综述：从差异中学习：优化病毒性疾病中的生物标志物发现

## 引言

COVID-19大流行以及寨卡病毒（Zika）、登革热（dengue）、尼帕病毒（Nipah）、埃博拉病毒病（Ebola virus disease）、克里米亚-刚果出血热（Crimean-Congo haemorrhagic fever, CCHF）和奥罗普切病毒（Oropouche virus）等后继疫情暴发，凸显了全球卫生系统对快速传播病毒威胁的持续脆弱性。这些急性病毒感染具有高度可变的临床表现，从无症状或轻症到严重多器官功能障碍、神经系统并发症和死亡。疾病的不可预测性，加上多样的病毒病因和宿主反应，强调了对可靠诊断和预后生物标志物的关键需求，以实现早期疾病特征描述、风险分层和及时临床干预。

## 搜索策略和选择标准

研究人员对PubMed、Google Scholar和Web of Science进行了全面文献检索，检索时间从数据库建立至2026年2月13日，使用的检索词包括（"biomarker*" OR "multi-omics" OR "proteomics" OR "metabolomics" OR "transcriptomics"）AND（"viral infection*" OR "COVID-19" OR "SARS-CoV-2" OR "dengue" OR "arboviral" OR "hemorrhagic fever" OR "Ebola" OR "CCHF" OR "Zika" OR "chikungunya"）AND（"acute" OR "severity" OR "prognosis" OR "host response"）。仅纳入英文发表文献，并通过关键研究和综述文章的引文追踪识别额外参考文献。

纳入标准包括：采用多组学方法进行急性病毒感染生物标志物发现的研究、包含纵向或时间采样策略的研究、解决跨研究整合方法学挑战的研究、报告临床验证或转化应用的研究，以及提供宿主-病原体相互作用和疾病机制见解的研究。

## 急性病毒感染中的诊断与预后生物标志物

诊断生物标志物主要用于确认感染或区分临床表现重叠的病原体。急性病毒感染中的传统诊断生物标志物依赖于直接病原体检测，如病毒RNA、抗原存在或血清转化。尽管这些方法可确定感染状态，但对疾病轨迹或宿主恢复能力提供的信息有限。相比之下，预后生物标志物旨在预测未来疾病结局，包括进展为重症、器官功能障碍或死亡。这些生物标志物反映宿主生物学过程，如免疫激活、代谢重编程、内皮功能障碍和凝血失衡。

经典预后标志物如C-反应蛋白（CRP）、IL-6、D-二聚体和淋巴细胞计数在COVID-19和登革热等疾病中显示出临床效用。然而，这些单一分析物标志物在不同病毒病因和患者群体中常缺乏特异性和敏感性。宿主-病原体相互作用的复杂性，加上免疫和代谢反应的个体间变异性，限制了孤立生物标志物准确捕捉疾病异质性的能力。因此，多维生物标志物特征越来越被认可为可提供疾病生物学更全面视角。

多组学技术的进展涵盖转录组学（transcriptomics）、蛋白质组学（proteomics）、代谢组学（metabolomics）、脂质组学（lipidomics）和单细胞分析，彻底改变了传染病生物标志物发现。这些方法允许同时探索多样化的生物学层面，提供感染诱导的免疫和代谢改变的系统水平理解。多组学研究表明，整合分子特征可以区分重症与轻症感染，并揭示驱动疾病发病的机制通路。

## 急性病毒感染生物标志物发现的方法学和生物学挑战

尽管基于组学的生物标志物发现取得了显著进展，若干方法学和生物学挑战仍持续限制跨急性病毒感染的普适性可靠预后标志物的识别。变异的主要来源包括：异质性采样时间线，生物标本常在感染不同阶段或发热后不同日期采集；由于宿主免疫和代谢反应在急性期和恢复期动态演变，某一阶段识别的生物标志物可能不适用于另一阶段；当多研究数据在荟萃分析中聚合时，不充分的时间协调常导致报告的生物标志物间重叠性差，无法形成一致的预后特征。

除时间差异外，饮食、微生物组组成、环境暴露和遗传背景等个体间因素可显著影响分子表型，特别是蛋白质组、代谢组和脂质组特征。同样，影响免疫调节或代谢酶活性的宿主遗传多态性可修饰候选生物标志物的丰度或动力学。这些变异层次强调了需要将人口统计学、营养和环境元数据与组学数据整合的情境特异性生物标志物发现框架的必要性。

这些差异因研究设计的异质性而进一步加剧，包括按疾病阶段的不一致 lil一致采样、不平衡的患者分层和不同的分析平台。缺乏标准化验证流程和跨队列验证常导致生物标志物过拟合，即标志物在发现数据集中表现良好，但在独立人群中失败。此外，合并感染、营养状态和宿主遗传学等生物学混杂因素可能产生模拟疾病特异性效应的生物标志物信号。

## 统一概念框架的提出

为指导基于组学的生物标志物发现进展，研究人员提出了一个沿三个相互关联维度构建的统一概念框架：时间动力学、宿主反应层面和生物标志物解释。第一，时间分辨采样捕获疾病进展中的动态宿主反应，减少异质性采样窗口引入的偏倚。第二，跨宿主反应层面的整合，包括可溶性和细胞表型，提供疾病生物学的系统水平视角，提高对平台特异性变异的稳健性。第三，机制性生物标志物解释方法优先反映因果通路而非相关性关联的特征，从而增强跨队列的可重复性和可转化性。

## 病毒感染中系统性生物标志物的时间动力学和阶段依赖性解释

急性病毒感染中系统性生物标志物的解释和临床效用高度依赖于疾病进程和样本采集时间。急性病毒感染通常经历不同阶段：症状前、症状期和恢复期，每阶段特征为变化的病毒载量、抗原水平、宿主免疫激活和细胞因子释放。感染早期测量的生物标志物，如干扰素刺激基因（interferon-stimulated gene, ISG）表达、促炎细胞因子和急性期蛋白，主要反映早期抗病毒和炎症反应。这些标志物常是短暂的，可随着适应性免疫接管而快速下降，即使采样相隔数天也会导致显著变异性。

在稍后症状期和危重症期，系统性生物标志物开始反映宿主免疫失调和代谢耗竭，而非直接病毒复制。研究人员在CCHF病毒患者样本中的纵向研究使用时间序列聚类分析，发现2504个显著改变基因形成四个时间表达模块。同样，对60例登革热住院患者的每日病毒载量和细胞因子水平进行时间分析，观察到登革热感染触发独特的、时间依赖性的细胞因子程序，突出强烈的早期炎症反应随疾病进展而减弱的特点。

COVID-19疫情是生物标志物发现和急性病毒感染宿主反应系统调查的重要转折点。前所未有的全球研究努力产生了涵盖基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、脂质组学和单细胞分析的广泛多组学数据集，实现了对疾病严重程度背后分子和细胞景观的全面表征。越来越多的研究表明，COVID-19中的免疫和生物标志物景观并非静态，而是在感染和恢复过程中显著变化。

## 虫媒病毒和出血性病毒的见解

尽管COVID-19推进了系统水平生物发现领域，虫媒病毒和出血性病毒感染包括登革热、寨卡、基孔肯雅热（chikungunya）、奥罗普切、CCHF、埃博拉病毒等，还呈现出额外的生物学和流行病学复杂性。这些病毒共享发热、肌痛、皮疹和血管渗漏等重叠临床特征，但在病理生理学、组织嗜性和免疫病理结果上显著不同。

在登革热病毒感染中，多组学方法为与重症结局如血浆渗漏、出血和休克相关的分子特征提供了重要见解。转录组学和蛋白质组学研究已识别出干扰素信号失调、补体激活和血小板脱颗粒通路作为严重程度的早期指标。代谢组学和脂质组学分析揭示了磷脂代谢、花生四烯酸通路和氨基酸利用的扰动，这些特征同时反映免疫激活和内皮功能障碍。

寨卡病毒和基孔肯雅病毒引发不同但部分重叠的分子反应。寨卡病毒感染中，转录组学研究突出神经炎症和干扰素刺激基因反应，与病毒的神经嗜性及其与先天性异常的关联一致。基孔肯雅病毒感染中，蛋白质组学和代谢组学图谱揭示了与持续性关节痛和关节病理相关的氧化应激、线粒体功能障碍和慢性炎症过程特征。

出血性病毒感染包括埃博拉病毒病和CCHF，显示出深刻的系统性代谢和免疫扰动。埃博拉病毒病的蛋白质组学和代谢组学研究已识别出与致命结局相关的急性期蛋白升高、凝血因子和能量代谢中间产物。CCHF中，新兴组学数据表明干扰素和细胞因子信号通路的强烈激活，伴随脂质代谢失调和内皮损伤。

这些来自虫媒病毒和出血性感染的发现与COVID-19中观察到的宿主反应模式相互映照，强化了严重病毒疾病结局常汇聚于共享病理生理机制的概念，尽管病毒病因不同。

## 共享通路，不同结局：急性病毒感染的比较分子见解

跨急性病毒感染的比较分析揭示，尽管病毒嗜性、基因组组织和传播动态存在差异，共同分子和细胞通路支撑着严重疾病结局。这些共享特征常反映非适应性宿主反应而非直接病毒细胞病变效应，强调宿主中心生物标志物发现的重要性。

研究人员跨不同病毒疾病的多组学研究一致将先天免疫失调、代谢重编程和内皮功能障碍列为发病的核心轴。最具重复性的发现之一是干扰素信号通路的激活和随后耗竭。尽管早期短暂的干扰素反应与病毒控制和轻症相关，持续或延迟激活促进过度炎症和组织损伤。这种二分性在代谢重编程中再现：糖酵解和脂质生物合成的上调为免疫细胞激活提供能量，但不受控制时促成细胞因子风暴和血管渗漏。

氨基酸代谢改变，特别是精氨酸、色氨酸和谷氨酰胺通路，也与多种病毒感染的免疫失调和氧化应激一致相关。尽管存在这些重叠，每种病毒感染显示出反映独特组织嗜性和免疫逃逸 partner evasion 策略的鲜明分子特征。例如，寨卡病毒诱导神经炎症和发育通路激活，与其神经嗜性行为一致；而登革热和CCHF显著影响血管完整性和凝血级联。基孔肯雅感染则显示与长期关节后遗症相关的强肌肉骨骼和慢性炎症特征。

系统性识别病毒疾病内不同亚表型或临床内表型（endotype）是关键进展。多组学方法可同时捕捉定义内表型的分子特征、反映不同能量利用的代谢模式、以独特细胞因子谱为特征的免疫网络，以及显示可变血管功能障碍的内皮特征。

## 急性病毒疾病和疫情准备的生物标志物框架

人类泛疾病血液蛋白质组图谱展示了协调的大规模蛋白质组学如何揭示跨慢性疾病的共享和疾病特异性特征。然而，将此方法应用于急性病毒感染更具挑战性，因为循环蛋白质组随病毒动力学、症状发作、免疫激活和疾病阶段而快速变化。创建急性病毒疾病的可比较图谱将需要 time-resolved 采样和严格的阶段特异性分层。

有前途的新兴概念是泛病毒严重度特征的识别，即反映严重感染共同宿主反应的复合分子指纹，无论涉及的病毒如何。这些特征可用于未知病因暴发期间的早期分诊和预后，特别是在诊断能力受限、病原体特异性检测可能无法立即获得的环境中。

将这些整合生物标志物框架转化为临床实践将需要解决技术和后勤限制的战略实施路径。能够同时检测多种分析物的即时检测平台，如多重侧流测定或便携式质谱系统，可在爆发环境中实现实时生物标志物评估。

对于常规临床使用，整合包含代表核心通路（如干扰素信号、代谢应激和内皮功能障碍）的五到十个关键生物标志物的精简面板，可纳入现有自动分析仪，在患者就诊数小时内提供严重度评分。

## 从急性到慢性：跨越病毒疾病连续体的生物标志物发现

病毒传统上通过急性感染和清除的视角来观察，但越来越多的研究表明，病毒遭遇可在中枢神经系统和外周神经系统留下持久的生物学印记，与神经退行性通路相交。持续炎症状态和能量代谢改变成为病毒疾病与神经退行之间的中心桥梁。

长期COVID和严重感染后急性后遗症说明，即使病毒血症得到控制，残余炎症信号和改变能量代谢可维持神经精神症状，可能与年龄相关神经退行性风险相交。病毒感染可深刻重塑宿主能量代谢以维持复制，驱动糖酵解、线粒体活性和脂质生物合成转变。这种代谢重塑对病毒生存至关重要，但也可在病毒清除后留下持续代谢 scar，长期失调免疫、神经元和血管功能。

生物标志物发现必须从急性感染扩展到涵盖从即时宿主反应到长期神经生物学后果的完整连续体。

## 未来展望

通过跨感染整合多组学数据，这些跨病毒生物标志物框架可将疫情应对策略从病原体特异性诊断转变为主机中心预后监测系统。然而，实现这一目标将需要稳健的数据协调、标准化采样规程，以及纳入多样化人群以解释环境和遗传变异性。

比较和整合方法代表了传染病系统生物学的关键前沿，连接机制理解和转化效用，最终指导急性感染谱系中的精准预后和治疗决策。未来研究必须采用时间感知框架，认识到免疫生物标志物在急性期和恢复期之间显著变化。将采样时间元数据纳入生物标志物面板和预后模型，将防止将急性炎症信号误解为长期保护指标。纵向、阶段分辨采样应成为标准，因为跨越感染和恢复的连续测量揭示了不同的免疫特征：急性严重度驱动因素和后来与免疫印记和再感染风险相关的记忆主导特征。