deep高深度血液蛋白質(zhì)組助力酒精相關(guān)性肝病蛋白標(biāo)志物篩選

精性肝病(ALD）是一種常見的慢性肝病，經(jīng)常導(dǎo)致肝硬化。目前，大約75%的酒精性肝病患者是在肝硬化失代償期后被診斷出來，已經(jīng)錯過了最佳藥物治療的時期。在早期無癥狀階段發(fā)現(xiàn)酒精性肝病可以為減緩或預(yù)防疾病進(jìn)展提供機(jī)會，但早期診斷具有挑戰(zhàn)性。肝病的準(zhǔn)確診斷需要活檢，有一定的風(fēng)險，而現(xiàn)有的非侵入性生物標(biāo)志物在疾病早期的準(zhǔn)確性有限，影響了疾病的及時發(fā)現(xiàn)和早期干預(yù)。
 

基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)的最新進(jìn)展極大地擴(kuò)展了其在生物醫(yī)學(xué)和臨床研究中的影響力。作者對人肝臟和血漿這兩種類型樣本進(jìn)行單獨(dú)及綜合的分析，以病理特征和疾病階段依賴性的方式系統(tǒng)地表征肝臟和血漿中的蛋白質(zhì)組變化。然后通過將機(jī)器學(xué)習(xí)，確定了用于同時檢測“顯著”纖維化（纖維化階段≥F2），輕度炎癥活動和任何脂肪變性的生物標(biāo)志物組合。

 

本篇由德國馬普生物化學(xué)研究所Matthias Mann教授聯(lián)合Aleksander Krag教授課題組在Nature Medicine醫(yī)學(xué)一區(qū)期刊（IF:87.241）上發(fā)表的題為 “Noninvasive proteomic biomarkers for alcohol-related liver disease”的研究成果，以人肝臟、人血漿為研究對象，采用deep高深度微量血液蛋白質(zhì)組-DIA蛋白組學(xué)分析了酒精性肝病患者和正常對照的肝和血漿蛋白組，找到了差異蛋白，然后通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法確定了三組蛋白生物標(biāo)志物組合，這些組合具有良好的診斷準(zhǔn)確性和預(yù)后能力。

 

 

研究思路

 
 

 

研究結(jié)果

 
 

 

1.患者、數(shù)據(jù)收集和研究設(shè)計

作者使用非依賴性采集（DIA）模式檢測了所有受試者的血漿蛋白以及衍生隊列中的79個肝活檢蛋白質(zhì)組，總共量化了5515種蛋白質(zhì)。

圖1 | 蛋白質(zhì)組學(xué)流程

 

2.肝臟病變對肝臟和血漿蛋白質(zhì)組的影響

肝臟蛋白質(zhì)組差異分析顯示658種蛋白在纖維化階段顯著失調(diào)，135種差異蛋白參與了炎癥活動，以及68個差異蛋白涉及到脂肪變性。共717種獨(dú)特蛋白質(zhì)，占肝臟蛋白質(zhì)組總定量的13%（圖2a）。纖維化對肝臟蛋白質(zhì)組的影響最大，其次是炎癥。失調(diào)蛋白中，“肝臟特異性”的蛋白和注釋為“分泌”的蛋白的情況（圖2c）與之前在NAFLD和肝硬化的研究中報道的情況相似。

圖2 |  肝臟病變引起的肝臟蛋白質(zhì)組重塑

 

血漿蛋白質(zhì)組分析顯示，225個蛋白在纖維化(206個蛋白質(zhì))、炎癥活性(163個蛋白質(zhì))和脂肪變性(48個蛋白質(zhì))的組織學(xué)階段過程中豐度發(fā)生顯著變化（圖3a）。其中，隨著纖維化程度的增加，134種蛋白質(zhì)上調(diào)，91種蛋白下調(diào)（圖3b）。

圖3 | 由于肝臟病變重塑的血漿蛋白質(zhì)組

 

3.肝臟和血漿蛋白質(zhì)組學(xué)的整合

總共有420種蛋白質(zhì)在肝臟和血漿中被定量（圖4a）。它們表現(xiàn)出雙峰模式，“對角線簇”上的蛋白在肝臟和血漿中中相對豐度排名在很大程度上是相關(guān)的，而“垂直簇”的蛋白則沒有相關(guān)性（圖4b）。一般來說，細(xì)胞內(nèi)酶是“垂直簇”的一部分；而對“角線簇”則包含有多種不同功能的血漿蛋白（圖4c）。

圖4 | 肝-血漿蛋白質(zhì)組的整合

 

總的來說，46種蛋白質(zhì)在肝臟和血漿蛋白質(zhì)組中共失調(diào)（圖4g）。這些代表免疫和炎癥反應(yīng)、細(xì)胞粘附、ECM組織、蛋白酶抑制劑和細(xì)胞內(nèi)酶（圖4g）。它們可能是免疫細(xì)胞浸潤和全身炎癥增加、肝纖維化中的ECM重塑和瘢痕組織形成以及組織滲漏造成的。

 

4.用于酒精性肝病早期病理學(xué)的生物標(biāo)志物組合

作者首先比較了22個最先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)分類器，并確定了一個邏輯回歸模型作為最終的分類器。使用“最小冗余–最大相關(guān)性”（mRMR）特征選擇算法，作者最后篩選出了由9個生物標(biāo)志物蛋白組合來識別顯著纖維化；6個蛋白組合用于識別輕度炎癥活動以及12個蛋白的組合來識別肝脂肪變性。三個生物標(biāo)志物組合共含有22個蛋白（圖6），有7種在血漿和肝臟中均有共調(diào)節(jié)�；�于所選標(biāo)記物組的Logistic回歸模型的交叉驗(yàn)證顯示三種組合的平均ROC-AUC分別為0.90（顯著纖維化）、0.85（輕度炎癥活動）和0.91（脂肪變性）（圖5a，d和g）。與使用廣泛的15項臨床模型相比，所有蛋白質(zhì)組學(xué)模型都具有最高的F1分?jǐn)?shù)和準(zhǔn)確性（圖5）；

 

圖5 | 基于血漿蛋白質(zhì)組的預(yù)測模型，用于活檢驗(yàn)證的纖維化、炎癥和脂肪變性

 

圖6 | 所選標(biāo)記面板中蛋白質(zhì)的豐度分布

 

5.在獨(dú)立隊列中驗(yàn)證模型性能

蛋白質(zhì)組學(xué)模型在健康匹配的對照隊列（n = 136）中正確排除了顯著纖維化、晚期纖維化和輕度炎癥，準(zhǔn)確率分別為99%、100和98%（圖7a）。對于有酒精濫用史且由于肝硬度低（n = 97）而未進(jìn)行活檢的患者亞組，蛋白質(zhì)組學(xué)模型分辨顯著纖維化和晚期纖維化的準(zhǔn)確性分別為93%和100%（圖7a）。在獨(dú)立的ALD驗(yàn)證隊列（n = 63）中，F(xiàn)2和I2模型的ROC-AUC分別為0.87和0.81，高于其他分類器（圖7 b和c）。

圖7 | 驗(yàn)證模型性能和評估預(yù)后能力

 

6.蛋白質(zhì)組學(xué)模型能準(zhǔn)確進(jìn)行預(yù)后測量

對丹麥的457名GALA-ALD隊列患者進(jìn)行隨訪記錄，并定義了兩個主要結(jié)局：肝臟相關(guān)事件（LREs）和全因死亡。將蛋白質(zhì)組學(xué)模型與商業(yè)性生物標(biāo)志物和肝纖維化的組織學(xué)分期進(jìn)行了比較，F(xiàn)2蛋白質(zhì)組學(xué)模型對LRE的預(yù)測準(zhǔn)確性最高（圖7d-f ），AUC 分別為 0.945（3年）和0.933（5年）。對于全因死亡，F(xiàn)2蛋白質(zhì)組學(xué)模型也表現(xiàn)最好，3年和5年AUC分別為0.836和0.818（圖7g-i）。

 

研究結(jié)論

酒精相關(guān)性肝病（ALD）是全球肝臟相關(guān)死亡的主要原因，但對該疾病的三個關(guān)鍵病理特征 ：纖維化、炎癥和脂肪變性的了解仍然不完整。研究者使用配對的肝-血漿蛋白質(zhì)組學(xué)方法來推斷分子病理生理學(xué)。并探索血漿蛋白質(zhì)組學(xué)在596人中的診斷和預(yù)后能力。然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型確定了蛋白質(zhì)組學(xué)生物標(biāo)志物組合，這些組合在檢測顯著纖維化和輕度炎癥上比現(xiàn)有的臨床檢測更準(zhǔn)確。此外這些生物標(biāo)志物組合在預(yù)測未來肝臟相關(guān)事件和全因死亡率方面是準(zhǔn)確的。

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