【One week, One paper】医学篇：基于 GC/MS 技术和 PLS-LDA 方法鉴定 2 型糖尿病患者血浆中的脂肪酸代谢谱和生物标记物

Plasma fatty acid metabolic profiling and biomarkers of type 2 diabetes mellitus based on GC/MS and PLS-LDA
 

期刊：FEBS Letters   IF 3.623
 

研究背景：
 

在有效建立生物学认知上代谢组学比其他组学有明显的优势，因为中间代谢物是决定表型的最后环节且易于量化。基于复杂生物学的多元化分析，代谢组学已成功应用于各项领域如植物基因型鉴定、毒理学筛检和疾病诊断。核磁共振因其无创的特性以及能从复杂的混合成分中获取大量信息，成为了代谢组学最常用的技术。但是它存在不能对代谢物进行定性和定量分析的缺陷。

气相色谱-质谱法（GC/MS）是一种相对低成本可选方法，同样在分离复杂的生物混合物上有很高的分离效率。联合使用该技术与模式识别已证实对植物表型的代谢谱分析是一个很好的选择。
 

2 型糖尿病是一种典型的代谢紊乱型疾病。有预测称，在未来 10 年左右，2 型糖尿病可能会在全球范围内增加超过 2.5 亿人。尽管如此，我们仍然不清楚它的致病机理和最佳治疗方法。众多相关研究表明，糖尿病与脂质代谢紊乱直接相关，尤其是脂肪酸，因为它们作为营养物质提供了重要的能量来源，并且在各种细胞过程中扮演着信号传导分子的作用，包括胰岛素的分泌和心血管病风险。一旦糖尿病发生，无论这个人是瘦还是胖，血浆中的非酯化脂肪酸（NEFA）水平与血糖水平和肝糖原的产生呈线性相关。虽然有研究揭示脂肪酸与 2 型糖尿病的关系，但他们都没有对非酯化脂肪酸（NEFAs）和酯化脂肪酸（EFAs），2 型糖尿病患者和健康对照组的三维模型进行综合分析。
 

噻唑酮类（TZDs）是一类可以降低脂肪、肝脏和肌肉细胞对胰岛素的抵抗性的药物，并对 β-细胞的异常和功能障碍有抑制作用，被证实可释放血浆中的总游离脂肪酸。患者血浆中的脂肪酸代谢谱在使用 TZDs 治疗后将发生变化，然而，目前还不清楚每一个非酯化脂肪酸是如何改变的以及哪些有明显差异，这些不仅有助于研究标记代谢物的变化，而且还能给我们提供一些治疗的指导。
 

研究方法：
 

本文采集了 45 位健康成年人（年龄范围 24～78 岁）和 78 位 2 型糖尿病患者（年龄范围 26～67 岁，空腹血糖大于 7.0 mmol L^-1）的血浆样本。此外，本文挑选了 10 名腹型肥胖的 2 型糖尿病患者，并分别采集使用罗格列酮治疗后 0（n = 10）、2（n = 5）、 4（n = 7）、9（n = 8）和 14 周（n = 6）的患者血浆样本。
 

技术平台：气相色谱-质谱法（GC/MS）
 

方案设计：通过检测所有样本血浆中酯化脂肪酸和非酯化脂肪酸的代谢谱。对比分析 2 型糖尿病患者在使用罗格列酮治疗后血浆中非酯化脂肪酸代谢谱的变化，最后 PLS-LDA 方法建立 3D 可视化模型。
 

研究结果：
 

1. 健康对照组和 2 型糖尿病组的色谱质谱图
 

不同人血浆中游离脂肪酸的种类几乎一样，但各自浓度不同，实验表明健康人群与 2 型糖尿病患者血浆中的脂肪酸浓度有明显差异。

图 1

A. 健康对照组

B. 2 型糖尿病组

2. PLS-LDA 模型鉴别 2 型糖尿病组和健康对照组的差异
 

由模型图可知：2 型糖尿病组和健康对照组在训练集和测试集中都能很好的区分开来。
 

图 2

3. 使用罗格列酮治疗后的 2 型糖尿病患者血浆中非酯化脂肪酸的代谢概况
 

图 3 表述了 10 位 2 型糖尿病患者在使用罗格列酮治疗后不同时间点血浆中游离脂肪酸的水平，阐明了每位患者血浆中非酯化脂肪酸代谢物的改变轨迹，进一步证实了 PLS-LDA 模型的有效性。
 

结果表明：大部分病人在罗格列酮罗治疗两周后血浆中的非酯化脂肪酸水平有所升高，此后，开始逐渐降低，说明罗格列酮并不能直接降低患者血浆中非酯化脂肪酸代谢物水平，但不同病人中血浆中非酯化脂肪酸变化轨迹并不一样，患者 s6 and s7 在治疗前 2 个月中，非酯化脂肪酸水平和其他患者一样呈下降趋势，而在第三个月时略有升高，说明该两位患者的脂肪酸代谢和其他受试患者不同。

图 3

A- J 图分别代表 10 位使用罗格列酮治疗的 2 型糖尿病患者
 

4. 潜在的生物标记物
 

本文发现了 3 个潜在生物标记物，分别为 C16：0（棕榈酸）、C18:0（硬脂酸）和 C18:1-9（油酸），它们都是非常重要的生物活性分子，它们不仅是主要的能源来源作为营养物质，同时也在不同的细胞通路中的信号分子。
 

文章延伸
 

1. 采用更大的样本量可以进一步验证该项研究的准确性，靶向代谢组学和其他系统生物学方法相结合可用于进一步分析二型糖尿病患者不同脂肪苏代谢结果的发生机制，这些分析方法可推广到临床用于评估糖尿病患者对降血糖药物的敏感性和抵抗性。
 

2. 广泛靶向代谢组学技术平台建立了 LC-MS/MS 代谢物数据库，区别于现有代谢物检测方法，整合非靶向和靶向代谢物检测技术的优点，创造性实现了高通量、高灵敏度靶向代谢物检测。迈维代谢创新了广泛靶向代谢组学技术，为定性、定量检测大批量、低丰度代谢物提供了高效的方法，将广泛靶向代谢组学应用于更大样本量的乳腺癌亚型分类研究具有重要意义。