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为解决 IBD 诊断和亚型区分难题，韩国庆熙大学研究人员开展血清代谢组学研究。结果发现特定血清代谢物可精准识别 IBD 及亚型。这一成果对提升 IBD 诊疗水平意义重大，强烈推荐科研读者阅读。
韩国庆熙大学医学院庆熙大学医院炎症性肠病中心（Department of Gastroenterology, Center for Crohn’s and Colitis, Kyung Hee University Hospital, Kyung Hee University College of Medicine）的研究人员 Ji Eun Kim、Dong Ho Suh 等人在《Scientific Reports》期刊上发表了题为 “Identifying robust biomarkers for the diagnosis and subtype distinction of inflammatory bowel disease through comprehensive serum metabolomic profiling” 的论文。这篇论文在炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease，IBD）研究领域意义重大，为 IBD 的诊断和亚型区分提供了新的思路和方法，有望推动该领域临床诊断技术的发展，改善患者的诊疗现状。
研究背景
炎症性肠病（IBD）是一种慢性胃肠道炎症性疾病，主要包括克罗恩病（Crohn's disease，CD）和溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis，UC）。过去，IBD 主要在西方国家较为常见，但在过去二十年里，新兴工业化国家的 IBD 发病率显著上升，给全球医疗系统带来了沉重负担。
IBD 的病因十分复杂，涉及遗传易感性、肠道微生物群相互作用、免疫反应、环境暴露和饮食因素等多个方面。这种复杂性使得人们对其发病机制的全面理解面临困难，也给临床管理带来了挑战。在临床实践中，IBD 的诊断颇具难度，其症状具有异质性，且与其他胃肠道疾病存在重叠，区分 CD 和 UC 这两种亚型更是关键，因为不同亚型的治疗策略有所不同。目前缺乏明确的生物标志物，现有的诊断方法需要综合临床评估、内镜检查、组织学检查、粪便标志物检测和影像学检查等多种手段，但即便如此，诊断仍存在不确定性，因此迫切需要新的生物标志物来提高诊断准确性，优化患者护理。
代谢组学（Metabolomics）作为一种对生物样本中小分子进行全面分析的技术，在 IBD 生物标志物发现方面具有独特优势。血清或血浆代谢组学可以系统地反映机体的代谢状态，不仅能捕获肠道来源的代谢物，还能体现更广泛的代谢变化，反映疾病的全身性特征。而且，这种方法具有微创、患者接受度高、实验室操作标准化等优点，便于样本采集和长期监测。此前已有研究揭示了 IBD 患者与健康对照者之间代谢物谱的差异，聚焦胆汁酸和色氨酸（Tryptophan，TRP）等特定代谢途径的研究也显示出这些途径与疾病活动和预后相关。然而，以往研究普遍存在样本量小的问题，限制了研究结果的统计学意义和普遍性。
研究方法
研究设计和样本采集 ：研究队列包括 IBD 患者和正常对照（Normal Controls，NC）。IBD 患者从 2018 年 5 月至 2022 年 9 月在庆熙大学医院 IBD 中心招募，NC 为同期招募的无症状、无重大疾病（包括胃肠道疾病）且无 IBD 家族或个人病史的人员。研究获得了庆熙大学医院机构审查委员会的批准（批准号：IRB - 2018 - 03 - 006），并取得了所有参与者的知情同意。
患者纳入标准 ：新诊断（研究入组前少于 4 周）的 IBD 患者和确诊后接受过治疗的患者。患者排除标准 ：不确定结肠炎、其他严重合并症或无法提供知情同意者。样本采集与处理 ：使用标准化静脉穿刺程序采集 IBD 患者的血清样本，在采集后 2 小时内于 4°C 离心处理，然后分装并储存于 - 80°C 用于后续分析。同时系统记录患者的疾病特征和治疗史等详细数据，通过生化测试（如血清 C 反应蛋白（C - reactive protein，CRP）和粪便钙卫蛋白）评估疾病活动度，CRP 水平低于 0.5mg/dL 且粪便钙卫蛋白水平低于 250μg/g 定义为生物学缓解，反之则为活动期疾病。 代谢工作流程和数据分析 ：利用高分辨率质谱技术对 346 名参与者的血清样本中的 78 种不同代谢物进行详细鉴定和定量分析。采用气相色谱 - 飞行时间质谱（Gas Chromatography - Time of Flight Mass Spectrometry，GC - TOFMS）和液相色谱 - 三重四极杆质谱（Liquid Chromatography - Triple - Quadrupole，LC - TQ）MS 进行分析，数据处理和分析旨在了解代谢组学谱与 IBD 亚型及相关临床变量之间的关系。
样本制备 ：根据不同的分析目的选择不同的溶剂进行血清样本提取，50% 甲醇用于非靶向代谢物谱分析和胆汁酸分析，100% 甲醇用于色氨酸代谢物分析。提取后的上清液过滤后用于相应分析，非靶向代谢物谱分析的样本需干燥并衍生化，以提高化合物的挥发性和热稳定性，便于 GC - TOFMS 分析。数据处理 ：GC - TOFMS 原始数据通过 LECO Chroma TOF 软件转换为 CDF（NetCDF）文件，然后使用 MetAlign 软件进行峰检测、保留时间校正和比对分析。LC - TQ - MS 数据在负离子模式下通过电喷雾电离，在多反应监测（Multiple Reaction Monitoring，MRM）模式下检测。统计 / 生物信息学分析 ：由于代谢组学研究中数据多为非正态分布，采用非参数检验（Wilcoxon 符号秩检验）进行分析。使用错误发现率（False Discovery Rate，FDR）方法计算所有鉴定出的代谢物的校正 p 值，以校正多重比较。利用 R 版本 4.3.1 计算受试者工作特征（Receiver Operating Characteristic，ROC）曲线和准确率（含 95% 置信区间），评估生物标志物的诊断能力。采用基于随机森林的特征选择技术 Boruta（R 版本 8.0.0）选择与 IBD 亚型和表型相关的生物标志物，并使用免费网络软件 MetaboAnalyst 5.0 的功能富集和通路分析工具进行代谢通路分析。
研究结果
参与者特征 ：共分析了 346 名受试者，其中包括 88 名健康志愿者（NC）和 258 名 IBD 患者（134 名 CD 患者和 124 名 UC 患者）。在性别分布上，CD 组男性占比约 78%，UC 组为 62%，NC 组为 70%。平均年龄方面，CD 组为 49.5 岁，UC 组为 42.7 岁，NC 组为 33.6 岁。平均体重指数（Body Mass Index，BMI）CD 组为IBD 的比较代谢谱分析 ：通过非靶向代谢物谱分析（GC - TOFMS）发现，NC 组在主成分 1（PC1）上呈现明显聚类，但 UC 和 CD 组在主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）和偏最小二乘法判别分析（Partial Least Squares Discriminant Analysis，PLS - DA）得分图中没有明显分离。分析确定了 43 种代谢物，基于 PLS - DA 模型的变量重要性投影（Variable Importance in Projection，VIP）值（>0.7）和单因素方差分析的 p 值（<0.05）筛选出组间差异显著的代谢物。与 NC 组相比，患者组中多种氨基酸、有机酸、碳水化合物和脂肪酸水平降低，而丙氨酸、脯氨酸、核糖、果糖、壬酸、乳酸、4 - 羟基苯乙酸、肌苷和特定脂质（单酰甘油和 γ - 生育酚）水平显著升高。UC 和 CD 组之间代谢物含量差异不显著。患者组中与色氨酸代谢相关的代谢物浓度显著高于 NC 组，CD 和 UC 组的色氨酸和吲哚 - 3 - 乙酸水平均显著升高，CD 组的犬尿氨酸和吲哚 - 3 - 丙酸水平也高于 NC 组，UC 组的吲哚 - 3 - 乙酸、血清素和乙酰胆碱水平低于 CD 组。此外，两组患者的初级与次级胆汁酸比值均显著低于 NC 组。IBD 亚型中特定代谢物的鉴定 ：对每个 IBD 亚型进行多变量统计分析发现，CD 的疾病位置和 UC 的疾病范围对识别 IBD 生物标志物的模型拟合不佳。利用 ROC 曲线和代谢通路分析进一步筛选生物标志物，ROC 曲线结果显示，所鉴定的代谢物在区分不同组时有显著判别能力，NC 与 CD 比较的曲线下面积（Area Under the Curve，AUC）为 0.9738，NC 与 UC 比较为 0.9887，UC 与 CD 比较为 0.7140。通路分析表明，所有实验组中乙醛酸和二羧酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢均存在持续改变。与 NC 相比，IBD 亚型中 β - 丙氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢等特定代谢途径也发生改变，甘油磷脂代谢在 UC 和 CD 之间存在独特变化，可用于区分这两种亚型。CD 和 UC 表型中特定代谢物的鉴定 ：利用 Boruta 特征选择算法确定与 NC、UC、CD 相关的稳健代谢物后，通过网络分析评估其在基于表型和其他临床特征对 CD 和 UC 进行亚分类中的临床适用性。在 CD 中，网络分析显示某些代谢物与药物治疗显著相关，接受抗 TNF 治疗的患者中肌苷、核糖等代谢物水平升高，未接受治疗的患者中硼酸、甘油等代谢物水平较低。联合免疫抑制治疗的患者与未治疗患者相比，甘油、皮质醇等代谢物水平有差异。疾病活动度与特定代谢标记物密切相关，活动期疾病与麦芽糖、甘油等代谢物水平升高相关，缓解期则与色氨酸、黄尿酸等代谢物水平降低相关。在 UC 中，网络分析揭示了代谢物与疾病活动度（活动期与缓解期）、诊断时间（新诊断与已确诊）和免疫抑制治疗使用之间的相关性。活动期 UC 患者的硬脂酸、富马酸等代谢物水平升高，缓解期患者的脱氧胆酸、对羟基苯乙酸等代谢物水平降低。新诊断患者的硼酸、α - 生育酚等代谢物水平升高，已确诊患者的天冬氨酸和丙氨酸水平降低。接受免疫抑制治疗的患者谷氨酸、天冬氨酸等代谢物水平升高，未接受治疗的患者柠檬酸和尿素水平降低。
研究结论与讨论
本研究通过对大量样本的分析，并结合严格验证的临床和生物学元数据，揭示了 IBD 患者与健康对照者之间血清代谢物谱的显著差异，表明血清代谢组学在 IBD 诊断中具有潜在价值，有望成为一种新的诊断生物标志物应用于临床实践。研究还发现了不同 IBD 亚型间存在显著差异的血清代谢物，有助于提高 IBD 诊断的准确性，弥补了以往因临床症状重叠和缺乏明确生物标志物导致的诊断难题。
在代谢物变化方面，IBD 患者与 NC 组相比，多种氨基酸、脂肪酸等代谢物水平发生改变，这与肠道微生物群失调有关。色氨酸代谢在 IBD 患者中也有明显变化，虽然本研究中 IBD 患者色氨酸水平升高，但相关代谢物也升高，提示可能是代谢前体色氨酸本身增加，而非降解减少，未来研究可进一步考虑饮食摄入因素以及关键酶的表达情况。此外，IBD 患者肠道微生物群的改变导致胆汁酸组成变化，初级胆汁酸增加，次级胆汁酸减少，初级与次级胆汁酸比值降低，这对 IBD 发病机制有重要影响，表明肠道微生物群、胆汁酸组成和肠道黏膜炎症之间可能存在相互作用。
研究还通过网络分析发现了与 IBD 表型相关的血清代谢组学标记物，这些标记物与药物治疗和疾病活动度密切相关，为监测治疗效果和个性化治疗提供了潜在依据，有助于推动 IBD 的个性化医疗发展。然而，本研究也存在一些局限性。样本来自单一中心，可能限制了结果的普遍性；使用 Boruta 特征选择方法可能存在过拟合风险，虽采取了数据采样和特征稳定性分析等措施，但仍需在独立的多中心队列中进一步验证；研究主要针对已确诊患者，且仅关注血清代谢组，未来研究可拓展到新诊断的未治疗患者，并综合分析血清、尿液和肠道微生物群及其代谢物；此外，研究未将 IBD 患者与其他胃肠道疾病患者进行直接比较，未来应纳入其他肠道炎症性疾病的对照组，以更好地确定 IBD 特异性生物标志物，提高诊断准确性。
总的来说，本研究结合非靶向和靶向分析方法，确定了与 IBD 及其亚型相关的特定血清代谢组学变化，靶向代谢组学分析对于区分亚型至关重要，网络分析也为后续研究提供了重要基础。研究结果进一步证实了血清代谢组学作为一种患者友好型诊断标记物的重要性，有望在未来推动 IBD 个性化医疗的发展，改善患者的诊疗效果。
