文章標題：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)表時間：2022年7月

影響因子：10.19

作者單位：中南大學湘雅二醫(yī)院

百趣生物提供服務：發(fā)現(xiàn)代謝組學—親水版、發(fā)現(xiàn)代謝組學—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合物，導致身體多個組織和器官損傷，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，可累及一個或多個器官，而且SLE的嚴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，運用了代謝組學和脂質(zhì)組學來檢測不同的代謝物和脂質(zhì)。應用單變量、多變量分析和機器學習算法來確定具有腎臟受累（KI）、皮膚受累（SI）、血液系統(tǒng)受累（BI）和多系統(tǒng)受累（MI）的SLE潛在生物標志物。

研究結(jié)果

1、SLE和HCs之間不同的血清代謝組學和脂質(zhì)組學特征

圖1展示了本文的研究設計和數(shù)據(jù)分析工作流程。結(jié)合LC-MS/MS代謝組學和脂質(zhì)組學方法，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和脂質(zhì)組學中被分為兩個不同的簇。

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)。代謝組學篩選的差異代謝物主要包括脂類和脂類分子、有機酸及其衍生物、有機雜環(huán)化合物、核苷、核苷酸和類似物（圖2c）。脂質(zhì)組學中篩選的差異脂類主要包括三酰基甘油（TAG）、磷脂酰膽堿（PC）、脂肪酸（FA）、?；鈮A（ACar）、鞘磷脂（SM）（圖2d）。

圖2

百趣解讀，為了找到區(qū)分SLE和HCs的潛在生物標志物，使用隨機森林來進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測效率，AUC為0.998（圖2ef），十折交叉驗證結(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P<0.05的顯著相關(guān)性。而且血清中只有亮氨酰基異亮氨酸與SLEDAI評分呈負相關(guān)，示意血清中亮氨基異亮氨酸水平可能揭示SLE的嚴重程度。

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疾病活動性相關(guān)的血清代謝物和脂質(zhì)

根據(jù)SLEDAI評分將133例SLE患者分為兩組，SLEDAI評分介于0~4的SLE無活動組（n=63），以及SLEDAI評分大于4的SLE活動組（n=70）。無活動組和活動組的代謝組結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計差異。然而在脂質(zhì)組結(jié)果上，兩組之間存在差異。

無活動組和活動組的脂質(zhì)組直方圖（圖4a）顯示，兩組間PC和TAG兩種類脂質(zhì)的相對含量存在顯著差異。與活動組相比，無活動組SLE患者的PC相對含量更高，TAG相對含量更低。以VIP>1、p<0.05、Fc>1.20或<1/1.20作為篩選條件，在無活動組和活動組之間發(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)在各組中的相對含量（圖4d）。采用向前逐步回歸的方法來分析區(qū)分無活動組和活動組的差異脂質(zhì)，其中LPC（18：0）、PC（18：3/18：3）、PE（16：0/22：4）的組合預測效果最好，訓練數(shù)據(jù)集中的AUC為0.767（圖4ef），十折交叉驗證的AUC為0.751。

圖4

3、不同器官受累SLE患者的血清代謝組學標志物

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患者獨特的生物標志物（圖5cd）。

圖5

百趣解讀，韋恩圖指出KI患者中有34種特異性代謝物和12種特異性脂質(zhì)。ROC分析顯示，KI組中所有特異性化合物的AUC均小于0.7。對這些差異代謝物或脂質(zhì)進行二元回歸后，AUC值仍小于0.7。采用向前逐步回歸分析的方法篩選差異代謝物和脂質(zhì)，得到了2-羥基乙磺酸、5、8、11-二十碳三烯酸、吡嗪和PE（18：1e/21：2）的組合，這個結(jié)果可以準確區(qū)分KI組與SI、BI、MI和HCs組，測試數(shù)據(jù)集的AUC為0.766，十折交叉驗證的AUC為0.728（圖5e）。

SI組中有7種特異性代謝物和5種特異性脂質(zhì)。ROC分析顯示，SI組中所有12種特異性化合物的AUC均小于0.7。由L-異亮氨酸、TAG（12：3/21：3/21：3）組成的面板可以準確區(qū)分SI組與KI、BI、MI和HCs組，測試數(shù)據(jù)集的AUC為0.718，十折交叉驗證的AUC為0.701（圖5f）。

BI組中有29種特異性代謝物和26種特異性脂質(zhì)。ROC分析表明，BI組中6種化合物的AUC均大于0.75。順式-5-十四烯基肉堿、LPC（22：6（2Z、7Z、10Z、13Z、16Z、19Z））、PC（16：18/2）和PE（10：0/26：4）的組合可以準確區(qū)分BI組與KI、SI、MI和HCs組，測試數(shù)據(jù)集的AUC為0.951，十折交叉驗證的AUC為0.910（圖5g）。

MI組中有24種特異性代謝物和17種特異性脂質(zhì)。ROC分析顯示，MI組中6種化合物的AUC均大于0.70。L-天冬氨酸-L-羥脯氨酸、PC（15：0/18：2（9Z、12Z））、PC（16：0/P-16：0）、PC（22：5（2Z、7Z、10Z、13Z、16Z）/14：0）、PC（5：0/26：1）和PE（16：0/18：2）的組合，可以準確區(qū)分MI組與KI、SI、BI和HCs組，測試數(shù)據(jù)集的AUC為0.909，十折交叉驗證為0.874（圖5h）。

結(jié)論

百趣解讀，本研究基于血清代謝組學和脂質(zhì)組學數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析，探討了系統(tǒng)性紅斑狼瘡潛在的生物標志物。從血清樣本中，研究確定了13個具有良好診斷效率的代謝物和脂質(zhì)，尤其是LPE（22：6）、DHEAS、3,4-二羥基甘露二醛，能夠準確區(qū)分SLE和HCs組。

此外，這些代謝物可以區(qū)分不同器官受累程度的SLE，提示了這些代謝物涉及到的代謝組學代謝通路紊亂，特別是氰氨基酸代謝、氨酰trna生物合成、半胱氨酸和蛋氨酸代謝，可能與SLE和器官損傷的發(fā)病機制有關(guān)。這些研究結(jié)果將為SLE的精確診斷和治療提供新的生物標志物，并為理解SLE不同疾病表型的發(fā)病機制提供潛在的線索。

文/阿趣代謝組學