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灣區(qū)時訊 登革熱，作為一種由節(jié)肢動物傳播的病毒性疾病，在全球范圍內極為普遍。在過去20年里，世衛(wèi)組織報告的登革熱病例數量增加了8倍多，全球有129個國家約39億人面臨感染登革熱病毒(DENV)的風險，其中亞洲的感染人數占比高達70%。目前主要通過外源性和內源性抗體依賴性增強(ADE)的假說來解釋DENV重癥感染的病理機制，但登革熱的感染原理和其代謝調控機制尚不完全清楚。

2024年2月2日，以陸家海教授、劉鐵夫教授等作為通訊作者的文章“Metabolomic landscape of macrophage discloses an anabolic signature of dengue virus infection and antibody-dependent enhancement of viral infection”在Plos Neglected Tropical Diseases發(fā)布。通過研究細胞內的代謝物變化，揭示DENV感染和ADE感染對宏觀代謝的影響，從而深化對登革熱病理機制的認識。

人單核細胞和巨噬細胞是自然DENV感染的主要靶點，在DENV免疫發(fā)病機制和宿主抗病毒免疫過程中起著核心作用，為了探究DENV感染的免疫代謝機制，本研究使用THP-1細胞誘導分化的巨噬細胞作為研究對象，通過感染登革病毒和添加抗體來建立DENV感染和ADE感染的細胞模型。然后利用超高效液相色譜-串聯質譜技術對DENV感染和ADE感染后的細胞內代謝變化進行了定量分析，最后通過多元統(tǒng)計分析和單變量統(tǒng)計分析，確定具有顯著差異的代謝物，進一步利用代謝物相關通路富集分析，探索這些代謝物差異背后的生物學意義及其所涉及的代謝途徑。

結果顯示，使用THP-1分化的巨噬細胞進行DENV感染實驗，登革Ⅱ型病毒(DENV-2)感染率為39.3%，而在存在抗血清的情況下，感染率增加到69.4%，約為單純病毒感染的兩倍。

圖1 建立THP-1分化巨噬細胞的DENV和ADE感染模型

共檢測到202個差異代謝物，其中包括氨基酸(23.76%)、脂肪酸(21.78%)、有機酸(13.37%)、碳水化合物(10.4%)和肉毒堿(10.4%)。氨基酸是檢測頻率最高的代謝物類別(62.17%)，其次是碳水化合物(18.53%)、有機酸(10.51%)、核苷酸(6.86%)、脂肪酸(1.47%)和其他代謝物(0.46%)。無監(jiān)督主成分分析(PCA)顯示樣本可重復性好，組間個體樣本聚集性顯著，組間差異顯著。(圖2B)。多維統(tǒng)計分析顯示各組間存在差異表達的代謝物(圖2C)，與未感染組相比，單純DENV-2感染導致88種代謝物發(fā)生顯著變化，其中41種代謝物顯著升高，47種顯著降低;ADE感染導致86種代謝物發(fā)生顯著變化，其中43種升高，43種降低(圖2D)。DENV感染后代謝物的變化顯著涉及18條代謝通路活性的變化(P<0.05)(圖2E)，其中大多數與氨基酸的代謝、糖酵解、磷酸戊糖和氧化反應(三羧酸循環(huán))有關。在18條差異通路中有12個為非ADE和ADE感染共有，其余6條為非ADE感染所特有，分別是丙氨酸代謝、磷酸戊糖途徑、?；撬岷蛠喤；撬岽x、精氨酸和脯氨酸代謝、氮代謝、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成(圖2F)。

圖2 DENV或ADE感染對THP-1來源巨噬細胞的整體代謝組學變化

DENV感染導致48種氨基酸及其衍生物的細胞含量發(fā)生變化，其中20種變化顯著，包括16種在DENV單獨感染中減少，ADE感染則減少10種增加了3種氨基酸(圖3)。這些顯著變化的氨基酸涵蓋了8種必需氨基酸和多種條件必需和非必需氨基酸，表明DENV感染對氨基酸代謝產生了顯著影響，進而影響蛋白質的生物合成和細胞信號傳遞。

圖3 登革病毒感染顯著消耗細胞氨基酸

DENV感染的非ADE和ADE均導致23種碳水化合物改變，并共同產生13種顯著變化。這些發(fā)生變化的碳水化合物是糖酵解和戊糖磷酸途徑的主要組分，如12碳化合物(蜜二糖)、6碳化合物(葡萄糖、葡萄糖6-磷酸、果糖、果糖6-磷酸)、5碳化合物(核糖醇、核糖5-磷酸、木酮糖、木糖)和3碳化合物(甘油醛、甘油酸、丙酮酸、乳酸)(圖4)。這些結果表明DENV感染增強了細胞碳水化合物的代謝活動，為病毒復制提供了能量和核苷酸合成的前體物質。

圖4 登革病毒感染增加細胞內碳水化合物的含量

DENV感染導致44種長鏈脂肪酸和9種短鏈脂肪酸發(fā)生改變，其中28種達到顯著水平。這些顯著變化包括在DENV單獨感染和ADE感染中發(fā)生改變的脂肪酸(圖5)。特別是6種共享變體參與不飽和脂肪酸的生物合成，并全部增加，這對維持登革病毒復制周期的細胞膜結構至關重要。

圖5 登革病毒感染可顯著增加了細胞脂肪酸含量

DENV感染導致21種肉堿變體，其中14種達到顯著水平，主要是?；鈮A的減少(圖6)。而ADE感染導致十二酰肉堿的含量降低，戊酰肉堿的含量升高。?；鈮A是脂肪酸氧化的關鍵中間產物，其減少表明DENV感染抑制了脂肪酸分解代謝，進而支持了脂質的合成代謝，以滿足活躍病毒復制的需求。

圖6 登革病毒感染可顯著降低了細胞?；鈮A含量

細胞內有機酸是多種代謝底物的代謝中間體。DENV感染產生27種有機酸變體，其中17種達到顯著水平。這些顯著變化包括有機酸的減少和增加，特別是與三羧酸循環(huán)(TCA)關鍵組分相關的變體，如丙酮酸、檸檬酸、異檸檬酸、2-氧戊二酸和琥珀酸(圖7)。這些結果表明DENV感染對有機酸代謝產生了復雜影響，反映了DENV感染過程中活躍的氨基酸分解代謝。

圖7 登革病毒感染可顯著改變細胞內有機酸的含量

DENV感染還導致其他類別的代謝物變體，占所有檢測到的代謝物變體的16.35%，包括苯系物、苯甲酸、膽汁酸、二十碳烷酸、咪唑、吲哚、核苷酸、肽、酚類、苯丙酸和吡啶(圖8)。其中，AMP和GMP含量的變化是細胞能量狀態(tài)的信號分子。在感染發(fā)生時，它們的減少表明了更高的細胞能量狀態(tài)和控制細胞生理的信號通路(如代謝、蛋白質合成與分泌、鈣穩(wěn)態(tài)和基因轉錄等)的改變。

圖8 由登革病毒感染產生的其他代謝物變異

最后，通過統(tǒng)計標準(p<0.05和VIP>1.5)，共鑒定出36種差異表達代謝物，其中己酸的減少和5-磷酸核糖等的升高是單純DENV感染特異性差異表達的代謝物，而丁酸等的減少以及煙酸等的升高時ADE感染中特異性差異表達代謝物。這些差異表達的代謝物主要包括脂肪酸和碳水化合物的增加以及肉堿的減少(圖9)。這些結果進一步強調了DENV感染對細胞代謝的顯著影響，并為理解登革病毒感染的免疫代謝機制提供了有價值的線索