鄧春暉教授團隊通過房水代謝分析實現(xiàn)精確區(qū)分不同高危病因型白內(nèi)障
針對目前臨床上對特定病因型白內(nèi)障檢測繁瑣耗時等問題，通過搭建層狀二元共離子體基質(zhì)輔助激光/解吸電離（LDI-MS）代謝物分析平臺，高通量提取白內(nèi)障房水樣品的代謝特征，并結(jié)合機器學(xué)習(xí)，實現(xiàn)僅需要1μL房水即可精確、快速檢測潛在的不同高危病因型白內(nèi)障。
白內(nèi)障一直是全球第一大致盲因素，僅2020年的全球患病人數(shù)新增1520萬，這一疾病極大地影響了患者的生活質(zhì)量并給社會帶來沉重負擔(dān)。糖尿病和高度近視是白內(nèi)障的高危因素，目前研究最為廣泛。與經(jīng)典的年齡相關(guān)性白內(nèi)障相比，這兩個高危因素可加速白內(nèi)障的發(fā)生和發(fā)展。目前臨床對白內(nèi)障的診斷需要經(jīng)驗豐富的醫(yī)生結(jié)合眼底檢查、患者病史采集等臨床信息綜合判斷，繁瑣耗時，并且目前不同高危因素白內(nèi)障的發(fā)病機制尚不明確，因此亟需發(fā)展一種高危白內(nèi)障精確檢測的方法，并對白內(nèi)障的發(fā)生機制進行更加深入的探索。與基因、蛋白等物質(zhì)相比，代謝物是生物體新陳代謝最下游的產(chǎn)物，與表型最為相關(guān)，包括白內(nèi)障在內(nèi)的大多數(shù)疾病都伴隨著代謝功能紊亂。近年來，體液代謝分子診斷因其相對無創(chuàng)、樣本易獲取以及經(jīng)濟效益等優(yōu)點，在臨床檢測和分子機制探索方面表現(xiàn)出巨大的潛力。房水是填充眼睛前后房的透明液體，在維持眼內(nèi)壓、為晶狀體提供營養(yǎng)物質(zhì)、抗氧化劑以及清除晶狀體的代謝廢物方面起著重要作用。初步研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病或高度近視的白內(nèi)障房水樣品中存在代謝物異常。因此，發(fā)展基于房水代謝分析的技術(shù)在檢測和監(jiān)測不同高危白內(nèi)障方面具有重要意義。
質(zhì)譜具有超高靈敏度和分辨率的特點，尤其是MALDI質(zhì)譜的發(fā)展為大量臨床樣本篩查提供了可靠的支持。MALDI質(zhì)譜實際是一種為大分子（蛋白質(zhì)、多肽等）分析而設(shè)計的軟電離質(zhì)譜，由于其具有高通量、制樣簡單、快速分析的特點，備受分析化學(xué)工作者的青睞，大量的研究者致力于將MALDI質(zhì)譜開發(fā)應(yīng)用于代謝小分子的分析。傳統(tǒng)的有機基質(zhì)例如CHCA,DHB在<1000Da區(qū)域會產(chǎn)生嚴重的背景干擾，不能滿足MALDI對小分子代謝物的分析要求。近年來，開發(fā)高電離效率，高化學(xué)穩(wěn)定性且無背景干擾的無機基質(zhì)的研究成為了研究熱點，這些無機基質(zhì)包括碳材料、貴金屬以及金屬氧化物。
最近，鄧春暉教授團隊聯(lián)合中山醫(yī)院孫念榮副研究員，眼耳鼻喉科醫(yī)院蔣永祥教授一起針對以上問題構(gòu)建了一種基于MALDI質(zhì)譜的層狀二元共離子體輔助房水代謝分析平臺，用于對白內(nèi)障進行潛在的病因?qū)W分型和檢測。僅需要1 μL的房水樣品，即精準、快速、高通量地實現(xiàn)對年齡相關(guān)性白內(nèi)障（ARC）、糖尿病狀態(tài)白內(nèi)障（CDM）和高度近視狀態(tài)白內(nèi)障（CHM）的檢測。相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表在Advanced Science上。
層狀二元共離子體由層狀氧化鈦納米片和金納米粒子構(gòu)成。層狀氧化鈦納米片實現(xiàn)了金納米粒子的完美負載，表現(xiàn)出優(yōu)良的紫外吸收能力、高化學(xué)穩(wěn)定性；在質(zhì)譜分析時表現(xiàn)出無干擾的背景、高信噪比和高效的小分子代謝物電離效率。在本工作中，層狀二元共離子體輔助房水代謝分析平臺實現(xiàn)了183名白內(nèi)障患者的房水代謝指紋圖譜的高通量提取。根據(jù)這些代謝圖譜，從偏最小二乘判別分析（PLS-DA）、支持向量機（SVM）和隨機森林（Random Forest）等算法中，篩選出最優(yōu)算法PLS-DA。隨后利用該算法進行建模驗證，組間任意比較的準確率、精確率和召回率都達到100%。此外，11個明確的關(guān)鍵代謝物被確認為區(qū)分CDM與ARC的標志物（AUC=0.985），9個和7個明確關(guān)鍵代謝物被確認為CHM與ARC（AUC=1.000）與CDM與CHM（AUC=1.000）的標志物。最后，通過挖掘代謝物變化水平和代謝途徑，揭示了糖尿病/高度近視對白內(nèi)障的關(guān)鍵影響。
鄧春暉教授團隊聯(lián)合中山醫(yī)院沈錫中教授團隊以及蔣永祥教授團隊長期致力于應(yīng)用高通量蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)方法進行重大疾病篩查研究，本項成果提出了一種不同高危病因型白內(nèi)障代謝水平精確診斷和監(jiān)測的新方法，并在代謝水平上更新了關(guān)于白內(nèi)障的預(yù)防和治療的見解，也進一步地為各類重大疾病的代謝分子診斷提供了新的思路。化學(xué)系鄧春暉教授、中山醫(yī)院孫念榮副研究員、附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院蔣永祥教授為本論文的共同通訊作者，化學(xué)系博士生楊沉杰和附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院繆愛珠醫(yī)生共同第一作者。
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105905
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