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背景:元素是自然界中任何物质包括生物体在内的基本组成单位,对生物的一切生命活动起着至关重要的作用。微量元素在机体内的吸收、转运、分布和排泄与机体健康状态密切相关。近年,郭姣教授首次提出“糖脂代谢病”(Glucolipid Metabolic Disorders,GLMD)创新理论,认为GLMD以糖脂代谢紊乱为特征,涉及神经内分泌失调、胰岛素抵抗、氧化应激、炎症和肠道菌群失调五项核心病理病机。考虑到微量元素在机体内的重要作用,GLMD微量元素谱的动态变化值得关注。因此,我们提出一种切实可行的微量元素组学研究策略,对机体内整体微量元素表达情况进行分析,同时结合多元统计思想,对糖脂代谢病的代表性疾病高脂血症进行表征并寻找潜在的生物元素标记物,进一步分析关键微量元素在调控脂代谢紊乱中的作用机制。目的:建立微量元素组学研究的定性定量分析方法,构建高脂血症的微量元素特征谱,基于微量元素特征谱表征高脂血症,寻找潜在的生物元素标志物并对关键微量元素调控脂代谢作用机制进行深入研究。方法:1、微量元素组学方法学的优化及考察建立血清、粪便、毛发样本的微量元素组学研究方法,对样品前处理方法、仪器调谐状态、数据采集参数等进行优化。通过电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)对微量元素标准品及待测生物样品进行检测。关于该方法检测结果准确性的评价,在半定量分析方面,对精密度、重复性、稳定性试验结果进行考察;在全定量分析方面,对标准曲线的线性系数、检测限、定量限、精密度、重复性、稳定性、加样回收率试验结果进行考察。2、微量元素组学研究方法在高脂血症型模大鼠研究中的应用采用高脂乳剂灌胃的方式建立SD大鼠高脂血症动物模型,通过血脂四项、血糖及体重指标对高脂血症动物模型进行评价。采用建立的ICP-MS微量元素分析方法对高脂血症大鼠血清、粪便、毛发中的微量元素进行定性定量分析,构建高脂血症微量元素特征谱。进一步运用模式识别分析方法结合多元统计学分析,寻找高脂血症模型大鼠血清、粪便、毛发中的潜在微量元素标志物。通过构建接受者操作特性曲线(ROC曲线),以曲线下面积(AUC)对潜在元素标志物预测高脂血症的准确率进行考察。3、关键微量元素调控脂代谢的机制研究建立微量元素与肠道菌群的共生网络图,分析与肠道菌群关系密切的微量元素,作为首要研究目标。以小鼠胚胎成纤维细胞(3T3-L1前脂肪细胞)为研究对象,采用四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法(MTT法)测定特定微量元素干预对3T3-L1前脂肪细胞的活性影响;诱导前脂肪细胞分化为脂肪细胞,观察特定微量元素干预对前脂肪细胞分化的影响,进一步分析微量元素在脂代谢调控中发挥的作用并探究其机制。结果:1、微量元素组学方法学的优化及考察半定量方法学考察结果显示,在检测到的75种元素中,88.00%以上元素精密度RSD小于20%,85.33%以上元素重复性RSD小于20%,80.00%以上元素稳定性RSD小于20%。全定量方法学考察结果显示,Cr、Mn、Cu、Pb四种微量元素标准曲线R~2均大于0.95,线性关系良好,符合定量要求。其精密度、重复性、稳定性考察中得到的RSD值均小于10%。整体结果表明仪器精密度良好,实验方法可重复,待测样品在24 h内稳定,可用于高脂血症模型动物的血清、粪便、毛发样品中微量元素的定性定量检测。2、微量元素组学研究方法在高脂血症模型大鼠中的应用采用高脂乳剂灌胃的方式建立了高脂血症大鼠模型,血糖血脂指标出现异常,微量元素表达出现紊乱。血清微量元素表达谱可有效判别高脂血症模型大鼠与健康对照大鼠,所构建的糖脂代谢紊乱微量元素特征谱共计75种微量元素。通过主成分分析及偏最小二乘法判别分析,找到具有显著性差异的微量元素有七种,分别为:Na、Mg、Al、Cr、Mn、Cu、Pb;通过ROC曲线分析各元素的疾病预测能力,最终确定高脂血症潜在的元素标志物为Na、Al、Cr、Cu、Pb。3、关键微量元素调控脂代谢紊乱机制研究微量元素-肠道菌群共生网络图发现微量元素Cr与高脂血症模型大鼠粪便中肠道菌群关联度较高,细胞实验显示Cr元素干预会影响3T3-L1前脂肪细胞的增殖、分化。结论:本研究成功建立了微量元素组学在不同生物样本(血清、粪便、毛发)中的研究方法,并应用于高脂血症疾病研究。通过ICP-MS检测高脂血症模型及健康对照大鼠机体内微量元素的表达情况,发现高脂血症模型大鼠存在微量元素表达异常的情况,微量元素表达谱可有效表征高脂血症。多元统计学分析发现,Na、Mg、Al、Cr、Mn、Cu、Pb七种元素含量在高脂血症模型组与健康对照组中存在显著性变化,Cr元素含量在高脂血症模型组中显著降低,Na、Mg、Al、Mn、Cu、Pb六种元素含量显著升高;通过ROC曲线分析,发现Na、Al、Mn、Cu、Pb对于高脂血症的预测能力较强,可作为高脂血症潜在的元素标志物,有望用于高脂血症的临床诊断及愈后观察。将微量元素作为环境因子建立肠道菌群-微量元素共生网络图,发现Cr元素与肠道菌群关系最为密切。细胞实验证明,Cr元素干预影响3T3-L1前脂肪细胞的增殖和分化。推测Cr元素可能是通过影响肠道菌群生物活性和/或影响前脂肪细胞分化相关信号通路中相关酶、激素或细胞因子从而参与调控脂代谢。