編者按

酒精相關(guān)肝�。ˋLD）具有三個(gè)關(guān)鍵病理特征——纖維化、炎癥和脂肪變性，但至今對(duì)于其病理機(jī)制仍不清楚。本研究開發(fā)了一種配對(duì)的肝-血漿蛋白質(zhì)組學(xué)方法來推斷分子病理生理學(xué)，并探索該血漿蛋白質(zhì)組學(xué)在596名參與者（137名對(duì)照個(gè)體和459名ALD患者）的診斷和預(yù)后判斷方面的潛能，其中360名患者同時(shí)進(jìn)行了基于活檢的組織學(xué)評(píng)估。研究者通過使用基于質(zhì)譜（MS）的蛋白質(zhì)組學(xué)工作流程，分析了所有血漿樣本和79例肝臟活檢。在血漿和肝活檢組織中，代謝功能下調(diào)，而纖維化相關(guān)的信號(hào)傳導(dǎo)和免疫反應(yīng)增強(qiáng)。通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型識(shí)別出蛋白質(zhì)組學(xué)生物標(biāo)志物（檢測(cè)到顯著的纖維化和輕度炎癥），其準(zhǔn)確性比現(xiàn)有的臨床分析更準(zhǔn)確。一個(gè)獨(dú)立的驗(yàn)證隊(duì)列驗(yàn)證了診斷模型的性能，為常規(guī)的基于MS的肝病檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

 

一. 文章詳情

文章題目：Noninvasive proteomic biomarkers for alcohol-related liver disease

中文題目：蛋白質(zhì)組學(xué)助力發(fā)現(xiàn)酒精相關(guān)肝病新生物標(biāo)志物

發(fā)表時(shí)間：2022.06

期刊名稱：nature medicine

影響因子：87.241

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：LC–MS/MS質(zhì)譜檢測(cè)

DOI: 10.1038/s41591-022-01850-y

 

二. 研究?jī)?nèi)容

患者、數(shù)據(jù)收集和研究設(shè)計(jì)

研究樣本包括三個(gè)隊(duì)列：（1）ALD患者隊(duì)列（GALA–ALD；n=459，其中79例為組織-血漿配對(duì)患者）；（2）健康對(duì)照隊(duì)列（GALA–HP，n=137）；（3）ALD驗(yàn)證隊(duì)列（GALA–ALD，n=63）。技術(shù)路線：通過使用數(shù)據(jù)獨(dú)立采集（DIA）和液相色譜系統(tǒng)獲得了所有參與者（n=659）的蛋白質(zhì)組譜圖，包括對(duì)GALA-ALD隊(duì)列中459例ALD患者的血漿樣本和79份肝組織的蛋白質(zhì)組學(xué)分析。然后將血漿蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，構(gòu)建了用于檢測(cè)早期纖維化（F2）、炎癥（I2）和脂肪變性（S0）的預(yù)測(cè)模型。最后在ALD驗(yàn)證隊(duì)列進(jìn)行驗(yàn)證。

Fig.1 肝臟疾病相關(guān)生物標(biāo)志物框架圖

 

肝臟病變對(duì)肝臟和血漿蛋白質(zhì)組的影響

肝臟蛋白質(zhì)組共鑒定出717個(gè)與脂肪變性、纖維化、脂肪肝炎相關(guān)的差異蛋白，其中與纖維化相關(guān)的蛋白有658個(gè)，與炎癥活動(dòng)相關(guān)的蛋白有135個(gè)，與脂肪變性相關(guān)的蛋白有68個(gè)。其中纖維化對(duì)肝臟蛋白質(zhì)組的影響最大，其次是炎癥，同時(shí)炎癥中84%的失調(diào)蛋白也在纖維化過程中被發(fā)現(xiàn)。隨著纖維化的發(fā)展，肝組織中注釋為“肝特異性”的蛋白表達(dá)下調(diào)；80%的”分泌“蛋白表達(dá)上調(diào)。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，在與脂肪變性、纖維化和脂肪肝炎相關(guān)的排名前20 的差異蛋白中，與纖維化階段最相關(guān)的是肝臟的分泌蛋白；與炎癥相關(guān)的蛋白中有50%是細(xì)胞骨架蛋白（說明肝臟炎癥會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化）；與脂肪變性相關(guān)的蛋白中，發(fā)現(xiàn)了PLIN2和FABP4蛋白。綜合以上結(jié)果，有225個(gè)蛋白顯著差異豐富，包括206個(gè)纖維化的相關(guān)蛋白、163個(gè)炎癥活性相關(guān)蛋白和48個(gè)脂肪變性相關(guān)蛋白，構(gòu)成了肝臟血漿蛋白質(zhì)組重構(gòu)。隨著纖維化的發(fā)展，134個(gè)蛋白表達(dá)上調(diào)，91個(gè)蛋白表達(dá)下調(diào)。在這些注釋為肝臟特異性或分泌的異常蛋白中，分別有83%和64%下調(diào)。

Fig.2 由肝臟損傷引起的肝臟蛋白質(zhì)組重構(gòu)

 

肝組織和血漿蛋白質(zhì)組學(xué)的整合

研究中對(duì)肝臟和血漿中的420種蛋白質(zhì)進(jìn)行了定量，結(jié)果顯示，這些蛋白質(zhì)在二維空間中的水平分化為兩簇。“對(duì)角線簇”表示這些蛋白質(zhì)的相對(duì)豐度等級(jí)在很大程度上與在肝臟和血漿中具有相關(guān)性，而“垂直簇”則相關(guān)性較弱。在這些常見檢測(cè)到的蛋白中，有112個(gè)蛋白在配對(duì)的肝臟和血漿樣本之間存在顯著相關(guān)性。共有46個(gè)蛋白在肝臟和血漿蛋白組中均存在顯著差異（統(tǒng)稱為失調(diào)蛋白），并且這些失調(diào)蛋白主要參與免疫和炎癥反應(yīng)、ECM組織、蛋白酶抑制劑和細(xì)胞粘附等。從纖維化期F0到F4，大多數(shù)協(xié)同調(diào)節(jié)蛋白大量增加，少數(shù)蛋白在組織和血漿中表達(dá)不一致，研究者推測(cè)這可能是由于血漿水平是反映組織滲漏和肝臟合成受損的綜合結(jié)果。

Fig.3 肝組織-血漿蛋白質(zhì)組整合

 

ALD 早期病理學(xué)的生物標(biāo)志物

研究人員比較了22種最先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)分類器，確定了邏輯回歸模型作為最終分類器，使用“最小冗余-最大相關(guān)性”（mRMR）特征選擇算法，選定了選擇蛋白標(biāo)記物（共22種蛋白質(zhì)）來識(shí)別顯著肝纖維化（9種）、輕度炎癥活動(dòng)（6種）和肝脂肪變性（12種）。基于Logistic回歸模型的平均交叉驗(yàn)證來預(yù)測(cè)顯著纖維化、輕度炎癥活動(dòng)和脂肪變性，結(jié)果顯示，三組蛋白標(biāo)志物組合模型的平均ROC-AUC 分別為0.90 、0.85和0.91，具有良好的診斷效能。與15種最先進(jìn)的臨床測(cè)試模型相比，蛋白質(zhì)組學(xué)模型具有最高的F1分?jǐn)?shù)和準(zhǔn)確性。

Fig.4 基于血漿蛋白質(zhì)組的活檢證實(shí)的纖維化、炎癥和脂肪變性預(yù)測(cè)模型

 

在驗(yàn)證隊(duì)列中進(jìn)行模型性能的驗(yàn)證

蛋白質(zhì)組學(xué)模型正確排除健康、匹配的對(duì)照組(n=136)隊(duì)列中的顯著纖維化、晚期纖維化和輕度炎癥的準(zhǔn)確率分別為99%、100%和98%；對(duì)于有酒精濫用史和低肝硬化而未進(jìn)行活檢的患者(n=97)，其準(zhǔn)確率分別為93%和100%。在ALD驗(yàn)證隊(duì)列（n=63）中，F(xiàn)2和I2蛋白質(zhì)組學(xué)模型產(chǎn)生的ROC-AUC值分別為0.87和0.81，明顯高于隊(duì)列中其他10種同類模型。將蛋白質(zhì)組學(xué)模型與其他商業(yè)生物標(biāo)志物和肝纖維化的組織學(xué)分期進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，F(xiàn)2蛋白質(zhì)組學(xué)模型顯示最高的鑒別精度的預(yù)測(cè)顯著高于F3和I2蛋白質(zhì)組學(xué)模型。綜上所述，這項(xiàng)研究構(gòu)建的蛋白質(zhì)組學(xué)模型是準(zhǔn)確的預(yù)后指標(biāo)。

Fig.5 模型性能驗(yàn)證和預(yù)測(cè)能力評(píng)估

 

三. 主要結(jié)論

本研究通過ALD患者、健康對(duì)照和ALD驗(yàn)證隊(duì)列的肝臟和血漿DIA蛋白組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)肝臟和血漿均發(fā)生顯著的蛋白質(zhì)組重構(gòu)。通過基于質(zhì)譜的蛋白組學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，確定了準(zhǔn)確檢測(cè)ALD中的纖維化、炎癥和脂肪變性三種相關(guān)病理狀態(tài)的蛋白生物標(biāo)志物組合，同時(shí)也在驗(yàn)證隊(duì)列中得到了驗(yàn)證。通過深入的肝臟圖譜，可以對(duì)血漿和組織變化進(jìn)行更詳細(xì)的功能比較�？傊�，本研究不僅證實(shí)了先前的研究結(jié)果，同時(shí)也提供了具有診斷、預(yù)后和治療價(jià)值的潛在蛋白靶點(diǎn)，對(duì)潛在的ALD治療方案的發(fā)展有重要意義。

 

四. 參考文獻(xiàn)

Niu L, Thiele M, Geyer PE, et al. Noninvasive proteomic biomarkers for alcohol-related liver disease. Nat Med. 2022;28(6):1277-1287. doi:10.1038/s41591-022-01850-y