不同组学在胰腺炎中的应用

Applications of Various Omics in Pancreatitis

摘要: 胰腺炎是常见的消化系统疾病，主要有急性胰腺炎和慢性胰腺炎。急性胰腺炎起病急、进展快、早期诊断困难；慢性胰腺炎则迁延不愈，常伴随多种并发症，临床处理困难。这些疾病造成了沉重的医疗负担。随着基因组学、蛋白质组学和代谢组学等前沿技术的发展，人们对胰腺炎的发生机制、早期诊断和个体化治疗等方面有了更深入的认识。本文旨在叙述近年来多种组学技术在急性胰腺炎、慢性胰腺炎临床应用中的最新进展，以期为该类疾病的机制研究与临床防治提供新的理论依据和未来方向。

Abstract: Pancreatitis is a prevalent digestive disorder with significant clinical implications, primarily classified into acute and chronic forms. Acute pancreatitis (AP) presents with sudden onset, rapid progression, and considerable challenges in early diagnosis. In contrast, chronic pancreatitis (CP) is characterized by its persistent nature and is frequently associated with severe complications, rendering its clinical management particularly complex. These conditions collectively represent a substantial burden on global healthcare systems. With the development of cutting-edge technologies such as genomics, proteomics, and metabolomics, our understanding of the pathogenesis, early diagnosis, and personalized treatment of pancreatitis has deepened. This article aims to describe the latest progress in the clinical application of various omics technologies in acute and chronic pancreatitis, in order to provide a new theoretical basis and future directions for the study of the mechanisms and clinical prevention and treatment of these diseases.

1. 胰腺炎目前存在的问题

1.1. 急性胰腺炎病因、诊断和治疗

急性胰腺炎(acute pancreatitis, AP)是由于胰腺酶过早激活，导致胰腺组织的消化和胰腺及周围组织的炎症或坏死，甚至可发展为一个或多个器官的全身性衰竭，是一种不可预测的、可能致命的常见消化系统疾病[1]，死亡率为1%~5% [2]。目前急性胰腺炎常见的病因为胆石症、高甘油三酯血症、过度饮酒。急性胰腺炎的发病呈逐年上升趋势，为(4.9~73.4)/10万[3]。急性胰腺炎起病急，主要依靠血清学及影像学确诊，对于部分病例不能及时确诊，从而延误病情。此外，急性胰腺炎治疗方式主要以支持治疗为主，且AP并发症多，病因众多，尤其目前我国高甘油三酯血症性急性胰腺炎(Hypertriglyceridemic acute pancreatitis, HTG-AP)在逐年增加，已成为AP的第二大常见病因[4]。且HTG-AP的发病年龄小，男性患者偏多[5]，易重症化，多伴有全身反应综合征和心肺功能不全等器官功能衰竭[6]，并发症多[7]，且易复发[8]。HTG-AP的诊断和治疗存在困难，HTG-AP症状不典型，血清胰腺酶水平可能假性降低[9]，易漏诊和误诊，缺乏针对病因的治疗。目前迫切地需要去寻找更精确、敏感的急性胰腺炎诊断方法及新药。

1.2. 慢性胰腺炎诊断和治疗

慢性胰腺炎是一种纤维炎症性综合征，反复的胰腺炎症导致胰腺组织被纤维化组织替代，引起慢性疼痛、内外分泌功能不全[10]。全球范围内，CP的年发病率为9.62/10万，死亡率为0.09/10万，男性发病率是女性的2倍[11]。CP病程迁延、难以痊愈，随着疾病的进展，可继发糖尿病、营养不良和胰腺癌等严重并发症[12]，进一步降低患者生活质量和生存期。当前CP的治疗策略侧重于缓解症状、延缓疾病进展和管理并发症[13]。CP在全球范围内造成了沉重的健康负担，缺乏逆转疾病进程的有效方法，造成医疗资源的浪费。因此我们需要提高早期诊断能力，找到有效的治疗手段及药物。

2. 不同组学的应用和研究进展

2.1. 基因组学定义和研究技术

基因组学是研究基因组结构、功能和进化的生物学跨学科领域，它作为一门基础性学科，研究一个物种的全部遗传信息。它通过提供海量数据、引入高通量技术并提供一种新方法[14]。基因组学技术可归类为模板制备、测序和成像，和数据分析三部分[15]。目前基因组学技术发展迅速，目前主要基因组学技术有细胞遗传学核型分析、染色体微阵列、短读长测序、长读长测序等，这4种基因组学技术各有特点，细胞遗传学核型分析可检测 > 5~10 Mbp的结构变异，如倒位、缺失、重复、易位，是早期基因组结构异常诊断的基础；染色体微阵列能发现多种基因组疾病(如自闭症、发育迟缓相关的微缺失/微重复)，是临床拷贝数变异(CNV)检测的一线方法；短读长测序能高精度检测SNV和小插入/缺失，可间接检测CNV和结构变异(SV)，它推动了全外显子测序和全基因组测序的普及；长读长测序可测序天然DNA，直接检测碱基修饰(如甲基化)，其高保真模式(HiFi)显著降低错误率[16]。基因组学为疾病病因的阐明[17]，揭示疾病发生发展的分子机制[18]-[20]以及在筛选高效具有潜在药物靶点的发现中发挥关键作用[21]。

2.2. 蛋白质组学定义和研究技术

蛋白质组学通过整体蛋白质水平上探究正常与病理状态下蛋白质表达谱的差异[22]。在细胞中蛋白质的表达异常及相互作用网络的变化往往是疾病发生的关键原因。蛋白质组学工作流程包括以下三个主要步骤：样品制备、质谱分析和数据分析。样品制备是影响蛋白质组学研究整体效率的关键阶段，主要有溶液内消化、膜上消化、珠基消化、固定化酶反应器等多种样本制备方法[23]。质谱用于测量质荷比(m/z)，有助于确定蛋白质的分子量。整个过程包括三个步骤：第一步必须将分子转化为气相离子。这对液相或固相中的生物分子提出了挑战。第二步是基于m/z值，最后测量分离的离子和具有特定m/z值的每种物质的量。常用的电离方法包括基质辅助激光解吸电离(MALDI)、表面增强激光解吸/离子化(SELDI)和电喷雾离子化(ESI) [24]。蛋白质组学通过系统比较正常组织与病变组织之间的蛋白质表达差异，筛选出与疾病相关的生物标志物，为临床诊断提供高效、精准的依据，并有助于改善患者预后。同时，该技术具备高通量蛋白质鉴定与定量分析能力，可快速识别潜在的药物靶点，为新药研发提供重要支持[25]。

2.3. 代谢组学定义和研究技术

代谢组学作为系统生物学的重要分支，致力于全面研究生物体内所有小分子代谢。其分析标本类型多样，涵盖血清、血浆等生物体液，动物或人体的器官组织与细胞样本，也包括唾液、汗液等特殊来源的样本。借助色谱、质谱、核磁共振等高通量技术，结合统计学分析方法，可对生物样本中数千种代谢物进行系统检测与定量，从而揭示生命体在生理或病理状态下的整体功能动态与调控网络[26]。代谢组学通过筛选疾病相关的差异代谢物，可作为疾病的生物标志物[27]，为早期诊断和预后评估提供关键依据。进一步针对这些差异代谢物进行靶点分析，能够揭示其背后的病理机制，不仅助力于制定精准的个性化治疗方案，也推动着新型靶向药物的研发[28]-[30]。

3. 不同组学在胰腺炎中的应用

3.1. 基因组学在胰腺炎中的应用

3.1.1. 基因组学在急性胰腺炎中的应用

自从在遗传性胰腺炎家族中发现首个胰蛋白酶原突变以来，胰腺炎遗传学研究进展迅速。消化蛋白酶–抗蛋白酶通路基因突变的发现，进一步支持胰腺炎是自身消化性疾病的观点。多数风险基因编码消化蛋白酶、胰蛋白酶抑制剂或其他胰腺高表达蛋白[31]。Jérôme Bourgault等人[32]通过全基因组关联研究荟萃分析5个基因座(ABCG5/8，TWIST2，SPINK1，PRSS2和MORC4)发现了与AP相关的新变异，以及几种可能与AP存在因果关联的血液蛋白。Jun He等人[33]发现Hspb1/Anxa2/Prdx1通路是急性胰腺炎的重要保护性信号通路，并可能为重症急性胰腺炎提供一种替代治疗策略。Siqin Zhang [34]等人通过基因组学方法筛选出关键基因LASP1，并证实其通过稳定F-actin抑制中性粒细胞形成中性粒细胞胞外诱捕网(NETs)，从而减轻急性胰腺炎，为治疗该疾病提供了潜在靶点。Yan Jia [35]通将宏基因组学与代谢组学相结合，对急性胰腺炎的肠道微生物群和代谢物进行分析，发现伯克霍尔德氏菌YL45和假长双歧杆菌的两个核心差异菌种以及甲基吲哚-3-乙酸、3-甲基戊二酰肉碱、亚油酸等11个差异代谢物可能在急性胰腺炎过程中发挥了一定的作用。

3.1.2. 基因组学在慢性胰腺炎中的应用

遗传因素与慢性胰腺炎的发生发展有密切联系。基因组学同样广泛应用于慢性胰腺炎中。Bomi Lee [36]等人使用单细胞测序对来自具有不同病因的CP和非CP器官供体的患者组织进行系统分析。发现了遗传性慢性胰腺炎中CCR6+ CD4+ T细胞显著增多，且其配体CCL20在单核细胞中表达上调。CCR6/CCL20通路有望遗传性慢性胰腺炎成为新的治疗靶点。Haojie Huang等人[37]通过基因组学发现了PRSS1R122H导致胰腺腺泡细胞内应激通路(如HSP70、NRF2上调，CTRC下调)改变，并加剧了DNA损伤、炎症和纤维化。Jonas Rosendahl [38]利用全基因组关联研究(GWAS)方法，对1959名欧洲酒精性慢性胰腺炎患者和6040名对照进行基因分型，发现了CTRB1-CTRB2基因座上一个16.6 kb的倒位变异。该倒位与胰腺炎风险显著相关，并通过改变CTRB1与CTRB2的mRNA表达比例，增加胰蛋白酶的异常激活。通过削弱胰腺的自身保护机制而增加疾病风险。同时揭示了其在酒精性和非酒精性慢性胰腺炎中的共同致病机制。

3.2. 蛋白质组学在胰腺炎中的应用

3.2.1. 蛋白质组学在急性胰腺炎中的应用

蛋白质组学通过研究整体蛋白质水平差异，现广泛应用于胰腺炎中。Qingfu Zhu [39]等人通过蛋白质组学追踪细胞外囊泡(EV)，依据其蛋白质组建立了EV与细胞和组织表型的关联，进而鉴定出血清淀粉样蛋白A (SAA)可作为急性胰腺炎的可靠诊断标志物。Richard T Waldron [40]对12名酒精性急性胰腺炎患者血浆样本进行蛋白质组学分析，发现了C反应蛋白、转酮醇酶、血清淀粉样蛋白A2-A4等31种蛋白质显著上调以及磷脂酰肌醇特异性磷脂酶D、血小板碱性蛋白、胎球蛋白B等6种显著减少的蛋白质。Wenying Zeng [41]从含氮杂环化合物中筛选能同时抑制AP中消化酶异常激活和过度炎症反应(细胞因子释放)的化合物，通过蛋白质组学发现Z10被发现可减少雨蛙素加脂多糖(CL)诱导的腺泡消化酶和巨噬细胞细胞因子的分泌，Z10可作为进一步开发治疗AP药物的先导化合物。Wei Zhang等人[42]使用蛋白质组学分析高脂血症急性坏死性胰腺炎大鼠胰腺与正常脂质急性坏死性胰腺炎大鼠胰腺中发生改变的蛋白质，发现了39种差异表达蛋白，其中包括内质网应激蛋白、蛋白二硫键异构酶、钙结合蛋白等23种上调差异表达蛋白，α-淀粉酶、胰腺脂肪酶及相关蛋白核仁GTP结合蛋白等16种下调差异表达蛋白。在一项研究中[43]通过4D质谱蛋白质组学技术分析了AP与HTG-AP小鼠的胰腺组织，发现差异表达蛋白显著，共有两者存在显著差异，HTG-AP组有125个蛋白显著上调、43个下调。同时揭示了铁死亡通路在HTG-AP组中出现了特异且强烈的激活。进一步分析发现吞噬细胞氧化酶2 (NOX2)是该通路中一个关键的上调蛋白。该发现为后续通过抑制NOX2和铁死亡来治疗HTG-AP提供了关键的理论依据和靶点。在另一项研究中[44]，发现铁死亡在HTG-AP的发生和发展中起到了关键的推动作用。在HTG-AP小鼠模型中，调控铁死亡防御性蛋白GPX4 (谷胱甘肽过氧化物酶4)和xCT (胱氨酸/谷氨酸反向转运体)显著下调，而促进性蛋白ACSL4 (酰基辅酶A合成酶长链家族成员4)和LPCAT3 (溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3)被激活，同时发现高甘油三酯血症(脂质代谢紊乱)通过上调ACSL4/LPCAT3，改变了细胞膜的脂质构成，使其富含易被氧化的PUFAs (多不饱和脂肪酸)，促进铁死亡的发生。ERS (内质网应激)标志蛋白Bip (结合免疫球蛋白蛋白)、p-EIF2α (磷酸化真核起始因子2α)和CHOP (增强子结合蛋白同源蛋白)的表达显著升高，而Liproxstatin-1 (利伐他汀-1)是特异的铁死亡抑制剂，通过上调了GPX4和xCT的表达，同时下调了ACSL4和LPCAT3的表达，减少下调了ERS相关蛋白，有效减轻胰腺损伤。

3.2.2. 蛋白质组学在慢性胰腺炎中的应用

在慢性胰腺炎中，Jie-Hui Tan [45]使用人源化PRSS1 (蛋白酶丝氨酸1)转基因(PRSS1Tg)小鼠模型模拟人类胰腺炎，并结合蛋白质组学分析，发现EMC6和APAF1两个关键调控蛋白。两者均能调节细胞凋亡和炎症反应，其中EMC6通过上调APAF1诱导腺泡细胞凋亡，加重胰腺损伤。该研究揭示了EMC6-APAF1轴在胰腺炎发病机制中的关键作用，为治疗提供了新靶点。Hemanth Kumar Kandikattu [46]在建立炎症小鼠模型同时对肺组织进行蛋白质组学分析，发现了慢性胰腺炎引发急性肺损伤的机制与中性粒细胞释放的IL-18所触发的肺部纤维化及胶原蛋白堆积有关。Chang Sun [47]使用蛋白质组学和微阵列技术筛选了早发和晚发特发性慢性胰腺炎患者血浆样本中差异表达的蛋白质和microRNA，同时通过体外实验证实了，hsa-miR-323b-5p通过抑制GPx3 (谷甘肽过氧化物酶3)表达、降低抗氧化能力，从而促进胰腺细胞凋亡，在特发性慢性胰腺炎的早发过程中起关键作用。

3.3. 代谢组学在胰腺炎中的应用

3.3.1. 代谢组学在急性胰腺炎中的应用

相关报道代谢综合征及其组成与AP的发生有关[48]。同时有研究表明，随着AP严重程度的增加，代谢综合征及其组成部分(包括腰围、高血糖和高甘油三酯血症)的发生率显著相关[49]。使用代谢组学分析通常可以发现急性胰腺炎有价值的代谢物。Jiajia Guo [50]使用代谢组学对16只假手术组(SO)和AP模型组的血清样本进行分析，找到L-阿拉伯糖醇、柠檬酸、异柠檬酸等19种代谢物及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成等六种关键代谢途径，这些有可能成为治疗AP的新靶点。Pedro Silva-Vaz [51]等人将代谢组学运用于不同严重程度的胆源性AP的患者，与健康对照组相比，AP患者血浆中支链氨基酸、谷氨酰胺和苏氨酸水平显著下降，这提示了AP患者蛋白质高分解代谢与免疫营养耗竭；同时苹果酸水平升高，表明AP的能量代谢被激活。并且发现代谢变化与疾病严重程度显著相关：苯丙氨酸在重度AP中特异性升高，而脂质与苏氨酸在中重度及重度AP中发生显著改变，这些代谢物成为预测疾病严重程度的潜在预后生物标志物。该研究从代谢层面揭示了AP的病理机制，为疾病诊断与预后评估提供了新的分子依据。Zhi-Qiang Liao [52]通过对小鼠进行脂质代谢组学分析，发现硬脂酰辅酶A去饱和酶1 (SCD1)介导的细胞脂质和氧化还原稳态在重症急性胰腺炎防御中起关键作用，为重症急性胰腺炎的治疗提供了新的方向。Maochun Tang [53]建立了高脂血症性胰腺炎小鼠模型，使用气相色谱–质谱联用代谢组学技术分析小鼠血清，揭示了高脂血症通过扰乱能量代谢、引发脂毒性以及放大炎症反应这三种机制，共同导致并加剧了急性胰腺炎的发生与发展，揭示了HTG-AP的发病机制。在一项研究中[54]使用LC-MS非靶代谢组学分析胆源性急性胰腺炎(BAP)和HTG-AP患者的粪便和血清代谢物，发现了BAP和HTG-AP患者具有不同的代谢特征研究发现，BAP患者粪便中苯丙氨酸组氨酸和赤霉素A7特异性上调；而HTG-AP患者则表现为N-花生四烯酰乙醇胺和S-腺苷-L-甲硫氨酸胺的显著上升。血清中发现天冬氨酰精氨酸能有效区分BAP与HTG-AP。这些代谢物具有优异的诊断潜力，为AP的病因鉴别提供了新型生物标志物。

3.3.2. 代谢组学在慢性胰腺炎中的应用

慢性胰腺炎在疾病的进展中可以产生多种特异性代谢物，代谢物水平检测能更好了解慢性胰腺炎的发生发展，有利于疾病的诊断和治疗。Ling Wu等人[55]使用液相色谱–质谱联用(LC-MS)技术检测血清代谢物，共发现239种代谢物，同时验证了二酰基甘油(16:0/18:4)、16-F1-PhytoP、N-(二十六烷酰基)-十四鞘氨-4-烯碱等5种能够区分CP急性发作期和非急性发作期的血清代谢物，为慢性胰腺炎的诊断和病理机制提供了新的思路。Caridad Díaz [56]等人采用非靶向代谢组学的方法，分析了慢性胰腺炎(CP)患者血清样本，发现了一个由六种代谢物(包括三种磷脂酰丝氨酸、一种磷脂酰胆碱、精氨酸–苏氨酸–脯氨酸三肽和五氨酸)组成的生物标志物组合。这些代谢物在伴有外分泌胰腺功能不全(EPI)的CP患者中显著上调，揭示了代谢紊乱在EPI发生发展中的重要作用。Rong-Chang Cao等人[57]运用气相色谱–质谱(GC-MS)和液相色谱–串联质谱(LC-MS/MS)等代谢组学技术，发现慢性胰腺炎中存在脂质代谢紊乱，其中花生四烯酸代谢通路的异常激活尤为关键。Xu Xu等人[58]通过代谢组学分析104例CP患者和59例健康对照的血清样本，发现了甘油磷脂胆碱、脱氧胆酸等24种潜在生物标志物能够区分CP患者是否需要手术引流，并且发现部分代谢物组合具有更好的诊断效能，为慢性胰腺炎的早期治疗提供了新的思路。

3.4. 多组学在胰腺炎中的联合应用

各个组学应用于胰腺炎中，具有巨大的潜力，有望为胰腺炎的诊断和治疗提供参考。目前组学的应用不拘泥于单独使用，往往是多组学的综合应用。在一项研究中[59]通过对82名AP患者和115名健康对照者进行了粪便全宏基因组鸟枪测序，一部分参与者辅以非靶向血清代谢组和脂质组分析。发现了AP患者肠道菌群多样性显著降低，机会致病菌(如大肠杆菌、肠球菌、沃氏嗜胆菌)富集，而产短链脂肪酸的有益菌(如双歧杆菌、罗斯氏菌)减少。这些菌群变化与血清甘油三酯上升、能量代谢亢进及炎症指标密切相关。特别在HTG-AP中，沃氏嗜胆菌显著富集，与多种甘油三酯强烈正相关，该菌可能导致脂代谢紊乱和肠道屏障受损。该研究为AP的微生物–代谢机制提供了新见解，尤其为HTG-AP的靶向干预提供了潜在方向。Cheng Zhang等人[60]采用了多组学整合分析与转基因动物功能验证相结合的策略，联合微生物组、代谢组、转录组、表观组、免疫细胞组五大组学技术，揭示了重症急性胰腺炎(SAP)后肠道细菌易位的分子与细胞机制，明确了Toll样受体5 (TLR5)在肠道固有层里的树突状细胞(LPDC)上的激活是导致免疫失衡、屏障破坏和细菌易位的核心环节。这一发现为开发针对TLR5的靶向疗法提供了理论依据。通过整合多组学方法(特别是转录组学)并结合体外实验验证，在另一项研究中[61]采用以转录组学为核心，整合差异表达分析、基因集富集分析和蛋白互作网络分析的生物信息学分析，揭示了COMP通过CD36-ERK/AKT信号通路激活胰腺星状细胞、促进胰腺纤维化的新机制，为慢性胰腺炎的诊断和治疗提供了潜在新靶点。

4. 总结

本文综述了基因组学、蛋白质组学与代谢组学在急性胰腺炎、慢性胰腺炎研究中的应用。基因组学从遗传机制层面为疾病早期预警与精准防控提供了依据；蛋白质组学通过系统分析蛋白质表达与修饰，在胰腺疾病的早期诊断与机制研究中发挥关键作用；代谢组学则着眼于内源性与外源性代谢物的动态变化，为个体化治疗与预后评估提供了新思路。多组学联合应用可以多维洞察胰腺炎，助力胰腺炎精准分型与个体化治疗。但是目前来看各类组学技术仍处于发展阶段，并受到个体差异、数据标准化不足以及信息处理能力等多方面限制。因此，多组学整合分析、多学科交叉协作与多层次技术融合将成为该领域发展的必然趋势。未来，组学技术有望拓展至更多疾病与学科领域，推动医学研究与实践向系统化、精准化方向持续迈进。

NOTES

^*通讯作者。