阿魏酸干预下的糖尿病心肌病代谢重塑：空间代谢组学揭示治疗前后惊人变化！

　　糖尿病心肌病（DCM）是慢性糖尿病患者最常见的死亡原因，其比例可达70%以上，其分子机制尚未完全了解，其治疗方法尚且有限。代谢物在心脏细胞过程中起着重要作用，它们空间分布的改变与DCM病理变化相关，因此空间代谢组学对于机制研究，并进一步形成诊疗策略相当有效。

 

　　质谱成像（MSI）作为空间代谢研究的理想工具，可实现对于DCM心脏代谢异质性的研究，并观察抗心肌损伤候选药物阿魏酸对代谢的干预作用。

　　01研究方法

　　设立大鼠DCM模型，并对模型组给予不同剂量的阿魏酸治疗，期间观察相关指标变化。心脏组织取样进行切片制备，常规切片开展组织病理学观察研究，冷冻切片开展空间代谢组学研究，组织匀浆进行常规代谢组学分析。后续数据处理分析依据常规代谢组学生信分析，以及空间代谢组学联合分析来开展。

　　02研究结果

　　1.大鼠DCM模型成功，多种指标和组织病理学特征与临床一致，高剂量阿魏酸治疗对DCM心肌损伤有益。

　　2.优化了空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像（AFADESI-MSI）平台的参数，实现了对心脏切片代谢物的最佳检测。

　　3.并行运用AFADESI-MSI和MALDI-MSI技术平台，实现对心脏切片的空间代谢组学研究，并对检测结果进行分析验证。

　　4.数据分析挖掘出与DCM相关的代谢物，涉及碳水、氨基酸、有机酸、核苷酸及其衍生物、胆碱、多胺、肉碱、脂肪酸及其衍生物、磷酸盐化合物、金属离子和维生素等，表明DCM代谢谱发生了明显变化。

　　5.高剂量（200mg/kg）阿魏酸可逆转DCM代谢物变化。

　　03研究结论

　　该研究报道了应用AFADESI-MSI和MALDI-MSI技术，分析DCM大鼠心脏代谢物的空间分布。通过成功鉴定300多种代谢物，可视化了心脏中的代谢物分布。

　　研究挖掘了100多种与DCM相关的代谢物，揭示出心脏病变区域的异质分布，结果表明葡萄糖代谢、脂质代谢、核苷酸代谢以及氧化还原和渗透稳态中的区域特异性损伤，可能有助于DCM的发病机制。

　　同时，研究发现了连续给予200 mg/kg阿魏酸20周可以显著逆转这些代谢紊乱，尤其是脂质代谢的改变。

　　04研究结果展开

 

　　图1.DCM大鼠给予阿魏酸前后，应用AFADESI/MALDI-MSI，开展心脏空间代谢组学研究

 

　　图2.DCM大鼠建模实验对比分析

 

　　a.对照组、糖尿病心肌病（DCM）组、低剂量阿魏酸治疗（50 mg/kg）和高剂量阿魏酸治疗（200 mg/kg）组间心脏重量对比。

　　b.组间心脏/体重对比。

　　c.组间胶原体积分数（CVF）对比。

　　d.心脏整体切片Masson染色代表性图像对比。

　　e.局部心肌H&E染色图像（i-iv）和Masson染色（v-viii）图像对比；心脏血管H&E染色图像（ix-xii）和Masson染色图像（xiii-xvi）对比。

 

　图3.AFADESI-MSI技术平台扫描心脏切片参数优化对比分析

 

　　a.喷雾溶剂不同组合对AFADESI-MSI检测代表性代谢物质谱图像（MSI）的影响。

　　b.喷雾溶剂不同流速对AFADESI-MSI检测代表性代谢物质谱图像（MSI）的影响。

　　c.喷雾溶剂不同扫描对AFADESI-MSI检测代表性代谢物质谱图像（MSI）的影响。

 

　　图4.AFADESI/MALDI-MSI双平台扫描心脏切片成像分析

 

　　a.大鼠心脏结构：横切面（i）、H&E染色切片（ii）和分层模拟图（iii）。

　　b.AFADESI-MSI正离子模式扫描代表性空间代谢物分布图像。

　　c.AFADESI-MSI负离子模式扫描代表性空间代谢物分布图像。

　　d.MALDI-MSI负离子模式扫描代表性空间代谢物分布图像。

 

　　图5.MALDI-MSI平台扫描DCM大鼠心脏病变处代谢物变化

 

　　a.DCM大鼠心脏病变灶Masson染色图。

　　b.磷酸腺苷（AMP）空间分布图像。

　　c.谷胱甘肽（GSH）空间分布图像。

　　d.AMP和GSH空间分布叠加图像。

　　e.（i）Na、（ii）牛磺酸、（iii）谷氨酰胺、（iv）葡萄糖、（v）肌苷、胆碱、（vii）磷酸胆碱（34：2）和（viii）PC（36：2）的空间分布图像。

 

图6.对照组和DCM组，有关葡萄糖代谢途径差异的质谱成像分析

 

图7.对照组和DCM组，有关脂质代谢途径差异的质谱成像分析

 

图8.对照组和DCM组，有关核苷酸代谢途径差异的质谱成像分析

 

　　a.AFADESI-MSI分析核苷酸代谢途径差异。

　　b.MALDI-MSI分析核苷酸代谢途径差异。

 

　　图9.对照组和DCM组，有关氧化还原系统和离子稳态途径差异的质谱成像分析

 

　　a.AFADESI-MSI分析氧化还原系统和离子稳态差异。

　　b.MALDI-MSI分析氧化还原系统和离子稳态差异。

 

　　图10.阿魏酸对糖尿病心肌病（DCM）的代谢调节研究

 

　　a.阿魏酸调节DCM代谢通路简图。

　　b.AFADESI/MALDI-MSI代谢物质谱成像分析显示，阿魏酸可改善多种代谢物紊乱，涵盖

　　FA、PAHSA、OAHSA、PA、PC、PS、PE、PG、PI、Lyso PE、GLUT4、G-3-P、CoA、CPT1、TCA、ATP、ADP、GTP、AMP、GMP、IMP等。

 

　　05总结与启发

　　该篇文献发表于Journal of Pharmaceutical Analysis（IF=8.8），从这篇文章中，我们可以了解或借鉴到：

　　1.实验队列：研究中使用了Wistar大鼠进行造模，分为对照组（n=8）和模型组（n=24），诱导糖尿病成功后，模型组动物随机分为三组：DCM组（n=8）、低剂量阿魏酸组（L-阿魏酸，n=8）和高剂量阿魏酸组（H-阿魏酸，n=8）。

　　2.样本制备：每个心脏样本至少分为三份，分别供冰冻切片、常规HE染色和组织匀浆。

　　3.利用心脏样本对AFADESI-MSI技术平台提前进行了参数优化。

　　4.AFADESI-MSI和MALDI-MSI双平台进行了代谢物质谱成像分析，两者可以实现结果的互补与验证，使得检测数据可信程度大幅提高。

　　5.对病灶处进行了深度数据挖掘，相对全面的覆盖了多个代谢通路，挖掘出100多种与DCM相关的代谢物。

　　6.分析了阿魏酸对于DCM紊乱代谢通路的影响，为潜在的临床应用提供了相关数据支持。

 

　　总之，该文献含有10个大图，过百个panel，空间代谢组学贡献了其中的绝大部分图形，对于从事临床科研的老师及同学相对友好，充分证明了MSI在最新文献发表方面的潜力。

　　参考文献

　　Liu Y,Zhang X,Yang S,Zhou Z,Tian L,Li W,Wei J,Abliz Z,Wang Z.Integrated mass spectrometry imaging reveals spatial-metabolic alteration in diabetic cardiomyopathy and the intervention effects of ferulic acid.J Pharm Anal.2023 Dec;13(12):1496-1509.doi:10.1016/j.jpha.2023.08.011.Epub 2023 Aug 17.