空間代謝組鑒定肌肉撕裂相關(guān)代謝物譜
肩部肌肉退化通常導(dǎo)致撕裂，疼痛，殘疾和喪失自主性。已報道在肩部肌肉撕裂中有不同的肌肉受累模式，但是該病例過程中的分子機(jī)制仍有較大空白。受累組織生物分子的空間分布可以由MALDI-MSI技術(shù)清楚的獲取。因此，本研究利用該技術(shù)獲得慢病疾病引起的肩部肌肉退化的空間代謝物組學(xué)圖片。本研究揭示肩部肌肉退化區(qū)域與完整區(qū)域的區(qū)別在于它們的代謝組譜。但未確定肌肉特異性代謝組譜。 三塊被檢查的肌肉之間的組織退化區(qū)域顯著不同。 完整區(qū)域中較高的 HO-1 水平與退化區(qū)域中較低的血紅素水平一致。 此外，HO-1 水平區(qū)分功能失調(diào)和功能性肩袖肌肉。 此外，某些肌纖維類型中特定脂質(zhì)的富集表明，肌纖維類型之間的脂質(zhì)代謝不同。 本研究于2022年2月發(fā)表在《Journal of Cachexia Sarcopenia and Muscle》IF：12.910期刊上。
技術(shù)路線：
主要實驗結(jié)果：
1、入組樣本和工作流程
肩胛下肌(RC)包括肩胛下肌、岡上肌(SSp)、岡下肌(ISp)和小圓肌(Tmi)。RC肌肉與三角肌(Del)一起確保肩關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和靈活性。本次空間代謝組入選組織收集自5名患者的：ISp，Tmi和Del。所有患者的ISp的Goutallier評分和脂質(zhì)滴積累均高于Tmi和Del（圖1A）。在使用組織學(xué)染色確認(rèn)組織質(zhì)量后，對橫切面進(jìn)行MALDI – MSI分析，隨后進(jìn)行染色，將代謝狀況與炎癥組織病理學(xué)聯(lián)系起來，最后對獲得的質(zhì)譜圖譜進(jìn)行生物信息學(xué)分析即可（圖1B）。
圖1本研究的工作流程圖
2、空間代謝組的整體分析
如圖2A所示，三種肌肉之間的潛在分子差異通過監(jiān)督分析進(jìn)行評估。但是肌肉間沒有發(fā)現(xiàn)肌肉特異性分子的富集或減少（圖2B-2C）。這表明Del、Tmi和ISp之間的代謝譜主要是相似的。隨后，空間分割揭示了三個突出的Clusters分散在所有樣本（圖2D）。Clusters 1和Clusters 2的平均光譜顯示出相反的峰強(qiáng)度（圖2E）。與Clusters 1和Clusters 2相反，Clusters 3主要包含低質(zhì)量特征，其中質(zhì)量與MALDI矩陣相對應(yīng)（圖2D）。因此，Clusters 3不再考慮用于后續(xù)分析。引人注目的是，集群的相對面積在肌肉群之間顯著不同（圖2F）。Clusters 1的相對平均面積在Del（91.3%）中要高于ISp（72.1%）和Tmi（77.2%）。相反的，Clusters 2中相對面積在ISp（27.9%）和Tmi（22.8%）中要高于Del（8.7%）。
圖2空間分割顯示出三個簇之間的顯著差異，而肌肉之間的差異不明顯
3、聚類集群特征和差異集群的識別
Clusters 1的空間定位顯示與完整肌纖維的區(qū)域重疊，而Clusters 2的空間定位顯示與纖維和脂肪區(qū)域重疊。正常組織和退化組織的平均光譜的比較表明，不同特征的豐度存在明顯差異（圖3A）。對負(fù)離子模式的判別分析得出了14個和28個特征，分別針對完整區(qū)域和退化區(qū)域（圖3B）。在正離子模式下，完整區(qū)和退化區(qū)分別有35和9個特征（圖3C）。為了識別空間相關(guān)分子特征的亞組，評估了區(qū)域特定特征的空間分布之間的 Pearson 相關(guān)性。 相關(guān)矩陣表明，在先前定義的兩個集群中，存在子集群（圖3D-3E）。這些亞群代表肌肉中的特定區(qū)域（圖3F）。
圖3質(zhì)譜圖像在完整區(qū)域和退化區(qū)域之間存在差異
4、HO-1的空間分布表明其與肌肉撕裂相關(guān)
血紅素主要由血紅素加氧酶-1 (HO-1)分解，HO-1的表達(dá)被認(rèn)為在組織變性中發(fā)揮作用。因此，在退化的 RC 肌肉中評估了 HO-1 的空間定位和血紅素之間的聯(lián)系。與血紅素相反，HO-1信號存在于完整區(qū)域（圖4A-4B）。在嚴(yán)重受累的ISp肌中，HO-1信號高于輕度受累的Del或Tmi肌（圖4C）。相反，ISp的血紅素平均水平低于Del或Tmi（圖4D）。HO-1信號與血紅素積累呈顯著負(fù)相關(guān)(r = 0.52)(圖4E)。
圖4血紅素積累與血紅素加氧酶-1定位不互補
5、肌纖維同型特征的脂質(zhì)空間分布
完整區(qū)域以肌纖維的存在為標(biāo)志，可以通過MyHC -2X, 2A和type-1的表達(dá)來識別。為了評估肌纖維類型是否富含特定代謝物，采用了一種監(jiān)督法分析（圖5A）。MyHC-2A陽性或陰性的肌纖維由肉眼分辨（圖5B）。在負(fù)離子模式下，30個特征被發(fā)現(xiàn)與2A型陽性或2A型陰性區(qū)域特異性相關(guān)（圖5C）。正離子模式分析得到36個特征，均富集于2A型陰性區(qū)域（圖5D）。確定的脂質(zhì)與MyHC - 2A陽性或MyHC -2A陰性肌纖維有很強(qiáng)的空間相關(guān)性（圖5E）。因此，對不同的脂類進(jìn)行了分析。MyHC - 2A陰性的肌纖維只有4個不同脂質(zhì)的特征，而MyHC - 2A陽性區(qū)域的肌纖維有16個特征。
這項初步研究顯示了闡明不同人類骨骼肌空間代謝景觀的首次努力。 先前的臨床研究表明，與 Tmi 和鄰近的 Del 肌相比，ISp 受 RC 撕裂的影響更大。這些觀察的基礎(chǔ)上，研究了代謝物或脂質(zhì)是否可以區(qū)分撕裂和完整的肌肉。在這項研究中，沒有發(fā)現(xiàn)可以區(qū)分肩部肌肉的代謝物或脂質(zhì)。與RC病理學(xué)MRA分析結(jié)果一致的是，與Del相比，ISp更受影響，7個代謝空間聚類顯示Del中完整區(qū)域的比例高于ISp。MRA分析顯示與ISp相比，Tmi的脂肪浸潤有限，但在兩塊肌肉的活組織檢查中，退化區(qū)域同樣多（圖1A）。與MRA相比，MRA評估的是整個肌肉表型，活檢是局部的，所有活檢都是從同一個外部視角進(jìn)行的。因此，活檢不一定代表整個肌肉。這是組織學(xué)方法的一個已知的局限性。
總之，這項初步研究展示了肩部肌肉中的高分辨率空間代謝組，它成功地區(qū)分了完整組織和退化組織。這項研究的一個局限性是納入的患者數(shù)量較少。有可能在更多患者身上發(fā)現(xiàn)肌肉特異性分子。研究設(shè)計允許進(jìn)行統(tǒng)計配對分析，克服潛在的患者間變異性。肩部肌肉的肌肉退化與年齡相關(guān)，為了盡量減少患者之間的差異，在一個小年齡組（平均 65 歲）上進(jìn)行了這項初步研究。這里報告的觀察結(jié)果與這個年齡（中年成人）有關(guān)，而不是針對年輕或年長的患者。最顯著的是，與相鄰的 Del 肌相比，受影響更嚴(yán)重的肌肉中退化區(qū)域的面積增加。作者認(rèn)為特定的脂質(zhì)可以區(qū)分肌纖維類型。因此，需要進(jìn)一步的研究來闡明 MyHC 異構(gòu)體相關(guān)脂質(zhì)的作用。最后，血紅素表征了退化區(qū)域，在嚴(yán)重受影響的肌肉中，HO-1 存在的增加抵消了這些區(qū)域。
參考文獻(xiàn)：
Olie Cyriel Sebastiaan., van Zeijl René., El Abdellaoui Salma., Kolk Arjen., Overbeek Celeste., Nelissen Rob G H H., Heijs Bram., Raz Vered.(2022). The metabolic landscape in chronic rotator cuff tear reveals tissue-region-specific signatures. J Cachexia Sarcopenia Muscle, 13(1), 532-543. doi:10.1002/jcsm.12873