氨基酸和脂質(zhì)預測糖尿病風險在代謝組學病例對照研究結(jié)果的應(yīng)用
近期，一項長達10年的巢試病例對照研究顯示，可以利用氨基酸和脂質(zhì)的代謝變化來預測妊娠期患糖尿�。╣estational diabetes mellitus，GDM）的女性，在產(chǎn)后患2型糖尿病(type 2 diabetes，T2D)的風險，并通過10種差異代謝物的變化構(gòu)建出具有88.3%準確性的預測模型。
該研究由多倫多大學醫(yī)學院生理學教授Michael Wheeler與細胞和生物分子研究中心的分子遺傳學和計算機科學助理教授Hannes Röst、生理學科學家Feihan Dai和Erica Gunderson合作，在《PLOS Medicine》（IF=11.048）發(fā)文，從代謝變化角度去探究從GDM轉(zhuǎn)變?yōu)門2D的病理學特性，提供了一種除葡萄糖以外的代謝物去評估該風險的替代方法，其簡單而準確的特性優(yōu)勢可能超過目前的臨床方法。
該研究由多倫多大學醫(yī)學院生理學教授Michael Wheeler與細胞和生物分子研究中心的分子遺傳學和計算機科學助理教授Hannes Röst、生理學科學家Feihan Dai和Erica Gunderson合作，在《PLOS Medicine》（IF=11.048）發(fā)文，從代謝變化角度去探究從GDM轉(zhuǎn)變?yōu)門2D的病理學特性，提供了一種除葡萄糖以外的代謝物去評估該風險的替代方法，其簡單而準確的特性優(yōu)勢可能超過目前的臨床方法。
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項目背景
項目背景
據(jù)統(tǒng)計，有GDM病史的婦女在中年時患T2D的風險要高出7倍，35%-50%的GDM患者會在產(chǎn)后10年內(nèi)發(fā)展為T2D，同時患心功能亢進和心血管疾病的風險也比正常人高。醫(yī)生們建議患有GD的女性在分娩后每年需要進行一次口服葡萄糖耐量測試，以測試身體從血液中清除糖的能力，但這一過程費時費力，只有不到一半的女性能堅持下去。所以，開發(fā)一種準確的方法來預測妊娠后GDM向T2D的轉(zhuǎn)變，并更好地研究T2D潛在患者代謝紊亂的獨特病理生理機制及其對GDM人群的潛在原因是非常重要的。
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技術(shù)路線
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實驗結(jié)果
圖3
GDM向T2D過渡過程中氨基酸、�；鈮A和脂質(zhì)代謝異常的整合代謝網(wǎng)絡(luò)。
三組正方形分別表示baseline、隨訪和縱向研究數(shù)據(jù)。
紅色和藍色的方框表示顯著變化，空白方框表示非顯著變化
技術(shù)路線
圖1
A）共有1035名患有GDM的孕婦被招募，其中有1010名無T2D。隨訪2年后，有113名患有T2D，8年后，增加65名。
B）對患有T2D的女性進行空腹血漿代謝物檢測。
C）進行了三項生物信息學分析：
(1)在baseline進行前瞻性分析，預測糖尿病與代謝物的關(guān)聯(lián)；
(2)隨訪時到橫斷面分析揭示T2D代謝途徑；
(3)縱向分析描述T2D發(fā)展軌跡。
B）對患有T2D的女性進行空腹血漿代謝物檢測。
C）進行了三項生物信息學分析：
(1)在baseline進行前瞻性分析，預測糖尿病與代謝物的關(guān)聯(lián)；
(2)隨訪時到橫斷面分析揭示T2D代謝途徑；
(3)縱向分析描述T2D發(fā)展軌跡。
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實驗結(jié)果
通過收集的樣本進行代謝組學實驗，經(jīng)過baseline、橫截面研究、縱向分析的統(tǒng)計篩選最終發(fā)現(xiàn)，有140個差異代謝物具有意義。篩選過程如下：
首先，對baseline的實驗結(jié)果使用隨機森里挑選其中具有高預測能力的20種代謝物——己糖（包括葡萄糖和果糖在內(nèi)的所有6碳單糖的總和）、6種氨基酸、6種甘油磷脂、2種�；“彼帷�2種鞘脂和3種生物胺，構(gòu)建模型進行預測。（見圖2 ）該模型通過AUC、敏感性、特異性、精確度和準確性來評價其預測性能，并且在生成和評價過程時重復100次以達到最優(yōu)擬合模型。
圖2
通過T2D組與非T2D組對照，發(fā)現(xiàn)37個代謝產(chǎn)物表達差異有統(tǒng)計學意義(FDR < 0.05)，其中23個表達上調(diào)，14個表達下調(diào)，這些差異代謝物有以下特征：①戊糖是增加最顯著的代謝物。②氨基酸代謝在T2D和非T2D對照中也有變化：11個氨基酸（組氨酸、異亮氨酸、絲氨酸、酪氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、谷氨酸、賴氨酸、色氨酸、蘇氨酸和脯氨酸)都呈現(xiàn)出上調(diào)趨勢，只有谷氨酰胺下調(diào)。③乙酰肉堿和生物胺也受到影響：一種生物胺，亞精胺代謝通路發(fā)生了上調(diào)。④脂類中，各類物質(zhì)發(fā)生了不同的變化。例如，鞘磷脂發(fā)生了減少。lysoPC26:0和溶血磷脂酰膽堿(lysoPCs)也發(fā)生了減少。不過對于甘油磷脂組的代謝物，上調(diào)和下調(diào)組都有涉及到。上調(diào)的甘油磷脂為PC aa C組(di酰基-甘油磷脂)，下調(diào)的甘油磷脂為PC ae C組(酰基-烷基-甘油磷脂)。（見圖3）
圖3對這些代謝物使用KEGG進行通路分析后發(fā)現(xiàn)，在隨訪期間轉(zhuǎn)入T2D的女性中，氨基�；�-tRNA、BCAA和精氨酸的生合成通路發(fā)生上調(diào)。有趣的是，精氨酸/脯氨酸代謝通路也發(fā)生了上調(diào)。這些結(jié)果表明，過度活躍的氨基酸代謝可能在未來糖尿病發(fā)病中發(fā)揮重要作用。
然后，結(jié)合baseline+隨訪橫斷面+縱向分析的結(jié)果，構(gòu)建從GDM到T2D過渡的代謝模型。其中，縱向分析顯示，只有10種代謝物受到差異調(diào)節(jié)。在GDM到T2D的過渡期間，己糖和生物胺kynurenine的delta值增加，而組氨酸、絲氨酸、甘氨酸、精氨酸和瓜氨酸則減少。磷脂lysoPC a C18:0, lysoPC a C18:1, PC ae C34:2的delta值降低。
然而，在縱向分析中發(fā)現(xiàn)了其他的結(jié)果：非顯著性變化的T2D病例分析物在對照組和baseline病例之間是不同的。這表明GDM進展為T2D的女性在baseline時存在代謝代謝異常，包括碳水化合物、原子吸收光譜、酰肉堿和脂類的代謝網(wǎng)絡(luò)(見圖4)。
圖4
GDM向T2D過渡過程中氨基酸、�；鈮A和脂質(zhì)代謝異常的整合代謝網(wǎng)絡(luò)。
三組正方形分別表示baseline、隨訪和縱向研究數(shù)據(jù)。
紅色和藍色的方框表示顯著變化，空白方框表示非顯著變化
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總結(jié)討論
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號外號外
脂質(zhì)組學檢測：阿趣代謝提供經(jīng)典脂質(zhì)組學檢測及全定量脂質(zhì)組學檢測。
對8大類脂質(zhì)：脂肪酸類（fatty acids）、⽢油脂類（glycerolipids）、⽢油磷脂類（glycerophospholipids）、鞘脂類（sphingolipids）、固醇脂類（sterol lipids）、孕烯醇酮脂類（prenol lipids）、糖脂類（saccharolipids）、多聚⼄烯類（polyketides），提供定性結(jié)果，通過匹配正離子模式14萬+和負離子模式34萬+的二級譜圖數(shù)據(jù)庫，對52種類脂質(zhì)進行定性，提供經(jīng)典脂質(zhì)組學檢測結(jié)果。
總結(jié)討論
本研究對有GDM病史的女性T2D早期診斷中代謝特征的潛在效用進行了深入研究。利用機器學習，該實驗研究了20種代謝物(跨越3種主要代謝物組，包括碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂類)預測GDM后發(fā)生T2D的轉(zhuǎn)變。代謝物的分析揭示了一些代謝途徑和特定代謝物與有GDM妊娠史的女性T2D的發(fā)展和進展有關(guān)：
氨基酸代謝：BCAAs(異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸)與T2D的發(fā)病率相關(guān)，其升高的事實可能暗示腸道微生物組吸收或產(chǎn)生的增加，或其降解的減少。除了BCAAs升高之外，其他氨基酸和T2D風險之間存在積極的關(guān)聯(lián)，這可能表明氨基酸參與的碳代謝減弱。胰高血糖素調(diào)節(jié)氨基酸分解代謝，胰高血糖素受體(GCGR)信號的破壞與循環(huán)氨基酸的增加有關(guān)。因此，循環(huán)氨基酸的整體增加與之前在T2D患者中報道的異常GCGR信號一致。
脂類代謝：磷脂和鞘磷脂代謝物之間的復雜關(guān)系與膽結(jié)石的風險有關(guān)。本研究中，6種�；�-甘油磷脂(PC aa C組)與T2D風險呈正相關(guān)，11種�；�-烷基-甘油磷脂(PC ae C組)與T2D風險呈負相關(guān)。其他一些鞘磷脂也與糖尿病風險呈負相關(guān)。
實驗亮點通過baseline+隨訪+縱向分析三項完整的隊列研究，建立了具有88.3%準確性的預測模型；
前瞻性隊列，實時隨訪，避免了種族和民族的混雜因素，對隊列進行深度的縱向分析；
對于未來GDM轉(zhuǎn)變?yōu)門2D的病程提供了簡單而精準的檢測替代方法，為防控T2D起到早發(fā)現(xiàn)早治療的預防作用。
前瞻性隊列，實時隨訪，避免了種族和民族的混雜因素，對隊列進行深度的縱向分析；
對于未來GDM轉(zhuǎn)變?yōu)門2D的病程提供了簡單而精準的檢測替代方法，為防控T2D起到早發(fā)現(xiàn)早治療的預防作用。
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號外號外
阿趣代謝對于文中的血漿代謝組學實驗也有對應(yīng)的產(chǎn)品——氨基酸高通量靶標定量和脂質(zhì)組學檢測。
氨基酸高通量靶標定量：通過使用同位素內(nèi)標法進行絕對定量，為檢測必需氨基酸、半非必需氨基酸和非必需氨基酸提供精準實驗結(jié)果，為代謝性疾�。ɡ缣悄虿�、肥胖癥、心腦血管疾�。┑脑缙谠\斷及預測提供研究依據(jù)。
脂質(zhì)組學檢測：阿趣代謝提供經(jīng)典脂質(zhì)組學檢測及全定量脂質(zhì)組學檢測。
對8大類脂質(zhì)：脂肪酸類（fatty acids）、⽢油脂類（glycerolipids）、⽢油磷脂類（glycerophospholipids）、鞘脂類（sphingolipids）、固醇脂類（sterol lipids）、孕烯醇酮脂類（prenol lipids）、糖脂類（saccharolipids）、多聚⼄烯類（polyketides），提供定性結(jié)果，通過匹配正離子模式14萬+和負離子模式34萬+的二級譜圖數(shù)據(jù)庫，對52種類脂質(zhì)進行定性，提供經(jīng)典脂質(zhì)組學檢測結(jié)果。
對于研究樣本中脂類絕對含量變化的研究，提供全定量脂質(zhì)組學檢測服務(wù)。通過對Lysophosphatidylcholine (LPC)、 Sphingomylein(SM)、Phosphatidylethanolamine (PE)等13類脂質(zhì)進行絕對定量，為脂質(zhì)代謝的綜合研究提供實驗依據(jù)。通過使用對應(yīng)脂類的標準品進行實驗，提供絕對定量的精準結(jié)果。脂類的準確鑒定和絕對定量在疾病機理、營養(yǎng)科學、生物制藥，甚至材料、生物燃料領(lǐng)域都起著重要的作用。
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