鄧春暉課題組：基于金摻雜共價(jià)有機(jī)框架納米材料—MALDI質(zhì)譜獲取血清代謝指紋的克羅恩病診斷新方法
羅恩病（Crohn’s disease）是一種慢性炎癥性腸病，近十年來(lái)，其發(fā)病率在全球范圍內(nèi)穩(wěn)步上升。目前，大多數(shù)克羅恩病患者存在由于診斷和治療延誤而導(dǎo)致嚴(yán)重并發(fā)癥甚至需要進(jìn)行多次手術(shù)切除的客觀事實(shí)，因此克羅恩病的及時(shí)診斷至關(guān)重要。代謝組學(xué)是一門(mén)新興的學(xué)科，可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物體新陳代謝最下游的產(chǎn)物——代謝物的變化來(lái)反映機(jī)體真實(shí)狀況，最新研究指出，血清代謝指紋有望在克羅恩病的診斷中發(fā)揮重要作用。
近日，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系鄧春暉教授與復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院沈錫中教授團(tuán)隊(duì)成員孫念榮副研究員、吳昊醫(yī)師合作在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為Gold-doped covalent-organic framework reveals specific serum metabolic fingerprints as point of Crohn's disease diagnosis的論文。
在該工作中，作者通過(guò)將球形共價(jià)有機(jī)骨架（COF-V）與金納米粒子（AuNPs）結(jié)合，制備了多功能的復(fù)合材料（COF-V@Au）并構(gòu)建了一種基于COF-V@Au輔助的激光解吸/電離（LDI-MS）代謝物的分析平臺(tái)，僅需1μL的血清樣本可實(shí)現(xiàn)克羅恩病快速、精確診斷以及亞型的分類。該工作中的COF-V@Au不僅結(jié)合了COF-V和AuNPs的優(yōu)良激光吸收能力以提高分析物的電離效率，還具有病毒結(jié)構(gòu)的粗糙表面可以作為吸附劑為代謝物提供大量的吸附位點(diǎn)，以提高LDI-MS的檢測(cè)靈敏度。
在該項(xiàng)工作中，總共收集了50個(gè)健康對(duì)照和48個(gè)克羅恩病患者的血清樣本（圖1a），所構(gòu)建的分析平臺(tái)在數(shù)秒內(nèi)就可獲得克羅恩病患者和健康對(duì)照組的血清代謝指紋圖譜（圖1b&c）。首先，作者應(yīng)用正交偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）對(duì)48例克羅恩病患者與50例對(duì)照組進(jìn)行建模區(qū)分。如圖1d所示，兩組可以很好地分離，說(shuō)明克羅恩病患者與健康對(duì)照組的血清代謝指紋圖譜存在顯著差異。進(jìn)一步結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行診斷，如圖1e所示，其AUC值達(dá)到0.984。為了確定克羅恩病與健康對(duì)照的主要差異代謝物，作者通過(guò)確定差異表達(dá)倍數(shù)，得到了克羅恩病患者中代謝物的下調(diào)信號(hào)和上調(diào)信號(hào)（圖1f），結(jié)合VIP值> 1的特征峰，篩選得到25個(gè)潛在的代謝特征峰。如圖1g所示25個(gè)特征峰的熱圖，可以明顯看出克羅恩病和對(duì)照樣品之間的差異表達(dá)，這意味著特異性的血清代謝指紋可以用于克羅恩病的診斷。類似的，作者也進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了克羅恩病L1和L3亞型的區(qū)分，其中對(duì)L1亞型的區(qū)分，AUC值達(dá)到了0.989，對(duì)L3亞型的區(qū)分，AUC值達(dá)到了0.991。
綜上，作者結(jié)合性能優(yōu)越的基質(zhì)材料與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建了高通量、高靈敏度和高特異性的代謝組學(xué)疾病診斷平臺(tái)，該平臺(tái)有望在未來(lái)成為臨床的輔助診斷技術(shù)，加速個(gè)性化治療的發(fā)展并推進(jìn)代謝生物標(biāo)志物的探索進(jìn)程。
圖1（a）克羅恩病組與對(duì)照組血清樣本的性別、年齡分布。典型的克羅恩病血清（b）和健康對(duì)照血清（c）的代謝指紋圖譜。（d）克羅恩病與對(duì)照組的OPLS-DA模型。（e）區(qū)分克羅恩病患者與健康對(duì)照組的ROC曲線。（f）健康對(duì)照組與克羅恩病代謝物差異火山圖。（g）25種特征差異代謝物分布熱圖。
這一成果近期發(fā)表在Advanced Functional Materials上，第一作者為復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系楊沉杰博士生，通訊作者為復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系鄧春暉教授和復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院孫念榮副研究員、吳昊醫(yī)師。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金以及上海揚(yáng)帆計(jì)劃的資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202105478
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