糖尿病?(DM)?影響全球?4.63?億人，到?2045?年，這一數(shù)字可能會(huì)增加到?7?億。DM?患病率的增加與許多因素有關(guān)，例如人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和遺傳因素。眾多科研人員為建立有效的?DM?管理系統(tǒng)作出了巨大努力。但預(yù)防?DM?并發(fā)癥的發(fā)生，如對(duì)腎臟和其他器官的損害，仍是一個(gè)問(wèn)題。南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院江蘇省中醫(yī)院?jiǎn)挝患捌湔n題組在Molecular Metabolism期刊發(fā)表的題為“Serum integrative omics reveals the landscape of human diabetic kidney disease”的研究成果，通過(guò)TMT標(biāo)記定量蛋白組學(xué)和非靶代謝組學(xué)研究方法，發(fā)現(xiàn)了糖尿病腎病（DKD）特征，篩選了蛋白和代謝組合生物標(biāo)志物，該研究為優(yōu)化?DKD?管理提供了豐富且開放的數(shù)據(jù)資源。

標(biāo)題：Serum integrative omics reveals the landscape of human diabetic kidney disease.

期刊：Molecular Metabolism??(IF =6.448)

時(shí)間：2021.10

研究背景

與基因組學(xué)相比，蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)有可能為?DKD?進(jìn)展提供新的機(jī)制見(jiàn)解。蛋白質(zhì)組學(xué)是廣泛分析蛋白質(zhì)的有效方法，代謝組學(xué)可以廣泛識(shí)別代謝物。雖然結(jié)合這些分析可以增強(qiáng)?DKD?診斷，但這仍未得到檢驗(yàn)。為此，作者整合了蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)來(lái)識(shí)別生物標(biāo)志物并評(píng)估其對(duì)?DKD?的診斷價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)樣本

人血清樣本

蛋白組學(xué)：健康對(duì)照(HC) (n=30)、2型糖尿病(2-DE)(n=30)、早期糖尿病胃病(DKD-E) (n=30)、晚期糖尿病胃病(DKD-A) (n=30)

代謝組學(xué)：健康對(duì)照(HC) (n=441)、?2型糖尿病(2-DE) (n=446)?、早期糖尿病腎病(DKD-E) (n=121)?、晚期糖尿病胃病(DKD-A) (n=94)

研究思路

作者應(yīng)用多組學(xué)方法來(lái)鑒定?2-DM?和?DKD?患者血液中的生物標(biāo)志物。首先從發(fā)現(xiàn)隊(duì)列中隨機(jī)選擇每組?30?個(gè)血清樣本，并使用蛋白質(zhì)組學(xué)來(lái)鑒定?DKD?的蛋白質(zhì)生物標(biāo)志物。其次，通過(guò)代謝組學(xué)測(cè)量了整個(gè)發(fā)現(xiàn)隊(duì)列的代謝物，并在內(nèi)部測(cè)試和三個(gè)外部測(cè)試隊(duì)列中驗(yàn)證了結(jié)果。然后，使用發(fā)現(xiàn)隊(duì)列中通過(guò)差異表達(dá)分析所確定的蛋白質(zhì)組與代謝組來(lái)測(cè)試機(jī)器學(xué)習(xí)模型，這些模型被應(yīng)用于測(cè)試隊(duì)列以預(yù)測(cè)?DKD?狀態(tài)。最后，結(jié)合蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析。強(qiáng)調(diào)了用于?DKD?臨床診斷的潛在生物標(biāo)志物以及參與?DKD?發(fā)病和進(jìn)展的途徑。

研究結(jié)果

1.?蛋白質(zhì)組學(xué)研究?2-DM?患者的?DKD?進(jìn)展

每組隨機(jī)抽取30份血清樣本。然后將一組?10?個(gè)血清樣品混合成?1?個(gè)上樣樣品，每組?3?個(gè)上樣樣品。總共在?12?個(gè)樣本（4?組）中量化到?1,187?種蛋白質(zhì)。原數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理和缺失值過(guò)濾后，使用581種蛋白質(zhì)進(jìn)行后續(xù)分析。通路分析?(IPA)?表明，差異表達(dá)的蛋白質(zhì)參與肝X?受體/類維生素?X?受體(LXR/RXR)?激活、法尼醇?X?受體/類維生素?X?受體?(FXR/RXR)?激活和急性期反應(yīng)信號(hào)傳導(dǎo)。為了測(cè)試這些蛋白質(zhì)是否可以確定?DKD?狀態(tài)，通過(guò)ELISA驗(yàn)證了八種重要蛋白質(zhì)：脂聯(lián)素、α2－巨球蛋白?(α2-M)、組織蛋白酶D，CD324、脂肪酸結(jié)合蛋白?1 (FABP1)、磷脂轉(zhuǎn)移蛋白?(PLTP)、性激素結(jié)合球蛋白?(SHBG)?和組織抑制劑基質(zhì)金屬蛋白酶?1 (TIMP-1)。

偏最小二乘判別分析（PLS-DA）結(jié)果顯示，這8種蛋白可以區(qū)分四個(gè)分組。再通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，發(fā)現(xiàn)α2-M，組織蛋白酶D和CD324可作為潛在的生物標(biāo)志物組合。但仍無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分2-DM和DKD-E。

2.?血清中差異表達(dá)代謝物的成對(duì)比較?

考慮到?DKD?是一種常見(jiàn)的代謝疾病，作者假設(shè)血清代謝物譜能更直接和準(zhǔn)確地反映?DKD?狀態(tài)。為了測(cè)試這一點(diǎn)，作者對(duì)發(fā)現(xiàn)隊(duì)列的1102名參與者進(jìn)行了代謝組學(xué)分析，鑒定到?207?種血清代謝物。對(duì)差異代謝物進(jìn)行了非參數(shù)Wilcoxon檢驗(yàn)，并且對(duì)排名靠前的上調(diào)和下調(diào)代謝物分析，鑒定出乳酸、甘油－3－半乳糖苷、內(nèi)消旋赤蘚糖醇、D-(+)－木糖、甘油酸和?(+-)3－甲基－2－氧代戊酸。作為甘油酯合成代謝物，甘油－3－半乳糖苷水平可以反應(yīng)甘油酯合成的變化。此外，3－甲基－2－氧代戊酸是一種?2－氧代單羧酸，是楓糖漿尿病的臨床標(biāo)志物。然后對(duì)這些代謝物應(yīng)用?PLS?回歸分析，發(fā)現(xiàn)它們可以有效地分離成對(duì)組。對(duì)每個(gè)比較組種差異代謝物進(jìn)行通路分析，來(lái)確定這些代謝物在2型糖尿病和DKD中的生物學(xué)意義。分析表明甘油脂代謝、戊糖和葡萄糖醛酸鹽相互轉(zhuǎn)化以及半乳糖代謝是受影響最大的途徑。

3.?血清中差異代謝物相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)

為了研究代謝物的改變對(duì)DKD不同階段的影響，作者進(jìn)行了通路和相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析。根據(jù)差異代謝物在不同組中的中位表達(dá)，分為兩類：第一類是在HC、2-DM和DKD-E中表達(dá)量相對(duì)低；另一類是在DKD-A中相對(duì)表達(dá)量低。使用PLS-DA進(jìn)一步分析，四個(gè)組能很好地被分開。通路分析表示，戊糖和葡萄糖醛酸鹽相互轉(zhuǎn)化、半乳糖代謝和甘油脂代謝排在前面。網(wǎng)絡(luò)分析表明與2-DM和DKD發(fā)展相關(guān)的關(guān)鍵代謝物（如甘油，半乳糖等）在四組中發(fā)生了顯著變化。

4.?通過(guò)血清中代謝物的表達(dá)成對(duì)的預(yù)測(cè)DKD的機(jī)器學(xué)習(xí)

為了驗(yàn)證識(shí)別的代謝物在預(yù)測(cè) DKD 狀態(tài)中的值，采用了五種機(jī)器學(xué)習(xí)算法：LDA、SVM、RF、Logi 和偏最小二乘判別分析?(PLS-DA)。生成 ROC 曲線顯示HC與2-DM、HC與DKD-E、HC與DKD-A、2-DM與DKD-A、DKD-E與DKD-A的預(yù)測(cè)精度分別為75%、82%、93%、90%和84%。除發(fā)現(xiàn)隊(duì)列外，作者還測(cè)量了內(nèi)部隊(duì)列和三個(gè)外部測(cè)試隊(duì)列中的代謝物表達(dá)。與蛋白質(zhì)標(biāo)志物情況一致，代謝物也無(wú)法清楚地區(qū)分 2-DM與DKD-E。作者發(fā)現(xiàn)一項(xiàng)研究使用六個(gè)臨床參數(shù)（谷氨酸脫羧酶?[GAD]?自身抗體、糖尿病發(fā)病年齡、HbA1c、BMI 以及胰島素抵抗和胰島素分泌的測(cè)量值）將 2-DM 分為 5 個(gè)新亞型：嚴(yán)重的自身免疫性糖尿病(SAID)、嚴(yán)重胰島素缺乏糖尿病?(SIDD)、嚴(yán)重胰島素抵抗糖尿病?(SIRD)、輕度肥胖相關(guān)糖尿病?(MOD)?和輕度年齡相關(guān)糖尿病?(MARD)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證作者的數(shù)據(jù)，使用這個(gè)新的分類系統(tǒng)對(duì)候選人進(jìn)行了重新分組。發(fā)現(xiàn)血清代謝物在五組中顯示出明顯的特征。這些代謝物可以預(yù)測(cè)2-DM和DKD狀態(tài)，特別是早期和晚期狀態(tài)。

5.?蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的整合提高了DKD的診斷作者在通路分析中結(jié)合了蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)中的顯著生物標(biāo)志物并確定了幾種途徑：半乳糖代謝、戊糖和葡萄糖醛酸相互轉(zhuǎn)化、檸檬酸循環(huán)和丙酮酸代謝。然后結(jié)合蛋白質(zhì)和代謝物標(biāo)志物來(lái)預(yù)測(cè)?DKD?狀態(tài)。

五個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型表明，組合模型提高了?DKD?預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。組合模型提升了?2-DM?和?DKD-E?的更穩(wěn)健的分離。在蛋白質(zhì)模型中，48.4%的DKD-E患者被錯(cuò)誤預(yù)測(cè)為2-DM；然而，組合模型將?2-DM?和?DKD-E?的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率分別提高到?59.6%?和?42.6%。此外，多組學(xué)模型成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)?DKD-A?患者的?81.4%?的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率?？偟膩?lái)說(shuō)，組合多組學(xué)標(biāo)志物模型是一種強(qiáng)有力的提高DKD診斷的方法。

6.?甘油－3－半乳糖苷是監(jiān)測(cè)?DKD?發(fā)展的生物標(biāo)志物

血清代謝物在?DKD?發(fā)展中的診斷價(jià)值尚不清楚。為了解決這個(gè)問(wèn)題，作者系統(tǒng)地分析了每個(gè)患者的差異表達(dá)代謝物與臨床參數(shù)之間的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)血清中的甘油－3－半乳糖苷與患者的?eGFR (?r??= 0.437)?和血清肌酐?(?r??= 0.42)?相關(guān)。基于新的?2-DM?亞分類系統(tǒng)，甘油－3－半乳糖苷在?SIDD、SIRD?和?MARD?組中也顯著誘導(dǎo)，這進(jìn)一步表明其在?2-DM?中的臨床早期識(shí)別價(jià)值。這表明甘油－3－半乳糖苷可能是DKD發(fā)展的血清標(biāo)志物。綜合組學(xué)分析表明，如果將蛋白質(zhì)組和代謝物結(jié)合起來(lái)，診斷值的穩(wěn)定性會(huì)提高。作者結(jié)合其他研究討論了甘油－3－半乳糖苷可能在DKD中的機(jī)制。綜合數(shù)據(jù)表明血清蛋白α2-M/組織蛋白酶D/CD324和甘油－3－半乳糖苷的變化可能是確定DKD發(fā)病和進(jìn)展的有效生物標(biāo)志物。

總結(jié)

1、蛋白組學(xué)結(jié)果表明，α2－巨球蛋白、組織蛋白酶?D?和?CD324可作為檢測(cè)DKD進(jìn)展的潛在生物標(biāo)志物。

2、代謝組學(xué)結(jié)果表明，半乳糖代謝和甘油脂代謝是DKD的主要代謝途徑，此外甘油－3－半乳糖苷可作為預(yù)測(cè)DKD的獨(dú)立標(biāo)志物。

3、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)的組合可以提高預(yù)測(cè)和診斷DKD的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。