基于代謝組學(xué)探討強(qiáng)直性脊柱炎的環(huán)境危險(xiǎn)因素

歐嘉勇 吳嘉玲 魏秋靜 古潔若

【關(guān)鍵詞】 強(qiáng)直性脊柱炎;代謝組學(xué);外源性代謝物;環(huán)境因素;超高效液相色譜-質(zhì)譜

Evaluation of environmental risk factors of ankylosing spondylitis based on metabolomics Ou Jiayong，

Wu Jialing， Wei Qiujing， Gu Jieruo. Department of Rheumatology， the Third Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University， Guangzhou 510630， China

Corresponding author， Gu Jieruo， E-mail： gujieruo@ 163. com

【Abstract】 Objective To identify the environmental risk factors of ankylosing spondylitis （AS） by comparing the serum exogenous metabolites between AS patients and healthy controls. ?Methods Ultra performance liquid chromatography-mass spectrometry （UPLC-MS） was applied to detect the serum metabolic profiles in 49 AS patients and 28 healthy controls. Random forest （RF） model combined with univariate statistical analysis were utilized to identify the differential metabolites between two groups. The characteristics of exogenous metabolites and their correlation with C reactive protein （CRP） and erythrocyte sedimentation rate （ESR） were studied. ?Results Lowretention time deviation of each sample suggested that the detection process was stable. The overall prediction error rate was 0.143， indicating that the RF model was successfully established. After the combination with univariate statistical analysis， 10 exogenous metabolites with an adjusted error detection rate < 0.5 were obtained. The normalized peak intensities of any two of diethofencarb， Avenanthramidea and dibenzofuran were significantly correlated （all r > 0.95，all P < 0.01）. The normalized peak intensities of dibenzofuran， Avenanthramide a， BAXGP and diethofencarb were positively correlated with CRP and ESR （all P < 0.05）. ?Conclusions Serum metabolomics can reflect the environmental risk factors of AS to certain extent. The exogenous metabolites might be associated with the severity of AS.

【Key words】 Ankylosing spondylitis;Metabolomics;Exogenous metabolite;Environmental factor;

Ultra performance liquid chromatography-mass spectrometry

強(qiáng)直性脊柱炎（AS）是一種累及中軸關(guān)節(jié)為主，可伴有葡萄膜炎、起止點(diǎn)炎、銀屑病、炎癥性腸病等外周表現(xiàn)的自身炎癥性疾病。AS病因尚不明確，目前認(rèn)為與HLA-B27相關(guān)，并受環(huán)境影響[1]。代謝組學(xué)主要是研究生物體中某種體液在受到長(zhǎng)期外源性刺激或基因修飾后機(jī)體內(nèi)代謝物的變化[2]。目前有關(guān)AS的代謝組學(xué)特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，本研究采用超高效液相色譜-質(zhì)譜（UPLC-MS）檢測(cè)AS患者及健康志愿者（HC）的血清代謝組學(xué)差異，研究外源性差異代謝物的特點(diǎn)，探討與AS相關(guān)的環(huán)境危險(xiǎn)因素。

對(duì)象與方法

一、研究對(duì)象

選擇2014年1月至2017年7月在我科就診的49例AS患者為AS組。該49例均符合以下標(biāo)準(zhǔn)：①1984改良的AS紐約診斷標(biāo)準(zhǔn);②年齡大于18歲;③未接受過(guò)TNF-α阻斷劑治療;④排除其他類型風(fēng)濕病及全身代謝性疾病。其中男39例、女10例，年齡29（18，53）歲，病程

6.0（0.1，24.0）年，CRP（1.03±0.21）mg/L，ESR

（20.77±7.84）mm/h，Bath AS疾病活動(dòng)度指數(shù)（BASDAI）3.0（0，6.9），HLA-B27陽(yáng)性47例。另

選擇年齡大于18歲、排除脊柱關(guān)節(jié)病或其他類型風(fēng)濕病及全身代謝性疾病的28名HC為對(duì)照組。AS組與HC組的性別、年齡及BMI比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P均> 0.05）。本研究經(jīng)中山大學(xué)附屬第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并征得所有受試者的知情同意。

二、方 法

1. 主要試劑及儀器

乙腈、甲醇及超純水購(gòu)自德國(guó)默克公司，甲酸購(gòu)自上海CNW公司，2-氯苯丙氨酸購(gòu)自GL 生化（上海）有限公司。液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）分析采用賽默飛世爾科技Orbitrap EliteTM 組合型離子阱Orbitrap質(zhì)譜儀及HypersilTM BDS C18 色譜柱（長(zhǎng)100 mm，直徑2.1mm，粒徑1.9 μm）。

2. 樣品制備

于清晨采集受試者的外周血，分離血清，置于-80 ℃保存。使用前將血清樣本置于室溫解凍，取100 μl血清樣本加入300 μl甲醇以沉淀血清中蛋白，并加入10 μl內(nèi)標(biāo)（2.9 mg/ml，2-氯苯丙氨

酸），渦旋混勻30 s，置于4 ℃離心機(jī)中，12 000 ×g離心15 min。吸取200 μl上清液，轉(zhuǎn)入進(jìn)樣小瓶檢測(cè)。

3. UPLC-MS檢測(cè)

取制備好的樣品進(jìn)行UPLC-MS檢測(cè)。首先進(jìn)行流動(dòng)相洗脫，色譜分離條件：柱溫40 ℃，流速0.3 ml/min，流動(dòng)相A為水、0.1%甲酸，流動(dòng)相B為乙腈、0.1%甲酸。自動(dòng)進(jìn)樣器溫度4 ℃。質(zhì)譜檢測(cè)參數(shù)：正模式時(shí)的加熱器溫度300 ℃，鞘氣流速45 arb，輔助氣流速15 arb，尾氣流速1 arb，電噴霧電壓3.0 kV，毛細(xì)管溫度350℃，S-棱鏡射頻分?jǐn)?shù)為30%;負(fù)模式時(shí)的加熱器溫度300 ℃，鞘氣流速45 arb，輔助氣流速15 arb，尾氣流速1 arb電噴霧電壓3.2 KV，毛細(xì)管溫度350℃，S-棱鏡射頻分?jǐn)?shù)為60%。

三、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

使用XCMS R包繪制保留時(shí)間vs.保留時(shí)間變異程度曲線對(duì)讀取前數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，利用Compoud Discoverer軟件對(duì)LC-MS檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，整理成二維數(shù)據(jù)矩陣形式，包含保留時(shí)間、分子量、觀察量（樣本名稱）、可提取物質(zhì)個(gè)數(shù)和峰強(qiáng)度等信息;將原數(shù)始據(jù)進(jìn)行峰強(qiáng)度歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)質(zhì)量控制樣本計(jì)算每個(gè)特征峰的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD），應(yīng)用Metaboanalyst 4.0的隨機(jī)森林分類算法，將AS組與HC組設(shè)為預(yù)測(cè)終點(diǎn)，決策樹(shù)數(shù)目為500，將所有代謝物放入模型中，運(yùn)行模型算法，對(duì)RSD < 30%并且能與數(shù)據(jù)庫(kù)匹配的特征峰構(gòu)建隨機(jī)森林模型及進(jìn)行單變量統(tǒng)計(jì)分析。差異物質(zhì)篩選標(biāo)準(zhǔn)：按分類精度的貢獻(xiàn)度對(duì)特征峰進(jìn)行排序，貢獻(xiàn)度大于0，并且單變量統(tǒng)計(jì)分析校正后錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率（FDR）< 0.5。FDR為根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行組間參數(shù)檢驗(yàn)（t檢驗(yàn)）或非參數(shù)檢驗(yàn)（秩和檢驗(yàn)）后得到P值并進(jìn)行校正后所得。2組間峰強(qiáng)度倍數(shù)變化（FC）=AS均數(shù)/HC均數(shù)。使用人類代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索并確定代謝物來(lái)源。正態(tài)分布的計(jì)量資料以表示，非正態(tài)分布的計(jì)量資料以中位數(shù)（上、下四分位數(shù)）表示。采用Pearson相關(guān)分析差異代謝物與CRP和ESR以及差異代謝物標(biāo)準(zhǔn)化峰強(qiáng)度之間的相關(guān)性。所有統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 20.0和R 3.5.1。

結(jié) 果

一、代謝組學(xué)檢測(cè)的質(zhì)量評(píng)價(jià)

保留時(shí)間vs.保留時(shí)間變異程度曲線顯示，每例樣本在代謝物檢測(cè)過(guò)程中系統(tǒng)波動(dòng)，整體而言，各例樣本保留時(shí)間曲線基本相似，未見(jiàn)變異特別大的曲線，即沒(méi)有離群樣本;單例樣本的保留時(shí)間變異基本沒(méi)有超過(guò)0.1，每例樣本在檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中也基本穩(wěn)定，提示UPLC-MS檢測(cè)系統(tǒng)是穩(wěn)定、可靠的，見(jiàn)圖1。

二、隨機(jī)森林模型的建立及外源性差異物質(zhì)的鑒定

決策樹(shù)數(shù)目到150 ～ 200時(shí)，模型趨于穩(wěn)定，見(jiàn)圖2，AS與HC能明確地分成2組，總體預(yù)測(cè)錯(cuò)誤率為0.143，處于較低水平，模型建立成功。根據(jù)特征峰的分類精度貢獻(xiàn)度，結(jié)合單變量統(tǒng)計(jì)分析，得到模型中重要分類代謝物中的10個(gè)外源性代謝物，見(jiàn)表1，外源性代謝物來(lái)源多樣，某些可能是潛在的毒性物質(zhì)。各種差異外源性物質(zhì)在AS組與HC組的數(shù)據(jù)分布散點(diǎn)圖見(jiàn)圖3。相關(guān)性分析顯示，乙霉威、Avenanthramide a及二苯并呋喃三者的峰強(qiáng)度兩兩高度相關(guān)（r均> 0.95，P均< 0.01），見(jiàn)圖4。

三、外源性代謝物與炎癥指標(biāo)的相關(guān)性分析

二苯并呋喃、Avenanthramide a、BAXGP、乙霉威的標(biāo)準(zhǔn)化峰強(qiáng)度與CRP及ESR均呈正相關(guān)（P均< 0.05），見(jiàn)表2。

討 論

AS是一種與HLA-B27密切相關(guān)的自身炎癥性疾病，但其發(fā)病不能完全從基因的角度進(jìn)行解釋[3-4]。研究表明，嬰兒期的非母乳喂養(yǎng)方式及童年時(shí)因呼吸道感染住院等均可能增加成年后發(fā)展為AS的風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。在疾病模型研究中發(fā)現(xiàn)，無(wú)菌的HLA-B27轉(zhuǎn)基因小鼠不會(huì)發(fā)生AS關(guān)節(jié)炎的表現(xiàn)[7]。由此表明，環(huán)境因素可能作為一個(gè)觸發(fā)因素參與到AS的發(fā)病或疾病進(jìn)展當(dāng)中。本研究嘗試通過(guò)探討AS患者與健康人群在血清代謝組學(xué)中的區(qū)別，從外源性差異代謝物的特點(diǎn)及來(lái)源分析AS患者潛在的環(huán)境危險(xiǎn)因素。隨機(jī)森林模型結(jié)果顯示，AS患者的血清代謝組學(xué)輪廓與健康人群區(qū)分明顯;差異代謝物中有10種為外源性代謝物，其來(lái)源不盡相同。

本研究中，AS患者血清中谷物類食物的標(biāo)記物Avenanthramide a升高，并與CRP及ESR呈正相關(guān)。Cao等[8]的研究表明，長(zhǎng)期的高糖型膳食結(jié)構(gòu)可以引起腸黏膜ATP水平升高，引起炎癥因子IL-17的表達(dá)增加;而且有趣的是，農(nóng)藥成分乙霉威、防腐劑對(duì)羥基苯甲酸丁酯及二苯并呋喃在患者血清中也升高，且谷類標(biāo)記物Avenanthramide a與這些毒素具有較高的相關(guān)性，這說(shuō)明潛在的毒性物質(zhì)可能是隨著長(zhǎng)期的谷類物質(zhì)的進(jìn)食而進(jìn)入患者體內(nèi)。二苯并呋喃、乙霉威與CRP和ESR也呈正相關(guān)，可能是因?yàn)槎拘晕镔|(zhì)在數(shù)據(jù)上與Avenanthramide a呈現(xiàn)共線性的結(jié)果。另有研究表明，腸道菌群參與到AS的發(fā)病及疾病進(jìn)展AS患者往往伴發(fā)無(wú)臨床癥狀的腸道炎癥[9-10]。上述均表明，AS患者的腸道環(huán)境與健康人群存在區(qū)別，其腸黏膜對(duì)各類毒素及食物的吸收能力可能發(fā)生改變。

吸煙是AS疾病活動(dòng)度的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[11]。本研究中，煙草的2種代謝物2-氨基萘及金合歡醇丙酮在AS與健康人群之間存在差異，但并不與CRP或ESR相關(guān)，而且金合歡醇丙酮水平在AS患者體內(nèi)下降，因此煙草代謝物對(duì)于AS患者的作用在本研究中并不明確，有待進(jìn)一步探究。

多種茶葉來(lái)源的代謝物在AS患者血清中升高，BAXGP與ESR及CRP呈正相關(guān)。目前沒(méi)有茶葉成份與AS發(fā)病相關(guān)的報(bào)道。喝茶是一種令人放松的習(xí)慣，而AS患者可因疾病活動(dòng)時(shí)的炎性腰背痛導(dǎo)致睡眠障礙，也可能導(dǎo)致一些抑郁情緒[12]。喝茶的過(guò)程所帶來(lái)的身心放松過(guò)程可能在一定程度上可以改善患者的情緒。今后我們將在流行病學(xué)進(jìn)行相關(guān)的調(diào)查以驗(yàn)證這一猜想。

綜上所述，本研究通過(guò)對(duì)代謝組學(xué)中外源性差異代謝物特點(diǎn)進(jìn)行研究，得到一些與AS發(fā)病可能相關(guān)的環(huán)境危險(xiǎn)因素，如高糖飲食、吸煙等，而這些代謝物也可能反映了患者獨(dú)特的環(huán)境接觸因素或生活習(xí)慣。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2019-01-31）

（本文編輯：林燕薇）