應(yīng)用代謝組學(xué)與脂質(zhì)組學(xué)聚焦系統(tǒng)性紅斑狼瘡SLE生物標(biāo)志物

文章標(biāo)題：Integration of metabolomics and lipidomics reveals serum biomarkers for systemic lupus erythematosus with different organs involvement
發(fā)表期刊：Clinical Immunology
發(fā)表時(shí)間：2022年7月
影響因子：10.19
作者單位：中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院
百趣生物提供服務(wù)：發(fā)現(xiàn)代謝組學(xué)—親水版、發(fā)現(xiàn)代謝組學(xué)—親脂版

研究背景
系統(tǒng)性紅斑狼瘡（SLE）是一種多因素的自身免疫性疾病。其特征是喪失自我耐受性和產(chǎn)生自身抗體和免疫復(fù)合物，導(dǎo)致身體多個(gè)組織和器官損傷，如腎臟、皮膚、關(guān)節(jié)、血液和神經(jīng)系統(tǒng)。SLE的臨床表現(xiàn)具有異質(zhì)性，可累及一個(gè)或多個(gè)器官，而且SLE的嚴(yán)重程度與器官受累的類型有關(guān)，早期診斷和治療可防止不可逆的器官損傷。目前SLE的確切發(fā)病機(jī)制尚不清楚，因此尋找可靠的狼瘡相關(guān)器官損傷的生物標(biāo)志物，將顯著有益于SLE患者的治療。本篇由百趣生物解讀的文章希望能夠幫助到科研小伙伴。

在本篇文章中，運(yùn)用了代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)來(lái)檢測(cè)不同的代謝物和脂質(zhì)。應(yīng)用單變量、多變量分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)確定具有腎臟受累（KI）、皮膚受累（SI）、血液系統(tǒng)受累（BI）和多系統(tǒng)受累（MI）的SLE潛在生物標(biāo)志物。

研究結(jié)果
1、SLE和HCs之間不同的血清代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)特征
圖1展示了本文的研究設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析工作流程。結(jié)合LC-MS/MS代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)方法，能夠提高血清中代謝物檢出的覆蓋率。
 

圖1
在OPLS-DA模型的結(jié)果（圖2ab）中，SLE患者和HCs健康人群在代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)中被分為兩個(gè)不同的簇。

百趣解讀，利用VIP>1，P<0.05和Fc>1.50或<1/1.50的篩選條件，在SLE和HCs之間共鑒定出95種差異代謝物和54種差異脂質(zhì)。代謝組學(xué)篩選的差異代謝物主要包括脂類和脂類分子、有機(jī)酸及其衍生物、有機(jī)雜環(huán)化合物、核苷、核苷酸和類似物（圖2c）。脂質(zhì)組學(xué)中篩選的差異脂類主要包括三�；�甘油（TAG）、磷脂酰膽堿（PC）、脂肪酸（FA）、�；�肉堿（ACar）、鞘磷脂（SM）（圖2d）。
 

圖2
百趣解讀，為了找到區(qū)分SLE和HCs的潛在生物標(biāo)志物，使用隨機(jī)森林來(lái)進(jìn)一步篩選差異代謝物和脂質(zhì)。13種差異代謝物或脂質(zhì)被鑒定為SLE的潛在生物標(biāo)志物，LPE（22：6）、硫酸脫氫表雄酮（DHEAS）和3,4-二羥基甘露二醛的AUC分別為0.946、0.939和0.903。采用向前逐步回歸的方法來(lái)挑選代謝物和脂質(zhì)，DHEAS、2-甲基丁基甘氨酸、苯甲酸和FA（20：1）的組合具有最好的預(yù)測(cè)效率，AUC為0.998（圖2ef），十折交叉驗(yàn)證結(jié)果也顯示出AUC為0.988。

Spearman相關(guān)性分析，給出了13種SLE潛在代謝物與年齡、SLEDAI、血清指標(biāo)等12種臨床參數(shù)之間的相關(guān)性。結(jié)果顯示，共存在27個(gè)P<0.05的顯著相關(guān)性。而且血清中只有亮氨�；�異亮氨酸與SLEDAI評(píng)分呈負(fù)相關(guān)，示意血清中亮氨基異亮氨酸水平可能揭示SLE的嚴(yán)重程度。

異常調(diào)控的代謝產(chǎn)物主要富集于三條代謝途徑中（P<0.05）（圖3a）。SLE中最顯著的異常調(diào)節(jié)途徑是氰基氨基酸代謝、氨酰tRNA的生物合成、半胱氨酸和蛋氨酸代謝。圖3b展示了KEGG代謝途徑的差異豐度（DA）結(jié)果。
 

圖3

2、鑒定與SLE疾病活動(dòng)性相關(guān)的血清代謝物和脂質(zhì)
根據(jù)SLEDAI評(píng)分將133例SLE患者分為兩組，SLEDAI評(píng)分介于0~4的SLE無(wú)活動(dòng)組（n=63），以及SLEDAI評(píng)分大于4的SLE活動(dòng)組（n=70）。無(wú)活動(dòng)組和活動(dòng)組的代謝組結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)差異。然而在脂質(zhì)組結(jié)果上，兩組之間存在差異。

無(wú)活動(dòng)組和活動(dòng)組的脂質(zhì)組直方圖（圖4a）顯示，兩組間PC和TAG兩種類脂質(zhì)的相對(duì)含量存在顯著差異。與活動(dòng)組相比，無(wú)活動(dòng)組SLE患者的PC相對(duì)含量更高，TAG相對(duì)含量更低。以VIP>1、p<0.05、Fc>1.20或<1/1.20作為篩選條件，在無(wú)活動(dòng)組和活動(dòng)組之間發(fā)現(xiàn)了41種差異脂質(zhì)，主要包括PC、溶血磷脂酰膽堿（LPC）、磷脂酰乙醇胺（PE）和TAG（圖4c），熱圖展示了這些差異脂質(zhì)在各組中的相對(duì)含量（圖4d）。采用向前逐步回歸的方法來(lái)分析區(qū)分無(wú)活動(dòng)組和活動(dòng)組的差異脂質(zhì)，其中LPC（18：0）、PC（18：3/18：3）、PE（16：0/22：4）的組合預(yù)測(cè)效果最好，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的AUC為0.767（圖4ef），十折交叉驗(yàn)證的AUC為0.751。
 

圖4

3、不同器官受累SLE患者的血清代謝組學(xué)標(biāo)志物
根據(jù)臨床表型將所有SLE患者分為4組，分別是腎臟受累（KI）、皮膚受累（SI）、血液系統(tǒng)受累（BI）和多系統(tǒng)受累（MI）。與HCs組相比，KI、SI、BI和MI組分別得出121、72、109和90種差異代謝物。如圖5a所示，不同器官受累的SLE患者與HCs之間主要的差異代謝物是脂類和類脂質(zhì)分子。

使用相同的方法分析脂質(zhì)組數(shù)據(jù)， KI、SI、BI、MI與HCs進(jìn)行比較分別得到86、66、75、62種差異脂質(zhì)。不同脂質(zhì)的組成如圖5b所示。通過(guò)韋恩圖，分析各組SLE患者與HCs之間的差異代謝物和差異脂質(zhì)，得到每組SLE患者獨(dú)特的生物標(biāo)志物（圖5cd）。