利用高分辨率NMR预测后代健康

【字体: 时间:2019年06月04日 来源:Bruker

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  德国最古老的高等教育机构之一——Medicine Greifswald大学的临床化学研究所,将NMR作为生物样本库研究的主要分析方法。

作者:Medicine Greifswald大学Matthias Nauck教授

生物样本库主要用于建立大规模人类生物样本储存库,包括血液、尿液、组织和DNA等,以开展进一步医学研究。研究机构、医院、生物制药与生物技术公司可以依靠生物样本库来推进新疗法的研究,并从大型患者队列中识别出疾病生物标志物。通过使研究人员更好地了解哪些人最易患某些疾病、以及哪些治疗方法对其最有效,生物样本库为许多现代研究技术,包括基因组学和个性化医疗提供支持。世界各地有许多收有数十万样本的生物样本库,为不断增长的知识库作出贡献,以保障后代的公共健康。

NMR核磁共振与生物样本库

在生物样本库中,样本的采集、制备、分析、存储、运输和数据管理都必须高度标准化。样本存储数十年后会发生变化,研究人员也无法保证样本不会随时间改变。由于重现性强,核磁共振(NMR)波谱法成为生物样本库样本分析的重要工具。它可以表征所存储的样本,并确定是否存在可能导致错误结论的任何变化。

德国最古老的高等教育机构之一——Medicine Greifswald大学(Universitätsmedzin Greifswald)的临床化学研究所,将NMR作为生物样本库研究的主要分析方法。这项技术赋予人们所需的信心,例如,2018年所获得的结果将与2028年从同一患者队列获得的结果具有100%可比性。

标准化和自动化

由于可以采用自动化流程,Greifswald团队的分析周转期非常短。样本从急诊室通过气动管道系统输送,30秒内即完成300米距离的传输,然后被立即置于与许多分析仪相连的追踪系统,以确保高度标准化和完全自动化。实验室以往的流程中使用的是孤立的分析仪,这将带来更多不可控的变化,但现在追踪系统可确保从样本制备到离心的所有步骤在每个时间点都完全可控。

长期流行病学研究

其它分析技术,如质谱(MS)比NMR更为灵敏,但利用MS进行长期研究,并不能得到流行病学研究所要求的足够标准化的结果。例如,质谱会发生系统性漂移,若对人整个生命周期中的代谢组进行定期检测,该漂移将对检测带来干扰。利用长期流行病学研究的结果,我们现在可以在患者住院期间进行快速的计算和检测,以查验这些流行病学研究信息在现实生活情形中是否可用。

Medicine Greifswald大学于1997年开始进行SHIP研究(波美拉尼亚健康研究),该项研究从4400名生活在波美拉尼亚地区的研究对象开始[1]。研究小组采用高度标准化的程序采集血液、尿液和其它生物样本。十年后建立了波美拉尼亚健康趋势研究,该研究采用更新的仪器为该地区的其他人口提供诊断。迄今SHIP研究已经进行了20余年,研究小组仍在对包括最初调查对象在内的人群进行追踪调查,邀请他们每5年回研究中心。研究小组特别关注糖尿病和其它常见疾病风险的生物标志物研究,其中必须有足够稳定和高度重现的分析技术可以对研究起始时间开始一直到5年、10年、15年和20年后收集的样本进行比较。

该小组已经完成了大量的研究,并利用SHIP研究的数据进行分析,还有一些数据来自GANI_MED项目的后期阶段(Greifswald个体化医疗方法)[2]。该项目试图在大学医院建立个性化的医学计划。采用最先进的诊断方法和新颖的治疗干预措施,充分考虑到单个患者或明确界定的患者群体的具体特点,个性化药物旨在提高治疗策略的效率,避免不良反应,并减少医疗支出。这种结构仍被用于从患者那里获得高质量的数据,以将其与NMR波谱结果相结合。

用于脂蛋白分析

脂蛋白能够在水(血液或细胞外液)中输送疏水性脂质分子,嵌入细胞膜(跨膜脂蛋白)或在血液中循环(血浆脂蛋白颗粒)。1H-NMR能够使用高分辨率脂蛋白颗粒测量分析血脂轮廓。血浆脂蛋白可根据其密度分类,主要由甘油三脂、胆固醇、磷脂和蛋白质的相对浓度决定。主要组别为乳糜微粒(CM)、极低密度脂蛋白(VLDL)、低密度脂蛋白(LDL)、中密度脂蛋白(IDL)和高密度脂蛋白(HDL),它们各自具有不同的生物学特性,例如,会在心血管疾病中发挥作用。

在一项研究中,将脂蛋白分析与非靶向性代谢组学相结合,以研究脑钠肽(NT-proBNP)的N末端激素原的脂蛋白谱及其与心力衰竭的关系[3]。NT-proBNP在心力衰竭的诊断中起着重要的生物标志物作用。在这项研究中,利用1H-NMR波谱测定了872个无自述糖尿病的受试对象的脂蛋白颗粒,受试对象来自基于人群的SHIP-TREND,有可用的NT-proBNP测量信息。采集血浆和尿液样本作为综合代谢组学数据,并利用线性回归模型评估血清NT-proBNP浓度与血浆、或部分尿液中测得的代谢物(或脂蛋白颗粒)之间的关联。

结果表明,血清NT-proBNP的增加与有益的脂蛋白谱相关联,包括LDL、VLDL和IDL颗粒的减少以及大HDL颗粒的增加。与NT-proBNP相关的代谢变化被认为对血脂蛋白谱有显著影响,更有利的脂蛋白谱与NT-proBNP浓度升高有关。

Greifswald的团队与Bruker的专家一起,开发了一种详细分析脂蛋白的算法,可提供有关其亚组分的信息[4]。

未来的个性化医疗

对于医院中的患者护理,要求获得能对需要医疗干预的患者进行分类的生物标志物,例如,当需要增高或降低药物剂量时可作出明确的诊断决策。这种决策可以通过应用NMR波谱技术由生物标志物或算法为未来的许多决策提供有价值的信息,可以不依赖于一些已建立的实验室分析。

另一种方法是预防。Medicine Greifswald大学正在引导检测当地居民的代谢组学状态,并计划在五年后对居民重新测量,以观察代谢组状态的变化是否正常、是否存在异常变化。尽早获得这些信息将帮助个体避免在未来罹患特定的疾病,这一点非常重要。

有关Medicine Greifswald大学更多信息,请访问:https://www.medizin.uni-greifswald.de/de/home/
有关AVANCE IVDr NMR系统的更多信息,请访问:https://www.bruker.com/products/mr/nmr/avance-ivdr/overview.html

参考文献

1. Volzke, H., Alte, D., Schmidt, C O., Radke, D., Lorbeer, R., Friedrich, N., Aumann, N., Lau, N., Piontek, M., Born, G., Havemann, C., Ittermann, T., Schipf, S., Haring, R., Baumeister, S E., Wallaschofski, H., Nauck, M., Frick, S., Arnold, A., Junger, M., Mayerle, J., Kraft, M., Lerch, M M., Dorr, M., Reffelmann, T., Empen, K., Felix, S B., Obst, A., Koch B., Glaser, S., Ewert, R., Fietze, I., Penzel, T., Doren, M., Rathmann, W., Haerting, J., Hannemann, M., Ropcke, J., Schminke, U., Jurgens, C., Tost, F., Rettig, R., Kors, J A., Ungerer, S., Hegenscheid, K., Kuhn, J-P., Kuhn, J., Hosten, N., Puls, R., Henke, J., Gloger, O., Teumer, A., Homuth, G., Volker, U., Schwahn, C., Holtfreter, B., Polzer, I., Kohlmann, T., Grabe, H J., Rosskopf, D., Kroemer, H K., Kocher, T., Biffar, R., John, U., and Hoffmann. (2011) Cohort Profile: The Study of Health in Pomerania. International Journal of Epidemiology 2011;40:294–307.
2. http://www2.medizin.uni-greifswald.de/gani_med/
3. Masuch A, Pietzner M, Bahls M, Budde K, Kastenmüller G, Zylla S, Artati A, Adamski J, Völzke H, Dörr M, Felix SB, Nauck M and Friedrich N (2018) Metabolic profiling implicates adiponectin as mediator of a favorable lipoprotein profile associated with NT-proBNP, Cardiovascular Diabetology, 17:120, https://doi.org/10.1186/s12933-018-0765-1.
4. Friedrich N, Pietzner M, Cannet C,Thuesen BH, Hansen T, Wallaschofski H, et al. (2017) Urinary metabolomics reveals glycemic and coffee associated signatures of thyroid function in two population-based cohorts. PLoS ONE, 12(3): e0173078. doi:10.1371/journal.pone.0173078.

关于作者

Matthias Nauck是Medicine Greifswald大学(Universitätsmedizin Greifswald))临床化学研究所教授。他的职责包括关注病患护理和一系列科研项目。在将核磁共振(NMR)引入Greifswald实验室进行流行病学和生物样本库研究方面,Nauck教授发挥了不可或缺的作用。

关于Greifswald大学

Greifswald大学医疗中心是德国最古老的高等教育机构之一,起源于1456年大学成立时期。如今,Greifswald大学医疗中心提供广泛的服务,其中包括21个诊所或综合诊所、19个研究所并与其它中心机构合作。大学医院拥有1000多张床位,并在Greifsweld地区照顾更多的病人。

该大学的研究涉及广泛的领域,包括社区医疗和个性化医疗、环境变化、蛋白质组学和蛋白质技术。

关于Bruker公司

50多年来,Bruker已帮助科研人员取得可提高人类生活品质的突破性发现,并开发出诸多新的应用。Bruker的高性能科研仪器和宝贵的分析解决方案,使科研人员得以在分子、细胞和微观水平上开展对生命和材料的探索。

通过与客户的密切合作,Bruker致力于帮助实现创新、生产力提升以及客户成功,领域涉及生命科学分子研究、制药应用、显微镜、纳米级分析、工业应用,以及细胞生物学、临床成像、临床研究、微生物学和分子诊断。更多信息,请访问:http://www.bruker.com

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