医学一区 | IF:12+，代谢组学探究慢性血栓栓塞性肺动脉高压治疗的标志物

2020年10月，英国国家心肺研究所，伦敦帝国理工医学院Christopher J Rhodes教授团队在EUROPEAN RESPIRATORY JOURNAL期刊发表题为 “Plasma metabolomics exhibit response to therapy in chronic thromboembolic pulmonary hypertension”的研究成果，该研究以慢性血栓栓塞性肺动脉高压（CTEPH）患者群体为研究对象，通过非靶向血浆代谢组LC-MS的研究方法，确定了区别CTEPH患者与健康和疾病对照组的特殊的代谢谱，发现了PEA手术治疗后的差异代谢物，可作为评估肺动脉高压靶向治疗干预的合适的非侵入性标志物。

慢性血栓栓塞性肺动脉高压（CTEPH）是急性肺栓塞或肺动脉原位血栓形成的长期后果，由于多种原因血栓未溶解，通过机化、纤维化而一直存在。本病发生率较低，预后差，持续增加的肺血管阻力最终进展至右心衰竭而导致死亡。肺动脉高压很难被有效治愈，但是慢性血栓栓塞性肺动脉高压（CTEPH）可以经肺动脉内膜切除（PEA）后治愈。本文研究了慢性血栓栓塞性肺动脉高压患者的血浆代谢组学，评估了CTEPH的可逆性，并探讨了代谢扰动的来源。

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1.实验材料与分组

作者从医院等专业机构收集了慢性血栓栓塞性肺动脉高压（CTEPH）患者、特发性或遗传性肺动脉高压（IPAH/HPAN）患者，以及对照样本分为健康志愿者（HC）、疾病控制个体（DC，有症状的患者，但是最后发现没有肺高压）和慢性血栓栓塞症（CTED）患者的血浆样本，做LC-MS非靶向代谢组实验；

作者对CTEPH患者在PEA手术前和PEA手术后进行采样，采集患者血浆。分成单独术前采样，单独术后采样，和术前术后都采样三种患者。将单独术前采样和单独术后采样的患者分为一组，术前术后采样的患者为另一组，做LC-MS非靶向代谢组实验；

作者在医院选择了一些诊断为CTEPH和IPAH的患者，从患者的上腔静脉、肺动脉和桡动脉三处做血流动力学检测，并采集血浆做LC-MS非靶向代谢组实验。

1.分析CTEPH患者血浆代谢谱与健康或其他类似患者的差异性

作者通过非靶血浆代谢组LC-MS，首先比较了CTEPH患者和健康志愿者（HC）的血浆代谢物水平（图1），检测到了55种代谢物。

图1 | 主要分析研究流程图和在主要分析中确定的代谢物的交集

作者通过校正，去除一些干扰因素（如年龄、性别、体重等）后，这55种代谢物中有35种代谢物可用于区分CTEPH患者和健康对照；然后作者将CTEPH患者和疾病患者（DC）进行比较，在35种代谢物中有19种存在差异；

图2 | CTEPH患者与健康对照和类似疾病患者的35种差异代谢物热图

作者又将CTEPH患者和CTED患者进行了比较，在19种代谢物中有12种存在差异；最后，作者通过比较CTEPH患者和IPAH患者，在12种代谢物中找到了5种差异代谢物，分别为5-甲硫腺苷、N1-甲基腺苷、N1-甲基肌苷、7-甲基鸟嘌呤和N-甲酰甲硫氨酸。这5种代谢物可以将CTEPH从健康或其他类似疾病患者区分开来，其中差异最显著的是5-甲硫腺苷（MTA，图2 &图4A）

图3 |  CTEPH与HC和DC的12种关键差异代谢物的ROC分析

2.PEA手术对CTEPH患者治疗效果的分析

作者对CTEPH患者在PEA手术前和PEA手术后进行采样，并且分成单独术前采样，单独术后采样，和术前术后都采样三种患者。患者单独在术前术后采样的样本分为一组，称为不成对样本；患者在术前术后都采样的样本分为另一组，称为成对样本。在不成对样本的血浆代谢组分析中，找到37种差异代谢物。对于成对样本的分析，通过多项校正和排除假阳性后筛选到6种差异代谢物。其中包括N2，N2-二甲基鸟苷和鞘磷脂，这两种代谢物在之前对CTEPH和HC的血浆代谢组分析中也具有显著差异，表明PEA手术治疗在代谢水平上对CTEPH患者有改善，这两种代谢物可作为靶向治疗干预的非侵入性标志物。

另外，作者通过对患者的平均肺动脉压和肺血管阻力的测量，发现PEA术后平均肺动脉压和肺血管阻力均下降，表明PEA手术治疗的有效性。

图4 | 关键代谢产物血浆水平的箱形图和点状图

3.肺动脉高压患者代谢扰动来源的研究

作者在医院选择了一些诊断为CTEPH和IPAH的患者，从患者上腔静脉（SVC）、肺动脉（PA）和桡动脉（ART）三处采样，作者分析了SVC-PA，PA-ART和ART-SVC这三个途径的血浆代谢物梯度，找到了188种有显著梯度的代谢物，代谢物的重叠如图5所示。其中21种代谢物在之前对CTEPH与HC的血浆代谢组分析中也表现出显著差异，作者通过对这三处的血流动力学检测，发现这些代谢物与肺动脉高压的严重程度还有很强的相关性。对其中的代谢物和代谢途径进行富集分析，发现心脏和肺的代谢活动可能与肺高压患者代谢扰动相关。

图5 | PA-ART, SVC-PA和ART-SVC中有显著梯度的代谢物以及代谢物的交集

本研究运用LC-MS非靶向血浆代谢组学，将慢性血栓栓塞性肺动脉高压患者与健康人和有类似疾病患者区分开。血浆代谢物梯度表明心肺组织代谢物与肺高压相关。PEA手术治疗前后的差异代谢物与慢性血栓栓塞性肺动脉高压患者与健康人差异代谢物重叠的两种代谢物可作为评估肺动脉高压靶向治疗干预的合适的非侵入性标志物。

本研究通过非靶向血浆代谢组学LC-MS技术，对慢性血栓栓塞性肺高压症患者PEA术前术后以及患者的不同部位的血浆进行代谢物分析，将CTEPH患者与健康人和其他类似疾病患者区分开，确定了CTEPH患者的特定代谢谱。通过对血浆代谢物梯度的分析，研究了心肺组织代谢和肺高压的相关性。找到了可作为评估肺动脉高压靶向治疗干预的合适的非侵入性标志物的代谢物。

参考文献：

Ejigu BA, Valkenborg D, Baggerman G, Vanaerschot M, Witters E, Dujardin JC, Burzykowski T, Berg M.Evaluation of normalization methods to pave the way towards large-scale LC-MS-based metabolomics profiling experiments. OMICS 2013: 17(9): 473-485.

Evans AM, DeHaven CD, Barrett T, Mitchell M, Milgram E. Integrated, nontargeted ultrahigh performance liquid chromatography/electrospray ionization tandem mass spectrometry platform for the identification and relative quantification of the small-molecule complement of biological systems. Anal Chem 2009: 81(16): 6656-6667.

Rosato A, Tenori L, Cascante M, De Atauri Carulla PR, Martins Dos Santos VAP, Saccenti E. From correlation to causation: analysis of metabolomics data using systems biology approaches. Metabolomics 2018: 14(4): 37.

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Kriol 撰文

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