כאן, אנו מציגים פרוטוקול המשתמש בספקטרומטריית מסה בלתי תלויה בנתונים ולמידת מכונה שזיהה שמונה חלבונים הקשורים למערכת החיסון כסמנים ביולוגיים מדויקים לאבחון מוקדם של הפרעת הספקטרום האוטיסטי, שאומתו על ידי בדיקת אימונוסורבנט המקושרת לאנזים.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
כאן, אנו מציגים פרוטוקול המשתמש בספקטרומטריית מסה בלתי תלויה בנתונים ולמידת מכונה שזיהה שמונה חלבונים הקשורים למערכת החיסון כסמנים ביולוגיים מדויקים לאבחון מוקדם של הפרעת הספקטרום האוטיסטי, שאומתו על ידי בדיקת אימונוסורבנט המקושרת לאנזים.
מחקר זה מציג פרוטוקול הניתן לשחזור לזיהוי סמנים ביולוגיים של חלבון בסרום הקשורים להפרעת הספקטרום האוטיסטי (ASD) באמצעות ספקטרומטריית מסה של רכישה בלתי תלויה בנתונים (DIA) בשילוב עם למידת מכונה (ML). DIA מאפשר פרופיל בלתי מוטה ברזולוציה גבוהה של פרוטאום הסרום, כולל חלבונים בשפע נמוך, תוך הבטחת שחזור על פני דגימות. גישות ML יושמו לבחירת לוחות חלבון אינפורמטיביים אבחנתיים ושיפור חוסן המודל. הניתוח כלל סרום מ-99 ילדים עם ASD ו-70 בקרות תואמות גיל. חלבונים בשפע גבוה התרוקנו, פפטידים הוכנו באמצעות הליכי עיכול ופיצול סטנדרטיים, ו-DIA בוצע על ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה. עיבוד וכימות הנתונים זיהו חלבונים בעלי ביטוי דיפרנציאלי, שעברו ניתוח העשרה פונקציונלית. שמונה חלבונים הקשורים למערכת החיסון התגלו כמועמדים חזקים לפיתוח סמנים ביולוגיים. מודל רגרסיה לוגיסטית שהוכשר על חלבונים אלה השיג דיוק של 95.27%, ערך קאפה של 0.9025 ו-AUC של 1.000 באימות צולב. ממצאים אלה מדגימים את הפוטנציאל של פרוטאומיקה מבוססת DIA, בשילוב עם למידת מכונה, כמסגרת חזקה לגילוי סמנים ביולוגיים ב-ASD ולהסתגלות במחקר קליני רחב יותר.
הפרעת הספקטרום האוטיסטי (ASD) היא קבוצה של הפרעות נוירו-התפתחותיות מוקדמות המאופיינות בהטרוגניות באטיולוגיה ובהצגה קלינית. מאפייני הליבה כוללים ליקויים מתמשכים בתקשורת חברתית ובאינטראקציה, כמו גם התנהגויות, תחומי עניין או פעילויות מוגבלים וחוזרים על עצמם. בארצות הברית, השכיחות היא כ-2.3% בקרב ילדים בני 8 וכ-2.2% בקרב מבוגרים, מה שמדגיש את השפעתה על בריאות הציבור 1,2,3,4. גורמי הסיכון מגוונים, כולל נטיות גנטיות, חוסר ויסות חיסוני וחשיפות סביבתיות טרום לידתיות 5,6,7. אבחון והתערבות מוקדמים יכולים לשפר משמעותית את התוצאות ההתפתחותיות, מה שהופך את זיהוי הסמנים הביולוגיים האובייקטיביים והאמינים למוקד עיקרי של מחקר ASD 8,9,10. פרוטוקול זה מתבסס על עבודתנו שפורסמה בעבר ביישום פרוטאומיקה ולמידת מכונה של רכישה בלתי תלויה בנתונים (DIA) כדי לזהות חלבונים הקשורים למערכת החיסון כסמנים ביולוגיים פוטנציאליים לאבחון מוקדם של ASD11.
למרות מאמצים נרחבים, לא קיימים כיום סמנים ביולוגיים ספציפיים ומאומתים באופן אוניברסלי לאבחון קליני של ASD12. המועמדים המוצעים - כגון שינויים במיקרוביום המעי13, אינטרלוקין-6 מוגבר (IL-6)14, שינויים בגורם נוירוטרופי שמקורו במוח (BDNF)15 וסמני עקה חמצונית כמו גלוטתיון16 - נותרו ראשוניים וחסרי יכולת שחזור לשימוש קליני. פרוטאומיקה התגלתה כגישה מבטיחה לזיהוי חתימות מולקולריות ספציפיות למחלה, ומספר מחקרים חקרו דגימות ביולוגיות שונות (דם, רוק, שתן, PBMCs) עבור חלבונים המתבטאים באופן דיפרנציאלי 8,17,18,19,20,21,22 . לדוגמה, Bao et al. הראו כי חלבונים דלקתיים שזוהו על ידי פרוטאומיקה של Olink עשויים לסייע באבחון מוקדם של ASD (17), בעוד שמחקרים אחרים מצביעים על כך שמסלולים פרוטאומיים ומטבוליים משותפים עשויים להניב סמנים ביולוגיים חזקים למרות ההטרוגניות הגנטית של ASD23.
ספקטרומטריית מסה DIA זכתה לתשומת לב הולכת וגוברת בזכות פרופיל החלבון המקיף והניתן לשחזור שלה. בניגוד לרכישה תלוית נתונים מסורתית (DDA), המפצלת באופן סלקטיבי את היונים האינטנסיביים ביותר, DIA מפצלת את כל היונים הקודמים על פני חלונות m/z מוגדרים מראש. זה מספק כיסוי פרוטאום עמוק יותר ויכולת שחזור משופרת על פני קבוצות גדולות, יתרון מרכזי להשוואות קליניות14. מחקרי השוואה מראים ש-DIA מזהה יותר פפטידים הניתנים לכימות מאשר DDA, במיוחד עבור חלבונים בשפע נמוך, עם שונות נמוכה יותר בין ריצות14.
בהתבסס על התקדמות זו, יישמנו ניתוח פרוטאומי מבוסס DIA על דגימות סרום מ-99 ילדים עם ASD ו-70 בקרות, לאחר דלדול חלבונים בשפע גבוה. הממצאים שלנו מדגישים את הפוטנציאל של חלבונים הקשורים למערכת החיסון כסמנים מולקולריים לאבחון מוקדם של ASD ומדגימים את הערך של פרוטאומיקה מבוססת DIA בגילוי סמנים ביולוגיים בשילוב עם מתודולוגיה קפדנית11.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הפרוטוקול נערך בהתאם להצהרת הלסינקי והפרוטוקול אושר על ידי מועצת הביקורת המוסדית בבית החולים לבריאות האם והילד בצ'אנגשה; התקבלה הסכמה מדעת מהנבדקים.
1. זיהוי ילדים עם אוטיזם עם DSM-5
2. הכנת מדגם לניתוח ספקטרומטריית מסה DIA
3. הגשה לניתוח ספקטרומטריית מסה DIA
4. אנליזה דיפרנציאלית של חלבונים
5. ניתוח נתיב אותות
6. סינון ראשוני של חלבונים באמצעות ניתוח עקומת ROC
7. סינון משני באמצעות יער אקראי
8. שלב תוצאות לבחירת הסמן הביולוגי הסופי.
הערה: ודא ש-R מותקן עם החבילות הבאות: pROC, randomForest ו-ggplot2. ודא שמערך הנתונים של הפרוטאומיקה מעובד מראש ומנורמל לפני הניתוח. שמור את רשימות הסמנים הביולוגיים המועמדים ותרשימי ההדמיה כקבצים נפרדים לעיון.
9. בחירת תכונה דו-כיוונית
10. אימות צולב של בחירת תכונה דו-כיוונית באמצעות רגרסיה לוגיסטית בשיטת השארת אחד החוצה
הערה: ודא ש-R מותקן עם החבילות הבאות: caret, pROC ו-ggplot2. יש לעבד מראש את מערך הנתונים של הפרוטאומיקה ולנרמל אותו לפני הניתוח. שמור את מטריצת הבלבול, עקומת ה-ROC וסיכום המודל כקבצים נפרדים לעיון.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחקר כלל 99 ילדים עם ASD ו-70 בקרות תואמות גיל (3-7 שנים), עם התפלגות מין מאוזנת (טבלה משלימה S2). הסרום נאסף לאחר צום לילה באמצעות פרוטוקולים סטנדרטיים: דם נשאב לתוך צינורות מפרידים בסרום, הותר להיקרש בטמפרטורת החדר למשך 30 דקות, ואז צנטריפוגה ב-1,500 × גרם למשך 10 דקות ב-4 מעלות צלזיוס. הסופרנטנט אוחסן בטמפרטורה של -80 מעלות צלזיוס עד להמשך עיבוד. חלבונים בשפע גבוה (למשל, אלבומין, IgG, הפטוגלובין) התרוקנו כדי לשפר את רגישות הזיהוי. ריכוז החלבון נקבע על ידי בד...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הפרוטוקול המתואר בכתב יד זה מתאר גישה מקיפה לזיהוי סמנים ביולוגיים מולקולריים הקשורים למערכת החיסון בהפרעת הספקטרום האוטיסטי (ASD) באמצעות ספקטרומטריית מסה של רכישה בלתי תלויה בנתונים (DIA) וטכניקות למידת מכונה. השלבים החשובים בפרוטוקול מבטיחים תוצאות אמינות וניתנות לשחזור, תוך הדגשת תחומים שבהם עשויים להיות נחוצים שינויים או פתרון בעיות (טבלה 2).
אחד השלבים המרכזיים בפרוטוקול הוא איסוף וטיפול בדגימות סרום. ניתן לאסוף סרום באמצעות צנטריפוגה או...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין ניגודי אינטרסים להצהיר עליהם.
תודה לכל חברי המעבדה המרכזית ולאלה שעזרו בפרויקט זה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| <חזק>ריאגנטים וכימיקלים | אצטוניטריל (דרגת HPLC) | פישר סיינטיפיק | A18-50 |
| <חזק>ריאגנטים וכימיקלים | אמוניום ביקרבונט (NH? HCO?) | סיגמא-אולדריץ' | 38939 |
| <חזק>ריאגנטים וכימיקלים | פורמט אמוניום | סיגמא-אולדריץ' | 90265 |
| <חזק>ריאגנטים וכימיקלים | אלבומין סרום בקר (BSA) | תרמו פישר סיינטיפיק | 23212 |
| <חזק>ריאגנטים וכימיקלים | דיתיותרייטול (DTT) | סיגמא-אולדריץ' | 43815 |
| <חזק>ריאגנטים וכימיקלים | חומצה פורמית (0.1%) | תרמו פישר סיינטיפיק | 28905 |
| <חזק>ריאגנטים וכימיקלים | יודואצטמיד (IAA) | סיגמא-אולדריץ' | I1149 |
| <חזק>ריאגנטים וכימיקלים | מתנול (דרגת HPLC) | פישר סיינטיפיק | A452-4 |
| <חזק>ריאגנטים וכימיקלים | חומצה טריפלואורואצטית (TFA) | סיגמא-אולדריץ' | T6508 |
| <חזק>ריאגנטים וכימיקלים | אוריאה | סיגמא-אולדריץ' | U5378 |
| <ערכות חזקות>וריאגנטים מיוחדים | ערכת בדיקת חלבון BCA | תרמו פישר סיינטיפיק | 23227 |
| <ערכות חזקות>וריאגנטים מיוחדים | מחסניות C18 Sep-Pak | ווטרס | WAT023590 |
| <ערכות חזקות>וריאגנטים מיוחדים | C18 StageTips (תוצרת בית) | 3M Empore&Trade; | |
| <ערכות חזקות>וריאגנטים מיוחדים | ערכת דלדול חלבון בשפע גבוה | מיליפור סיגמא | 122642 |
| <ערכות חזקות>וריאגנטים מיוחדים | פפטידים סטנדרטיים של iRT | ביוגנוסיס AG | |
| <ערכות חזקות>וריאגנטים מיוחדים | ערכת Lysozyme ELISA | ווהאן פיין ביוטק ושות' | בע"מ |
| <ערכות חזקות>וריאגנטים מיוחדים | תערובת אנזימים טריפסין/LysC | פרומגה | V5071 |
| <חזק>ציוד | צנטריפוגה | אפנדורף | ברקוד 5430R |
| <חזק>ציוד | מערכת Easy-nLC 1200 | תרמו פישר סיינטיפיק | |
| <חזק>ציוד | ספקטרופוטומטר אחד של Nanodrop | תרמו פישר סיינטיפיק | ND-אחד-W |
| <חזק>ציוד | Q ספקטרומטר מסה HF-X אקטיבי | תרמו פישר סיינטיפיק | |
| <חזק>ציוד | רכז SpeedVac | תרמו פישר סיינטיפיק | SPD131DDA |
| <חזק>ציוד | צנטריפוגת רוטור Swinning-Bucket | מגוון | |
| <חזק>ציוד | טור ווטרס XBridge BEH130 | ווטרס | C18, 3.5 ו-mu; m, 2.1 ופעמים; 150 מ"מ |
| <חזק>ציוד | מערכת Agilent 1260 HPLC | זריז | 1260 אינפיניטי II |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | מוליכים ביולוגיים (חבילות R) | bioconductor.org | |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | caret (חבילת R) | קראן | caret_6.0-93 |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | clusterProfiler (חבילת R) | מוליכים ביולוגיים | 4.0.5 |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | דיא-נ | תוכנת DIA-NN | גרסה 1.8 |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | ggplot2 (חבילת R) | קראן | 3.4.0 |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | מקסימום קוואנט | מכון מקס פלאנק | 1.6.17 |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | omickits.com | פלטפורמת הענן של OmiKits | http://www.omickits.com |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | pROC (חבילת R) | קראן | 1.18.0 |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | randomForest (חבילת R) | קראן | 4.7-1.1 |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | ספקטרונאוט פולסר X | ביוגנוסיס AG | 17 |
| <חזק>תוכנה וכלים מקוונים | מסד נתונים אנושי של UniProtKB | uniprot.org | מהדורה: 2019_10 |
| <חזק>חומרים אחרים | צינורות מיקרוצנטריפוגה בעלי כריכה נמוכה | אפנדורף | 30120094 |
| <חזק>חומרים אחרים | שפופרות מפריד סרום (SST) | BD Biosciences | 367988 |
| <חזק>חומרים אחרים | 3M Empore&Trade; דיסקי C18 | 3 דקות |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.