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代谢组学、脂质组学在病毒研究中的应用

赛默飞色谱与质谱发布时间:2020/02/20 12:24 点击: 加载中..

在疫情逐步可控的情形下,一线的医务工作者和科研人员将有更多精力和时间对冠状病毒进行更深一步的研究和认识。我们此次调研了基于Orbitrap超高分辨的代谢组学,脂质组学,以及药物治疗在病毒学研究中的应用。致敬白衣天使和深耕医学研究的学者。


目前的研究显示,新型病毒进入细胞的路径与SARS冠状病毒一样,均是通过血管紧张素转化酶2(ACE2)细胞受体入侵宿主。但入侵之后,作为从基因到蛋白作用下游的小分子,其发生的变化尚未可知。那么,针对这些代谢物组和脂质组的研究会给医护人员和科研工作者带来什么帮助呢?


如我们所熟知的大数据模拟,通过模拟各种措施所产生的后果,以“上帝”视角为国家提供zui佳方案;而针对病患人员来说,基于“整体”观的组学技术可以帮助科研人员实现系统研究的目的。通过宿主和病原体相互作用的研究,了解其相互作用的关系,从而加速开发新的更有针对性的疗法或疫苗。


近几年来,基于Orbitrap 的代谢组学,脂质组学及蛋白质组学研究为生命科学领域带来了长足发展。同时针对病毒学免疫应答,病毒-宿主相互作用,代谢动态变化等方面进行了较为系统的研究,为科研工作者提供新的研究思路。


案例一基于代谢组学技术研究免疫应答的过程如前所述,我们采取的措施就像机体的免疫应答,“免疫系统”功能的好坏直接关系着这场战役的胜败。研究表明,小分子代谢物对免疫细胞的增殖分化及其功能息息相关。2017年发表在Cell 杂志的一项研究,整合转录组学和代谢组学研究显示,代谢反应是人类对带状疱疹病毒疫苗的免疫反应有效性的基础。研究人员开展了病毒疫苗接种在健康成人身上的纵向研究,分别收集接种前和接种后的血液进行转录组学和代谢组学分析。研究结果显示,接种疫苗后第1天起,嘌呤代谢、亚油酸代谢、蛋氨酸和半胱氨酸代谢、甘油磷脂代谢和糖磷脂代谢发生了显著变化,亚油酸酯和甘油磷脂代谢的途径可能是抗原呈递细胞的主要媒介,这些发现与转录组学结果密切相关。通过构建MMRN网络,结合接种者年龄、性别和病毒载量相关的网络来预测有效性,揭示甾醇代谢整合了体液和细胞免疫反应;而磷酸肌醇代谢提供了代谢表型,影响免疫结果。


通过此项研究,可以帮助研究人员对疫苗接种的免疫反应进行情境分析,确定影响疗效的相关因素,同时为免疫反应提供新的生物学见解,促进未来的生物标记物研究和疫苗开发。


案例二基于Orbitrap的多组学技术挖掘病毒——宿主相互作用一项针对于MERS-CoV研究,整合基于Orbitrap 的蛋白质组学,代谢组学和脂质组学的多组学研究发现:通过对蛋白和代谢富集分析,感染MERS-CoV的细胞,包括氧化磷酸化,糖酵解/糖异生,嘌呤等5条代谢途径发生了显著变化;而且糖酵解/糖异生途径中的几乎所有蛋白质在MERS-CoV感染期间的丰度都降低。底物葡萄糖积累表明,糖酵解比糖异生途径更可能受到病毒感染的影响。

进一步结合脂质组学的数据发现,在MERS-CoV感染期间,脂肪酸和鞘脂类发生了广泛的变化。有报道显示,鞘脂在病毒的摄取,复制,成熟和出芽中起着重要的作用,富含神经酰胺的膜结构可通过改变膜液流动性和增强囊泡融合来促进包膜病毒进入宿主细胞,触发宿主细胞凋亡,进一步恶化病情。


案例三基于代谢组学技术挖掘病毒感染宿主后代谢动态变化情况

2019年发表在Viruses杂志上的另一篇文章,采用基于Orbitrap 的非靶标和靶标代谢组学方式研究了麻痹病毒(Cricket paralysis virus, CrPV)感染昆虫Bm5细胞后宿主代谢的动态变化情况。

研究人员发现,CrPV感染导致Bm5细胞的代谢具有显着和特定阶段的变化。比如,CrPV持续感染过程中葡萄糖和谷氨酰胺水平均显着升高,随后在致病期急剧下降。不同代谢产物的丰度和途径分析进一步确定了病毒生命周期不同阶段的特定代谢特征。为病毒感染宿主后的致病过程,疾病分期,以及药物治疗效果提供理论依据。

新兴传染病往往是人畜共患疾病,可以从动物传播给人类。通过蛋白、代谢和脂质等多组学技术可以帮助研究者还原宿主-病原体相互作用关系,从而为医务人员和科研工作者提供理论依据。Orbitrap技术作为蛋白质组学的金标准,其高灵敏度、高精度,高通量等特性在代谢组学和脂质组学研究中同样表现出色,可以帮助研究者在一个平台上实现多种组学研究的有机结合。


案例四病毒感染宿主药物治疗研究

目前新型病毒的诊疗方案发布第五版,同时各医院所进行的“一人一方案”的救治方式,体现了“精准医学”的核心思想。老药新用的磷酸氯喹临床上已经显示出明确的疗效;备受瞩目的瑞德西韦(Remdesivir)临床实验已正式开始,相信在不久的将来就会有振奋人心的消息。


临床试验中不可缺少的一环就是生物样品分析,通过受试者血浆,血清等生物样本的分析,提供药物在体内药代动力学信息,目前最主要的分析手段是通过液相-串联质谱联用技术。同时,因新冠患者的临床症状,不同的患病人群如孕妇、儿童等的治疗方案存在的不同,液质联用技术可提供治疗药物监测数据,帮助医生调整用药方案和剂量。本文介绍了利用UPLC-MS/MS(Transcend TLX1-TSQ Altis)同时定量人血浆中阿扎那韦等14种抗逆转录病du药物和2种联用增效药物Cobicistat and Ritonavir,该方法在6分钟内即可完成对所有化合物的定量检测,并已根据欧洲药品管理局的指导原则进行了充分的方法学 。16种分析物的化学结构

根据药物在体内浓度进行考察,确定该方法的定量下限为2.5 ng/mL至10 ng/mL不等。准确度和重现性是生物分析中最重要的2项指标,采用此方法,所有药物的日内及日间的精密度满足生物分析要求,部分化合物重现性RSD% 低至0.2%,且所有药物的准确度均<13%。

16种分析物的叠加提取离子流图低、中、高浓度QC准确度和重现性评估结果


临床上抗病毒治疗方案中,药物联用是重要的治疗手段之一,因此一个方法中包含多化合物检测是必要的。Transcend TLX1联合TSQ Altis提供的快速样本制备,所有化合物的快速检测,对生物样本分析的时效性提供非常重要的技术支撑,非常适合于临床药代动力学和治疗药物监测研究。


面对来势汹涌的疫情,全国上下正在积聚力量,攻克新型高致病性冠状病毒。在这场没有硝烟的战“疫”中,赛默飞的每一位成员都在努力行动,为全力战胜新型病毒保驾护航。


参考资料:

1. Li S, Sullivan NL, Rouphael N, et al. Metabolic Phenotypes of Response to Vaccination in Humans. Cell. 2017;169(5):862–877.e17. doi:10.1016/j.cell.2017.04.026 

2. Li H, Bullock K, Gurjao C, et al. Metabolomic adaptations and correlates of survival to immune checkpoint blockade. Nat Commun.  

2019;10(1):4346. Published 2019 Sep 25. doi:10.1038/s41467-019-12361-9 

3. Nakayasu ES, Nicora CD, Sims AC, et al. MPLEx: a Robust and Universal Protocol for Single-Sample Integrative Proteomic, Metabolomic, and Lipidomic Analyses. mSystems. 2016;1(3):e00043-16. Published 2016 May 10. doi:10.1128/mSystems.00043-16 

4. Burnum-Johnson KE, Kyle JE, Eisfeld AJ, et al. MPLEx: a method for simultaneous pathogen inactivation and extraction of samples for multi-omics profiling. Analyst. 2017;142(3):442–448. doi:10.1039/c6an02486f

5. Wang LL, Swevers L, Rombouts C, et al. A Metabolomics Approach to Unravel Cricket Paralysis Virus Infection in Silkworm Bm5 Cells. Viruses. 2019;11(9):861. Published 2019 Sep 16. doi:10.3390/v11090861 

6. Gouget H, Noé G, Barrail-Tran A, Furlan V. UPLC-MS/MS method for the simultaneous quantification of bictegravir and 13 others antiretroviral drugs plus cobicistat and ritonavir boosters in human plasma [published online ahead of print, 2019 Dec 24]. J Pharm Biomed Anal. 2019;181:113057. doi:10.1016/j.jpba.2019.113057

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