吴雪，王俊轶，李国平，

1 川北医学院临床医学院，四川南充 637000；2 成都市第三人民医院呼吸与危重症医学科

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是以不可逆气流受限为特征的慢性气道炎症性疾病，有着较高的发病率及病死率［1］。目前，COPD 的诊断主要依赖于病史采集和肺功能检测，临床上尚缺乏敏感度和特异度较高的早期生物标志物以辅助诊断。组学技术是一种将高通量技术应用于生命科学研究的方法，其包括代谢组学、蛋白质组学、转录组学等多个方面的技术。简单来说，组学技术可以帮助研究者同时研究大量生物分子，并且可以追踪这些分子在不同层面（如转录组水平、蛋白质水平等）的变化。因此，组学技术可以为生命科学研究提供更为全面和深入的视角。组学技术的发展使人们对疾病的研究方式也发生改变，通过高通量和高分辨平台可以测量数千个基因转录本、蛋白质或代谢物，因此有大量以组学技术为支撑的研究在COPD 中开展。现就代谢组学、蛋白质组学、转录组学等组学技术在COPD 诊断中的应用研究进展进行综述，以期为COPD 的诊断及鉴别提供理论支持。

1 代谢组学在COPD诊断中的应用

代谢组学以相对分子质量小于1 500 Da的内源性代谢物为研究对象，利用色谱质谱技术和核磁共振技术对各种生理及病理过程中的代谢应答进行定量测定［2］。代谢组学可分为靶向代谢组学和非靶向代谢组学两大类，前者用于研究特定的代谢产物或代谢通路，可应用于某种疾病的代谢异常、评估药物作用机制等方面；后者则是以同一时期生物体内全部的代谢物为研究对象，用于发现和鉴定代谢的潜在标志物、研究代谢调控网络等方面。作为最接近表型的组学方法之一，代谢组学技术被广泛应用于COPD 早期代谢生物标志物鉴定、COPD 急性加重（AECOPD）代谢生物标志物鉴定及COPD 与呼吸系统合并疾病的鉴别。

1.1 COPD 早期代谢生物标志物鉴定 早期生物标志物是一类能在疾病发生的前阶段或疾病发生的早期阶段有助于辅助诊断的生物分子或细胞特征。代谢组学可以通过测定疾病组与对照组之间的差异代谢物，从而发现疾病早期的代谢改变，因此其可用于鉴定COPD 早期生物标志物。炎症反应是COPD最重要的病理生理过程之一。一项综合了5 557 个大样本的血浆代谢组学研究发现，循环血液中的糖蛋白乙酰基可以作为COPD 的生物标志物［3］，可为临床诊断该疾病提供依据。另一项研究也支持了这一观点，该研究发现蛋白质糖基化修饰产物N-乙酰糖蛋白在COPD 患者及健康对照者之间存在差异［4］。此外，代谢组学还可以通过筛选与肺功能相关的代谢产物应用于COPD 的预测。有研究发现，在COPD 早期，犬尿氨酸与肺功能呈负相关［5］；另有研究发现，N-3和N-6多不饱和脂肪酸与肺功能呈正相关［6］。上述代谢物通过预测肺功能，可为COPD的早期诊断和疾病严重程度分级提供参考，但单一指标的灵敏性和特异性均有限。GODBOLE 等［7］发现将参与精氨酸生物合成和氨酰基-tRNA 生物合成途径的代谢物组合，可用于预测用力呼气一秒容积，其预测的准确率优于单一代谢物。上述研究发现为患者肺功能下降到COPD 诊断标准前的早期识别提供了可能。

1.2 AECOPD 代谢生物标志物鉴定 AECOPD 可导致患者临床症状加重，肺功能迅速下降，增加患者死亡风险［8］。因此，在AECOPD 早期识别和及时干预显得十分重要。通过血清代谢组学研究发现，氨基酸代谢和脂质代谢与AECOPD 密切相关。研究显示，基于丙酮酸、异亮氨酸、L-甲基组氨酸和谷氨酰胺4种血清代谢物浓度加权总和的代谢物评分与AECOPD 风险的增加有关［9］。LABAKI 等［10］也发现，低浓度的色氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和支链氨基酸与1 年内呼吸系统症状急性加重的发生率独立相关。除了氨基酸代谢之外，脂质代谢一直以来都是代谢组学关注的重点。近期的一项研究进一步发现，在重度COPD 患者中甘油磷脂代谢通路明显下调［11］，其与疾病的严重程度相关。除此之外，还发现溶血磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇这三种磷脂表达的降低可能与AECOPD 相关［12］。上述氨基酸代谢和脂质代谢的改变与AECOPD 密切相关，但由于各项研究之间的样本数量与样本来源存在差异，上述研究结论还需要继续扩大样本量或增加样本的类型进一步验证。

1.3 COPD与呼吸系统合并疾病的鉴别

1.3.1 COPD 合并哮喘（ACO） COPD 和哮喘的临床症状相似，两者常合并发生，临床上通常难以区分。代谢组学技术可以筛选出两者之间差异的代谢物，并以此来鉴定ACO。通过使用胆碱衍生化超高液相色谱联合质谱对患者血浆样本进行检测，发现ACO 患者和COPD 患者之间存在明显的代谢差异，ACO 患者具有更高水平的类花生酸代谢，其代谢产物羟基二十碳四烯酸可作为区分二者的血液标志物［13］。GHOSH 等［14］也发现，ACO 与COPD 患者存在明显差异的代谢物及免疫介质，其中能量代谢产物、胆固醇、脂肪酸与免疫介质之间存在显著相关性，提示ACO 患者的炎症状态可能与代谢损伤之间存在关联。针对上述机制进行深入研究，开发识别ACO的生物标志物，将有助于该疾病的鉴别及早期诊断。

1.3.2 结核相关COPD 肺结核是COPD 的危险因素之一，对COPD 的发生有重要影响。一项针对结核相关COPD 的代谢组学研究发现，与炎症有关的花生四烯酸及二十烷酸在结核相关COPD 患者中处于较高水平。通过KEGG 通路富集分析发现，这种差异与脂肪酸代谢和色氨酸分解代谢的改变相关，脂氧化物的变化与血清白细胞介素6 及C 反应蛋白水平呈正相关［15］。上述代谢改变可鉴别结核相关COPD和其他原因导致的COPD。

1.3.3 COPD 相关肺动脉高压 COPD 是导致肺动脉高压的主要原因之一。一项同时分析血清和呼出气凝析液的代谢组学研究发现，COPD 合并肺动脉高压的患者具有更高的能量需求，乳酸和丙酮酸这两种代谢物在血清和呼气凝析液中均表现出显著变化，并且与肺动脉收缩压力相关，这两种物质的代谢改变可能与COPD患者肺动脉高压的发生有关［16］。

2 蛋白质组学在COPD诊断中的应用

蛋白质组学是研究蛋白质的组成、结构、表达、修饰状态以及相互作用的技术，其可利用质谱技术、蛋白质分离鉴定技术和蛋白质修饰研究技术等，全面而系统地分析生物体内蛋白质的动态变化和相互作用，以此来深入研究疾病的发生机制［17］。因此，蛋白质组学技术被广泛应用于COPD 早期蛋白质标志物鉴定、AECOPD 预测以及COPD 与呼吸系统合并疾病的鉴别。

2.1 COPD 早期蛋白质标志物鉴定 探索COPD 早期蛋白质标志物有助于COPD 的早期诊断。炎症反应是COPD 病理过程的中心环节，可导致肺组织损伤。一项基于肺组织的蛋白组学研究发现，COPD患者中Ⅰ型膜蛋白、具有胶原结构的巨噬细胞受体和多功能细胞表面蛋白的表达较对照组下调，上述蛋白质的改变可能通过促进炎症反应而加速COPD的发生发展［18］。另一项基于血清色谱质谱的研究通过联合酶联免疫吸附测定，发现肌动蛋白结合蛋白、胰岛素样生长因子结合蛋2 及富亮氨酸α2 糖蛋白1可作为COPD 的血清蛋白标志物［19］。然而，单一的蛋白质标志物用于COPD 的预测可能存在一定局限性。通过构建与肺功能和肺气肿百分比相关的蛋白质相互作用网络，利用网络中多种蛋白质组合的模型对COPD进行预测，其预测的能力优于单一标志物［20］。

2.2 AECOPD 蛋白质标志物鉴定 蛋白质水解和免疫应答在AECOPD 的病理生理过程中起到重要作用。通过痰液样本同位素标记的方法测定蛋白酶底物，发现AECOPD 与气道弹性蛋白酶活性的增加以及特定弹性蛋白酶底物的加工增加有关，蛋白质水解通过调节COPD 患者气道中的弹性蛋白酶活性，从而诱发AECOPD［21］。血液样本的蛋白组学研究也支持这一观点，TAN 等［22］通过血浆定量蛋白质组学技术分析发现，参与蛋白水解调节的α1抗胰凝乳蛋白酶、α 胰蛋白酶抑制剂重链H3 等多种蛋白质与AECOPD 密切相关。LI等［23］通过COPD 蛋白质组学研究发现，先天免疫应答和蛋白水解途径与AECOPD 密切相关，其中抗人类表皮生长因子受体3 单链抗体、脂蛋白A、结合珠蛋白相关蛋白等可以作为COPD快速进展的生物标志物。

2.3 COPD 与呼吸系统合并疾病的鉴别 COPD 是一种阻塞性通气功能障碍性疾病，常合并呼吸衰竭。赖氨酸巴豆酰化修饰是组蛋白除赖氨酸乙酰化修饰之外的另一种生物学功能，对疾病有着特定调节作用。在赖氨酸巴豆酰化修饰的蛋白组学研究中发现，COPD 合并Ⅱ型呼吸衰竭患者与对照组比较存在90种经巴豆酰化修饰且差异表达的蛋白质，这些差异表达的巴豆酰化位点可能参与了COPD 合并Ⅱ型呼吸衰竭的发生［24］。另外一项COPD 和新型冠状病毒肺炎的血浆蛋白质组学研究发现，肝细胞生长因子和多种趋化因子驱动了全身炎症失调，导致COPD 患者更容易感染严重的新型冠状病毒肺炎［25］。这些研究结果为了解COPD 并发呼吸系统疾病提供了重要的参考，进一步的研究可能有助于寻找COPD合并疾病的发病机制。

3 转录组学在COPD诊断中的应用

转录组学是研究RNA 表达及调控的一种重要方法，其可通过高通量RNA 测序、单细胞测序、微阵列芯片等技术，对特定时期细胞内全部RNA 进行定性和定量分析，从而揭示基因表达规律和调控的机制［26］。在COPD 的研究中，转录组学被广泛应用于研究遗传变异对疾病发生的影响，通过比较COPD组和对照组之间的基因表达差异，可以识别与COPD 发生相关的关键基因和通路，了解遗传变异在COPD 的病理过程的促发机制，从而对COPD 进行诊断和鉴别。

LI等［27］通过肺组织单细胞RNA 测序，将生长因子结合蛋白5 基因和凯因蛋白基因鉴定为与重度COPD 相关的纤毛上皮细胞基因，可用于COPD 严重程度的预测。然而，仅基于差异基因模型对COPD的预测和诊断能力十分有限，因此MOLL 等［28］建立了包括转录风险评分、多基因风险评分和临床因素的COPD 预测模型，通过比较发现，将转录组学评分添加到预测模型中可以提升模型的预测能力。此外，转化生长因子途径也与COPD 的发生密切相关。PARKER 等［29］聚焦于转化生长因子β 途径的研究，发现跨越转化生长因子β2下游200 kb 区域内的遗传变异与肺气肿有关，从而将转化生长因子β 途径与肺气肿联系起来。另有一项小鼠肺组织转录组学联合乙酰化组学的研究筛选出了19 个差异表达基因，并通过体内研究验证了编码醛缩酶A 基因在COPD 患者及COPD 小鼠模型的肺组织中均显著下调并高度乙酰化，提示编码醛缩酶A 基因可作为COPD 诊断的特异性标志物［30］。上述基因的发现可能为疾病的诊断及预测提供新的思路，然而由于不同类型的样本之间的差异以及RNA 文库质量的参差，相关研究结论还需要更大样本量的研究来验证。综上所述，近年来组学技术的发展为复杂疾病的研究提供了有力支持。代谢组学研究发现了COPD 的早期代谢标志物、AECOPD 的代谢变化及COPD 与哮喘等不同呼吸系统疾病的代谢差异；蛋白质组学研究鉴定了COPD 早期、AECOPD 的蛋白质标志物，并可鉴别COPD 与呼吸系统合并疾病；转录组学研究则发现了COPD 的特异性表达基因及潜在预测模型。这在一定程度上说明组学技术在COPD 的诊断方面有着重要价值。然而，目前的组学研究的样本量以及样本类型存在差异，未来还需要基础研究验证机制，以及更多大样本量、多中心的前瞻性临床研究进一步验证，才能推动实验成果向临床应用的转化。