Nat Commun | 守护红色“生命长河”！西安交大郭燕团队血液蛋白+代谢分析揭秘创伤后深静脉血栓的生物标志物

深静脉血栓形成(DVT)是当前人类面临的严重健康问题，可引发血栓后综合征、复发性DVT及致命肺栓塞(PE)等并发症，与肺栓塞统称为静脉血栓栓塞症(VTE)。创伤后深静脉血栓(pt-DVT)是成年人常见的临床问题，显著增加肺栓塞风险，是创伤后发病和死亡的主因，其发生率高达40%，对中国公共卫生构成严重威胁。 西安交通大学生命科学与技术学院郭燕教授团队于2024年9月在 Nature Communications上发表了“Integrated landscape of plasma metabolism and proteome of patients with posttraumatic deep vein thrombosis” 的研究文章，该篇文章通过整合血液代谢组学和蛋白质组学数据，研究了创伤后深静脉血栓（pt-DVT）患者的血液代谢和蛋白的特征。接下来，就让我们跟随文章，重点了解下吧！    


  深静脉血栓形成(DVT)是外伤后发病和死亡的主因。为了深入探究这一疾病，研究团队通过整合血浆代谢组学与蛋白质组学，评估了680例创伤后有无DVT(pt-DVT)个体的代谢及蛋白功能变化，确定了28种与pt-DVT相关的代谢物及两组临床参数。在此基础上，研究团队进一步开发了一组包含9种代谢物的pt-DVT预测模型，该模型在独立队列中得到验证。整合分析显示，糖酵解/糖异生-TCA循环上调可能通过调节红细胞ROS水平促进血栓形成，提示干预此过程或为pt-DVT的潜在治疗策略。该研究全面揭示了pt-DVT的代谢与血液学失调，为早期检测提供了潜在生物标志物。


  该研究共有680名患者入选发现(N = 580)和验证(N = 100)队列。发现队列中252名为pt-DVT的患者，328名无DVT作为对照，这些人群在2018年10月至2020年12月期间招募。随后，从2021年3月至2021年7月，选择50名pt- DVT患者和50名对照组，采用相同的招募标准作为单独的验证队列。 图1 队列设计和分析研究工作流程


  1. 血浆代谢组学特征分析 血浆样本进行代谢组学分析，发现代谢物覆盖多个关键功能通路，并筛选出差异显著的代谢物28种（包括脂质、氨基酸、碳水化合物、肽、核苷酸、异生物质、能量代谢和其他物质）（如图2）。 图2 pt-DVT患者和对照组的代谢组学 进一步展示了28种显著变化的代谢物的去偏置稀疏部分相关(DSPC)网络（图3 a），发现功能代谢组之间和内部发生了相互作用，可能参与脂类、氨基酸、核苷酸和碳水化合物的代谢。这些发现表明高度协调的代谢物调节网络是血栓形成的基础。与pt-DVT相关的多种代谢途径的失调对于途径分析，总共307种代谢物可以映射到52种KEGG途径。确定了17条与氨基酸代谢、碳水化合物代谢和脂质代谢相关的明显失调的途径(图3b)和差异丰度(DA)得分(图3c)显示pt-DVT组存在大规模代谢失调，参与氨基酸代谢的6条途径活性升高。与碳水化合物代谢相关的所有5种途径的活性显著上调，包括柠檬酸循环(TCA循环)和糖酵解/糖异生。而与脂质代谢相关的3种途径的活性都降低。此外，研究团队还确定了pt-DVT研究较少的几种氨基酸代谢途径，如半胱氨酸和蛋氨酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及组氨酸代谢。 图3 pt-DVT相关的多种代谢途径失调   2. 机器学习识别血液代谢障碍以区分pt-DVT 研究团队利用独立验证队列的100例样本进行代谢组学分析，通过机器学习算法验证三个模型的预测效果（如图4）。模型1的性能仅用临床参数（CPs）预测pt-DVT最差，不足以诊断pt-DVT。模型2和模型3能够很好地区分创伤患者的DVT，这表明血浆代谢物在临床应用中对pt-DVT的早期诊断和预测有很大贡献。9种代谢物的模型2的性能在发现队列和验证队列中均优于其他模型，表明了更好的可预测性能力。 图4 机器学习识别特征来区分pt-DVT   3. 代谢组学和蛋白质组学分析揭示了pt-DVT的潜在治疗策略 考虑到蛋白质组学更接近生理功能，更有助于了解pt-DVT代谢，研究团队对队列的96名pt-DVT患者和87名对照参与者进行了血浆蛋白质组学研究。总共有524种血浆蛋白被定量，214种蛋白被确定为两组之间的差异蛋白，其中153种蛋白在pt-DVT患者中上调，61种蛋白下调(图5a)。差异蛋白的KEGG途径富集发现pt- DVT患者中有15条途径发生显著改变((图5b)。值得注意的是，补体和凝血级联被确定为最显著改变的途径，这也是直接传递至深静脉血栓的调节途径。 结合代谢组学和蛋白质组学的发现，发现糖酵解/糖异生的上调可能导致血栓形成的发病机制。在pt-DVT患者中，糖酵解/糖异生途径中的丙酮酸、柠檬酸和几种蛋白质显著增加。通过整合代谢组学和蛋白质组学数据来进一步探索糖酵解/糖异生的作用，在丙酮酸上游发现了8个蛋白(LDHA、LDHB、GAPDH、GPI、PKM、MINPP1、ENO1和TPI1)， 丙酮酸级联的糖酵解/糖异生-TCA循环的上调可能与红细胞中ROS的积累有关，从而增强血栓形成。总的来说，代谢组学和蛋白质组学数据强调干预糖酵解/糖异生氧化还原稳态可能成为pt-DVT的潜在治疗靶点。 图5 代谢组学和蛋白质组学分析揭示pt-DVT的潜在治疗策略


  该研究团队确定了与pt-DVT显著相关的28种代谢物和14种CPs，并全面展示了pt-DVT患者的血液代谢和蛋白的变化特征。基于这些显著改变的代谢物和CPs，构建了一组9种代谢物的模型，以有效区分pt-DVT患者。更重要的是，结合蛋白质组学数据，研究人员还发现丙酮酸级联的糖酵解/糖异生-TCA循环的上调可能促进血栓形成，调节红细胞内的ROS水平。这表明干扰糖酵解/糖异生和氧化还原稳态可能是pt-DVT治疗的潜在治疗策略。总的来说，该研究描述了pt-DVT的代谢失调，并通过大规模队列确定了血浆生物标志物。该项工作不仅推动了pt-DVT功能机制的探索，还为临床实践中pt-DVT的早期诊断提供了有力支持。


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