氨基酸和脂质预测糖尿病风险在代谢组学病例对照研究结果的应用
近期，一项长达10年的巢试病例对照研究显示，可以利用氨基酸和脂质的代谢变化来预测妊娠期患糖尿病（gestational diabetes mellitus，GDM）的女性，在产后患2型糖尿病(type 2 diabetes，T2D)的风险，并通过10种差异代谢物的变化构建出具有88.3%准确性的预测模型。
该研究由多伦多大学医学院生理学教授Michael Wheeler与细胞和生物分子研究中心的分子遗传学和计算机科学助理教授Hannes Röst、生理学科学家Feihan Dai和Erica Gunderson合作，在《PLOS Medicine》（IF=11.048）发文，从代谢变化角度去探究从GDM转变为T2D的病理学特性，提供了一种除葡萄糖以外的代谢物去评估该风险的替代方法，其简单而准确的特性优势可能超过目前的临床方法。
该研究由多伦多大学医学院生理学教授Michael Wheeler与细胞和生物分子研究中心的分子遗传学和计算机科学助理教授Hannes Röst、生理学科学家Feihan Dai和Erica Gunderson合作，在《PLOS Medicine》（IF=11.048）发文，从代谢变化角度去探究从GDM转变为T2D的病理学特性，提供了一种除葡萄糖以外的代谢物去评估该风险的替代方法，其简单而准确的特性优势可能超过目前的临床方法。
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项目背景
项目背景
据统计，有GDM病史的妇女在中年时患T2D的风险要高出7倍，35%-50%的GDM患者会在产后10年内发展为T2D，同时患心功能亢进和心血管疾病的风险也比正常人高。医生们建议患有GD的女性在分娩后每年需要进行一次口服葡萄糖耐量测试，以测试身体从血液中清除糖的能力，但这一过程费时费力，只有不到一半的女性能坚持下去。所以，开发一种准确的方法来预测妊娠后GDM向T2D的转变，并更好地研究T2D潜在患者代谢紊乱的独特病理生理机制及其对GDM人群的潜在原因是非常重要的。
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技术路线
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实验结果
图3
GDM向T2D过渡过程中氨基酸、酰基肉碱和脂质代谢异常的整合代谢网络。
三组正方形分别表示baseline、随访和纵向研究数据。
红色和蓝色的方框表示显著变化，空白方框表示非显著变化
技术路线
图1
A）共有1035名患有GDM的孕妇被招募，其中有1010名无T2D。随访2年后，有113名患有T2D，8年后，增加65名。
B）对患有T2D的女性进行空腹血浆代谢物检测。
C）进行了三项生物信息学分析：
(1)在baseline进行前瞻性分析，预测糖尿病与代谢物的关联；
(2)随访时到横断面分析揭示T2D代谢途径；
(3)纵向分析描述T2D发展轨迹。
B）对患有T2D的女性进行空腹血浆代谢物检测。
C）进行了三项生物信息学分析：
(1)在baseline进行前瞻性分析，预测糖尿病与代谢物的关联；
(2)随访时到横断面分析揭示T2D代谢途径；
(3)纵向分析描述T2D发展轨迹。
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实验结果
通过收集的样本进行代谢组学实验，经过baseline、横截面研究、纵向分析的统计筛选最终发现，有140个差异代谢物具有意义。筛选过程如下：
首先，对baseline的实验结果使用随机森里挑选其中具有高预测能力的20种代谢物——己糖（包括葡萄糖和果糖在内的所有6碳单糖的总和）、6种氨基酸、6种甘油磷脂、2种酰基肌氨酸、2种鞘脂和3种生物胺，构建模型进行预测。（见图2 ）该模型通过AUC、敏感性、特异性、精确度和准确性来评价其预测性能，并且在生成和评价过程时重复100次以达到最优拟合模型。
图2
通过T2D组与非T2D组对照，发现37个代谢产物表达差异有统计学意义(FDR < 0.05)，其中23个表达上调，14个表达下调，这些差异代谢物有以下特征：①戊糖是增加最显著的代谢物。②氨基酸代谢在T2D和非T2D对照中也有变化：11个氨基酸（组氨酸、异亮氨酸、丝氨酸、酪氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、谷氨酸、赖氨酸、色氨酸、苏氨酸和脯氨酸)都呈现出上调趋势，只有谷氨酰胺下调。③乙酰肉碱和生物胺也受到影响：一种生物胺，亚精胺代谢通路发生了上调。④脂类中，各类物质发生了不同的变化。例如，鞘磷脂发生了减少。lysoPC26:0和溶血磷脂酰胆碱(lysoPCs)也发生了减少。不过对于甘油磷脂组的代谢物，上调和下调组都有涉及到。上调的甘油磷脂为PC aa C组(di酰基-甘油磷脂)，下调的甘油磷脂为PC ae C组(酰基-烷基-甘油磷脂)。（见图3）
图3对这些代谢物使用KEGG进行通路分析后发现，在随访期间转入T2D的女性中，氨基酰基-tRNA、BCAA和精氨酸的生合成通路发生上调。有趣的是，精氨酸/脯氨酸代谢通路也发生了上调。这些结果表明，过度活跃的氨基酸代谢可能在未来糖尿病发病中发挥重要作用。
然后，结合baseline+随访横断面+纵向分析的结果，构建从GDM到T2D过渡的代谢模型。其中，纵向分析显示，只有10种代谢物受到差异调节。在GDM到T2D的过渡期间，己糖和生物胺kynurenine的delta值增加，而组氨酸、丝氨酸、甘氨酸、精氨酸和瓜氨酸则减少。磷脂lysoPC a C18:0, lysoPC a C18:1, PC ae C34:2的delta值降低。
然而，在纵向分析中发现了其他的结果：非显著性变化的T2D病例分析物在对照组和baseline病例之间是不同的。这表明GDM进展为T2D的女性在baseline时存在代谢代谢异常，包括碳水化合物、原子吸收光谱、酰肉碱和脂类的代谢网络(见图4)。
图4
GDM向T2D过渡过程中氨基酸、酰基肉碱和脂质代谢异常的整合代谢网络。
三组正方形分别表示baseline、随访和纵向研究数据。
红色和蓝色的方框表示显著变化，空白方框表示非显著变化
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总结讨论
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号外号外
脂质组学检测：阿趣代谢提供经典脂质组学检测及全定量脂质组学检测。
对8大类脂质：脂肪酸类（fatty acids）、⽢油脂类（glycerolipids）、⽢油磷脂类（glycerophospholipids）、鞘脂类（sphingolipids）、固醇脂类（sterol lipids）、孕烯醇酮脂类（prenol lipids）、糖脂类（saccharolipids）、多聚⼄烯类（polyketides），提供定性结果，通过匹配正离子模式14万+和负离子模式34万+的二级谱图数据库，对52种类脂质进行定性，提供经典脂质组学检测结果。
总结讨论
本研究对有GDM病史的女性T2D早期诊断中代谢特征的潜在效用进行了深入研究。利用机器学习，该实验研究了20种代谢物(跨越3种主要代谢物组，包括碳水化合物、蛋白质和脂类)预测GDM后发生T2D的转变。代谢物的分析揭示了一些代谢途径和特定代谢物与有GDM妊娠史的女性T2D的发展和进展有关：
氨基酸代谢：BCAAs(异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸)与T2D的发病率相关，其升高的事实可能暗示肠道微生物组吸收或产生的增加，或其降解的减少。除了BCAAs升高之外，其他氨基酸和T2D风险之间存在积极的关联，这可能表明氨基酸参与的碳代谢减弱。胰高血糖素调节氨基酸分解代谢，胰高血糖素受体(GCGR)信号的破坏与循环氨基酸的增加有关。因此，循环氨基酸的整体增加与之前在T2D患者中报道的异常GCGR信号一致。
脂类代谢：磷脂和鞘磷脂代谢物之间的复杂关系与胆结石的风险有关。本研究中，6种酰基-甘油磷脂(PC aa C组)与T2D风险呈正相关，11种酰基-烷基-甘油磷脂(PC ae C组)与T2D风险呈负相关。其他一些鞘磷脂也与糖尿病风险呈负相关。
实验亮点通过baseline+随访+纵向分析三项完整的队列研究，建立了具有88.3%准确性的预测模型；
前瞻性队列，实时随访，避免了种族和民族的混杂因素，对队列进行深度的纵向分析；
对于未来GDM转变为T2D的病程提供了简单而精准的检测替代方法，为防控T2D起到早发现早治疗的预防作用。
前瞻性队列，实时随访，避免了种族和民族的混杂因素，对队列进行深度的纵向分析；
对于未来GDM转变为T2D的病程提供了简单而精准的检测替代方法，为防控T2D起到早发现早治疗的预防作用。
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号外号外
阿趣代谢对于文中的血浆代谢组学实验也有对应的产品——氨基酸高通量靶标定量和脂质组学检测。
氨基酸高通量靶标定量：通过使用同位素内标法进行绝对定量，为检测必需氨基酸、半非必需氨基酸和非必需氨基酸提供精准实验结果，为代谢性疾病（例如糖尿病、肥胖症、心脑血管疾病）的早期诊断及预测提供研究依据。
脂质组学检测：阿趣代谢提供经典脂质组学检测及全定量脂质组学检测。
对8大类脂质：脂肪酸类（fatty acids）、⽢油脂类（glycerolipids）、⽢油磷脂类（glycerophospholipids）、鞘脂类（sphingolipids）、固醇脂类（sterol lipids）、孕烯醇酮脂类（prenol lipids）、糖脂类（saccharolipids）、多聚⼄烯类（polyketides），提供定性结果，通过匹配正离子模式14万+和负离子模式34万+的二级谱图数据库，对52种类脂质进行定性，提供经典脂质组学检测结果。
对于研究样本中脂类绝对含量变化的研究，提供全定量脂质组学检测服务。通过对Lysophosphatidylcholine (LPC)、 Sphingomylein(SM)、Phosphatidylethanolamine (PE)等13类脂质进行绝对定量，为脂质代谢的综合研究提供实验依据。通过使用对应脂类的标准品进行实验，提供绝对定量的精准结果。脂类的准确鉴定和绝对定量在疾病机理、营养科学、生物制药，甚至材料、生物燃料领域都起着重要的作用。
欢迎有氨基酸高通量靶标定量和脂质组学检测需求的老师，欢迎垂询服务热线：400-664-9912。
