组学干货

看完秒懂,代谢组学医药领域机制研究实验设计方案怎么做?

每周“一更”的小鹿话代谢系列又来喽~~

还记得上期小鹿介绍的代谢组学在医药领域的主要应用方向吗?(见下图)
 

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上期小鹿分享了代谢组学在医药机制研究中的实验设计方案(包含多组学联合及代谢组学+宏基因组)的实验设计方案,详情请戳一看到导师就害怕?你也有“导师恐惧症”吗

本期小鹿主要请到了上海交通大学药学院,现任国家肝癌科学中心助理研究员彭博(主要研究方向为:利用代谢组学和蛋白组学技术进行肝癌、胆管癌的病理机制研究以及癌症诊断标志)。接着分享代谢组学在医药领域的机制研究设计方案,本期主要专注于经典分子生物学+代谢组学,及单纯代谢组分析实验设计方案。


经典分子生物学+代谢组学
 

文献一Disruption of phospholipid and bile acid homeostasis in mice with nonalcoholic steatohepatitis
案例来源:《Hepatology》 2012, IF=14.67(Tanaka, et al. Hepatology, 2012; 56(1):118-29. doi: 10.1002/hep.25630)

原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22290395/

研究目的:非酒精性脂肪肝炎磷脂和胆汁酸代谢紊乱的机制

样本来源:大鼠模型

研究手段:大鼠造模,包括单纯性脂肪病变模型(SS)和非酒精性脂肪肝炎模型(NASH),然后搜集血清进行非靶向代谢组分析

使用技术:LC-MS非靶向代谢组学、PCR
 

实验设计和关键结论展示:

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图1 | 实验设计
 

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结论1:MCD喂养能形成非酒精性脂肪肝炎模型(NASH),MCS喂养能形成单纯性脂肪病变模型(SS),二者代谢谱具有显著差异,其中LPCs 在MCD组显著下降,结合态胆汁酸和类二十烷酸代谢物12-HETE在MCD组显著升高。
 

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结论2:定量PCR检测肝组织中相关代谢酶mRNA的水平,发现Lpcat 酶是显著上调的,其调控胞内LPC和PC的水平,间接调控血清中LPC的水平;花生四烯酸代谢酶Alox12显著升高,导致12-HETE的水平升高;胆汁酸合成酶的表达没有明显变化,但转运胆汁酸进入肝细胞的蛋白(Slc10a1, Slco1a1)表达下调,且负责胆汁酸外排入血的蛋白(Abcc1, Abcc5等)表达上调,最终导致血清中胆汁酸的含量升高。
 

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结论3:炎症因子(TNFα和TGFβ)能诱导正常肝细胞中相关代谢酶的表达变化。
 

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图2 | 非酒精性肝炎磷脂代谢和胆汁酸代谢紊乱的机制

小鹿点评
 

Tanaka 这位日本科学家在非酒精性肝炎的机制研究方面做出了非常多有意义的工作,本文并没有使用大规模的临床样本,而是采用非常经典的非酒精性肝炎造模,结合非靶向代谢组学技术研究非酒精性肝炎和单纯脂肪性病变的磷脂和胆汁酸代谢异常的机制,尽管在现在来看,该机制的阐述还不太完美,还有许多值得补充的地方,但作为一篇10前的文章,已然很了不起,且文章中的许多结果经过了时间的检验,迄今仍具有重要的参考价值。


小鹿物语
 

以临床样本为研究对象固然是好,但这种临床资源较难获取,涉及到许多伦理问题,且实验的条件并不太可控,因此在机制的研究方面,动物模型不失为一个很好的选择。


单纯的代谢组分析


文献二:Metabolic characterization of hepatocellular carcinoma using nontargeted tissue metabolomics

案例来源:《Cancer Research》 2013, IF=9.72(Huang, et al. 2013; 73(16):4992-5002. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-13-0308.)

原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23824744/

研究目的:研究肝癌(HCC)的代谢特征

样本来源:50例HCC患者组织+298例肝病患者血清

研究手段:基于LC-MS的非靶向代谢组技术研究HCC组织的代谢特征,并筛选潜在的诊断标志物,然后用大样本进行验证

使用技术:LC-MS非靶向代谢组学
 

实验设计和关键结论展示:
 

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图3 | 实验设计

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结论1:HCC的代谢特征为:TCA循环代谢物、溶血磷脂和多不饱和脂肪酸水平下降,饱和脂肪酸、糖酵解、氨基酸和磷脂的水平上升。
 

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结论2:甜菜碱(Betaine)和丙基肉碱(Propionylcarnitine)作为诊断标志物组具有很好的区分HCC 与肝炎和肝硬化的能力,其联合诊断的灵敏度和特异性要远优于目前临床使用的肝癌诊断指标AFP,尤其在AFP表达阴性的HCC患者中,诊断准确性也在92%,具有很好的临床应用前景。
 

小鹿点评
 

这篇论文的设计思路并不复杂,利用小样本群研究疾病的代谢特征,寻找潜在的诊断标志物,利用大样本群对诊断标志物的诊断能力进行验证。最终HCC的代谢特征得到了很好的表征,同时筛选到两个具有临床诊断潜力的HCC标志物。这篇文章在当时是最大规模样本和最全面的肝癌代谢组研究。美中不足的地方是:(1)两个诊断标志物并未作绝对定量分析,因此也无法计算其Cut off 值;(2)没有健康人的血清做对照,不清楚这两个诊断标志物在健康人血清中的表达水平。
 

小鹿物语
 

代谢组学经过了数十年的发展,大部分疾病的代谢谱特征都被公开报导了,因此如果想以此研究思路进行疾病的代谢谱分析或筛选诊断标志物,那么研究对象(研究疾病)的选择一定要有稀缺性(稀有疾病或样本很难获取的疾病),同时要兼具一定的样本规模。此外,在筛选癌症标志物的过程中,尽量加入同类型相关的非癌疾病组作为对照,比如此篇论文中就加入了肝炎和肝硬化作为肝癌的对比分析组,客观来说,癌症和健康组的血清代谢谱差异是很大的,很容易找到差异代谢物,但是非癌相关疾病与癌症组的差别就比较小,往往难以区分,因此如果想真的筛选一些具有应用价值的标志物,非癌相关疾病组的引入非常重要。


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文章来源于鹿明生物

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