标志物，并为理解疾病机制和开发靶向干预提供新途径。