经典生物标志物研究案例:2种样本,1种组学探究IR糖尿病患者“指纹”图谱

2021-06-28 18:13:23, 多层组学定制服务 上海欧易生物医学科技有限公司


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● 前言


胰岛素抵抗(IR)是指各种原因使胰岛素促进葡萄糖摄取和利用的效率下降,机体代偿性的分泌过多胰岛素产生高胰岛素血症,以维持血糖的稳定。胰岛素抵抗易导致代谢综合征和2型糖尿病。50年代Yallow等应用放射免疫分析技术测定血浆胰岛素浓度,发现血浆胰岛素水平较低的病人胰岛素敏感性较高,而血浆胰岛素较高的人对胰岛素不敏感,由此提出了胰岛素抵抗的概念。


而其中肥胖是导致胰岛素抵抗最主要的原因,尤其是中心性肥胖。肥胖主要与长期运动量不足和饮食能量摄入过多有关,2型糖尿病患者诊断时80%伴有肥胖。一般原发性或遗传性胰岛素抵抗尚无行之有效的治疗方法。但对一些具有发生胰岛素抵抗的高危人群如有糖尿病家族史的一级亲属、有高血压、高血脂家族史和出生时低体重儿或存在宫内营养不良史的人群,尤应注意在其后天生命过程中避免肥胖,以尽可能预防胰岛素抵抗的发生。对已表现为胰岛素抵抗的人群,应根据不同的人群采取不同的方法减轻导致或加重胰岛素抵抗的因素,同时对个体所具有的代谢综合征不同组分进行个体化治疗。


所以现在对于去探索胰岛素抵抗的标志物有着重要的意义,可以起到诊断、预防甚至治疗等多方面的作用。



中文标题:结合血浆和粪便的代谢分析对肥胖患者胰岛素抵抗的研究

研究对象:

发表期刊:Clinical Nutrition

影响因子:6.36

运用关键技术 核磁共振(NMR)和质谱(MS)、代谢组学分析


● 研究背景


胰岛素抵抗(IR)是与肥胖相关的最常见的病理生理因素之一,与代谢综合征、糖耐量改变、2型糖尿病(T2DM)和心血管并发症的发生密切相关。HOMA-IR(稳态评估模型)通常用于定义IR,但众所周知它具有一定局限性。新因素的测量有助于早期诊断和后续监测。深入研究肥胖背景下与IR进展相关的代谢途径对预防至关重要。


IR影响所有器官和组织的代谢谱,将不同的代谢物转移到体液中,便于检测。在之前的研究中,血浆代谢组学的研究已经确认了支链氨基酸 (BCCAs)、三酰基甘油和磷脂水平的增加与IR和代谢综合征的发展有关。血清胆碱水平和胆碱摄入量也与肥胖的IR相关。


相对而言,对人类粪便代谢组学与IR之间的潜在关系知之甚少。核磁共振(NMR)和质谱(MS)等分析技术是表征代谢特征的最全面的工具。质谱是一种更灵敏的技术,但与核磁共振不同,它提供的结构信息较少,具有破坏性。事实上,这两种代谢组学技术是互补的,并已被用于检测不同疾病的生物标志物,如2型糖尿病和肥胖。因此,本研究的目的正是探讨血浆和粪便代谢组在肥胖中关于IR的作用。


研究技术路线


● 研究结果


对24例病态肥胖患者和20例年龄、性别匹配的健康对照组进行了纵向研究(样本策略)。基线检查时,肥胖患者应保持每日热量摄入量减少500-800千卡。经过两年的随访,14名肥胖患者和16名非肥胖受试者接受了评估。Table 1总结了基线和随访时的几个临床参数的平均值。正如预期,肥胖患者的HDL胆固醇水平较低,HOMA-IR和血压值高于非肥胖者。根据基线时的生化和人体测量参数,主成分分析未发现异常值。


Table1 | 研究对象的主要生化和人体测量参数


空腹血清样品的核磁共振氢谱分析提供了40种不同代谢物的信息,而粪便样品中多达128种不同的极性和非极性代谢物可以被定量。病态肥胖患者和对照患者血浆样品的代表性光谱如Fig 1所示。通过OPLS-DA整体评估所有样本时,肥胖患者血浆中VLDL、脂肪酯和乳酸水平较高,粪便中丙酸、赖氨酸和总脂质浓度升高。相反,血浆低密度脂蛋白和谷氨酸浓度以及粪便中的脂肪酯含量降低,见Fig 2.


当仅在基线进行比较时,血浆缬氨酸浓度、粪便乙酰乙酸和硫酸酯也增加。在分别评估基线样本时,肥胖组和非肥胖组的血浆谷氨酸无显著差异。同样,在随访时单独评估样本时,观察到这些样本中的粪便戊酸盐、丁酸盐、腐胺和醋酸盐浓度增加。随访时的模型略弱于其他两个模型,表明肥胖患者在低热量饮食后的代谢组学特征与正常体重个体更为相似。


为了研究饮食对代谢谱的影响,作者用肥胖患者的数据建立了OPLS-DA模型。比较基线检查和随访时的血浆代谢曲线,没有获得显著的模型。然而,获得了一个重要的粪便模型(见Fig 3)揭示了低热量饮食后脂肪酯和有机酸(丁酸盐、丙酸盐、戊酸盐、辛酸盐、亚油酸盐和乙酸盐)水平的下降



接下来,作者评估血浆和粪便代谢组学情况是否与BMI和HOMA-IR相关。PLS回归分析显示,除了随访中的HOMA-IR外,基线和随访样本的关系一致(见Fig 4)


得分最高的VIP值汇总在Table 2中。临床变量与血浆的相关性比与粪便代谢物的相关性更显著。然而,在BMI情况下,粪便代谢物也属于VIP值最高的,包括基线时的有机酸丁酸酯和戊酸酯。如预期的那样,一些代谢物与BMI和HOMAIR(如血浆中的LDL和GPC(甘油磷酸胆碱))相关。




对于HOMA-IR,基线和后续随访的VIP值最高的代谢物是柠檬酸、脂肪酯和LDL。VDL与缬氨酸、酪氨酸等氨基酸在基线时相关性更强,而磷胆碱、GPC和二甲基甘氨酸在随访时重要性增加。在BMI情况下,基线时血浆二甲甘氨酸、苯丙氨酸和苏氨酸水平更相关,随访时胆碱、GPC和缬氨酸水平更显著。在粪便的情况下,丁酸盐和戊酸盐仅在基线时与BMI相关。


为了进一步分析代谢物与临床变量之间的个体关系,作者分析了基础期和随访期血浆代谢物与BMI和HOMA-IR可能的关系。在所有个体中,作者发现有11种血浆代谢物与BMI呈正相关(乙酰乙酸酯、肌酐、甘油、脂质甘油、VLDL、脂肪酯、肌醇、苯丙氨酸、苏氨酸、酪氨酸和缬氨酸),还有一种血浆代谢物与磷脂胆碱呈负相关(磷脂胆碱)。值得注意的是,在基线和随访中观察到类似的关联,显示出这些生物标记物的相对稳健性。然而,当肥胖和非肥胖组分别分析时,这些代谢物中只有4种(肌醇、缬氨酸、乙酰乙酸酯和磷脂胆碱)仍然重要,这表明这些可能是最相关的生物标志物,对于不同BMI范围的特定生物标志物应该进行更深入的研究。


关于HOMA-IR与血浆代谢物的关系,血浆肌醇、苏氨酸、酪氨酸和缬氨酸在基线和随访时均与HOMA-IR呈正相关。一些血浆代谢物在基线时发现正相关,但这些相关性在随访时不显著,如脂肪酯、n -乙酰基和苯丙氨酸。虽然基线时甘油和磷酸胆碱不显著,但在随访时它们与HOMA-IR显著正相关。脂肪酯和缬氨酸似乎特别相关,因为在肥胖和非肥胖组中均观察到与HOMA-IR显著相关。Fig 5显示了在血浆和粪便中发现的最重要的关联。如果作者只分析一种类型的样本(粪便或血浆),类似的代谢物与BMI和HOMA相关。有趣的是,如果作者比较粪便和血浆,在某些情况下,代谢物相关性遵循相同的方向(如柠檬酸盐、甲酸盐、谷氨酰胺、乳酸盐、丙酮酸盐、琥珀酸盐、酪氨酸和BCAA),而在其他情况下,相关性相反(醋酸盐、胆碱衍生物、葡萄糖、脂肪酯、肌醇)。


研究结论


本文提出了一个纵向研究来评估血浆和粪便代谢组与IR和肥胖状态的关联。通过血浆和粪便代谢物组合的独特性、1NMR代谢组学的使用以及纵向数据的收集是发现胰岛素抵抗的新标记物的关键。证明代谢物与BMI和IR特异相关。不仅血浆,而且粪便中的BCAA与IR相关,其模式也与血浆中的BCAA相似。而胆碱衍生物则具有相反的模式。这就表面这些代谢物可以作为新标志物可以作为“指纹”来帮助检测有患IR风险的患者。


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本研究基于我们所熟悉的代谢组学分析方法对胰岛素抵抗的新标志物进行了探索,在本文中我们可以看到包括PCA、OPLS-DA、PLS回归分析等多个我们熟悉的在代谢分析中所用的方法。对于IR病理与标志物的研究探索,文章通过血浆和粪便代谢物的整合代表了一个有价值的指纹图谱,可以帮助识别有IR风险的患者,并设计新的治疗策略,以防止肥胖背景下的IR和显性2型糖尿病(T2DM)的发展。结果表明,饮食对粪便代谢组学的影响远大于对血浆代谢组学的影响。


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