整合基因芯片及动态尿液代谢组学筛选肠上皮化生的生物标志物

摘要

本研究通过整合高通量基因表达数据库(gene expression omnibus, GEO)中临床胃组织基因芯片数据与大鼠(Rattus norregicus)多时段尿液代谢组学数据，筛选并验证肠上皮化生(intestinal metaplasia, IM)相关的尿液生物标志物。首先，采用R语言分析临床胃炎到IM的差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)并进行通路富集分析。其次，构建大鼠IM模型，通过大鼠胃组织病理切片和IM免疫组化指标进行模型评价，并分别于造模第2、第4、第8周收集两组大鼠的尿液样本，进行液相色谱-串联质谱技术(liquid chromatography-tandem mass spectrometry, LC-MS/MS)代谢组学分析。最后，通过双向正交偏最小二乘法(two-way orthogonal partial least squares, O2PLS)将DEGs与差异代谢物进行整合分析，筛选相关联的尿液生物标志物，并通过受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic, ROC)进行验证。GEO芯片分析共筛选到93个DEGs,主要富集在糖酵解/糖异生等代谢通路中。动物实验结果表明，相较于空白对照组(control check, CK),造模后胃黏膜出现炎性细胞浸润及异型增生；且尾型同源盒转录因子2(caudal-related homeobox transcription factor 2, CDX2)和黏蛋白2(mucin 2, MUC2)表达显著升高；尿液代谢组学结果表明，第8周代谢变化程度最大，将第8周的CK与模型组(model group, MG)尿液代谢差异进行比较，筛选出27个差异代谢物，其主要富集于戊糖和葡萄糖醛酸相互转化通路；通过O2PLS分析筛选到5个与临床样本密切关联的代谢物(5-羟基-6-甲氧基吲哚葡萄糖醛酸苷、 α-酮戊二酸、N-甲基烟酸内盐、N-乙酰异亮氨酸和2-硫酸抗坏血酸酯),进一步结合ROC曲线分析代谢物在不同时段的含量变化，最终得到2个IM阶段最有潜力的尿液生物标志物——5-羟基-6-甲氧基吲哚葡萄糖醛酸苷和α-酮戊二酸。本研究初步揭示了IM过程中的糖代谢异常及相关的特征性代谢物变化，为后续进一步研究IM的病理机制提供参考。

关键词

基因芯片 / 尿液代谢组学 / 肠上皮化生(IM) / 生物标志物 / 多组学整合