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王希晔,李丹,江明阳,裴志立,徐亮, " 最近邻算法结合代谢组学研究仙登-4对佐剂诱导的类风湿关节炎大鼠的治疗机制",循证补充和替代医学, 卷。2018, 文章的ID2484912, 9 页面, 2018. https://doi.org/10.1155/2018/2484912
最近邻算法结合代谢组学研究仙登-4对佐剂诱导的类风湿关节炎大鼠的治疗机制
摘要
森登4号(senden -4, SD)是一种蒙药,在内蒙古地区广泛用于治疗类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis, RA),具有良好的疗效。遗憾的是,由于地理因素,该药物难以在全国推广,SD的作用机制尚不清楚。本研究通过血清代谢物谱分析确定佐剂诱导的RA相关的潜在生物标志物,并探讨SD的作用机制。采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱(UPLC-Q-TOF-MS)进行代谢组学分析。在阳性和阴性光谱中建立最近邻(KNN)模型,用于对来自对照组、模型和SD给药组的数据进行分类。正离子模式分类准确率为95.8%,负离子模式分类准确率为91.7%。正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)鉴定了12种代谢物作为佐剂诱导的RA的潜在生物标志物。SD治疗后,尿苷三磷酸、降钙酸、去甲酚B(6-9)和二十二碳六烯酸水平均恢复正常,表明SD可能通过调节这些生物标志物的水平来改善RA。本研究鉴定了RA的早期生物标志物,阐明了SD的作用机制,值得进一步研究,作为临床治疗手段。
1.介绍
类风湿性关节炎(RA)是一种自身免疫性炎症性疾病。主要临床表现为慢性对称性滑膜关节炎及关节外疾病。类风湿性关节炎是一种进行性疾病,发生在手、腕、足等小关节,导致关节畸形和关节功能丧失[1].目前类风湿性关节炎的治疗主要依靠西药,如非甾体类药物双氯芬酸[2];抗风湿药甲氨蝶呤[3.];还有糖皮质激素药物地塞米松[4].这些西药疗效很好,但有毒副作用。另外,西药只能暂时缓解或消除疼痛,不能从根本上治愈RA。
蒙医在治疗类风湿性关节炎方面有自己独特的理论和方法,可以从异速生长功能的角度来调节人体的生理活动。蒙药森登4号(SD)由文冠树,Toosendan果实,Gardeniae果实,Chebulae果实比例为5:3:1:1。SD主要用于治疗痛风、风湿、关节草、水肿[5,6].虽然SD对RA有较好的疗效,且康复后不易复发,但由于地理因素和对其作用机制的不完全了解,SD的推广仍具有挑战性。
代谢组学是研究生物体内内源性代谢物质作用变化的科学,已广泛应用于药物作用机制的研究[7- - - - - -9].作为一种新兴的代谢组学方法最近邻(KNN)分类算法是数据挖掘分类中最简单的方法之一。最近的邻居表示每个样本可以用其最接近的值来表示样本。KNN分类模型简单有效。KNN原理描述了如果有一个待分类的测试数据,通过与分类数据的比较找到最相似的已知数据,根据已知数据的类型来判断待分类数据的类别[10,11].传统的代谢组学方法是主成分分析(PCA)。PCA丢失了大量的原始数据,前几个主成分的累积贡献率必须很高,否则模型不合格。KNN不丢失任何原始数据,这使得它在多维数据分类方面比传统统计方法具有更强的优势。目前KNN分类法已广泛应用于RA的分子生物学研究。抑制肿瘤坏死因子转化酶(tnf - α converting enzyme, TACE)是治疗RA最直接、最有效的方法之一。因此,筛选TACE抑制剂已成为一项非常重要的任务。利用KNN对TACE抑制剂和非抑制剂进行分类,KNN模型的分类准确率为98.32% [12].基于KNN分类,利用外周血基因表达谱(PBGE)预测早期RA患者疾病严重程度,结果表明KNN可有效预测RA严重程度[13].RA患者手部骨病变体积(BeltaBLV)可用于评估RA进展情况。本研究表明,多光谱(MS) MRI分析方法与KNN分类相结合为BeltaBLV提供了定量工具[14].到目前为止,RA代谢组学结合KNN分类的研究尚未见报道。本研究采用KNN算法结合代谢组学方法对不同组的数据进行分类。利用OPLS-DA模型识别潜在的生物标志物。本研究通过研究潜在生物标志物的代谢途径,揭示SD在RA治疗中的作用机制。
2.材料和方法
2.1.化学药品和试剂
SD由蒙古民族大学附属医院(中国通辽市)蒙药制造室提供。SD粉溶于浓度为0.43 g/mL的0.5%羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液中,4℃保存,用于动物实验。Complete Freund’s adjuvant (CFA)购自Sigma Chemical Co. (St. Louis, MO, USA)。甲醇和甲酸(Fisher Scientific, UK)为hplc级。超氧化物歧化酶(SOD, H001-3-201705-96)、羟基自由基(OH•肿瘤坏死因子-α(肿瘤坏死因子-α白细胞介素-6 (IL-6, H007-201706-96)试剂盒购自南京建城生物工程研究所(中国南京)。
2.2.佐剂性关节炎模型的建立与治疗
本研究获得内蒙古民族大学附属医院伦理委员会批准(NMMZDX2017[K]0013)。雄性Wistar大鼠(200±10 g)由长春市益思实验动物科技有限公司提供。所有动物均在标准条件下饲养(21±2℃,每日日照14小时),在附属医院免费获得鼠粮和水,实验前在代谢笼中驯化1周。将大鼠分为3组:对照组、模型组和SD给药组(CG、MG、SG),每组8只。实验前,所有大鼠均进行7天的适应。第1天,MG组和SG组大鼠右后趾皮下注射0.1 mL CFA, CG组大鼠皮下注射0.1 mL生理盐水。7 d后,MG和SG组大鼠再次注射0.1 mL CFA。第14天给予SD,剂量为0.43 g/kg/d,连续35天,第49天实施安乐死。取肝门静脉血,4℃,3500rpm离心10min。上清立即冷冻,保存在−20℃,解冻后进行分析。 Arthrodial cartilage was fixed in 10% formaldehyde for paraffin-embedding.
2.3.生化和组织学分析
将关节软骨切开,进行苏木精伊红(H&E)染色。采用H&E染色观察关节软骨的病理变化,并采用显微镜观察。SOD, OH的水平•肿瘤坏死因子-α使用Multiskan FC Microplate Reader (Fisher Scientific, UK)测量IL-6。
2.4.血清样品制备
血清标本在分析前解冻,100-μ等价物增加到400μL乙腈,旋涡30 s, 4℃,12000 rpm离心10分钟。上清液经0.22-μ过滤膜。
2.5.UPLC-MS条件
使用Waters Acquity UPLC系统与Q-TOF Xevo G2-S高清晰度质谱仪(Waters, UK)进行代谢组学分析。Waters Acquity UPLC BEH C18列(1.7 -μm, 2.1 mm × 50 mm, Waters,美国)保持在40℃,流速0.4 mL·min−1的分离。移动阶段0.1%甲酸在去离子水(A)和甲醇(B)。B的梯度洗脱是执行根据以下安排:8 - 80% 0 - 3分钟,80 - 100% B 3 - 6分钟,6 - 8分钟,100%和100 - 8% B 8 - 9分钟,其次是保持在8% B为2分钟。进样量为10μl
对于uplc -高清晰度质谱(HDMS)分析,最优条件是正离子模式,源温度为100℃,脱溶气体温度为400℃。以氮气为圆锥体和脱溶气体,流速分别为50和800 L/h。毛细管电压3.0 kV,锥体电压40 V,偏置电压80 V。在负离子模式下,源和脱溶剂气温度分别为80℃和150℃。氮气为0 L/h的锥体气和600 L/h的脱溶气。毛细管、锥体和偏置电压分别设置为2.5 kV、40 V和80 V。
MS数据采集采用全扫描模式,质量范围100-1000 Da,扫描时间0.5 s。的女士2碰撞能量设置为15-35 eV,阳性用乙腈:水(50:50,v/v)中浓度为200 pg/mL的亮氨酸脑啡肽锁质 和消极的 离子模式与锁定喷雾界面。数据采集采用连续模式,锁定喷雾频率设置为10 s。
2.6.数据分析
混合等价物(20μL)对每个样品进行稳定性监测。仪器校准后,每天分析5个QC样品,以检测仪器的稳定性。采用MassLynx V4.1软件进行峰值检测和比对。识别和比对后,所有获取的数据归一化到各色谱仪的总离子强度。
通过将数据集中每个数据文件的质量/保留时间对的峰与它们相关的归一化峰面积对齐,建立数据矩阵。然后,利用模式识别技术对数据矩阵进行分析。采用Matlab 2012软件进行基于KNN算法的数据分类。OPLS-DA采用EZinfo 2.0软件,独立样本-检验使用社会科学统计软件包(SPSS) 17.0版本进行。使用HemI软件分析代谢产物热图[15].利用人类代谢组数据库(HMDB)、METLIN和京都基因和基因组百科全书(KEGG)代谢组数据库鉴定潜在的生物标志物。串联质谱(MS/MS)与来自这些数据库的MS/MS信息进行比较,以验证可能的代谢物的结构。
3.结果与讨论
3.1.生物化学和组织学
数字1显示各组的血清生化指标。SOD是一种重要的抗氧化酶,具有清除机体内自由基的作用。如图所示1(一), SOD含量下降,OH含量下降•与CG相比,MG含量增加,这意味着RA大鼠的抗氧化系统受损。SD给药后,SOD、OH含量均显著高于对照组•,表明SD具有有效的抗氧化活性。
(一)
(b)
炎症介质TNF -αIL-6在RA的发病机制中起重要作用。它们是通过免疫细胞的浸润和基质金属蛋白酶(MMPs)的过度分泌而产生的。这些介质对软骨和骨关节有很强的腐蚀作用[16].如图所示1 (b), TNF-含量α与CG组相比,MG组IL-6显著增加。而在SG中,TNF-的含量α与MG相比,IL-6降低,说明SD具有免疫抑制作用。
数字2(一个)CG显示关节软骨和大量的血管翳(图中黄色圆圈)2 (b))在MG中可见。肺翳由浆细胞、巨噬细胞和淋巴细胞组成,可释放免疫球蛋白和类风湿因子(RF)。血管翳不仅阻碍骨通过滑膜获取营养的能力,还释放多种炎症介质和蛋白水解酶,侵蚀关节软骨、软骨下骨、韧带、肌腱组织,造成关节软骨破坏,软骨下骨溶解,关节囊松弛损伤、关节脱位、关节融合和骨化[17].给予SD后(图2 (c)), SG中pani的数量和体积均减少,说明SD能缓解RA大鼠的症状。
(一)
(b)
(c)
3.2.KNN算法在分类中的应用
利用正离子和负离子模式研究了代谢产物的特性。图中描述了CG、MG和SG在正负离子模式下的血清碱峰强度(BPI)图谱3..尽管在色谱图上有明显的差异,但多元分析比其他分析更准确地区分了这三个组。
本实验采用KNN算法对代谢组学数据进行分类。向量空间模型中的每组数据都表示为向量形式。如图所示4,将两组数据相似度(距离)的计算转换为向量的计算。
相似度的计算方法有欧氏距离、向量内积和夹角余弦,公式如下:
欧氏距离 在哪里和权重是否表示组学数据向量中相应的特征和 .计算值越小,两个组数据向量之间的距离越小,两个组数据的相似性越大。
矢量内积 在哪里和权重是否表示组学数据向量中相应的特征和 .内积表示一个向量在另一个向量上的投影。当用内积作为相似公式时,内积越大,两个组学数据的相似度越大。
夹角余弦 在哪里和权重是否表示组学数据向量中相应的特征和 .如果两个向量之间的夹角较小,余弦值较大,则两组数据可能属于同一类别。相反,如果余弦值较小,则两组数据不太可能属于同一类别。在本文中,我们使用角余弦算法来计算两组代谢组学数据之间的相似性。
在基于KNN的代谢组学数据分类研究中,采用交叉验证方法完成KNN模型分类评价。部分样本作为训练集数据,其余样本作为测试数据计算分类正确率。以上过程需要执行,直到每个样本预测一次且仅一次。交叉验证的目的是得到一个可靠、稳定的模型。本研究采用4倍交叉验证的方法。将组数据集分为四组,完成四次验证实验。在每个实验中,一个数据副本用于测试模型,而其余三个数据副本用于训练模型。
最后,利用Matlab 2012软件建立了两个KNN模型(一个为正离子模式,另一个为负离子模式)。数据矩阵包含3253维正离子模式数据点和1045维负离子模式数据点。24个样本被分为三类。分类准确率为95.8%(23/24)在正离子模式下(8在CG正确样品,7正确的样品在MG,八个正确的样品和一个错误的毫克样品在SG)和91.7%(22/24)在负离子模式下(八正确的样品在CG,六正确的样品在MG,八个正确的样品和两个错误的毫克样品在SG)。结果表明,两种KNN模型是准确可靠的。
采用OLPS-DA模型检测潜在的生物标志物,研究SD对RA大鼠代谢通路的影响。OPLS-DA评分图如图所示5(一个)和5 (b).所表示的 和 在正离子模式和 和 在负离子模式下,该模型既可靠又具有预测性。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.3.识别潜在的生物标志物
OPLS-DA的s图如图所示5 (c)和5 (d),这些变量对位于图边缘的差异有很大的贡献。这些斑点显示了VIP值> 1.0和 ,被认为代表潜在的生物标志物。我们鉴定了12种代谢物,它们作为潜在的生物标志物在CG和MG之间显示出显著的差异。这些代谢物由4个点和8个点组成,分别基于正模式分析和负模式分析的数据。其中,MG代谢产物中二十二碳六烯酸、硬脂酸、二十碳六烯酸、MG(0:0/14:0/0:0)、钙柠檬酸、三磷酸尿苷、二磷酸鸟苷含量均高于CG。此外,MG组中dynorphin B(6-9)、鸟苷五磷酸腺苷、胆红素葡萄糖醛酸苷、溶血酶(0:0/24:0)、α -生育三烯醇水平均低于CG组。然而,SD治疗后,三磷酸尿苷、钙化酸、吗啡B(6-9)和二十二碳六烯酸恢复正常水平。由此可见,SD可能通过调节这四种潜在生物标志物代谢通路的紊乱来阻止RA大鼠的病理过程。图中描述了潜在生物标志物的热图6.所有的生物标志物信息汇总于表中1.
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3.4.生物相关性
三磷酸尿苷(UTP)是RNA合成的原料。有报道称UTP和维生素B12联合治疗压迫神经痛有显著效果。与单独服用维生素B12相比,UTP联合服用维生素B12在缓解研究期间无严重不良事件患者疼痛方面具有更显著的统计学优势[18].骨髓源性基质细胞(BMSCs)脂肪生成和成骨异常可导致骨质疏松。UTP激活P2Y2受体后,可通过调节骨髓间充质干细胞的成骨和成脂分化来延缓骨质疏松症的进展[19].因此,在MG中UTP的失调很可能导致骨关节病。
钙柠檬酸是1,25(OH)的代谢物。2D3.是维生素d的活性形式。1,25(OH)2D3.具有多种生理功能,如增加钙和磷的吸收,促进生长和骨钙化,维持血液中柠檬酸盐的正常水平,防止肾脏代谢中氨基酸的流失[20.].对抗原的免疫反应来源于来自烟曲霉属真菌可引起过敏性疾病,过敏性支气管肺曲霉病(ABPA),并伴有血液CD4+ T细胞白细胞介素-13反应增加。1,25 (OH)2D3.可以抑制这种过敏反应,改善ABPA患者的病情[21].此外,1,25 (OH)2D3.具有免疫调节和抗炎活性。研究表明1,25(OH)2D3.在许多自身免疫性疾病如风湿性关节炎、多发性硬化症(MS)和骨质疏松的进展中起着至关重要的作用[22].大量研究表明,缺乏阳光和1,25(OH)2D3.会导致多发性硬化症;因此,1,25 (OH)2D3.补充是一种非常有效的治疗多发性硬化症患者[23].骨质疏松症与动脉粥样硬化高度相关。这两种疾病的并行发展增加了冠状动脉和骨折的风险。1,25 (OH)2D3.缺乏可大大增加骨折的风险,并导致继发性甲状旁腺功能亢进和冠状动脉钙化[24].MG中钙柠檬酸的含量显著增加,说明1,25(OH)的含量2D3.降低,降低免疫系统的调节能力。
Dynorphin B (DYN)是一种广泛分布于中枢和周围神经系统的内源性阿片肽(EOP)。EOPs对不同的受体有选择性,DYN是一种类型κ受体配体。RA的周围炎症导致免疫细胞(T细胞、B淋巴细胞、巨噬细胞、单核细胞)数量增加。迁移到炎症区域的免疫细胞可以合成大量的EOP。同时,炎症反应促进背根神经节(DRG)中EOP受体的合成,并将这些受体运输到炎症区域的周围神经尖。EOP激活受体后,可作为类风湿性关节炎的止痛剂[25,26].研究表明,在RA大鼠滑膜组织和免疫细胞中,EOPs大量释放,其受体在周围神经尖端表达增加。EOPs及其受体也参与慢性炎症的调控[27].研究发现,膝关节注射EOP受体激动剂可减轻关节疼痛患者的疼痛,而术后膝关节注射EOP受体拮抗剂可增加关节疼痛[28,29].EOP可能作用于免疫细胞中的EOP受体,调节免疫细胞的功能,最终参与炎症因子的调控。EOP水平与白细胞介素-1等炎症因子的浓度和mRNA表达有关β(il - 1β)、白细胞介素-6 (IL-6)和肿瘤坏死因子α(肿瘤坏死因子-α).这些炎症因子会引起关节疼痛、发烧和水肿。EOP通过利用炎症因子的负反馈调节,降低感觉神经的兴奋性,调节炎性疼痛[30.].MG中DYN含量显著降低,提示其与EOP受体复合抑制RA引起的炎症反应。
二十二碳六烯酸(二十二碳六烯酸)是人体必需的多不饱和脂肪酸。DHA具有促进脑细胞发育、延缓衰老、改善血液循环、降低血脂等多种生物活性。此外,DHA可以预防类风湿性关节炎。研究发现DHA可抑制骨髓源性巨噬细胞(bone marrow macrophages, BMMs)的增殖和分化,诱导成熟破骨细胞凋亡。最终,DHA导致骨吸收细胞的数量减少[31].DHA可以通过生物衍生产生一种新型的生物活性脂质介质。这些内源性介质可以作用于特定的G蛋白偶联受体(GPCRs)以抑制炎症[32].MG中DHA含量显著增加,说明机体对RA引起的炎症反应有应激反应。
UTP、calcitroic acid、DYN、DHA水平的失调会导致机体相关代谢途径的一系列变化。然而,在给予SD后,它们的水平接近正常,说明SD通过调节这四种潜在生物标志物的水平,成功地改善了RA。
4.结论
综上所述,SD对佐剂诱导的RA大鼠有较好的治疗作用。采用KNN算法对代谢组学数据进行分类,在正谱和负谱上都取得了较高的分类精度。结果表明,本研究的KNN模型是可靠的。共鉴定出12种潜在的生物标志物,认为UTP、钙柠檬酸、DYN和DHA与RA大鼠SD治疗效果相关。需要进一步研究确定这四种生物标志物之间的关系,并推断SD治疗RA的完整代谢途径。
的利益冲突
作者声明他们没有利益冲突
致谢
基金资助:国家自然科学基金项目(no. 30760299, no. 81560702);2017BS0809),内蒙古民族大学学院项目(2017BS0809);内蒙古天然产物化学与功能分子合成重点实验室开放课题(no. NMDYB1727);MDK2017044),基于机器学习算法的蒙医信息研究(MDXK004)。
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