体内炎症代谢组学鉴定可溶性唾液酸作为保守的髓系细胞代谢物

《Journal of Biological Chemistry》：Metabolomics of in vivo inflammation identifies soluble sialic acid as a conserved myeloid-cell metabolite

　　

在免疫应答过程中，代谢发生剧烈变化。代谢物被氧化为免疫细胞功能提供能量，作为增殖的结构单元，并作为效应分子调节病原体或宿主细胞。尽管培养细胞中由免疫激活引起的代谢改变已被广泛研究，但体内(in vivo)的代谢变化仍了解较少。研究人员在三种免疫激活模型中测量了六个小鼠组织的代谢组学变化：CpG-DNA细胞因子风暴、淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒(lymphocytic choriomeningitis virus, LCMV)感染，以及聚肌胞苷酸(polyI:C)病毒模拟物注射；并在不同刺激物激活的培养巨噬细胞中进行代谢组学分析。研究人员发现，大多数代谢组学变化仅存在于炎症组织与培养巨噬细胞两者之一中，尽管衣康酸(itaconate)在两种背景下均被强烈诱导。随后研究人员从机制上剖析了可溶性唾液酸N-羟乙酰神经氨酸的作用，该分子在炎症组织中高度诱导，而在培养巨噬细胞中仅中度诱导。该代谢物在不同炎症模型中于组织中升高，其人类同源代谢物N-乙酰神经氨酸(N-acetylneuraminic acid)在炎症人类患者中亦升高。研究人员发现N-羟乙酰神经氨酸由CD11b+髓系细胞通过切割蛋白结合型唾液酸产生。然而，阻断其生成并不影响小鼠CpG-DNA肝脏炎症或LCMV感染。因此，这些实验将可溶性唾液酸鉴定为小鼠与人类炎症的保守生物标志物，并凸显了炎症研究中体外(in vitro)与体内模型在代谢层面的差异。

研究背景方面，免疫应答启动后，病原体或细胞损伤信号触发免疫与基质细胞受体，引发巨噬细胞、中性粒细胞、T细胞等免疫细胞增殖与活化，代谢重编程为上述过程提供ATP、结构单元及直接效应分子，如衣康酸与活性氧。已有研究多在组织培养系统中解析T细胞或巨噬细胞激活后的代谢改变，但动物或人体内免疫应答时的代谢物变化是否与原代培养细胞一致、不同炎症刺激是否收敛于共同代谢特征、组织炎症中改变的代谢物是否具有功能角色，均属未知。为回答这些问题，研究人员在小鼠体内三种炎症模型与体外培养骨髓来源巨噬细胞(bone-marrow-derived macrophages, BMDM)中建立代谢组学图谱，并聚焦可溶性唾液酸N-羟乙酰神经氨酸开展机制与功能研究，论文发表于《Journal of Biological Chemistry》。

主要关键技术方法方面，研究人员使用C57BL/6小鼠队列，分别建立CpG-DNA细胞因子风暴、LCMV克隆13慢性感染与阿姆斯特朗急性感染、polyI:C病毒模拟物注射、咪喹莫特(psoriasis样)模型；体外以BMDM经脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)、CpG、polyI:C刺激。采用高分辨液相色谱质谱(high-resolution liquid-chromatography mass-spectrometry, LC-MS)进行组织与细胞代谢组学；通过颈静脉导管持续输注碳13标记葡萄糖或葡糖胺进行同位素示踪；分离肝脏肝细胞、CD11b⁺与非CD11b⁺非肝细胞进行细胞类型解析；以唾液基转移酶抑制剂P-3F_AX-Neu5Ac阻断蛋白结合唾液酸生成；结合盲法肝组织病理学评分、RNA测序、流式细胞术及Calu-3肺上皮流感病毒进入实验评估功能。

研究结果部分，A tissue inflammation metabolomic atlas：研究人员在肝、脾、血清、肺、肾、脑检测代谢物，发现肝脏变化最显著，LCMV感染改变最多；不同刺激共享变化少，衣康酸为唯一在所有体内模型上调的代谢物，N-羟乙酰神经氨酸在LCMV与CpG中显著升高，说明体内炎症代谢谱具刺激特异性。

Macrophage activation in vitro does not replicate most metabolic changes observed in inflamed tissues：BMDM经LPS、CpG、polyI:C刺激后，73%至94%改变代谢物为多刺激共有，与肝脏中不超过32%共有形成反差；衣康酸、ATP、UTP、果糖-1,6-二磷酸等共有诱导，而N-羟乙酰神经氨酸仅轻度诱导，说明培养巨噬细胞不能复现多数组织炎症代谢改变。

Inflammation increases soluble sialic acid in mice and humans：研究人员用标准品质谱验证N-羟乙酰神经氨酸，发现CpG、LCMV、polyI:C、咪喹莫特均使其在组织与血清升高，肝脏可达约3毫摩尔；BMDM仅1.3至2.7倍诱导。人类因CMAH失活以N-乙酰神经氨酸为主，公共数据集显示脓毒性休克、COVID-19、肝衰竭患者血清N-乙酰神经氨酸升高，证明可溶性唾液酸是炎症中进化保守的代谢物。

N-glycolylneuraminic acid is produced from sialylated proteins by CD11b+ myeloid cells in the liver：碳13示踪显示可溶性N-羟乙酰神经氨酸来自UDP-N-乙酰葡糖胺(UDP-GlcNAc)途径与蛋白结合型前体；CpG下蛋白结合型仅数倍增加，游离型约二十倍增加，唾液基转移酶抑制剂降低蛋白结合型并几乎消除游离型升高；polyI:C后肝脏CD11b⁺髓系细胞可检出强诱导而在 saline 对照组不可检，表明TNF等细胞因子诱导髓系细胞神经氨酸酶(neuraminidase)切割唾液酸化蛋白释放该代谢物。

N-glycolylneuraminic acid does not affect pathology in cytokine storm or viral infection：以P-3F_AX-Neu5Ac阻断生成后，CpG肝脏病理、Tnf与Ifng及Acod1等基因表达均无改变；LCMV克隆13感染中体重下降、脾脏CD8⁺ T细胞CD44⁺活化比例、效应型KLRG1⁺ CD127^?与前体样CD127⁺ KLRG1^?比例不受药物影响；Calu-3中外加唾液酸不改变流感病毒进入，说明该代谢物无明确病理或抗病毒功能。

讨论部分总结，研究人员强调体内炎症代谢图谱与培养巨噬细胞激活谱存在本质差异，衣康酸是唯一强保守免疫代谢物；非髓系细胞、体内底物与细胞间互作可解释N-羟乙酰神经氨酸在体更强诱导。细胞分离受消化与营养环境干扰，条件性敲除Neu1或用成像质谱空间定位可进一步验证细胞来源。该代谢物虽达毫摩尔级却未见功能，可能参与炎症消退、伤口愈合，或神经氨酸酶切本身通过移除Siglec受体配体唾液酸而解除免疫抑制，而非游离唾液酸直接起效。

研究结论部分译为：此处研究人员提供小鼠模型与培养巨噬细胞的炎症代谢组学图谱，鉴定出N-羟乙酰神经氨酸、天冬氨酸、胸苷等体内免疫应答上调代谢物。该可溶性唾液酸由CD11b⁺髓系细胞切割蛋白结合型唾液酸产生，在小鼠多模型及人类脓毒、COVID-19、肝衰竭中升高，但阻断其产生不影响病理、基因表达、病毒感染或T细胞表型。实验证明免疫激活时小鼠或人类患者的代谢变化不同于培养巨噬细胞激活变化；衣康酸为例外。大多数炎症组织代谢改变不被培养巨噬细胞复现，可能因其他细胞类型、体内信号或底物存在。明确体内代谢物细胞来源与生物学后果值得深入研究。