用非靶向與靶向代謝組學(xué)識(shí)別不同炎癥性哮喘表型患者痰液代謝組學(xué)特征
瀏覽次數(shù):846 發(fā)布日期:2022-8-10
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下面跟著小趣一起,透過「痰液代謝組學(xué)」認(rèn)識(shí)不同炎癥亞型哮喘吧。
近日,四川大學(xué)華西醫(yī)院王剛教授團(tuán)隊(duì)在Allergy Asthma & Immunology Research(IF=5.096)上發(fā)表了題為"Sputum Metabolomic Profiling Reveals Metabolic Pathways and Signatures Associated With Inflammatory Phenotypes in Patients With Asthma"的論文。
四川大學(xué)華西醫(yī)院王剛教授是論文第一通訊作者,劉影博士是論文第一作者;上海百趣代謝組學(xué)技術(shù)研究中心創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)劉志鵬研究員和研究人員王洪光為論文共同作者。百趣生物為本次研究提供了非靶向代謝組學(xué)+靶向代謝組學(xué)服務(wù)。
哮喘是一種嚴(yán)重的全球性慢性炎癥性氣道疾病,其特點(diǎn)是氣道高反應(yīng)性和可逆性氣道阻塞導(dǎo)致的反復(fù)發(fā)作的喘息、氣短、胸悶和咳嗽。同時(shí),哮喘也是一種具有不同表型和內(nèi)型的異質(zhì)性疾病,其中哮喘的炎癥表型(嗜酸性粒細(xì)胞性哮喘[EA]、中性粒細(xì)胞性哮喘[NA]和少粒細(xì)胞性哮喘[PGA])根據(jù)誘導(dǎo)的痰粒細(xì)胞不同比例而被廣泛認(rèn)知。
盡管可以為不同炎癥表型的患者量身定制管理方法,但針對特定炎癥表型,尤其是NA的治療策略尚且缺乏,這代表了哮喘的醫(yī)療需求有待被滿足。同時(shí),驅(qū)動(dòng)哮喘不同炎癥表型的分子機(jī)制知之甚少,并且可能是異質(zhì)的。因此,識(shí)別特定的生物標(biāo)志物并了解哮喘不同炎癥表型的分子機(jī)制非常重要,這可能會(huì)導(dǎo)致更加個(gè)性化的醫(yī)療。
本研究通過非靶向與靶向代謝組學(xué)方法,以識(shí)別不同炎癥性哮喘表型患者的痰液代謝組學(xué)特征和潛在的分子途徑,以期探索這些特征是否與控制哮喘和加重哮喘風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。
一、樣本設(shè)置
發(fā)現(xiàn)集(discovery set)119個(gè)痰液樣本:
驗(yàn)證集(validation set)114個(gè)痰液樣本:
二、臨床特征
驗(yàn)證集中,炎癥細(xì)胞因子結(jié)果顯示在哮喘表型中,EA患者的IL-5水平最高,而TNF-α、IL-1β、IL-8水平最低(p<0.05)。與之相反,NA組IL-1β水平最高,IL-5水平最低(均P<0.05)(表1)。在12個(gè)月的隨訪中,有3例(10%)NA患者和3例(6.1%)PGA患者失訪。最后,108例哮喘患者(EA,n=35;NA,n=27;PGA,n=46)納入哮喘加重分析。結(jié)果顯示,不同表型組中,嚴(yán)重哮喘發(fā)作的患者比例(EA vs NA vs PGA:17.1% vs 37% vs 6.5%,P=0.004)和嚴(yán)重哮喘發(fā)作次數(shù)的頻率(EAvsNA vs PGA: 0.29±0.75 vs 0.70±1.33 vs 0.09±0.35,P=0.004)存在顯著差異(表1)。
表1. 數(shù)值表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差、數(shù)字(%)或中位數(shù)(下四分位數(shù)、上四分位數(shù))。EA,嗜酸性粒細(xì)胞性哮喘;NA,中性粒細(xì)胞性哮喘;PGA,少粒細(xì)胞哮喘;BMI,體重指數(shù);BDP,二丙酸倍氯米松;LTRA,白三烯受體拮抗劑;SPT,皮膚點(diǎn)刺試驗(yàn);ACQ,哮喘控制問卷;AQLQ,哮喘生活質(zhì)量問卷;FEV1,一秒用力呼氣量;FVC,用力肺活量;BDR,支氣管擴(kuò)張劑反應(yīng);FeNO,呼出的一氧化氮分?jǐn)?shù);IgE,免疫球蛋白E;TNF,腫瘤壞死因子;干擾素,干擾素;IL,白細(xì)胞介素;MDC,巨噬細(xì)胞衍生的趨化因子。與EA組比, aP<0.01, bP<0.05; 與NA組相比, cP<0.01, dP<0.05。
三、非靶向代謝譜可區(qū)分發(fā)現(xiàn)集中不同炎癥性哮喘表型和健康受試者
OPLS-DA分析表明不同哮喘炎癥表型之間明顯分離。此外,哮喘組也與健康對照組明顯分開(圖1)。每個(gè)模型中Q2截距的低值表明這些模型的穩(wěn)健性,因此在所有比較中顯示過擬合的風(fēng)險(xiǎn)較低,組間差異顯著。
圖1. 發(fā)現(xiàn)集中,非靶向代謝譜在不同炎癥表型哮喘和健康受試者中有所區(qū)別。(A-D) 不同炎癥性哮喘表型和健康受試者的PCA模型評分圖;(E-H) 不同炎癥性哮喘表型與健康受試者OPLS-DA模型的評分圖;(I-L) 不同炎癥性哮喘表型與健康受試者OPLS-DA模型的置換檢驗(yàn)
結(jié)合單變量和多變量統(tǒng)計(jì)分析,基于OPLS-DA模型的VIP>1、倍數(shù)變化<0.83或>1.2和FDR<0.05,在不同的哮喘表型和健康受試者之間共發(fā)現(xiàn)77種差異代謝物(圖2)。
圖2. 發(fā)現(xiàn)組中不同炎癥表型哮喘和健康受試者痰樣本中差異代謝物熱圖
四、發(fā)現(xiàn)集中的代謝組學(xué)通路分析
應(yīng)用MetPA代謝組學(xué)通路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)富集分析方法來評估不同哮喘表型和健康受試者中病理生理機(jī)制潛在途徑的重要性(圖3)。結(jié)果顯示,組氨酸代謝途徑在哮喘組和健康對照組之間存在差異(P=0.019;影響值=0.189)。EA和NA之間的差異代謝物富集在甘油磷脂代謝(P=0.015;影響值=0.121)、煙酸和煙酰胺代謝(P=0.020;影響值=0.332)和組氨酸代謝(P=0.022;影響值=0.189)。EA和PGA之間的差異代謝物富集在甘油磷脂代謝(P=0.001;沖擊值=0.186)、亞油酸代謝(P=0.001;影響值=1.000)、組氨酸代謝(P=0.014;影響值=0.189)和苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成(P=0.046;影響值=0.500)。NA和PGA之間的差異代謝物富集在亞油酸代謝(P=0.002;影響值=1.000)、甘油磷脂代謝(P=0.010;影響值=0.160)和煙酸、煙酰胺代謝(P=0.015;影響值=0.332)。
圖3. 基于能區(qū)分不同炎癥表型哮喘和健康受試者痰樣本的代謝物的代謝通路分析。(A) 哮喘與健康;(B) EA和NA;(C) EA和PGA;(D) NA和PGA。圓圈表示可能涉及類分離的代謝途徑。EA,嗜酸性哮喘;NA,中性粒細(xì)胞哮喘;PGA, 少粒細(xì)胞性哮喘。
五、靶向定量驗(yàn)證集中不同炎癥性哮喘表型與健康受試者之間的差異代謝物
經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研和靶標(biāo)定量方法檢測分析評估,選擇了39個(gè)差異表達(dá)代謝物,在驗(yàn)證集患者中進(jìn)行靶向定量,其中24種代謝物在哮喘炎癥表型之間顯著差異表達(dá)(表2),其中9種代謝物的顯著P值為0.001或更低。組胺以及組氨酸代謝相關(guān)代謝物的表達(dá)量最高,而5-L-谷氨;-L-丙氨酸、煙酰胺、二氫胸腺嘧啶、L-亮氨酸、L-苯丙氨酸、丙氨酰亮氨酸、苯丙氨酰絲氨酸、苯丙氨酰苯丙氨酸在EA患者中表達(dá)量最低。這些數(shù)據(jù)與代謝通路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)富集分析結(jié)果一致,表明組氨酸代謝可能在EA中起重要作用。在NA患者中,涉及嘌呤代謝、乙醛酸和二羧酸代謝、牛磺酸和亞;撬岽x以及氨酰tRNA生物合成的腺苷5'-單磷酸、甘油酸、;撬帷⒍䴕湫叵汆奏、L-亮氨酸、酪胺、L-谷氨酸、丙氨酰亮氨酸、苯丙氨酰絲氨酸和蘇氨酰苯丙氨酸的濃度最高,而甘油磷脂代謝相關(guān)代謝物甘油磷酸膽堿的濃度最低,與之相反,PGA中甘油磷膽堿的濃度最高。而且,PGA患者的不飽和脂肪酸相關(guān)代謝產(chǎn)物,十七烷酸和油酸的生物合成也最高,但十二烷酸的濃度最低(表2)。
表2. 數(shù)值表示為中位數(shù)(下四分位數(shù)、上四分位數(shù))。EA,嗜酸性粒細(xì)胞性哮喘;NA,中性粒細(xì)胞性哮喘;PGA,少粒細(xì)胞哮喘。與EA組比, aP<0.01, bP<0.05; 與NA組相比, cP<0.01, dP<0.05。
此外,通過受試者工作特征(ROC)曲線檢測這些差異表達(dá)的代謝物,以區(qū)分不同的炎癥哮喘表型。;撬、丙氨酰亮氨酸、苯丙氨酰絲氨酸和蘇氨酰苯丙氨酸可作為鑒別NA與EA或PGA的候選代謝標(biāo)記物,其AUC范圍為0.816~0.975(P<0.05)(圖4)。然而,由于單一代謝物的AUC均小于0.7,故不能有效區(qū)分EA和PGA。
圖4. 區(qū)分NA和EA (A) 或NA和PGA (B) 的代謝物受試者工作特征(ROC)曲線。EA,嗜酸性哮喘;NA,中性粒細(xì)胞哮喘;PGA, 少粒細(xì)胞性哮喘。
六、驗(yàn)證集中差異代謝物與臨床指標(biāo)和炎癥特征的相關(guān)性
相關(guān)性分析顯示,差異表達(dá)的代謝物與所有哮喘受試者的肺功能、哮喘控制和炎癥特征相關(guān)(圖5)。在12個(gè)月的隨訪中,使用logistic回歸和負(fù)二項(xiàng)回歸模型探討所有哮喘患者痰液代謝物與嚴(yán)重哮喘發(fā)作之間的關(guān)系。結(jié)果顯示,腺苷5'-單磷酸與嚴(yán)重哮喘加重顯著相關(guān)(表3)。校正年齡、性別、BMI和FEV1%之后,腺苷5'-單磷酸與經(jīng)歷嚴(yán)重哮喘發(fā)作的患者比例以及嚴(yán)重哮喘發(fā)作頻率呈正相關(guān)(RRadj=1.000,95%CI=[1.000,1.000],P=0.050;RRadj=1.000,95%CI=[1.000,1.000],P=0.008)。同時(shí),尿囊素和煙酰胺與嚴(yán)重哮喘發(fā)作頻率均呈正相關(guān)(RRadj=1.000,95%CI=[1.000,1.000],P=0.043;RRadj=1.001,95%CI=[1.000,1.002],P=0.021)。此外,對嗜酸性哮喘(EA)或非嗜酸性哮喘(NEA)進(jìn)行了亞組分析。結(jié)果顯示,腺苷5'-單磷酸仍與NEA組的嚴(yán)重哮喘惡化顯著相關(guān),但與EA組無關(guān)。而且,我們還發(fā)現(xiàn)腺嘌呤、別胱硫醚和煙酰胺也與NEA組嚴(yán)重哮喘發(fā)作顯著相關(guān)。然而,由于EA組的樣本量有限,只發(fā)現(xiàn)酪胺與嚴(yán)重哮喘發(fā)作的頻率相關(guān)。
圖5. 驗(yàn)證集中所有哮喘受試者差異代謝物與臨床和炎癥特征相關(guān)性熱圖。FEV1,一秒用力呼氣量;FVC,用力肺活量;ACQ,哮喘控制問卷;AQLQ,哮喘生活質(zhì)量問卷;FeNO,呼出的一氧化氮分?jǐn)?shù);IgE,免疫球蛋白 E;TNF,腫瘤壞死因子;干擾素,干擾素;IL,白細(xì)胞介素;MDC,巨噬細(xì)胞衍生的趨化因子。
表3. 根據(jù)年齡、性別、BMI和FEV1進(jìn)行了校正。OR,優(yōu)勢比;CI,置信區(qū)間;BMI,體重指數(shù);FEV1,一秒用力呼氣量。
七、結(jié)論
不同炎癥性哮喘表型的代謝組學(xué)研究分析可以發(fā)現(xiàn),不同亞型間累計(jì)有77個(gè)差異顯著代謝物變化和5條差異顯著代謝通路變化。這些代謝組學(xué)通路主要是組氨酸代謝、甘油磷脂代謝、煙酸和煙酰胺代謝、亞油酸代謝、以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成。此外,還發(fā)現(xiàn)差異代謝物與哮喘的臨床和炎癥特征相關(guān),這些代謝物可能能夠作為不同炎癥性哮喘表型的潛在治療靶點(diǎn)。
文/阿趣代謝組學(xué)