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基于机器学习系统性红斑狼疮患者血清非靶向代谢组学研究
作者: 徐千禧
单位: 新疆维吾尔自治区人民医院

摘要

本研究采用UPLC-MS/MS技术分析SLE(Systemic Lupus Erythematosus,SLE)/LN(Lupus Nephritis,LN)患者与健康人的血清代谢组,筛选疾病相关代谢物,并结合机器学习构建诊断模型,以发掘用于SLE和LN早期诊断及机制研究的新型生物标志物。

回顾性分析 2022年12月至2023年12月来自新疆⾃治区⼈⺠医院医院30 例单纯性红斑狼疮患者,60例狼疮肾炎患者的血清样品,并使用超强液相色谱高分辨率高分辨率高分辨率质谱法(UPLC-HRMS)分析了匹配的健康对照。部分最小二乘判别分析(PLS-DA)和正交 PLS-DA(OPLS-DA)用于鉴定差异代谢物,利用LASSO、XGBoost和RandomFores机器学习方法建立诊断模型,采用受试者工作特征曲线验证了代谢物对区分SLE/LN的区分度和有效性。

总共检测到了 1344 个代谢物,三种算法筛选结果取交集,剔除单一算法可能筛选出的噪声特征,同时确保选出的代谢物具有较高的一致性和显著的诊断能力,在LN患者和单纯SLE患者之间共得到3个具有生物标志的代谢物,分别是(r)-(+)-arachidonyl-1'-hydroxy-2'-propylamide、Palmitamide、Pro-Trp,对照组相比,SLE 患者的两种关键代谢物分别是1,6-anhydro-.beta.-d-glucose和4-hydroxy-l-glutamic acid。在所有三种模型中,(r)-(+)-arachidonyl-1'-hydroxy-2'-propylamide,均表现出较高的诊断效能,其中XGBoost模型中的最高诊断效能AUC 为0.941,Palmitamide在LASSO模型中,AUC值显著提高至0.938,显示出极高的诊断效能。此外,本研究发现红斑狼疮患者与健康人群患者代谢物中,4-hydroxy-l-glutamic acid在所有模型中均表现出较高的诊断效能,尤其是在LASSO模型中表现最佳AUC 为0.92。采用Spearman相关分析揭示了代谢物Palmitamide和Pro-Trp与狼疮肾炎病理类型呈显著负相关,且Palmitamide与SLEDAI评分及ESR呈正相关,提示其潜在临床关联性与疾病活动度及严重程度有关。

这项研究证明了机器学习算法在代谢组学数据中的应用,用于 系统性红斑狼疮与健康人群分类,并将色氨酸鉴定为潜在的 SLE 特异性生物标志物。

关键词: SLE,LN,非靶向代谢组,色氨酸
来源:中华医学会第二十八次风湿病学学术会议