代謝組學在醫學領域機制研究的實驗設計方案

2020-12-17 鹿明生物

我們知道隨著代謝組學的不斷發展，對代謝物定性定量準確性不斷提高，代謝組學在醫藥學領域的應用越來越廣泛。小鹿特地總結了代謝組學在醫藥領域的主要應用方向（機制研究、標誌物篩選和藥效評價）及其對應的實驗設計思路（見下圖）。

看完這個設計方案是不是眼前一亮

那小鹿就先跟您說一說，醫學代謝組學中的機制研究最熱門的技術方式吧~~

案例一

多組學聯合：基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組、單細胞測序

案例來源：《Journal of Hepatology》 2020, IF=20.58 （López-Vicario et al. J Hepatol.，2020; S0168-8278(20)30208-7. doi: 10.1016/j.jhep.2020.03.046.）

原文連結：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32294533/

研究目的：研究肝癌的瘤內異質性

樣本來源：8個病人的42個樣本（醫院手術樣本）+298個HCC樣本（購買組織晶片）

研究手段：利用5種組學技術（基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組、單細胞測序）研究細胞與細胞、亞克隆與亞克隆、病變體與病變體、病人與病人之間的腫瘤異質性

使用技術：基因組、轉錄組、蛋白組、LC-MS非靶向代謝組、單細胞測序、免疫組化、定量PCR

實驗設計和關鍵結論展示

圖 | 實驗設計和分析流程

結論1：所有病變體的免疫細胞單細胞測序和聚類分析表明：肝癌（HCC）可以分為三個亞型

結論2：不同HCC亞型的TCA循環，糖酵解，尿素循環以及核苷合成途徑等代謝特徵是不同的

結論3：用含有298個HCC樣本的組織晶片進行免疫組化分析，對HCC分子分型的合理性進行驗證，結果發現HCC不同亞型的免疫標誌物CD45 和 Foxp3的表達具有明顯差異，且與患者生存期具有顯著相關性，因此免疫標誌物CD45 和 Foxp3可以作為HCC的預後標誌物

小鹿簡評

本文先利用幾十個樣本的多組學聯合分析，全面研究HCC的異質性，並將HCC劃分為三個亞型，每個亞型都有自己獨特的代謝特徵，隨後利用大樣本的HCC組織晶片對不同亞型的免疫標誌物CD45 和 Foxp3的表達情況進行研究，發現不同亞型的免疫標誌物CD45 和 Foxp3的表達具有明顯差異，且與患者生存期具有顯著相關性。肝癌腫瘤異質性是導致肝癌化療失敗的重要原因之一，更為精細的分子分型有助於治療方案的選擇和預測預後效果，具有很好的臨床意義，這也是本文能發表在《Gut》上的重要原因。

小鹿物語

利用科學技術解決臨床的實際問題是醫生和科研工作者的共同責任，但目前的大環境下專職科研工作者不上臨床，只低頭做基礎研究，並不了解臨床上需要解決的問題，相反臨床醫生十分了解臨床上的一些待解決的問題，但由於醫務工作繁忙而無暇科研。因此，專職科研工作者與臨床醫生的溝通與合作，對於選擇好的研究切入點十分重要。畢竟科學技術手段大部分是相同的，很多人都能用，很難具有原始創新，只有緊貼臨床需求，提出一些好的研究點，解決一些臨床上實際存在的痛點，才是醫學科研的價值所在。

案例二

多組學聯合：代謝+宏基因組

案例來源：《Nature》 2016, IF=40.13 （Pedersen HK, et al. Nature, 2016; 535(7612):376-81.doi: 10.1038/nature18646.）

原文連結：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27409811/

研究目的：腸道菌群與宿主血清代謝表型及胰島素敏感性的關係

樣本來源：291個非糖尿病人+75個2-型糖尿病患者

研究手段：代謝組+宏基因組聯合分析，找到與胰島素抗性相關的腸道群，然後在動物模型上驗證

使用技術：LC-MS非靶向代謝組（檢測脂相關代謝物）、GC*GC-TOF/MS非靶向代謝組（檢測親水性代謝物）、宏基因組

實驗設計和關鍵結論展示

圖 | 實驗設計和分析流程

結論1：胰島素抗性（IR）人群的代謝表型包括：支鏈胺基酸（BCAA）合成、TCA循環、甘油三脂；

胰島素敏感性（IS）人群的代謝表型包括：磷脂和奇數碳原子且高不飽和的脂肪醯甘油三脂。

結論2：腸道菌P. copri 和 B. vulgatus是支鏈胺基酸（BCAA）合成與胰島素抗性正相關的重要驅動因素，且P. copri 腸道菌更為關鍵。

結論3：腸道菌種群豐度的變化是導致宿主血清支鏈胺基酸水平改變的重要因素，並與宿主胰島素抗性緊密相關。胰島素抗性（IR）群體中，腸道菌P. copri 和 B. vulgatus 豐度高，B. crossotus 和 E. siraeum豐度低。前兩個菌種與BCAA合成相關，後兩個菌種與BCAA轉運進菌體相關，腸道菌群豐度的變化導致BCAA合成增加，轉運進菌體的量減少，最終導致宿主血清BCAA水平升高與胰島素抗性。

小鹿簡評

本文是腸道菌群與疾病相關研究的一篇經典論文利用了兩個平臺（LC-MS和GC*GC-MS）對血清代謝組進行了全覆蓋，同時與大樣本的宏基因組數據進行了關聯分析，找出胰島素抗性相關的代謝表型（BCAA升高）同時又追溯了與此代謝表型相關的幾個重要的腸道菌群種屬，並在動物模型上進行了驗證。整個實驗設計和分析簡潔清晰且邏輯嚴密，最終的結論既闡明了胰島素抗性的機制，又給糖尿病治療帶來了有價值的新治療策略，是一篇兼具理論價值和臨床應用價值的論文。

小鹿物語

條件允許的情況下，LC-MS 和GC-MS的聯合分析對代謝物進行全覆蓋是一個很好的策略，畢竟不同平臺對代謝物的檢測還是有明顯偏向性的。此外，代謝組與腸道菌群的關聯分析是解析腸道菌群與某種疾病關係的必要一環。僅依靠代謝組分析是沒辦法注釋到某種腸道菌群上去的，因為很多初級代謝物，如胺基酸、脂等既可能來自於食物、又可能來自於腸道菌合成，也可能來自於宿主自身合成，同時腸道菌群的種屬異常多，且初級代謝物也是菌體生命活動的基本保障，因此不進行關聯分析而直接給代謝物進行腸道菌種屬的注釋，可能不太嚴謹。

結語

那麼如何緩解「導師恐懼症」呢？為了緩解「導師恐懼症」，小鹿帶來了【小鹿話代謝系列】為各位科研人帶來好的研究思路和站得住腳的論據，以此「說服」導師，如果還需要增加一劑療程，可關注下期小鹿話代謝——純代謝組學（醫學篇）！

另外，針對本期小鹿分享的醫學代謝組學的機制研究中，易明學院明學院也推出了原文作者國家肝癌科學中心助理研究員彭博所著課程。詳情請百度搜索易明學院訪問~~

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END

文章來源於鹿明生物

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