质谱成像结合机器学习聚焦马兜铃酸暴露小鼠肝脏的代谢组学

华质泰科生物技术

2023.7.21

马兜铃酸 (AAs) 是一类硝基菲羧酸，来源于马兜铃属植物。早在20世纪90年代，比利时布鲁塞尔的一系列患者被诊断为快速进展性肾病后，AAs 就被认为与肾脏疾病和尿路上皮癌相关。作为 AAs 的主要形式的马兜铃酸 I (AAI) ，由于其诱变性和致癌性风险在过去几年受到广泛关注。除了肾脏疾病，最近还有研究表明马兜铃酸可以诱发肝脏损伤。

与基因组学和蛋白质组学相比，尚未在 AAI 诱导的肝毒性中进行过代谢组学方面的深入研究。
香港浸会大学蔡宗苇教授课题组利用大气压基质辅助激光解吸电离质谱 (AP-MALDI MS) 结合机器学习绘制了 AAI 暴露小鼠和对照小鼠肝脏组织切片的分子图谱，揭示了暴露于 AAI 的小鼠肝脏组织的代谢变化。

实验组为 AAI 暴露小鼠 (n = 3) ，以 50 mg/kg AAI (1 mg/mL，0.5% CMC，w/v) 的剂量进行灌胃给药，对照组 ICR 小鼠 (n = 3) 以 0.5% CMC 的生理盐水进行灌胃。20 天后解剖并获取器官 (肾脏和肝脏)。组织冷冻后制成 14 μm 的切片，以 10 mg/mL (MeOH/EtOH/水 = 20:75:5) DHAP 作基质进行 AP-MALDI MSI 分析。

图1、负离子模式下小鼠肾组织的 AP-MALDI 成像图，分别为谷氨酸 (m/z 146.045)、血红素 B (m/z 615.170)、ST-OH (18:1_22:0) (m/z 878.603) 和 PI (40:6) (m/z 909.549)。

首先，使用 AP-MALDI MS 质谱成像技术评估具有高度形态异质性的肾脏组织切片中代谢物的空间分布信息，显示了各种小分子代谢物、血红素 B 和脂类在肾髓质、肾皮质和血管等不同肾脏结构中的特征分布。

图2、小鼠肝组织的 AP-MALDI MS 分析。(A) AAI 暴露小鼠肝脏的质谱图，(B) 对照小鼠肝脏的质谱图，(C) 牛磺胆酸 (m/z 514.284 ) 的质谱图。

随后，AP-MALDI 质谱成像分析暴露组和对照组小鼠肝脏组织中的代谢物。正交偏最小二乘法-判别分析 (OPLS-DA) 可实现两组的完全区分，并挖掘具有统计学意义的生物标志物。

与对照组相比，AAI 暴露小鼠肝脏组织中的小分子代谢物丰度较高，而脂类的丰度较低，其成像图显示了两者明显不同的分布模式。

图3、AP-MALDI MS 小鼠肝脏的小分子代谢物成像图，(左) AAI 暴露的小鼠肝脏、(右) 对照组小鼠肝脏。

图4、AP-MALDI MS 数据的 OPLS-DA 建模结果，对照组为绿点、AAI 暴露组为红点。

进一步地，通过机器学习对从3个正常小鼠肝脏和3个 AAI 暴露小鼠肝脏中提取的11726个质谱成像数据进行统计分析，并建立 lasso 回归模型，可用于区分 AAI 暴露小鼠和对照小鼠的肝脏组织，准确度高达99.81%。

最后，利用代谢组学路径分析 (MetPA) 探索 AAI 诱导过程中可能受到影响的代谢路径，包括牛磺酸和次牛磺酸、甘油磷脂、D-谷氨酰胺、D-谷氨酸以及花生四烯酸等多种代谢路径改变的直接证据，这些信息也为 AAI 诱导的肝脏毒性提供了新的见解。

研究结论

本研究开发了一种用于绘制小鼠器官组织中代谢物分子空间分布的 AP-MALDI 质谱成像方法，结合机器学习在马兜铃酸 I 的相关研究中展现了巨大的应用潜力。该质谱成像方案和流程或能扩展应用到其他类似的研究领域。

● 更多细节，请参考文献：

Wenjing Guo, Zhangsheng Shi, Ting Zeng, Yu He, Zongwei Cai, Jialing Zhang. Metabolic study of aristolochic acid I-exposed mice liver by atmospheric pressure matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging and machine learning. Talanta 241 (2022) 123261

https://doi.org/10.1016/j.talanta.2022.123261

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