摘要
新冠肺炎仍在全世界肆虐，似乎没有从地球上消失。在这篇综述中，卢等讨论了组学技术在揭示发病、进展和传播背后的分子机制中的作用，并讨论了缺乏标准化如何限制其临床应用。
截至2022年2月12日，200多个国家和地区已报告超过4.05亿例新冠肺炎确诊病例，580万例死亡。虽然疫苗接种并没有阻止新型冠状病毒的传播，但它降低了成人和儿童感染后患重病或死亡的风险。多组学研究揭示了病原体的分子特征和结构，以及宿主对病毒感染和疫苗接种反应的潜在分子机制(本文图1和图2)。
图一。多组学可以系统地表征新冠肺炎的分子调控。
大象指的是新冠肺炎患者，而放大镜指的是用于检查有限数量分子的传统技术。多组学技术像卫星一样，可以全面分析分子调控机制，其中大部分是放大镜看不到的。
病原体
多组学技术极大地加深了我们对新型冠状病毒和宿主反应的理解，包括但不限于下一代测序(NGS)、蛋白质组学和代谢组学(图2)。事实上，新冠肺炎疫情病原体的确定仍然需要归功于基因组学。基于这一结果，人们开发了PCR试剂盒并迅速应用于临床，取代了原有的体温检测方法，有效提高了新冠肺炎诊断的准确性。
图二。新型冠状病毒和宿主反应的多组学研究。
改编自自由(2022)写的《新型冠状病毒聚焦变种的潜在传播机制》；从；对病毒基因组和蛋白质组的研究使人们迅速建立了用于新冠肺炎诊断的PCR检测方法。基因组监测使我们能够对病毒的进化和传播进行流行病学调查。目前，已经根据它们的序列和表面蛋白设计了多种疫苗。大多数组学分析侧重于宿主对感染或疫苗接种的反应，蛋白质组学和代谢组学是这方面最重要的力量。
新型冠状病毒的突变将导致其致病性、传染性、传播性或抗原性的改变。1.比如E484K是一种免疫逃逸突变，可以降低抗体介导的中和作用。1 NGS技术的快速应用不仅有助于发现Delta和Omicron等突变株，还有助于追踪和调查它们在不同地区的传播情况。在对津巴布韦新型冠状病毒变异株的流行病学调查研究中，发现60%的病例是输入性的，这表明人口流动是其传播的关键因素，进一步支持了检疫和限制人口流动的重要性。基于质谱技术对新冠肺炎刺突糖蛋白的研究也有助于疫苗的开发。病毒的S蛋白可以与宿主细胞中的ACE2蛋白相互作用，利用这一点，抗体可以通过靶向S蛋白来中和病毒。因此，S蛋白的结构，包括其糖基化位点，对疫苗的设计至关重要。Watanabe等人表达了重组刺突蛋白三聚体，通过质谱测定了22个糖基化位点的糖基组成(如N234和N709位点的糖基主要属于甘露寡糖型)。这项研究不仅加深了我们对S蛋白结构的理解，也为疫苗和治疗性抗体的开发提供了评价免疫原质量的基准。三
宿主对病原体的反应
尽管组学已经帮助我们了解了病原体的性质和结构，但新冠肺炎感染患者的症状，例如哪些患者会发展成严重的疾病，仍然很难预测。如果有一种准确实用的方法，根据疾病的严重程度对患者进行分类，并确定大多数患者能够在新型冠状病毒感染中存活，那么许多关于全球疫情的担忧就可以得到缓解。另外，不同人群对新突变株的免疫反应是否存在差异？不同的疫苗和接种次数如何影响人类对新型冠状病毒的免疫力？为了解决这些问题和许多其他关键问题，我们需要充分了解宿主对这种病原体及其疫苗的反应。大多数组学研究可以基于多种器官和临床标本探索宿主对病原体的数千个分子变化，这是传统方法难以实现的。
新冠肺炎宿主反应的研究最初仅限于观察发热、咳嗽等临床症状，进一步扩展到观察胸部CT和循环蛋白生物标志物如CRP、SAA1的变化。这些标记已被用于观察其他传染病。基于这些经验，它们也被用于监测新冠肺炎的临床进展。多组学研究监测到了人体内大量因新冠肺炎感染而改变的分子，极大地扩展了标记物的潜在类型。这些发现通常很难被传统的分析方法检测出来(图2)。例如，基于新冠肺炎患者血清的蛋白质蛋白质组学和代谢组学已被有效地应用于测量血液中约2000种分子，其中93种蛋白质和204种代谢物在危重患者中显示出显著的特异性不平衡。这项研究还强调了血小板脱颗粒、巨噬细胞和补体系统的关键作用。大多数关键分子变化已在许多国家/地区的其他新冠肺炎组学研究中得到证实，这验证了蛋白质组学和代谢组学技术的可靠性及其在临床决策中的潜在价值。
值得一提的是，尿液作为一种无创的临床生物标本，含有蛋白质和小分子代谢物，也很容易被质谱检测到。研究人员在尿液中检测到了近4000种蛋白质，但由于血清中存在高丰度的蛋白质，用同样的质谱方法只能检测到约1500种蛋白质。值得注意的是，在血清中检测到的蛋白质，80%可以在尿液中检测到，而在尿液中检测到的蛋白质，只有31%可以在血清中检测到。五
为什么我们需要检测这些分子？这些发现对抗击疫情有什么帮助？大量组学研究表明，在设计良好的组学实验中，机器学习可以筛选用于分类和监测疾病进展的生物标志物。例如，基于血清中表达的22种蛋白和7种代谢物的随机森林模型可以可靠地指示新冠肺炎的严重程度，并在一定程度上预测疾病预后。4.类似地，基于尿蛋白的模型也可用于监测新冠肺炎病的进展。五
除了血液中的循环分子，其他器官中的分子变化对揭示宿主反应也至关重要。病理切片为宏观和微观层面的诊断提供了丰富的信息，被公认为疾病诊断的“金标准”。然而，在新冠肺炎患者的多器官病理切片中观察到的变化与SARS和MERS患者并无明显不同，而是高度相似。基于质谱的蛋白质组学现在可以表征多器官尸检样品中的10，000多种蛋白质，并发现多种参与血液凝固、血管生成、纤维化和脂肪酸代谢过程的蛋白质。7如果没有如此先进的蛋白质组学技术，用基于假设的研究方法来探索新冠肺炎感染后人体的变化，那么目前已知的几个重要发现，如组织蛋白酶L在肺中的上调与新冠肺炎死亡率的潜在关系或INSL3蛋白的减少与睾丸间质细胞损伤的关系，将会消耗不可估量的精力和时间。蛋白质组学使我们能够“看到”病理表现背后的分子变化。患者的组织样品，尤其是肺组织，可能具有感染性，必须在分析前灭活，这通常通过福尔马林固定来实现，并且通常导致mRNA降解，这使得基于福尔马林固定的样品的转录组学分析具有挑战性。相比之下，蛋白质可以有效地从福尔马林固定的组织中提取出来，然后通过质谱进行分析。八
基因组学技术还可以找到病毒的靶细胞，这是传统技术难以实现的。鼻咽拭子的单细胞RNA测序(SCRNA-SEQ)显示，在新冠肺炎感染期间，咽中的纤毛细胞减少，而分泌细胞、常染色体细胞和巨噬细胞增加。没有其他技术可以取代单细胞RNA测序，直接从临床标本中获得这样的结果。此外，scRNA-seq也可用于解码同一细胞的各种亚细胞群体。例如，淋巴细胞减少症(血液中循环淋巴细胞的显著减少)是新冠肺炎患者的常见症状。各种淋巴细胞在抗病毒免疫中发挥着不同的作用。基于对这些淋巴细胞的scRNA-seq研究，发现淋巴细胞亚细胞群的三种不同反应模式与患者的预后有关。10
对疫苗的反应
多组学研究也可能为疫苗的使用提供指导，尽管这些数据目前还不充分。全球已接种超过100亿剂疫苗，包括mRNA疫苗、灭活病毒疫苗和腺病毒疫苗。尽管所有疫苗都在预防新型冠状病毒感染中发挥保护作用，但mRNA疫苗被证明比其他疫苗带来更高的中和抗体滴度。然而，这种保护作用不仅由中和抗体介导，还由其他免疫反应机制介导，包括T细胞和先天免疫细胞。例如，在没有中和抗体的情况下，即使只注射一剂，mRNA疫苗在预防感染方面也有80%的有效性。此外，高达6%的接种人群在第二次注射后，血清中仍检测不到中和抗体。11
根据CDC的数据，截至2022年2月12日，超过0.004%的接种人群出现了严重的副作用，包括过敏反应、血栓形成伴血小板减少综合征、格林-巴利综合征，甚至死亡。中和抗体浓度随时间降低，突破性感染时有发生，尤其是面对Omicron等新兴免疫逃逸突变株时。到目前为止，还没有针对特定突变株的定制疫苗，尽管它在预防新冠肺炎方面具有不可否认的重要性。解决疫苗保护性免疫不确定性的一个有争议但务实的政策是强制接种疫苗。
疫苗接种的这些局限性是许多国家数亿接种疫苗的人遇到的共同问题。理论上，实时监测血清抗体含量可以为人群的流行病学追踪提供信息，更重要的是，它可能为指导疫苗剂量和接种间隔提供有用的信息。然而，即使是中和抗体的检测也没有被广泛用于指导临床决策，这可能是由于大规模采血的可行性有限，以及缺乏通用的标准程序。监测尿蛋白的变化可能是评价对病毒免疫力的更实用的手段，但目前没有相关数据公布。
为什么临床实践很大程度上忽视了蛋白质组学和代谢组学？
虽然已经发表了近万篇与新冠肺炎相关的组学论文(PubMed搜索截至2022年2月12日)，但除了PCR和病毒基因组分析，组学研究的大部分成果都没有成功进入新冠肺炎的临床应用。一个可能的原因是，人们认知的多组学技术(主要是蛋白质组学和代谢组学)不成熟，重复性和可靠性不高，无法提供可靠的临床结果。然而，最近，世界各地许多实验室公布的蛋白质组学数据显示，患有障碍的分子的类型和趋势具有惊人的一致性。相反，众所周知，假阴性在新型冠状病毒的PCR检测中是常见的。最近一项对95，919名患者的研究表明，PCR检测新冠肺炎的假阴性率(FNR)和灵敏度分别为9.3%(95% CI 1.5-17.0%)和90.7%(95% CI 82.6-98.9%)。有些人可能会认为蛋白质太不稳定，在实际应用中不能作为稳定可靠的生物标志物。然而，研究表明，质谱测定的蛋白质比NGS测定的mRNA更稳定。14
是因为蛋白质和代谢物的测量在技术上和分析上都具有挑战性且成本高昂吗？的确，蛋白质组学和代谢组学数据的获取需要很多步骤，依赖于特殊的专业知识和昂贵的仪器。例如，蛋白质组学的数据获取依赖于高分辨率质谱仪。但更复杂、更昂贵的技术如正电子发射断层扫描(PET)已经广泛应用于临床，所以这些应该不是不可逾越的障碍。此外，通过质谱法测量一种蛋白质的成本已经从2006年的大约3美元下降到2020年的不到0.1美元。15
蛋白质组学和代谢组学临床应用的主要障碍可能是缺乏标准化。随着蛋白质组学领域的快速发展，几乎没有相同的标准操作规程(SOP)将用于不同的实验室。代谢组学的情况就更混乱了。出于商业原因，甚至不同实验室生成的原始数据文件也很少共享。虽然代谢组学的商业化先于蛋白质，但大多数代谢组学平台并不公开其开发的资源(例如，用于分子测量的化合物库)和技术，甚至不在科学交流中共享其原始数据。为了实现必要的透明度和标准化，扭转这种令人沮丧的局面并不容易。相比之下，组学界在蛋白质方面的情况更科学、更透明，心态更开放、更共享。我们相信，在不久的将来，通过蛋白质组学科学家、临床实践者和其他利益相关者的共同努力，可以制定出几个能够获得国际共识用于临床的蛋白质组学sop。
其他挑战
对于多组学的临床应用来说，整合不同组学方法对同一样本测量的数据也是一个巨大的挑战。基因组数据大多是定性的，而转录组、蛋白质组和代谢组数据大多是定量的。所以人们很难通过算法直接分析这种复杂多样的数据。此外，与同一个体不同组织间一致的基因组不同，蛋白质组和代谢组具有组织特异性和环境依赖性，可以反映复杂的实时生理和病理状况，其时空异质性也给数据收集和分析带来巨大挑战。
除了这些技术限制之外，在大流行期间收集潜在的传染性样本还带来了额外的挑战106 .新冠肺炎研究中使用的最常见样本是血液或支气管肺泡灌洗液样本，而尿液和粪便等非侵入性样本的数据也已逐渐被证明能够有效反映宿主反应。然而，医院缺乏用于安全收集和有效预处理这些样本的标准作业程式(标准操作程序)以进行多组学研究，这可能成为队列内和不同队列之间偏倚的来源之一。考虑到生物安全的问题，对新冠肺炎（新型冠状病毒肺炎)样本的获取有诸多限制，但这也限制了对这些珍贵样本的进行全面深入研究的可能，从而限制了人们对新冠肺炎（新型冠状病毒肺炎)的探索来发展有效防疫措施。如果能够建立适当的处理和获取这些潜在传染性标本且技术上可行的SOP，我们对新冠肺炎（新型冠状病毒肺炎)的研究将会更快地发展和深入106 .新冠肺炎不太可能消失，这也不会是最后一次大流行病。因此，人类绝不能自满于目前所取得的成就。国际社会现在必须采取行动，为未来做好更充分的准备。
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