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ATVB: 税光厚团队和夏经钢/尹春琳团队合作运用精确代谢组学揭示与糖尿病相关的急性心肌梗死患者的代谢失调特征

      2023年2月,首都医科大学宣武医院、中科院遗传发育所、中科脂典的相关研究人员在《Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology》(IF: 10.5)上发表了题为“Precise metabolomics defines systemic metabolic dysregulation distinct to acute myocardial infarction associated with diabetes”的研究论文,揭示了急性心肌梗死并发糖尿病患者加重的线粒体功能受损的代谢特征。

  亮点概述:

相对于急性心肌梗死无并发糖尿病(non-DM-AMI)患者,急性心肌梗死并发糖尿病(DM-AMI)患者表现出加重的线粒体功能受损的代谢特征。

半乳糖代谢、肌醇代谢、乳糖代谢和瓦尔堡效应是糖尿病环境下AMI发生变化的主要途径。

non-DM-AMI与DM-AMI患者的部分血浆代谢产物表现出与一系列临床指标的相关性差异,这可能影响患者的预后。

  研究背景:

急性心肌梗死(AMI)会引起心肌细胞的大量损失,从而导致心力衰竭,并伴有纤维化、心脏硬化和功能丧失。糖尿病(DM)是AMI患者的一个重要危险因素和常见的并发症。与non-DM-AMI患者相比,DM-AMI患者的死亡率风险更高,这表明需要特殊治疗来改善临床结果。然而,AMI并发DM的整体代谢失调仍不清楚。

代谢组学可以系统地描述分子水平上的生理紊乱,该研究团队先前开发了一种精确代谢组学方法(Small Methods, 2022),使用了一套全面的同位素内标 (ISs),ISs的启发式选择用以降低代谢物定量中的最小变异系数(COVs)和增加代谢物结构鉴定的覆盖度。该方法已在大型临床队列的人类血浆样本中得到验证,提高了分析和定量的准确性。

研究人员定量检测了入院时收集的AMI患者(伴有或不伴有2型糖尿病)血浆中的代谢组变化,使用同位素标记的内标对血浆代谢组进行了表征和定量,包括氨基酸、酰基肉碱、脂肪酸、碳水化合物、胆汁酸、溶血磷脂、类固醇物质、核苷酸等。

研究流程,鉴定的代谢物类别和数量

在两组患者样本之间发现了120种浓度显著差异的代谢产物。正交偏最小二乘鉴别(OPLSDA)分析的散点图显示了两组样本之间的良好分离。使用10倍交叉验证和10次重复获得基于代谢产物的ROC曲线,曲线下面积(AUC)=0.876(置信区间(CI):0.863-0.883)。

正交偏最小二乘判别分析结果

为了解释基本的混杂因素,研究人员构建了一个线性模型,对年龄、性别和体重指数(BMI)进行了调整,用以比较两组患者的代谢组特征。调整混杂因素后,两组样本间70种代谢产物仍具有统计学意义,其中与non-DM-AMI相比,DM-AMI中58种代谢产物上调,12种代谢产物下调。大多数升高的代谢产物是碳水化合物、氨基酸、肽、酰基肉碱和有机酸,而下调的代谢产物包括溶血磷脂酰胆碱(LPCs)、鹅去氧胆酸,脱氧吡喃半乳糖等。

non-DM-AMI和DM-AMI患者的代谢组特征对比

途径富集分析表明,半乳糖代谢是两组样本差异最显著的途径,主要归因于DM-AMI患者葡萄糖、乳糖和6-磷酸葡萄糖水平升高。途径分析还强调肌醇代谢、乳糖代谢和瓦尔堡效应是糖尿病环境下AMI发生变化的主要途径。其它受影响的代谢途径包括糖酵解、淀粉和蔗糖代谢以及柠檬酸循环等。

DM-AMI对比非DM-AMI患者的前10条富集途径

两组患者之间除了碳水化合物代谢的明显差异外,研究人员还注意到脂质代谢方面的明显变化。与non-DM-AMI患者相比,DM-AMI患者血浆中19种酰基肉碱的水平升高。进一步的聚类分析显示DM-AMI患者血浆中富含酰基肉碱。虽然DM-AMI患者中的一些脂肪酸显著增加,但LPCs显著减少。此外,在临床指标方面,与non-DM-AMI患者相比,DM-AMI患者的血糖、糖化血红蛋白(HbA1c)、急性冠状动脉事件全球登记(GRACE)风险评分、高敏C-反应蛋白(hs-CRP)、Killip心功能分级2,3,4级显著升高,而心室射血分数(LVEF)、Killip心功能分级1级显著下降。

接着,研究人员使用稀疏偏最小二乘回归(SPLR)探究所有患者的临床指标和血浆代谢物的相关性。GRACE风险评分与年龄、IL-6、NT-pro BNP(氨基末端脑钠肽,心力衰竭标志物)、hs-CRP、血清肌酐聚类,提示DM-AMI高危患者的年龄较高、肌酐升高、心功能较差、炎症反应较强、甘油三酯较低。有趣的是,N-乳糖基-苯丙氨酸(N-Lac-Phe)是距离GRACE风险评分最近(并与之呈正相关)的血浆代谢物。相反,LVEF与许多代谢产物(包括N-乙酰-L-丙氨酸、N-乙酰神经氨酸、D-葡萄糖醛酸等与GRACE风险评分呈负相关,使这些血浆代谢产物成为心脏功能的负指标。

不同代谢产物和临床指标的聚类分析

随后,研究人员使用 Spearman 相关性进一步评估了两组患者血浆代谢物与临床指标的相关性。与稀疏SPLR的观察结果一致,DM-AMI 患者中大多数血浆代谢物与LVEF呈负相关,只有胞苷呈正相关。三种LPCs与non-AM-DMI 患者中的血糖呈显著负相关,且 LPCs也与 DM-AMI 患者中的血糖呈负相关。有趣的是,在non-AM-DMI患者中,这些LPCs与hs-CRP和IL-6等炎症标志物呈负相关,而在 DM-AMI 患者中,这种相关性丢失了。这些相关性强调了LPCs对两组患者血糖利用方面的积极作用,并强调了LPCs在non-AM-DMI 患者中特异性的抗炎特性,而DM-AMI患者由于LPCs的循环水平降低,这些抗炎特性可能丢失。

虽然N-Lac-Phe与两组患者的GRACE评分都呈正相关,但其与DM-AMI 患者的HbA1c和LDL-C呈特定负相关。这些结果表明,在急性生理情况下,N-Lac-Phe的系统性水平可能增加,并且N-Lac-Phe与DM-AMI患者中改善的代谢谱(即增强的血糖控制和降低的不健康胆固醇水平)相关。

不同代谢产物与临床参数的相关性

代谢物之间的强相关性表明这些代谢物具有相同或相关的代谢途径,因此具有共同调节作用。在不同的临床条件下改变代谢物对的相关模式可以潜在地推断病理相关的代谢冲突。研究人员最后通过多尺度嵌入式相关网络分析(MECNA)探究DM-AMI患者潜在的代谢失调途径。

研究人员对全局网络中的几个重要枢纽进行了表征,N-Lac-Phe是一个中心代谢中枢,而Hb1Ac是最相关的临床指标中枢。有趣的是,与non-DM-AMI患者相比,DM-AMI患者中新出现了许多连接N-Lac-Phe的代谢共调节(0/+或-/+)。尽管相对non-DM-AMI患者,DM-AMI患者N-Lac-Phe和HbA1c的水平都有所增加,但在DM-AMI患者中,N-Lac-Phe和HbA1c实际上呈负相关调节。因此,N-Lac-Phe的产生可能与消耗血糖的代谢途径有关,从而导致DM-AMI患者的平均血糖降低。

多尺度嵌入式基因共表达网络显示了差异代谢物与临床指标之间的差异相关分析

综上所述,该研究系统剖析了在没有或存在DM的情况下,AMI发作后代谢微环境的变化,建立了AMI患者受影响的线粒体功能的代谢特征,并因并发糖尿病而加剧。该研究还揭示了两种主要的代谢物,这两种代谢物可能发挥着与糖尿病相关的AMI不同的关键功能。首先,N-Lac-Phe对于应对高血糖下的线粒体超负荷可能特别重要,AMI后N-Lac-Phe产生的能力可能与DM-AMI患者中的平均血糖谱呈负相关。其次,DM-AMI患者循环中LPCs的减少可能会进一步损害葡萄糖的利用,加剧血管收缩,进一步减少整体氧供应,这预计对最终结果有害。最后,由于这些功能代谢物的循环水平受治疗干预的影响,该研究结果强调了改善DM-AMI患者临床结果的潜在新治疗思路。

 

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