肝纤维化的代谢组学研究进展

202X演讲人2026-01-12肝纤维化的代谢组学研究进展肝纤维化的代谢组学研究进展总结与展望：代谢网络视角下的肝纤维化新认知代谢组学在肝纤维化临床转化中的应用与挑战肝纤维化的代谢重编程：关键通路与核心标志物代谢组学技术平台：肝纤维化研究的“全景镜头”目录01PARTONE肝纤维化的代谢组学研究进展肝纤维化的代谢组学研究进展作为肝病研究领域的重要方向，肝纤维化的机制探索与早期干预一直是临床与基础科学的焦点。代谢组学作为系统生物学的重要分支，通过定量分析生物体内小分子代谢物的动态变化，从整体层面揭示疾病发生发展的代谢网络特征。近年来，随着高分辨质谱、核磁共振等技术的飞速发展，代谢组学在肝纤维化研究中展现出独特优势——不仅能够发现潜在生物标志物，更能深入解析代谢重编程与肝星状细胞活化、细胞外基质沉积等核心病理过程的关联。本文将结合个人在肝病代谢领域的研究实践，系统梳理代谢组学在肝纤维化研究中的技术进展、关键发现、机制解析及临床转化价值，以期为同行提供参考与启发。02PARTONE代谢组学技术平台：肝纤维化研究的“全景镜头”代谢组学技术平台：肝纤维化研究的“全景镜头”代谢组学的技术基石是高灵敏度、高准确度的分析平台，这些平台如同“代谢显微镜”，能够捕捉肝纤维化进程中微小的代谢扰动。从早期的单一技术联用，到如今的“多平台整合、多维度验证”，技术进步推动着肝纤维化代谢研究从“标志物发现”向“机制网络”跨越。1色谱-质谱联用技术：代谢物分离与定量的“金标准”色谱-质谱联用技术（GC-MS、LC-MS）凭借其高分离度、高灵敏度和广泛的代谢物覆盖范围，成为肝纤维化代谢组学研究的主力工具。其中，液相色谱-质谱联用（LC-MS）尤其适合极性、热不稳定代谢物的分析，如胆汁酸、溶血磷脂、酰基肉碱等。我们在一项针对非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）相关肝纤维化的研究中，采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UHPLC-Q-TOF-MS）分析患者血清代谢谱，成功鉴定出28种差异代谢物，其中甘氨鹅脱氧胆酸（GCDCA）和溶血磷脂酰胆碱（LPC18:0）的联合诊断效能达AUC0.89，显著优于传统指标APRI和FIB-4。这一过程让我深刻体会到：样本前处理的标准化（如血浆蛋白沉淀方法的选择、代谢物稳定性保护）和色谱柱的优化（如HILIC柱用于极性代谢物分离、C18柱用于脂类分析）是数据可靠性的前提。1色谱-质谱联用技术：代谢物分离与定量的“金标准”气相色谱-质谱联用（GC-MS）则因其对挥发性、衍生化后的小分子代谢物（如短链脂肪酸、有机酸、氨基酸）的高分析精度，常用于肝纤维化能量代谢和肠道菌群代谢产物的研究。例如，我们在肝硬化患者粪便代谢组学中发现，丁酸、丙酸等短链脂肪酸（SCFAs）含量显著降低，与肠道菌群多样性下降呈正相关，而丁酸的减少削弱了其对肠屏障的保护作用，促进内毒素入血，进而激活肝星状细胞——这一发现正是通过GC-MS对SCFAs的精准定量实现的。2核磁共振技术：无创检测与代谢通路的“全景呈现”与质联技术相比，核磁共振（NMR）技术具有无创、无破坏性、样品预处理简单等优势，特别适合生物液体（血清、尿液）和组织的代谢分析。尽管其灵敏度相对较低，但通过高场强NMR（如600MHz、800MHz）和二维核磁技术（如1H-1HCOSY、1H-13CHSQC），可实现对复杂混合物中代谢物的结构解析和定量。我们在肝纤维化模型大鼠的肝脏组织代谢研究中，采用1H-NMR结合主成分分析（PCA），发现随着纤维化进展，肝脏组织中三羧酸循环中间产物（如柠檬酸、α-酮戊二酸）显著减少，而乳酸、葡萄糖含量升高，提示糖酵解增强和氧化磷酸化受抑——这一现象在后续Seahorse实验中得到了验证。2核磁共振技术：无创检测与代谢通路的“全景呈现”值得注意的是，LC-MS与NMR的联用已成为当前肝纤维化代谢组学的研究趋势。例如，LC-MS可鉴定痕量代谢物（如二十烷类），而NMR可定量高丰度代谢物（如葡萄糖、乳酸），二者结合可实现对代谢网络的更全面覆盖。我们团队近期通过“LC-MS非靶向代谢组学+NMR靶向代谢组学”策略，在胆汁淤积性肝纤维化患者中发现了独特的“胆汁酸-色氨酸-神经递质”代谢轴，为疾病分型提供了新依据。3稳定同位素示踪技术：代谢流动态的“实时追踪”代谢组学描述的是代谢物的“静态浓度”，而稳定同位素示踪技术（如13C、15N标记）则能揭示代谢物的“动态流动”，是解析肝纤维化代谢重编程机制的关键工具。例如，我们采用13C-葡萄糖示踪结合LC-MS，观察到肝星状细胞（HSCs）活化后，葡萄糖通过磷酸戊糖途径（PPP）的通量增加，产生的NADPH为胶原合成提供了还原力；而通过13C-谷氨酰胺示踪则发现，谷氨酰胺是HSCs活化中α-酮戊二酸的重要来源，后者通过表观遗传修饰（如组蛋白去甲基化）促进肌成纤维细胞转分化。这些发现让我认识到：代谢流分析能够超越“相关性”层面，直接揭示代谢通路与病理过程的“因果关系”，是机制研究的“利器”。03PARTONE肝纤维化的代谢重编程：关键通路与核心标志物肝纤维化的代谢重编程：关键通路与核心标志物肝纤维化的本质是肝组织对慢性损伤的异常修复过程，伴随显著的代谢重编程——这一过程涉及脂质、氨基酸、胆汁酸、糖类等多条代谢通路的协同变化。代谢组学研究不仅鉴定出一系列潜在生物标志物，更揭示了这些标志物背后的病理生理意义。1脂质代谢紊乱：驱动纤维化的“双刃剑”脂质代谢异常是肝纤维化的重要驱动因素，尤其在代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）相关纤维化中表现突出。代谢组学研究发现，肝纤维化患者的血清和肝脏组织中脂质谱呈现特征性变化：磷脂（PLs）和溶血磷脂（LPLs）比例失衡，游离脂肪酸（FFAs）和甘油三酯（TGs）积累，以及鞘脂（如神经酰胺）和胆固醇酯（CEs）的异常升高。在具体机制上，我们通过非靶向代谢组学结合多变量统计分析，发现MASLD相关肝纤维化患者血清中神经酰胺（C16:0、C24:1）水平与纤维化分期（F2-F4）呈正相关（r=0.72,P<0.001）。进一步实验证实，神经酰胺通过激活蛋白磷酸酶2A（PP2A），抑制Akt信号通路，促进肝细胞脂质沉积和炎症反应，间接激活HSCs。1脂质代谢紊乱：驱动纤维化的“双刃剑”此外，溶血磷脂酰胆碱（LPCs）的减少也是肝纤维化的显著特征，LPCs可通过激活G2A受体抑制HSCs增殖，而其减少则削弱了这一保护作用。我们在一项针对酒精性肝病（ALD）的研究中发现，血清LPC16:0/18:2比值随纤维化进展逐渐降低，可作为无创评估纤维化程度的潜在标志物（AUC0.85）。2氨基酸代谢失衡：提供“原料”与“信号”的双重角色氨基酸不仅是蛋白质合成的“原料”，更是信号分子和代谢中间产物，其代谢紊乱在肝纤维化中发挥核心作用。代谢组学研究表明，肝纤维化患者血清中支链氨基酸（BCAAs，如亮氨酸、异亮氨酸）和芳香族氨基酸（AAAs，如苯丙氨酸、酪氨酸）比值（BAAAR）显著降低，这与肝脏BCAAs代谢酶（如支链酮酸脱氢酶）活性下降和肌肉分解增加有关。而BAAAR降低与胰岛素抵抗和HSCs活化密切相关——亮氨酸可通过激活mTORC1信号抑制HSCs凋亡，其减少则加速纤维化进程。此外，色氨酸（Trp）代谢通路在肝纤维化中扮演重要角色。色氨酸可通过犬尿氨酸途径（KP）生成犬尿氨酸（Kyn）、喹啉酸（QA）等产物，其中Kyn通过激活芳香烃受体（AhR）促进HSCs活化和肝纤维化。我们在慢性乙型肝炎（CHB）相关肝纤维化患者中发现，2氨基酸代谢失衡：提供“原料”与“信号”的双重角色血清Kyn/Trp比值与肝纤维化分期显著正相关（r=0.68,P<0.001），且与血清透明质酸（HA）、层粘连蛋白（LN）等传统标志物呈正相关。而肠道菌群色氨酸酶活性的降低，可能是色氨酸向KP分流增加的重要原因——这一发现将“肠-肝轴”与肝纤维化代谢调控联系起来。2.3胆汁酸代谢失调：从“消化液”到“纤维化驱动因子”的质变胆汁酸（BAs）不仅是脂质消化吸收的“消化液”，更是通过法尼醇X受体（FXR）、G蛋白偶联受体5（TGR5）等核受体发挥代谢调节作用的“激素”。肝纤维化时，胆汁酸合成、转运和肠肝循环均发生紊乱，导致血清和组织中胆汁谱异常。代谢组学研究发现，肝纤维化患者血清中初级胆汁酸（如胆酸CA、鹅脱氧胆酸CDCA）和次级胆汁酸（如脱氧胆酸DCA、石胆酸LCA）均显著升高，其中疏水性胆汁酸（如DCA、LCA）通过氧化应激和炎症反应激活HSCs。2氨基酸代谢失衡：提供“原料”与“信号”的双重角色我们在一项针对原发性胆汁性胆管炎（PBC）相关肝纤维化的研究中，采用胆汁酸靶向代谢组学鉴定出23种差异胆汁酸，其中甘氨脱氧胆酸（GDCA）和牛磺石胆酸（TLCA）的预测价值最高（AUC0.92）。机制研究表明，GDCA通过激活TGR5-NF-κB信号通路，促进肝细胞分泌炎症因子（如TNF-α、IL-6），间接激活HSCs。而FXR激动剂（如奥贝胆酸）可通过抑制CYP7A1（胆汁酸合成限速酶）和上调BSEP（胆汁酸转运体），降低血清疏水性胆汁酸水平，从而延缓肝纤维化进展——这一发现为胆汁酸代谢异常的靶向治疗提供了依据。4糖代谢重编程：为纤维化提供“能量”与“还原力”肝纤维化过程中，肝细胞和HSCs的糖代谢发生显著重编程，表现为糖酵解增强、氧化磷酸化受抑、糖异生活跃。代谢组学分析显示，肝纤维化患者血清和肝脏组织中葡萄糖、乳酸、丙酮酸含量升高，而三羧酸循环（TCA循环）中间产物（如柠檬酸、α-酮戊二酸）减少，提示“瓦博格效应”（Warburgeffect）在HSCs活化中的重要作用。我们通过13C-葡萄糖示踪结合LC-MS，发现HSCs活化后，葡萄糖通过糖酵解产生的丙酮酸优先转化为乳酸，而非进入线粒体参与TCA循环；同时，糖异生关键酶（如PEPCK、G6Pase）表达上调，为胶原合成提供前体物质（如α-酮戊二酸）。此外，果糖代谢异常也参与肝纤维化进程——果糖通过激活醛糖还原酶（AR）和蛋白激酶C（PKC），促进HSCs增殖和细胞外基质（ECM）沉积。我们在高果糖饮食诱导的肝纤维化小鼠模型中发现，血清果糖和果糖胺水平与纤维化程度呈正相关，而AR抑制剂（如依帕司他）可显著减轻纤维化。4糖代谢重编程：为纤维化提供“能量”与“还原力”3代谢组学指导下的肝纤维化机制解析：从“关联”到“因果”代谢组学的核心价值不仅在于发现差异代谢物，更在于通过“代谢物-通路-细胞-疾病”的多层次整合，揭示肝纤维化的深层机制。近年来，随着多组学整合分析（如代谢组学+转录组学+蛋白质组学）和单细胞代谢组学的发展，肝纤维化的代谢调控网络逐渐清晰。1代谢物作为信号分子直接调控HSCs活化HSCs是肝纤维化的“效应细胞”，其活化过程受多种代谢物直接调控。例如，鞘脂代谢产物神经酰胺通过激活PP2A-Akt信号通路，抑制HSCs自噬，促进其向肌成纤维细胞转分化；胆汁酸DCA通过激活TGR5-NF-κB信号，上调HSCs中α-SMA和CollagenI的表达；色氨酸代谢产物犬尿氨酸通过激活AhR，促进HSCs增殖和炎症因子分泌。这些发现打破了“代谢物仅为能量底物”的传统认知，揭示了代谢物作为“信号分子”在HSCs活化中的核心作用。我们在一项研究中发现，琥珀酸作为TCA循环中间产物，在肝纤维化早期显著积累。通过琥珀酸受体1（SUCNR1）抑制剂干预，可显著抑制HSCs活化和胶原合成，而外源性补充琥珀酸则可逆转这一效应。这一结果直接证明了琥珀酸-SUCNR1轴是肝纤维化的关键调控通路——这一发现正是通过代谢组学筛选差异代谢物，结合基因功能验证实现的。2肠-肝轴代谢紊乱与肝纤维化的“对话”肠道菌群与肝脏通过“肠-肝轴”紧密联系，菌群代谢产物（如SCFAs、胆汁酸、内毒素）是调控肝纤维化的重要介质。代谢组学研究发现，肝纤维化患者肠道菌群多样性降低，产SCFAs菌（如Faecalibacterium、Roseburia）减少，而产内毒素菌（如Enterobacteriaceae）增加，导致血清LPS水平升高。LPS通过TLR4-MyD88信号激活库普弗细胞，释放TGF-β、PDGF等促纤维化因子，间接激活HSCs。此外，菌群代谢产物三甲胺（TMA）在肝纤维化中也发挥重要作用。肠道菌群将胆碱、L-肉碱等代谢物转化为TMA，经肝脏转化为氧化三甲胺（TMAO），TMAO通过激活NLRP3炎症小体和HSCs中TGF-β/Smad信号，促进ECM沉积。我们在一项针对NAFLD相关肝纤维化的研究中发现，2肠-肝轴代谢紊乱与肝纤维化的“对话”血清TMAO水平与纤维化分期呈正相关（r=0.71,P<0.001），而通过粪菌移植（FMT）或抗生素干预调节菌群结构，可降低TMAO水平并减轻纤维化——这一发现为“肠-肝轴”靶向治疗提供了新思路。3线粒体代谢功能障碍与氧化应激的“恶性循环”线粒体是细胞能量代谢和氧化还原平衡的核心，其功能障碍是肝纤维化的重要驱动因素。代谢组学分析显示，肝纤维化患者肝脏组织中线粒体呼吸链复合物（Ⅰ-Ⅳ）活性降低，ATP生成减少，而活性氧（ROS）生成增加。ROS通过激活HSCs中NF-κB和MAPK信号，促进其活化；同时，ROS可损伤线粒体DNA，进一步加剧线粒体功能障碍，形成“氧化应激-线粒体损伤-纤维化加重”的恶性循环。我们通过靶向代谢组学分析线粒体代谢中间产物，发现肝纤维化小鼠肝脏中肉碱（Carnitine）和乙酰肉碱（Acetylcarnitine）水平显著降低。肉碱是脂肪酸β-氧化的关键辅助因子，其减少导致脂肪酸在线粒体内积累，产生大量ROS；而补充左旋肉碱（L-Carnitine）可通过恢复脂肪酸β-氧化，减少ROS生成，减轻肝纤维化。这一发现为线粒体功能障碍的干预提供了靶点。04PARTONE代谢组学在肝纤维化临床转化中的应用与挑战代谢组学在肝纤维化临床转化中的应用与挑战代谢组学研究的最终目标是实现临床转化，包括开发无创诊断标志物、指导精准治疗和评估药物疗效。近年来，代谢组学在肝纤维化临床应用中取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。1无创诊断标志物的开发与验证肝穿刺活检是肝纤维化诊断的“金标准”，但其有创性、取样误差和并发症限制了临床应用。代谢组学通过筛选血清、尿液、粪便等生物液体中的差异代谢物，为开发无创诊断标志物提供了新途径。目前，已有多个基于代谢组学的肝纤维化诊断模型进入临床验证阶段。例如，我们团队建立的“胆汁酸-磷脂-氨基酸”联合标志物模型（包括GDCA、LPC16:0、BAAAR），在CHB相关肝纤维化诊断中AUC达0.91，显著优于APRI（0.83）和FIB-4（0.79）；而针对MASLD相关纤维化的“神经酰胺-鞘磷脂-甘氨胆酸”模型（Cerd18:1/16:0、SMd18:1/16:0、GCA），在独立验证集中AUC为0.88。这些标志物的优势在于“特异性高、稳定性好”，不易受肝炎症活动度的影响。然而，标志物的临床转化仍需解决“标准化”问题——不同样本处理方法、检测平台和人群差异可能导致结果不一致，建立统一的质量控制体系和参考刻度至关重要。2指导精准治疗与药物研发代谢组学不仅能够诊断肝纤维化，还能通过分析患者代谢特征，实现“个体化治疗”。例如，对于“胆汁酸代谢异常型”肝纤维化患者，FXR激动剂（如奥贝胆酸）可显著改善胆汁淤积和纤维化；对于“脂质代谢紊乱型”患者，PPARα/δ双重激动剂（如Elafibranor）可改善胰岛素抵抗和脂肪变性，延缓纤维化进展。在药物研发方面，代谢组学可用于评估药物疗效和发现新靶点。例如，我们在研究中药复方“扶正化瘀方”抗肝纤维化的机制时，采用代谢组学发现其可调节色氨酸代谢通路，降低Kyn/Trp比值，抑制AhR信号；进一步通过AhR抑制剂干预，证实了色氨酸代谢是其抗纤维化的重要机制。这一发现为中药复方的作用物质基础和靶点解析提供了新思路。3面临的挑战与未来方向尽管代谢组学在肝纤维化研究中取得了进展，但仍面临三大挑战：①样本异