脂质组学

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经典案例

脂质组学揭示心脏衰竭患者红细胞中的氧化胆固醇积累

Lipidomics reveals accumulation of the oxidized cholesterol in erythrocytes of heart failure patients

研究对象: 心脏衰竭患者
发表单位: 台湾长庚大学
发表时间: 2018 年4 月
发表期刊: Redox Biology
影响因子: 7.126

一、研究背景

心血管疾病是全球范围内造成死亡最主要的原因。心脏功能恶化妨碍了血液循环,会导致心力衰竭(heart failure,HF),HF 发病机理非常复杂,心肌梗死、高血压、心肌病、心脏瓣膜病、炎症诱导的氧化应激都是疾病进展的危险因素。脂质在心血管疾病的发病机制中发挥着重要作用,红细胞的脂质变化可以反应疾病进展过程中的病理生理变化,但少有报道研究红细胞的代谢组和脂质组,针对 HF 的研究更是没有。

二、研究策略

三、研究结果

1. HF 患者红细胞的脂质组变化

基于 LC-MS 对红细胞进行非靶向脂质组检测,在正、负离子模式下分别得到457、438个分子特征(图1A、B)。OPLS-DA 显示,在正负离子模式下各组分明显分离(图1C、E)。为确定对照组和 stage C 中亲脂性代谢物的差异,OPLS-DA(图1D、F)以及 S-plot(图1G、I)进一步分析。以 VIP>1、p<0.05为阈值筛选差异代谢物,在正负离子模式下分别得到30、23个代谢物(图1H、J)。固醇、磷脂和神经酰胺是区别对照组和 stage C 的重要物质,溶血磷脂(如 lysoPC 和 lysoPE)、神经酰胺、氧化型胆固醇(如7KCh)在HF患者红细胞中的含量高于对照组,而磷脂(如PCs、PEs 和 SMs)的水平含量低于正常。

图1 基于液质的HF红细胞脂质组学分析

2. HF 患者红细胞和血浆中 7KCh 的含量

研究发现,所有血浆样本中 7KCh 的含量低于羊毛甾醇、烯胆甾烷醇、7-脱氢胆固醇,但是在红细胞中含量显著高于以上代谢物(图2,3)。stage A-C 的 HF 患者红细胞中 7KCh的含量明显高于正常组(图2B),表明红细胞中的 7KCh 可以作为 HF 风险的早期鉴定标志物。正常组和 HF 患者血浆中 7KCh 含量并无差异(图2F),当考虑总胆固醇时,stage C患者血浆中 7KCh 水平略高与正常对照组(图3I)。

图2 HF患者及正常对照的血浆和红细胞中游离7KCh及其他固醇的含量

图3 HF患者血浆总7KCh及其他固醇的含量

3. 7KCh 的胞内积累增加 ROS 生成并降低心肌细胞生存力

为确认 7KCh 是否对心肌功能有损伤作用,检测经 7KCh 处理的心肌细胞 HL-1 的生存活力。结果显示,随 7KCh 浓度升高,HL-1 生存活力降低,但固醇处理对 HL-1 则无影响(图4A,B)。将负载 7KCh 的红细胞膜与 HL-1 共孵育,发现 HL-1 活力降低,并具有剂量依赖性(图4C,D)。结果表明,红细胞可以递呈 7KCh 引起细胞损伤。此外,通过免疫荧光实验观察到 7KCh 在 HL-1 中的积累(图4E)。使用流式细胞仪检测 7KCh 对活性氧产生的影响(以H2O2处理为阳性对照),发现相对于对照组 7KCh 处理的 HL-1 细胞 ROS 产生更多,甚至高于阳性对照(图4F)。

图4 7KCh积累的HL-1细胞活力及活性氧检测

4. 7KCh 通过激活 ATF4 通路诱导细胞死亡

ATF4 可以被内质网胁迫、氨基酸不足、氧化应激胁迫诱导,而内质网和氧化应激胁迫可以激活凋亡信号。为了证明 7KCh 是通过激活 ATF4 发挥作用,研究检测了经 7KCh 处理的 HL-1 中 ATF4 的表达水平,结果显示 ATF4 水平随时间增加(图5B,C),同时 CHOP 和活性 caspase 3 明显升高(图5B,D,E),LC3A/B 也略微升高(图5B,G),表明诱导 ATF4 和 CHOP 升高导致心肌细胞死亡。

图5 7KCh激活ATF4通路

研究结论

本研究针对10位正常人以及29位 HF 不同分期的患者进行脂质组质谱分析,发现 HF患者红细胞的脂质组成与正常对照组明显不同。HF 患者红细胞中的 PCs、Pes、SMs 水平降低,而 lysoPCs、lysoPEs 和神经酰胺水平升高。其中,7KCh能够明显将HF患者与正常对照组区分开,且其在红细胞中积累的水平高于血浆。而7KCh在红细胞中的积累导致了活性氧产生以及ATF4/CHOP介导的心肌细胞死亡,表明7KCh参与了HF的致病过程,所以红细胞7KCH可能是HF的一个潜在危险因素。

参考文献

Tang H Y, Wang C H, Ho H Y, et al. Lipidomics reveals accumulation of the oxidized cholesterol in erythrocytes of heart failure patients[J]. Redox Biology, 2018.