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Metabolomic similarities between bronchoalveolar lavage fluid and plasma in humans and mice 人类和小鼠血液及支气管肺泡灌洗液代谢组相似性 期刊：Science reports，IF=4.122 发表时间：2017.07 1 研究背景 血浆和血清常用于生物标志物发现研究，收集相对无创，可获得足够的体积。相反地，从器官或液体中采集直接受疾病影响的样本通常需要侵入性的操作，例如支气管肺泡灌洗液(BALF)。本观察性研究记录了相应的支气管肺泡灌洗液(BALF)与血浆代谢物中存在重叠，鉴定出这些代谢物在人与小鼠中存在某种程度的一致性，并确定这些代谢物分子如何变化以响应香烟烟雾(CS)暴露。从小鼠和人类中收集匹配的BALF和血浆，并使用质谱分析。发现在人类和小鼠中，BALF中一半以上的代谢物也存在于血浆中；小鼠BALF与人类BALF与2040代谢物具有较强的正相关关系，说明小鼠模型可被用于检测人类疾病，血浆可被用来替代BALF或肺组织。 2 研究材料 人和小鼠的血浆及BALF 3 技术平台 Q-TOF-MS 4 方案设计 a)对小鼠进行烟雾暴露处理，检测小鼠在CS暴露后的血浆及BALF代谢物； b)人类受试者来自于Genetic Epidemiology of COPD (COPDGene)队列，检测人类血浆及BALF代谢物； c)分析小鼠和人类血浆及BALF中检测到代谢物，确定差异、重叠及调控规律。 5 研究结果 1.小鼠和人类血浆及BALF代谢组的分类和重叠 利用代谢组学方法，建立了小鼠和人类血浆及BALF的代谢物目录，所有样本中共检测到7654种代谢产物(图1A)。人类和小鼠血浆中发现了超过4000种代谢物，人类和小鼠BALF中发现了大约3000种代谢物(图1A)。两种液体中代谢物以脂类为主，只有少数(~10%)水溶性代谢物。这与之前的研究结果一致，可能是因为脂质是生物膜的主要组成部分。 四组样品中至少有50%代谢产物重叠(Fig.1A)。62.3%的人类BALF代谢物出现在小鼠BALF中，67.1%的老鼠BALF代谢物出现在小鼠血浆中，52.2%的人类BALF代谢物出现在人类血浆中，57.3%的小鼠血浆代谢物出现在人类血浆中。小鼠和人类BALF共有2,040种化合物(图1A)；小鼠和人类血浆中共有2478种化合物(图1)。四组共有1155个共同代谢产物(图1A)，代表84个生物分类(图1C)。  Figure 1. Metabolite relationships across species and biofluids 2.跨物种和生物流体的代谢相关性 斯皮尔曼等级相关系数用来建立样本类型之间的一致性水平 (图1B)。人类BALF和小鼠血浆之间 (r = 0.0374, p = 0.794)或人类血浆和小鼠BALF之间 (r =−0.0703, p = 0.624)没有显著的相关性。说明这些样品虽然有超过50%的代谢产物是相同的，但是它们的代谢组是不同的(图1A)。小鼠血浆与人血浆无相关性(r = 0.0975, p = 0.496)。小鼠BALF与血浆(r = 0.149, p = 0.135)、人BALF与血浆(r = 0.222, p = 0.275)呈正相关，但未达到统计学意义。而小鼠BALF与人BALF呈正相关(r= 0.326, p= 0.0195)。正相关和显著相关表明样品具有相似的代谢组。 本研究调查了化合物在密切相关的生物流体中的分布。小鼠与人类BALF散点图中绿色对角线上的代谢物(图1D)显示出最强的正相关。小鼠血浆与BALF呈正相关 (图1E)。人血浆与人BALF相关性较弱(图1F)。随后，主要关注BALF和血浆中可能相互关联的单个代谢物，而不考虑其种类。其中298种注释代谢物中，大约有一半是正相关的。图2显示了这些代谢物的一个子集的相关性图，这些代谢物在所有的样本类型中都有很高的丰度，并且在代谢物类别中也各不相同。  Figure 2. Metabolite correlations across BALF and plasma 3.小鼠和人类血浆及BALF中特有代谢物 虽然血浆代谢物可以作为肺代谢物的替代物，但确定每种生物液体和物种特有的化合物也很重要。 每组样本中都有自己特异的代谢物，小鼠BALF中 506种，人类BALF中 603种，小鼠血浆中960种，人类血浆1478种(图1A)。因此，33.9%的人血浆代谢物仅存在于人血浆中。同样，22.2%的小鼠血浆代谢物仅在小鼠血浆中发现，18.4%仅存在人类BALF中，16.7%仅存在于小鼠BALF中。表1为每组样品中检测到的特有的注释代谢物列表。 Table 1. Representative unique metabolites to mouse and human BALF and plasma  4.不同类型样本的代谢物分布 采用比例法对60个化合物种类进行了测试；其中13类化合物比例在不同组中存在显著差异(图3)。4组样品中最常见的代谢物类别为孕烯醇酮脂类、脂肪酰和甘油磷脂类(图3B)。由于样品制备过程中BALF和血浆中的脂质富集，以及LC-MS法检测和分离脂质方法的优化，大量的脂类被鉴定。图3A显示，与其它样本组相比，人血浆中苯吡喃类、多肽、氨基酸、固醇脂类、鞘脂类和甘油磷脂的含量较高(p< 0.001)。异吲哚只能在人血浆中检测到。在人类balf中，羰基化合物、甘油脂和脂酰亚胺的含量较高(p="">< 0.05)。人类balf、小鼠balf、人血浆中均存在苯吡喃类；然而，这些在小鼠血浆中并不存在(图3a)。苯佐卡因类在小鼠血浆中含量较高(p=""><>  Figure 3. Metabolite coverage based on compound class for BALF and plasma in mouse and human samples 5.吸烟诱导BALF和血浆代谢组改变 将暴露于环境空气或香烟烟雾1天的小鼠BALF和血浆代谢组进行比较，以确定急性CS暴露所致代谢物变化的一致性。吸烟组与非吸烟组比较，血液和BALF中分别有124种和380种差异代谢物。其中48种差异在两组中都存在，如图4A所示。BALF和血浆中有30种调控方向一致的化合物，18种调控方向相反的化合物。总而言之，在吸烟后，BALF和血浆中甘油磷脂和甘油脂的含量上调。两种花生四烯乙醇胺和两种鞘磷脂均下调。亮氨酸、两种类固醇和两种维生素D3代谢物在BALF中下调，而在血浆中上调。泛素-8和亚油基肉碱在BALF中上调，在血浆中下调。然后探讨了吸烟对全球人类BALF和血浆代谢组的影响(图4B-E)。由于样本量小，只能进行定性分析。综上所述，以前吸烟或非吸烟组相比，目前吸烟者导致代谢产物增加。  Figure 4. Metabolome changes in response to cigarette smoke 6 研究结论 超过50%的代谢物在小鼠和人类的血浆及BALF间重叠。小鼠模型中，物种间共同的代谢物是分子干预研究的理想对象。CS暴露研究显示，虽然BALF与血浆中某些代谢物是一致的，但其他代谢物则呈现相反的方向。这强调了研究整个生物体的生物学复杂性，以及由于内部和外部刺激引起的系统补偿变化的潜力。来自小鼠的研究结果表明，CS诱导的肺部变化不会在血浆中完全重现；此外，对一种生物液体的研究可能不足以确定健康状况。由于样本量有限，还需要进一步的实验来得出关于生物扰动的明确结论。总之，本研究结果支持在研究肺部疾病时使用小鼠模型和血浆作为人类样本的替代物。 迈维代谢  武汉迈特维尔生物科技有限公司（简称“迈维代谢”）位于武汉国家生物产业基地--光谷生物城，专注于提供领先的代谢组学技术开发及服务。迈维代谢创新了“广泛靶向代谢组”技术，基于“代谢组+基因组+转录组”多组学研究方案，近年来以通讯作者身份在Cell、Nature Genetics、Nature Communications、PNAS等国际学术期刊发表多篇论文，引领基因组时代的代谢生物学研究新方向。  迈维代谢 创新代谢组及多组学研究领导者 |
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