鄧春暉教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)房水代謝分析實(shí)現(xiàn)精確區(qū)分不同高危病因型白內(nèi)障
針對(duì)目前臨床上對(duì)特定病因型白內(nèi)障檢測(cè)繁瑣耗時(shí)等問(wèn)題，通過(guò)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(tái)，高通量提取白內(nèi)障房水樣品的代謝特征，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)僅需要1μL房水即可精確、快速檢測(cè)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(wàn)，這一疾病極大地影響了患者的生活質(zhì)量并給社會(huì)帶來(lái)沉重負(fù)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(gè)高危因素可加速白內(nèi)障的發(fā)生和發(fā)展。目前臨床對(duì)白內(nèi)障的診斷需要經(jīng)驗(yàn)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(shí)，并且目前不同高危因素白內(nèi)障的發(fā)病機(jī)制尚不明確，因此亟需發(fā)展一種高危白內(nèi)障精確檢測(cè)的方法，并對(duì)白內(nèi)障的發(fā)生機(jī)制進(jìn)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(lái)，體液代謝分子診斷因其相對(duì)無(wú)創(chuàng)、樣本易獲取以及經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)，在臨床檢測(cè)和分子機(jī)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(yíng)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(cè)和監(jiān)測(cè)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(diǎn)，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(shí)際是一種為大分子（蛋白質(zhì)、多肽等）分析而設(shè)計(jì)的軟電離質(zhì)譜，由于其具有高通量、制樣簡(jiǎn)單、快速分析的特點(diǎn)，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(kāi)發(fā)應(yīng)用于代謝小分子的分析。傳統(tǒng)的有機(jī)基質(zhì)例如CHCA,DHB在<1000Da區(qū)域會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的背景干擾，不能滿足MALDI對(duì)小分子代謝物的分析要求。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)高電離效率，高化學(xué)穩(wěn)定性且無(wú)背景干擾的無(wú)機(jī)基質(zhì)的研究成為了研究熱點(diǎn)，這些無(wú)機(jī)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(tuán)隊(duì)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(duì)以上問(wèn)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(tái)，用于對(duì)白內(nèi)障進(jìn)行潛在的病因?qū)W分型和檢測(cè)。僅需要1 μL的房水樣品，即精準(zhǔn)、快速、高通量地實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)。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(shí)現(xiàn)了金納米粒子的完美負(fù)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(shí)表現(xiàn)出無(wú)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(tái)實(shí)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(jī)（SVM）和隨機(jī)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(jìn)行建模驗(yàn)證，組間任意比較的準(zhǔn)確率、精確率和召回率都達(dá)到100%。此外，11個(gè)明確的關(guān)鍵代謝物被確認(rèn)為區(qū)分CDM與ARC的標(biāo)志物（AUC=0.985），9個(gè)和7個(gè)明確關(guān)鍵代謝物被確認(rèn)為CHM與ARC（AUC=1.000）與CDM與CHM（AUC=1.000）的標(biāo)志物。最后，通過(guò)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(duì)白內(nèi)障的關(guān)鍵影響。
鄧春暉教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山醫(yī)院沈錫中教授團(tuán)隊(duì)以及蔣永祥教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(jìn)行重大疾病篩查研究，本項(xiàng)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(cè)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(jiàn)解，也進(jìn)一步地為各類(lèi)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(ài)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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