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文献分享 | 单一代谢组学仍可发高分文章:自闭症患儿代谢组学差异

分类:行业资讯   发布时间 2021-01-22   阅读: 901

自闭症谱系障碍(ASD)是一种神经发育疾病,具体表现为社交沟通受损和重复行为受限等。而且,许多受影响的个体表现出代谢失衡、免疫失调、胃肠功能障碍和肠道微生物组组成改变等症状。近年来,儿童自闭症的发生不断增加,这不仅不利于个体的健康,也不利于家庭的和谐,因此研究自闭症具有重要意义。

代谢组学

Biological Psychiatry(IF=12.095)上发表的一项队列研究,通过质谱法(LC / MS和DMS-MS)对比分析了3-12岁ASD患儿与健康儿童(TD)的血浆(130 例ASD样本:其中40例伴有胃肠道症状(ASD+GI);101例 TD样本)及粪便(57例ASD样本,40例TD样本)代谢组差异。结果发现特定代谢产物的变化与ASD临床行为评分密切相关,提示特定代谢产物或可作为ASD的生物标志物。

01
ASD患儿与健康儿童之间的代谢组具有一定差异

文章对231例血浆样本及97例粪便样本分别进行代谢组学检测,最终血浆一共检测到1611个代谢物,其中差异物194个,粪便一共检测到814个代谢物,其中差异物19个(图 1A, B)。通过随机森林分析发现,无论哪种样本类型,预测效果都不佳,预测准确性在0.7 左右。随机森林得到的前30种代谢物,是ASD和TD人群之间总体代谢差异的最强驱动因素。这些最具区分性的代谢产物主要来自脂质、氨基酸、异型生物质和辅因子/维生素途径(图 1E, F) 。这些代谢物中有几种之前就发现与ASD相关,例如类固醇、胆汁酸、酰基肉碱和烟酰胺代谢物。已知由肠道微生物群产生或操纵的多个分子也具有显著特征,包括在ASD小鼠模型中升高的4-乙基苯基硫酸盐(4-EPS)和微生物衍生的色氨酸代谢产物吲哚乳酸盐(图 1E) 。血浆与粪便的两个最具区分性的分子中,除9-HOTre以外,其他3个物质几乎在所有样品中都可以检测到(图1G,H和图1I,J)。与这些区分性代谢产物最密切相关的代谢产物在结构和代谢水平上密切相关(图1K, L )。

代谢组学
图1 ASD和TD组之间的血浆和粪便代谢组不同

02
代谢物水平与临床指标具有一定相关性

在单个代谢物水平上,ADOS SS(Autism Diagnostic Observation Schedule, severity score)与氧化应激途径中的代谢物(半胱氨酸、蛋氨酸、S-腺苷-L-蛋氨酸和谷胱甘肽途径)之间存在显著正相关和趋势(图 2A)。其中一些分子在ASD粪便样品中含量较高,而在ASD血浆样品中含量较低,例如次牛磺酸和较低含量的牛磺酸(图 2B, C),这可能表明肠道通透性的变化导致这些物质在粪便中的产生、排泄的改变,以及血浆吸收率的差异。牛磺酸在整个宿主中扮演着许多角色,牛磺酸和牛磺酸缺乏症已被证明可导致大脑细胞分化缺陷,并且它们的失调可改变神经元信号传导。许多γ-谷氨酰胺基氨基酸与ADOS SS之间存在显著的负相关性和趋势(图 2D)。此外,与ADOS SS最正相关的5种血浆代谢物均参与细胞能量途径(图 2E)。

代谢组学
图2 代谢物水平与自闭症诊断观察时间表(ADOS)严重程度得分(SS)相关

03
ASD中细胞能量和氧化应激代谢物水平发生改变

在ASD中发现了不同程度的酰基肉碱,与TD样品相比,ASD-GI样品中形成了更多的短链酰基肉碱和更少的长链酰基肉碱的模式(图3A)。在粪便样本中,ASD中的乙酰肉碱(C2)和游离肉碱含量升高(图3B,C),并且具有高度区分性(图1F)。血浆和粪便中的其他线粒体标志物连同磷脂代谢的标志物在ASD中也差异富集(图3D),磷脂代谢主要发生在线粒体中,是粪便样本中比较富集的途径(图3D和1D)。

代谢组学
图3 ASD中细胞能量和氧化应激代谢产物异常

04
ASD中类固醇激素水平升高,脂质代谢物水平也发生明显差异

多项人类ASD研究检查了雄激素、孕烯醇酮和孕酮代谢中特定类固醇代谢物的水平,其中一些物质出现异常水平。本研究检测到的孕烯醇酮和雄激素途径中的代谢物有许多发生含量增加(图 1C, 4A )。在整个脂质类别中,较短的(14-18链长)饱和脂肪酸在ASD中的含量都较少(图 4C )。PUFA脂质水平也有所不同,在大多数脂质类别中,二酰基甘油和游离脂肪酸均升高,并且18:2(亚麻酸)链长的脂质明显富集(图 4C )

代谢组学
图4 ASD中的类固醇激素水平升高,而其他脂质代谢产物水平也发生变化

05
ASD中酚类异生素代谢物水平发生变化

属于几种相互关联的途径的酚类代谢物的水平发生了变化或趋向,包括酪氨酸、苯甲酸酯和食物成分/植物代谢物(图 5A) 。其中一些与对甲酚硫酸盐具有结构相似性,硫酸对甲酚是ASD幼儿尿液中一种增加的有毒分子。其中包括4-EPS、2-乙基苯磺酸盐、甲酚衍生物、4-烯丙基苯硫酸盐和4-甲基苯磺酸盐;在检测的ASD样本中,4-甲基苯磺酸盐升高了60倍(图 5A–D)。在ASD血浆样本中,4-EPS水平增加了6.9倍(图 5D) 。许多情况下,ASD样品中的酚类代谢物水平与4-EPS相关,包括4-乙酰苯基硫酸盐,4-EPS的衍生物等(图 5E)。

代谢组学
图5 ASD中的酚类异生物素代谢物含量差异

06
结果

氨基酸、脂质和异源代谢物的差异可区分ASD和TD样品。本研究的结果暗示了ASD中氧化应激和线粒体功能障碍,激素水平升高,脂质分布变化和酚类微生物代谢产物水平改变;还揭示了特定代谢物谱与临床行为评分之间的相关性。

这些发现支持了新陈代谢、GI生理学和复杂行为特征之间的联系,并可能促进ASD分子生物标记物的发现和发展。一旦能进一步确定ASD分子生物标记物,或可为自闭症的治疗提供新的方案,这无疑是自闭症患儿及其家庭的福音。

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