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多组学模型!CELL:蛋白+代谢组学揭示败血症高危患者的个性化诊疗特征

金黄色葡萄球菌菌血症(SAB)近年来感染率增加,总死亡率可达20%-30%。临床发现,不同SAB患者表现出不同的严重程度和结局事件:一线治疗后,部分患者清除病原体,部分患者因未能及时清除病原体导致宿主免疫反应失调,最终死亡率增加。

9月3日,美国加州大学研究团队在CELL上在线发表了题为Mortality Risk Profiling of Staphylococcus aureus Bacteremia by Multi-omic Serum Analysis Reveals Early Predictive and Pathogenic Molecular Signatures的研究论文,利用蛋白组学和代谢组学技术,对200多例SAB患者血清进行分析,从而全面揭示早期预测和致病性特征,为后续指导SAB患者个性化治疗提供了有力工具。

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结果速读

蛋白+代谢组学 | 筛选SAB患者感染及死亡预测标志物

首先,作者对蛋白组学结果进行分析,聚类分析显示对照样本和感染样本存在明显分离。作者从中筛选到一种蛋白(SERPINA5),在对照样本和感染样本中表达明显差异,且具有极高的预测能力:AUC为0.9891,高于标准感染标志物C反应蛋白(AUC为0.9)。

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为进一步筛选预测死亡风险的生物标志物,作者对蛋白组学数据进行标志物特征性排序(集成特征性选择算法EFS),排名最高的蛋白标志物是FETUB、SERPIND1和CDNP1。其中,FETUB在三组间表达具有明显差异,且具有较高预测能力(ELISA结果一致);相比于高FETUB患者,低FETUB(<2.2mg/ml)患者生存率明显降低。

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此外,作者利用同样算法对代谢组数据进行处理,发现排名最高的生物标记物均为未能鉴定的信号特征,且显示出可观的预测价值。排名最高的可鉴定的代谢物包括HEPC、S1P、甲状腺素T4和癸酰肉碱。此外,作者利用两组学筛选出的排名靠前的两个标记物进行联合,显示出比单一组学更强的预测能力。

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作者预测修饰肽可以作为预测感染或SAB死亡的生物标志物。研究者利用MWU检验P值对PTM生物标记物进行排序,发现感染和死亡率预测最高的生物标记物都是AHSG上的多糖(也称为FetuinA)。ROC分析显示,这些修饰肽的预测能力高于未修饰的蛋白标记物。相比未修饰的FetuinA,多糖的变化倍数高于总蛋白。综上,多糖可能比未修饰的蛋白具有更好的预测价值。

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多组学数据分析 | 描绘感染后人血清特征谱

为了揭示感染对宿主血清谱的影响,并发现相关分子调控模块,作者进行了蛋白组和代谢组结果的聚类分析,结果显示:1)蛋白组学数据分成6组(C1-C6),C2反映宿主对感染的反应(包括CRP、血清淀粉样蛋白1和2以及其他急性期成分)。在死亡组中,C4、C5、C6三组发生显著变化(C4、C6升高;C5降低),成为重点研究亚群。为此,作者根据其表达变化(相对于对照组)对死亡相关的模块进行了命名:C4,pMortality–;C5,pMortality +;C6,pMortality–。2)代谢组学数据分成7组,也利用同样规则进行重新命名:C1,mMortality ++;C3,mMortality +;C4,mMortality–。

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作者对主要宿主代谢途径进行系统性分析。作者量化了IGF信号通路中每个成员,证实与死亡率相关蛋白模块中的不同调控。其中,IGFBP1,2,4,7分配给了pMortality+,将IGFBP3,5和IGFALS分配给pMortality-。有趣的是、IGFBP1,2,4,7可与IGF结合形成二元复合物,增加IGF半衰期(30分钟);IGFBP3/5,IGFAS可与IGFs结合成三元复合物,增加IGF半衰期(24小时)。相关性分析显示IGF与IGFBP35和ALS呈正相关,与其他IGFBP呈负相关。提示,SAB死亡率与IGFBP三元复合物减少和二元复合物增加有关,从而导致循环中IGF水平降低。

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此外,作者在代谢组学数据中发现了代谢功能障碍的证据,其中最突出的单一特征是甲状腺素T4(宿主代谢的主要调节剂)。甲状腺素结合球蛋白(SERPINA7)和运甲状腺素蛋白(TTR)都具有相同趋势,可结合并稳定循环中的T4,进一步支持了T4水平的降低。

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细胞因子作为大多数传染病生物标记无研究的焦点,却往往因为含量低于检测下限而被忽视。为此,作者设计了一种算法,利用功能蛋白关联网络从现有数据中推断主要细胞因子家族的重要性(并与IPA分析进行比较)。结果显示,两种策略预测结果高度相似,特别是IL-6、TGF-β1、TNF、IL-1b和IL-10等细胞因子。该策略帮助作者预测疾病相关的细胞因子家族变化及致病途径,为后续功能研究打下基础。

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体内实验(小鼠) | 证实T4和脂联素信号转导影响体内SAB预后

前期分析证实死亡患者T4水平降低,且既往研究报道外源性T4在多菌败血症模型中证实为保护因素。作者利用甲亢或甲亢治疗小鼠测试改变T4水平是否影响小鼠SAB模型的存活率。结果显示,甲减小鼠具有更高的病死率,而甲亢小鼠在感染48h的存活率是对照组的4倍。

此外,前期结果证实具有显著细胞因子特征的抗炎蛋白在菌血症发展中具有重要作用。其中,脂联素(ADIPOQ)虽与SAB无关联,但其能诱导白细胞产生IL-10(已知),IL-10在小鼠SAB中具有保护作用。为此,作者利用Adi-ponectin受体的小分子激活剂AdipoRonc处理小鼠,观察小鼠存活率。结果显示,AdipoRon治疗能显著提高小鼠存活率。综上,甲状腺激素和脂联素受体在SAB小鼠模型中具有保护作用。

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小结

传统定义感染性疾病生物标记物的策略均基于免疫学范畴。而本文中,作者利用蛋白组+代谢组的多组学模型,建立了一个新的感染相关生物标记物评估标准,通过检测更广泛的宿主反应谱,建立了可以准确预测SAB患者死亡率的致病特征和多变量模型。该特征可以与先前报道的细胞因子类标志物进行组合,用更灵敏的免疫分析方法量化,提高预后价值。本研究为深入探究感染所致死亡提供深层次理解,也为将来临床快速诊断、预测SAB患者死亡提供了工具。从研究思路的角度来说,该文也是多组学组合生物标志物研究模式的典型案例。


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