基于血液代谢组学分析缺血性心脏病患者疾病进程的代谢紊乱特征.pdf
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1、第45卷第2 期2024年3月质谱学报Journal of Chinese Mass Spectrometry SocietyVol.45No.2Mar.2024基于血液代谢组学分析缺血性心脏病患者疾病进程的代谢紊乱特征杨柱林1,田林云,吴壮可?,赵燕,张宏2 4,易伦朝1.3(1.昆明理工大学食品科学与工程学院,云南昆明6 50 50 0;2.昆明理工大学附属医院,云南省第一人民医院心血管内科,云南昆明6 50 0 32;3.昆明理工大学化学工程学院,云南昆明6 50 50 0;4.昆明理工大学生命科学学院,云南昆明6 50 50 0)昊2 3,李慧敏1,顾颖,任达兵,摘要:本研究以47 例
2、心绞痛患者、51例心肌梗死患者和8 0 例心力衰竭患者的血浆作为样本,结合超高效液相色谱-高分辨质谱(UPLC-HRMS)技术和化学计量学方法,分析缺血性心脏病患者疾病进程的代谢紊乱特征。实验共定性、定量鉴定9 7 种内源性代谢物,基于t检验、主成分分析、偏最小二乘-判别分析、变量重要性投影等方法,分别筛选出2 8 种和32 种可区分心绞痛与心肌梗死患者,心肌梗死与心力衰竭患者的差异性特征代谢物。代谢通路分析结果表明,从心绞痛到心肌梗死,以及从心肌梗死到心力衰竭的疾病进程中,氨基酸代谢和三羧酸循环等能量代谢均发生了紊乱;从心肌梗死到心力衰竭的疾病进程中,以甘油磷脂代谢和脂肪酸生物合成为代表的脂
3、质代谢显著紊乱;通过分析受试者工作曲线(ROC),糖胆酸、富马酸、棕榈酸、肌钙蛋白、高密度脂蛋白、谷丙转氨酶和谷草转氨酶等联合指标可提高心肌梗死诊断精度,ROC曲线下面积(AUC)值达到1.0 0 0 O;瓜氨酸、柠檬酸、硬脂酸、甘油磷酸胆碱和NT-proBNP联合指标可提高心力衰竭诊断精度,AUC值达到0.957 0。本研究可为缺血性心脏病患者的精准诊断和疾病发展过程中的药物、营养干预提供重要的代谢靶标。关键词:超高效液相色谱-高分辨质谱(UPLC-HRMS);代谢组学;心绞痛;心肌梗死;心力衰竭;化学计量学中图分类号:0 6 57.6 3doi:10.7538/zpxb.2023.0068
4、文献标志码:A文章编号:10 0 4-2 997(2 0 2 4)0 2-0 2 56-13Blood Metabolomics Reveals the Metabolic Disorder in DiseaseProgression for Patients with Ischemic Heart DiseaseYANG Zhu-lin,TIAN Lin-yun?,WU Hao2,LI Hui-min,GU Ying,REN Da-bing,ZHUANG Ke,ZHAO Yan,ZHANG Hong-,YI Lun-zhaol.3(1.Faculty of Food Science and
5、Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.Department of Cardiovascular Medicine,The First Peoples Hospital of Yunnan Province,Affiliated Hospital of Kunming University of Science and Technology,Kunming 650032,China;3.Faculty of Chemical Engineering,Kunming Unive
6、rsityof Science and Technology,Kunming 650500,China;国家自然科学基金(2 2 17 40 45,2 17 7 50 58)本文通信作者易伦朝,张宏第2 期Abstract:Ischemic heart disease is one of the main causes of death worldwide.In thisstudy,the plasma samples of 47 patients with angina,51 patients with myocardialinfarction,and 80 patients with he
7、art failure were collected.Ultra-performance liquidchromatography-high resolution mass spectrometry(UPLC-HRMS)and chemometricswere used to analyze the plasma metabolic disorder in disease progression for patientswith ischemic heart disease.Chromatographic separation was performed on an ACE3C18 colum
8、n(150 mmX3.0 mmX3 m),and MS analysis was carried out by electros-pray ionization(ESI)source at positive and negative modes combined with full scan-ning.In total,97 endogenous metabolites were identified and quantitative analyzed.Principal component analysis and partial least square-discriminant anal
9、ysis were appliedin combination with variable importance projection(VIP)and t-test to screen differenti-ally characteristic metabolites.Metabolite concentration was analyzed using SPSS andthe metabolites with significant differences(P1 were selected using Variable Importance in Projection screening.
10、Finally,disease-specific metabolites were identified using VIP1 and t-test P135 ng/L18。本研究排除了既往存在风湿性心脏病、重度肺动脉高压及先天性心脏病、缩窄性心包炎、严重肾功能不全、合并恶性肿瘤、存在严重的创伤性疾病及严重血液系统疾病的患者,以及处于妊娠期及哺乳期的妇女。清晨从空腹8 h的志愿者肘静脉采血,经肝素锂抗凝4静置3h后,以30 0 0 r/min离心2 0 min,取上清液,置于一8 0 冷冻保存。本研究通过了云南省第一人民医院伦理审查委员会的批准,获得了所有参与者的知情同意。第2 期谷丙转氨酶(
11、ALT)/(U/L)谷草转氨酶(AST)/(U/L)AST:ALT肌酐/(mg/dL)尿酸/(mol/L)肾小球滤过率/(mL/(m i n 1.732)空腹血糖/(mmol/L)总胆固醇(TC)/(mmol/L)甘油三酯(TG)/(mmol/L)高密度脂蛋白(HDL-C)/(mmol/L)低密度脂蛋白(LDL-C)/(mmol/L)N-末端前体B型钠尿肽/(ng/L)肌钙蛋白T/(ng/L)游离三碘甲腺原氨酸/(pmol/L)游离甲状腺素/(pmol/L)促甲状腺激素(mIU/L)三碘甲状腺原氨酸/g/L)四碘甲状腺原氨酸/(g/dL)室间隔厚度/cm左心房内径/cm左室舒张末期内径/cm肺
12、动脉收缩压/mmHg射血分数/%注:a.心梗组与心绞痛组的比较P值 0.0 5;b.心衰组与心梗组的比较P值 0.0 5;*表示人数分布1.3.2血浆样本前处理将血浆样本缓慢解冻后涡旋1min,准确吸取2 0 L,加人2 0 L1g/LL-苯丙氨酸-3,3-d和L-亮氨酸-5,5,5-d内标溶液、50 0 L冷甲醇,涡旋1min,室温静置10 min,在4下以130 0 0 r/min离心10min;收集上清液,室温下用氮气吹干,2 50 L冷甲醇复溶,涡旋1min,过0.2 2 m滤膜,转移至进样瓶,待测。同时制备质量控制(QC)样本,用于评价实验过程中仪器的精密度和样本的稳定性。各取杨柱林
13、等:基于血液代谢组学分析缺血性心脏病患者疾病进程的代谢紊乱特征参数Parameter年龄岁BMI性别(男/女)*高血压(是/否)*糖尿病(是/否)*血红蛋白数/(g/L)259表1血浆样本患者信息Table 1 Information of plasma samples心绞痛患者Angina64.6412.1924.682.9225/2238/912/35141.7420.2722.1612.3220.6610.041.00(0.47,1.79)74.8923.75362.26102.4786.6822.765.872.244.111.161.741.731.10 0.272.21 0.835
14、11.241463.545.1014.5116.12 2.144.270.672.711.8594.4316.891.610.301.00 0.143.480.454.720.5230.0210.4561.859.65心肌梗死患者Myocardial infarction(MI)61.8411.1524.222.3937/1431/2011/40143.0818.2228.3218.0264.6579.78a1.66(0.41,14.52)84.5570.71364.4385.6389.9223.526.552.374.551.00a1.941.690.970.21a2.800.89a1164
15、.521830.95a762.341182.69a14.924.373.801.01a2.843.3387.6623.041.530.381.03 0.163.530.464.880.6228.328.2357.328.54a2L所有样本,混匀,加人10 0 0 L冷甲醇,其余操作步骤与上述样本相同。进样过程中,每隔6 个血浆样本插人1个QC样本,共采集30个QC样本数据。1.3.3色谱条件Thermo Scientific HypersilACE3 C18色谱柱(150 mmX3.0 mmX3 m);流动相:A为乙腈,B为0.1%甲酸水溶液;梯度洗脱程序:2 9 min(5%38%A),9
16、14min(38%68%A),1422 min(68%100%A),2230 m i n(10 0%5%A);每次进样的分析心力衰竭患者Heart failure(HF)69.8413.15b22.852.91653/2753/2731/49131.5619.99b95.01559.21127.57828.451.31(0.52,7.95)105.2759.31432.89123.79b68.34 27.91b6.242.643.791.11b1.47 1.310.96 0.272.140.88b4983.375205.66b20.9150.34b9.316.36b11.77 10.11b3.
17、152.5338.3539.92b49.6443.86b10.182.30b41.26 6.97b54.778.82b40.0916.26h43.2915.27b260时间30 min,流速0.2 0 mL/min,柱温40,进样量1L。1.3.4质谱条件电喷雾电离源(ESI);喷雾电压40 0 0 V(ESI+)、350 0 V(ESI-);雾化温度30 0;鞘气压强4.5MPaESI+)、4.0 M Pa(ESI-);辅助气压强 1.5 MPa(ESI+)、1.0MPa(ESI-);传输毛细管温度350(ESI+)、320(ESI-);全扫描(fullMS)模式分辨率35000;源内诱导裂
18、解电压0 eV;数据依赖二级扫描(ddMS)分辨率17 50 0;高能碰撞诱导电压分别为15、2 5、35eV。1.3.5数据处理1)代谢物的定性定量分析。首先,将测定出的代谢物与2 7 种代谢物标准品的保留时间以及一级、二级质谱信息进行对比;结合HMDB、M a s s b a n k 等数据库以及参考文献对其他无标准品的代谢物进行定性分析。根据定性结果,采用Xcalibur软件提取各代谢物的峰面积,并用内标法进行定量分析。最后,使用SPSS软件对代谢物进行t检验分析,筛选疾病不同进程中含量有显著性差异(P1的变量。最后,结合VIP1与t检验P0.05,筛选疾病不同进程的特征代谢物。3)代谢
19、通路分析。为进一步研究患者血浆中内源性代谢物之间的关系,将筛选出的疾病不同进程特征代谢物的人类代谢组学数据库中的代谢物编号(HMDB-ID)导人MetaboAnalyst软件进行代谢通路分析。在代谢通路图中,横坐标表示代谢通路的影响值(pathwayimpact),纵坐标表示富集分析(enrichment analysis)的P值。基于P 0.1筛选差异代谢通路,并结合筛选出的含量具有显著变化的特征代谢物进行代谢通路分析。4)受试者工作曲线(ROC)分析。使用质谱学报第45卷SPSS软件,采用Logistic回归分析及ROC评估临床生化指标和所筛选代谢指标对缺血性心脏病患者的精准诊断能力。首先
20、,以单个指标为变量进行ROC分析,评估单个指标的诊断能力;再联合临床生化指标和代谢指标,以Logistic回归分析所构建的联合变量进行多变量ROC分析。P0.05表明具有统计学意义。2结果与讨论2.1代谢物定性定量分析本研究共定性鉴定97 个代谢物,其中,与标准品比对定性2 7 个代谢物,与HMDB、Massbank数据库以及参考文献比对定性7 0 个代谢物。提取代谢物峰面积,以L-苯丙氨酸-3,3-d2和L-亮氨酸-5,5,5-d3为内标物进行定量分析。以溶血磷脂酰胆碱(LPC)LPC(20:5)和溶血磷脂酰乙醇胺(LPE)LPE(16:0)的同分异构体定性分析为例,说明代谢物定性过程,结果
21、示于图1。由图1a和1b可见,LPC(20:5)和LPE(16:0)的提取离子流图中均有2 个色谱峰。由图1c和1d可见,LPC(20:5)的2个色谱峰的二级质谱均含有溶血磷脂酰胆碱类的特征碎片离子m/184.0733、10 4.10 7 0和8 6.0 9 6 4;LPE(16:0)的2 个色谱峰的二级质谱均含有溶血磷脂酰乙醇胺类的特征中性丢失m/z141.0199。因此,推断图1c、1d 中的2个峰分别为LPC(2 0:5)、LPE(16:0)的同分异构体。有文献19 报道,在反相色谱洗脱脂类代谢物时,碳链位于Snl 的LPCs和LPEs的代谢物比碳链位于Sn2的LPCs和LPEs更早洗脱
22、。此外,碳链位于Sn2的代谢物响应强度高于碳链位于Snl的代谢物2 0 1。因此,将图1a中的峰1和峰2 分别定性为LPC(2 0:5)(Snl)和LPC(20:5)(Sn 2),图1b中的峰1和峰2 分别定性为 LPE(16:0)(Sn 1)和 LPE(16:0)(Sn2)。2.2分类模型建立及特征代谢物筛选使用SPSS软件对心绞痛、心肌梗死和心力衰竭患者中9 7 个代谢物的含量差异进行t检验分析,从心绞痛到心肌梗死的疾病进程中共筛选出37 个含量有显著性差异的代谢物,从心肌梗死到心力衰竭的疾病进程中共筛选出41个含量有显著性差异的代谢物,结果列于表2。第2 期杨柱林等:基于血液代谢组学分析
23、缺血性心脏病患者疾病进程的代谢紊乱特征2617.0108a5.0F3.0CioH271.0020.021.022.023.024.025.0f/minC184.0729100CHN-CHCH5086.09690104.10710100200300400500600100184.0729104.10715086.09690100200300400 500600ml/z注:a.LPC(20:5)的提取离子流图;b.LPE(16:0)的提取离子流图;c.LPC(20:5)峰1和峰2 的二级质谱图;d.LPE(16:0)峰1和峰2 的二级质谱图图1代谢物LPC(20:5)和LPE(16:0)的定性分析
24、Fig.1Qualitative analysis of LPC(20:5)and LPE(16:0)表2 不同疾病进程t检验具有显著性差异的代谢物(P0.05)Table2Metabolites with significant differences in t-tests for angina,MI and HF(P1结合t检验P1结合t检验P1的变量,示于图2 b、2 e,并结合t检验分析筛选含量有显著性差异(P0.05)的代谢物,最终在心绞痛到杨柱林等:基于血液代谢组学分析缺血性心脏病患者疾病进程的代谢紊乱特征263心肌梗死的进程中筛选出2 8 种特征代谢物,在心肌梗死到心力衰竭的进程
25、中筛选出32 种特征代谢物。上述代谢物的具体信息列于表2。2.3代谢通路分析代谢通路分析结果表明,在心绞痛到心肌梗死的进程中,苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成代谢,苯丙氨酸代谢,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢,三羧酸循环代谢发生了显著改变,示于图3a;在心肌梗死到心力衰竭的进程中,精氨酸的生物合成,甘油磷脂代谢,脂肪酸生物合成,三羧酸循环发生了显著改变,示于图3b。在心绞痛向心肌梗死的进程中,苯丙氨酸和谷氨酰胺含量显著升高。苯丙氨酸是一种必HighbaMIoAngina505-10-505Component 1(17.3%)C20100Permutation test statistics15
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