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灣區(qū)時(shí)訊 登革熱，作為一種由節(jié)肢動(dòng)物傳播的病毒性疾病，在全球范圍內(nèi)極為普遍。在過去20年里，世衛(wèi)組織報(bào)告的登革熱病例數(shù)量增加了8倍多，全球有129個(gè)國家約39億人面臨感染登革熱病毒(DENV)的風(fēng)險(xiǎn)，其中亞洲的感染人數(shù)占比高達(dá)70%。目前主要通過外源性和內(nèi)源性抗體依賴性增強(qiáng)(ADE)的假說來解釋DENV重癥感染的病理機(jī)制，但登革熱的感染原理和其代謝調(diào)控機(jī)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(xì)胞內(nèi)的代謝物變化，揭示DENV感染和ADE感染對(duì)宏觀代謝的影響，從而深化對(duì)登革熱病理機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

人單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞是自然DENV感染的主要靶點(diǎn)，在DENV免疫發(fā)病機(jī)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(jī)制，本研究使用THP-1細(xì)胞誘導(dǎo)分化的巨噬細(xì)胞作為研究對(duì)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(xì)胞模型。然后利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)對(duì)DENV感染和ADE感染后的細(xì)胞內(nèi)代謝變化進(jìn)行了定量分析，最后通過多元統(tǒng)計(jì)分析和單變量統(tǒng)計(jì)分析，確定具有顯著差異的代謝物，進(jìn)一步利用代謝物相關(guān)通路富集分析，探索這些代謝物差異背后的生物學(xué)意義及其所涉及的代謝途徑。

結(jié)果顯示，使用THP-1分化的巨噬細(xì)胞進(jìn)行DENV感染實(shí)驗(yàn)，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(xì)胞的DENV和ADE感染模型

共檢測(cè)到202個(gè)差異代謝物，其中包括氨基酸(23.76%)、脂肪酸(21.78%)、有機(jī)酸(13.37%)、碳水化合物(10.4%)和肉毒堿(10.4%)。氨基酸是檢測(cè)頻率最高的代謝物類別(62.17%)，其次是碳水化合物(18.53%)、有機(jī)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(fù)性好，組間個(gè)體樣本聚集性顯著，組間差異顯著。(圖2B)。多維統(tǒng)計(jì)分析顯示各組間存在差異表達(dá)的代謝物(圖2C)，與未感染組相比，單純DENV-2感染導(dǎo)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(dǎo)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(shù)與氨基酸的代謝、糖酵解、磷酸戊糖和氧化反應(yīng)(三羧酸循環(huán))有關(guān)。在18條差異通路中有12個(gè)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、牛磺酸和亞?；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(duì)THP-1來源巨噬細(xì)胞的整體代謝組學(xué)變化

DENV感染導(dǎo)致48種氨基酸及其衍生物的細(xì)胞含量發(fā)生變化，其中20種變化顯著，包括16種在DENV單獨(dú)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(duì)氨基酸代謝產(chǎn)生了顯著影響，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的生物合成和細(xì)胞信號(hào)傳遞。

圖3 登革病毒感染顯著消耗細(xì)胞氨基酸

DENV感染的非ADE和ADE均導(dǎo)致23種碳水化合物改變，并共同產(chǎn)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(jié)果表明DENV感染增強(qiáng)了細(xì)胞碳水化合物的代謝活動(dòng)，為病毒復(fù)制提供了能量和核苷酸合成的前體物質(zhì)。

圖4 登革病毒感染增加細(xì)胞內(nèi)碳水化合物的含量

DENV感染導(dǎo)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(dá)到顯著水平。這些顯著變化包括在DENV單獨(dú)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(duì)維持登革病毒復(fù)制周期的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

圖5 登革病毒感染可顯著增加了細(xì)胞脂肪酸含量

DENV感染導(dǎo)致21種肉堿變體，其中14種達(dá)到顯著水平，主要是?；鈮A的減少(圖6)。而ADE感染導(dǎo)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(guān)鍵中間產(chǎn)物，其減少表明DENV感染抑制了脂肪酸分解代謝，進(jìn)而支持了脂質(zhì)的合成代謝，以滿足活躍病毒復(fù)制的需求。

圖6 登革病毒感染可顯著降低了細(xì)胞?；鈮A含量

細(xì)胞內(nèi)有機(jī)酸是多種代謝底物的代謝中間體。DENV感染產(chǎn)生27種有機(jī)酸變體，其中17種達(dá)到顯著水平。這些顯著變化包括有機(jī)酸的減少和增加，特別是與三羧酸循環(huán)(TCA)關(guān)鍵組分相關(guān)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(jié)果表明DENV感染對(duì)有機(jī)酸代謝產(chǎn)生了復(fù)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(xì)胞內(nèi)有機(jī)酸的含量

DENV感染還導(dǎo)致其他類別的代謝物變體，占所有檢測(cè)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(xì)胞能量狀態(tài)的信號(hào)分子。在感染發(fā)生時(shí)，它們的減少表明了更高的細(xì)胞能量狀態(tài)和控制細(xì)胞生理的信號(hào)通路(如代謝、蛋白質(zhì)合成與分泌、鈣穩(wěn)態(tài)和基因轉(zhuǎn)錄等)的改變。

圖8 由登革病毒感染產(chǎn)生的其他代謝物變異

最后，通過統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(p<0.05和VIP>1.5)，共鑒定出36種差異表達(dá)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(dá)的代謝物，而丁酸等的減少以及煙酸等的升高時(shí)ADE感染中特異性差異表達(dá)代謝物。這些差異表達(dá)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(jié)果進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了DENV感染對(duì)細(xì)胞代謝的顯著影響，并為理解登革病毒感染的免疫代謝機(jī)制提供了有價(jià)值的線索