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                  案例分享

                  J Clin Lab Anal. 丨基于GC-MS代謝組學鑒別結核性胸腔積液和惡性胸腔積液

                  發布日期:2021.04.09

                  導讀


                  胸膜積液(PEs)由多種全身性炎性、感染性和惡性疾病引起。當有胸腔積液時,應尋找積液產生的原因,確保適當的治療。根據積液形成的機制,胸腔積液可分為漏出液和滲出液。如果病人,胸腔積液為漏出液,則可以進行全身治療,無需將注意力轉移到胸膜。如果存在滲出性積液,則應檢查胸膜以找出局部問題的原因。中國超過833名未確診的胸腔積液患者成功的接受了醫學胸腔鏡檢查,在接受內科胸腔鏡檢查的患者中,有40%的患者確診為結核性胸腔積液,遠高于許多國家,并且在中國最常見未確診的胸腔積液是惡性或結核性胸腔積液。本篇文獻展示了一種區分結核性胸腔積液(TBPEs)和惡性胸腔積液(MPEs)的方法。


                  應用案例
                  基于GC/MS代謝組學鑒別結核性胸腔積液和惡性胸腔積液


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                  01 
                  研究背景
                  結核性胸腔積液和惡性胸腔積液是兩種最常見和最嚴重的滲出性胸腔積液。結核病是發展中國家的一個主要公共衛生問題。結核病作為傳染病導致的死亡已經超過了艾滋病。結核性胸膜炎(TBP)是肺外結核最常見的形式之一,也是肺栓塞最常見的原因。然而,如果患者患有結核性胸膜炎,能及時準確的診斷很重要,因為它很可能發展為肺結核或肺外結核。惡性胸腔積液是肺癌的常見并發癥,在許多國家是導致癌癥死亡的主要原因。惡性胸腔積液(MPE)在95%的病例中是滲出液,通常是淋巴細胞。也有充分的文獻證明,肺結核和癌癥是滲出性肺栓塞最常見的兩個原因。結核性胸腔積液和惡性胸腔積液均以淋巴細胞為主,生化和常規檢查結果相似。此外,不同的胸腔積液可引起相似的臨床表現。因此,胸腔積液的診斷是治療策略的關鍵。
                  代謝組學技術是一個強大的工具。而作為經典的色譜技術,氣相色譜-質譜聯用儀(GC/MS)具有分離能力強、靈敏度高、峰容量大、重復性好和保留時間穩定的優點。在本研究中,作者采用基于GC/MS代謝組學對中國的結核性胸腔積液和惡性胸腔積液患者進行了研究,并探討結核性胸腔積液與惡性胸腔積液之間的代謝產物差異,以及尋找潛在的標記物來鑒別結核性胸腔積液與惡性胸腔積液病例。

                  02 
                  實驗材料與方法
                  實驗材料

                  研究對象為17名患有結核性胸腔積液和17名惡性胸腔積液患者。惡性胸膜炎組和結核性胸膜炎組至少由兩位不同的病理學家通過胸膜活檢或胸腔鏡檢查確診。所有患者均經胸部超聲檢查證實,并有臨床資料。同時患有全身性疾病、免疫缺陷、自身免疫性疾病或血胸的患者將被排除在本研究之外。胸腔積液樣本取自這些病人,患者信息詳情見表1。



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                  表1 兩組受試者及胸腔積液特征


                  實驗方法

                  胸腔積液樣本在4°C下以1000 g離心10分鐘。上清液儲存在冷凍瓶中并保持在?80°C。對胸腔積液樣本進行化學衍生(如圖2),然后通過GC-MS進行分析。



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                  圖1樣本處理


                  03 
                  實驗結果
                  在此研究中,胸膜結核主要影響年輕人(平均年齡為48歲),這些病例可能處于疾病的初級階段。胸膜結核以男性為主,男女比例為1.2:1。結核性胸腔積液最常見的表現為急性或亞急性疾病,導致54.6%以上的患者出現發熱、咳嗽和胸膜性胸痛。其他癥狀包括盜汗、體重減輕、不適和呼吸困難,嚴重程度根據積液的大小而有所不同。一般來說,急性疾病更可能發生在免疫能力更強的年輕患者身上。相反,惡性胸腔積液的平均發病年齡為75歲。呼吸困難是最常見的癥狀?;颊咭部赡苡锌人?、胸痛和體質癥狀,如體重減輕、不適和厭食。也可能出現潛在惡性腫瘤的癥狀,如咳血、排便習慣改變或直腸出血。圖2顯示了基于兩種類型胸腔積液的研究患者的臨床數據,兩組間各項指標均有顯著性差異。


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                  圖2(A)GC-MS-TIC色譜圖(B)PCA評分圖(C) OPLS-DA評分圖(D)由OPLS-DA模型構建的S圖(E)排列試驗


                  如圖2A所示,同一樣品的六個代表性GC-MS-TIC色譜圖顯示出輕微的重疊,峰無明顯漂移,保留時間穩定,說明了測量的重復性和可靠性。為了更好地顯示復雜數據集之間細微的相似性和差異,進行了主成分分析(PCAs)和正交偏最小二乘鑒別分析(OPLS-DAs)。主成分分析以一種無偏見的方式顯示數據集的內部結構,并將多維數據壓縮成若干主要成分。在主成分分析得分圖中,每個數據點代表一個樣本,得分圖上點之間的距離表示樣本之間的相似性。PCA評分圖的檢查(圖2B)顯示結核性胸腔積液和惡性胸腔積液患者之間的數據分離不理想。為了獲得更高水平的組分離和更好地理解負責分類的變量,進行了監督OPLS-DA(圖2C和D)。在主成分分析得分圖中,每個數據點代表一個樣本,得分圖上點之間的距離表示樣本之間的相似性。PCA評分圖的檢查(圖2B)顯示結核性胸腔積液和惡性胸腔積液患者之間的數據分離不理想。為了獲得更高水平的組分離和更好地理解負責分類的變量,進行了監督OPLS-DA(圖2C和D)。隨后,根據該軟件進行分類的參數為R2Y=0.738和Q2Y=0.486,具有良好的擬合和預測能力。采用七次交叉驗證的方法對模型的魯棒性和預測能力進行了估計,并通過排列檢驗進一步驗證了模型的有效性。如OPLS-DA評分圖所示,結核性胸腔積液與惡性胸腔積液明顯分離(圖2C),表明結核性胸腔積液和惡性胸腔積液具有顯著不同的代謝特征。


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                  圖3 分布在人體內的代謝途徑


                  如圖3所示,代謝途徑包括甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝;半胱氨酸和蛋氨酸代謝;纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成;脂肪酸代謝;三羧酸(TCA)循環;尿素循環;谷胱甘肽代謝。黑色斜體表示顯著減少;紅色斜體表示顯著增加。


                  04 
                  結論與討論

                  核性胸腔積液和惡性胸腔積液患者之間的許多差異性變量還未確定,其確定可能受到樣本量和本研究中使用的單一代謝組學技術平臺的限制。進一步的研究更大的樣本量和多個分析平臺的組合,以驗證我們的結果是必要的。硬脂酸、L-胱氨酸和檸檬酸在結核性胸腔積液和惡性胸腔積液之間的差異更為明顯。胸腔積液生化指標證實兩組間尿素和游離脂肪酸含量有顯著性差異。

                  目前基于GC/MS的代謝組學方法以小分子為研究對象,為結核性胸腔積液與惡性胸腔積液的鑒別提供了一種快速、靈敏的方法。結合硬脂酸、L-胱氨酸和檸檬酸等小分子作為新的生物標志物,可以鑒別結核性胸腔積液和惡性胸腔積液。使用GC/MS代謝組學技術可同時檢測多種代謝物的變化,這比常規臨床檢查具有顯著優勢。作者團隊當前正在進一步比較更大的臨床樣本,以確定當前基于GC/MS的代謝組學方法在臨床上鑒別結核性胸腔積液和惡性胸腔積液適用性。


                  ? 文獻出處

                  Liu Y, Mei B, Chen D, Cai L. GC-MS metabolomics identifies novel biomarkers to distinguish tuberculosis pleural effusion from malignant pleural effusion.J Clin Lab Anal. 2021;00:e23706.


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