SomaScan蛋白质组学—揭示Alpha-1 抗胰蛋白酶缺乏症和慢性阻塞性肺疾病肺气肿的独特和共享全身生物标志物

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文章背景

α-1 抗胰蛋白酶 （AAT） 缺乏症 （AATD） 是肺气肿最常见的遗传原因，在受影响的受试者中表现为无法解释的表型异质性。旨在确定与慢性阻塞性肺病 （COPD） 相关独特且共享的 AATD 血浆生物标志物，这可能解释了 AATD 表型异质性。

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研究方法

在 SomaScan V4.0 平台上分析了来自 4 个 AATD 和 COPD 队列的 5,924 名受试者的血浆或血清。使用多变量线性回归、逆方差随机效应荟萃分析和最小绝对收缩和选择运算符 （LASSO） 回归，作者测试了 4,720 种蛋白质之间的关联，或结合蛋白质评分与肺气肿的关联，通过第 15 个百分位肺密度 （PD15） 或扩散能力 （DLCO） 测量不同的 AATD 基因型（Pi*ZZ、Pi*SZ、Pi*MZ）和非 AATD， PiMM COPD 受试者。使用受试者工作特征曲线分析测试 AAT SOMAmer 识别 AATD 的准确性。

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发现

使用 SomaScan蛋白质组学，作者确定了 AATD 和 COPD 受试者之间独特且共享的血浆生物标志物，并生成了与 COPD 和 AATD 肺气肿密切相关的蛋白质评分。此外，在 PiZZ AATD 中发现了与 DLCO 和肺气肿相关的独特生物标志物。

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研究结果

一、研究人群

队列存在显着的人口异质性（图 1、表 1 ），AATD 队列比 COPDGene 更年轻，并且包含更多的从不吸烟者（p<0.0001，方差分析单向），在 COPDGene 中，作者确定了 11 名和 37 名非洲裔美国受试者，分别患有中度缺陷 Pi*MZ 和 Pi*MS;其他队列主要招募非西班牙裔白人。GRADS 和 Birmingham 队列招募了更多患有 COPD GOLD 3 期和 4 期的受试者（表 1）。与不治疗相比，在 GRADS 和 QUANTUM-1 中接受 AAT 治疗的 PiZZ 受试者有更多的肺气肿 （p<0.001），而 PiZZ 受试者通常比 PiMM 受试者有更多的肺气肿和更低的 DLCO（表 1）。COPDGene 中三分之一的 PiMZ 受试者是主动吸烟者，与 GRADS 中的 PiMZ 相比，相应的包年数更高，肺气肿更高 （p<0.006， Kruskal-Wallis） 和更低的 DLCO （p<0.001， Kruskal-Wallis），这表明，正如预期的那样，吸烟是疾病严重程度的附加危险因素（表 1）。COPDGene 中的 PiMS 受试者与 PiMM 个体具有相似的人口统计学、烟草暴露和功能特征。有趣的是，伯明翰队列中的 PiSZ 受试者，尽管 AAT 水平明显低于 PiMM 和 PiMZ 受试者，但在与 PiZZ 受试者相似的年龄下，FEV1、DLCO 和 GOLD 严重程度几乎正常。最后，COPDGene 受试者的 Charlson 合并症指数较高。

图1.研究人群

表1.人群特征

二、与强化治疗停止的 AATD 患者气流阻塞和 DLCO 相关的生物标志物  

作者分别鉴定了 177 、 169 和 216 个蛋白与 FEV1 、 FEV1pp 和 FEV1/FVC 比率显著相关 （名义 p ≤ 0.05，但没有 FDR ≤ 0.05）。有 671 种蛋白质与 DLCO 相关，其中 98 种与 DLCO 呈正相关或负相关 （FDR ≤ 0.05） （图 2a）。在与 DLCO 呈正相关的那些中，排名靠前的 SOMA 受体是：小脑蛋白 4 （CBLN4）、免疫球蛋白超家族 DCC 亚类成员 4 （IGDC4）、血黄素 （HFE2） 和胰岛素样生长因子 1 （IGF-1）。在与 DLCO 负相关的那些中，排名靠前的 SOMA 受体是：巨噬细胞清道夫受体 1 型 （MSR1）、转明胶 （TAGL）、生长/分化因子 15 （GDF15）、巨噬细胞甘露糖受体 1 （MRC1）、Gremlin-2 （GREM2）、包含 CUB 结构域的蛋白-1 （CDCP1） 和脂肪酸结合蛋白、脂肪细胞 （FABP4） 。在 PiZZ 受试者中与 DLCO 显著相关的 98 种蛋白质中，68 种也是与 PiMM 受试者中的 DLCO 相关的共享蛋白质（图 2b ），但重要的是，仅在 PiZZ 关闭治疗受试者中，30 种蛋白质与 DLCO 独特相关（图 2b）。前 5 种独特蛋白为：角蛋白 1、肌美素-2、胰岛素受体、胰岛素样生长因子和羟甲基胆碱合酶;它们在表格插页中进行了描述（图 2b）    

  图2. SomaScan 蛋白与 PiZZ 受试者停止增强治疗的 DLCO 的关联     

然后，作者分别考虑了 PiZZ 关闭治疗和 PiMM 个体中与 DLCO 相关的 671 和 1305 种重要的蛋白质进行通路分析。使用 GOrilla，在 PiZZ 关闭疗法中发现了三种显着丰富的细胞成分途径：胰岛素样生长因子复合物、脂滴和肌球蛋白复合物（图 3a）

图3.在 PiZZ 关闭增强疗法和 PiM 受试者中与 DLCO 相关的 SomaScan 蛋白中富集的细胞成分通路

三、与 PiMZ AATD 受试者气流阻塞、DLCO 和肺气肿相关的生物标志物

使用两个队列 COPDGene 和 GRADS 中的个体，作者确定了 10 种与 FEV1 显著相关的蛋白质；1 例 CRP 显著 （FDR ≤ 0.05，多变量线性回归，图 4a）。有 142、164 和 145 个蛋白质名义上与 FEV1pp、FEV1/FVC 和 PD15 相关 （p ≤ 0.05，但在 FDR ≤ 0.05 时没有，多变量线性回归）。有 280 种蛋白与 DLCO 相关;10 种蛋白质是显著的 （FDR ≤ 0.05，多变量线性回归，图 4b）。有 1 种 SomaScan 蛋白与 DLCO、环腺苷酸依赖性转录因子 ATF-6 α （ATF6） 呈正相关，而其他 9 种蛋白呈负相关：视黄酸受体反应蛋白-2 （RARRES2）、脊索蛋白样蛋白-1 （CHRDL-1）、R-spondin-1 （RSPO-1）、成纤维细胞生长因子结合蛋白-1 （FGFBP1）、多效细胞生长因子 （PTN）、Spondin-1 （SPO-1）、C-C 基序趋化因子-16 （CCL16） 和胶原 α-1 （XXVIII） 链 （COL28A1）。   

图4. Somascan 蛋白与 PiMZ 受试者的 DLCO 和肺活量测定法的关联

四、肺气肿蛋白评分，以促进对测量的肺气肿方差的解释并评估 AATD 和 COPD 之间的生物标志物相似性

作者使用测量了 PD15 的 GRADS 和 QUANTUM-1 队列（PiZZ AATD 受试者），确定了两种蛋白质，β细胞蛋白 （BTC） 和细胞周期蛋白依赖性激酶 2 相关蛋白-1 （CDK2AP1） 与 PD15 呈正相关（FDR ≤ 0.05，多变量线性回归，图 5ab）

图5.Somascan 个体蛋白和肺气肿蛋白评分与调整后的肺密度相关

使用了 LASSO回归分析，允许特征选择和正则化来开发肺气肿 （PD15） 的蛋白质评分。蛋白质评分在 COPDGene PiMM 受试者上进行了训练和测试，因为它的样本量较大。最佳风险评分在肺气肿 （PD15） 蛋白评分中结合了 262 种蛋白质，与测试队列中 PiMM 受试者测得的肺气肿具有很强的相关性 （R2=0.44，rho=0.66，LASSO，图 5）。计算出的肺气肿蛋白评分在来自 AATD 队列的 PiZZ 和 PiMZ 受试者中也是准确的 （rho 从 0.47 到 0.70，LASSO，图 5b-d，表 2）。较低的 rho 值与接受 AAT 治疗的 GRADS PiMZ 和 PiZZ 受试者相关，它们分别具有最轻微和最严重的肺气肿（图 5d）。肺气肿蛋白评分与测得的肺气肿之间的相关性与 DLCO 与测得的肺气肿的相关性相当（R2 从 0.20 到 0.76，Pearson 相关性，表 2），在 PiMZ COPDGene 患有轻度至中度肺气肿的个体中相关性最高。伯明翰队列中没有定量 CT 测量;然而，肺气肿蛋白评分与测量的视觉肺气肿相关 （AUC=0.74，logistic 回归）。尽管使用了三个 AATD 独立队列来确定几个独特的蛋白质 - PD15 关联，但任何一个队列中都没有足够的 AATD 受试者来开发独特的 AATD 蛋白质风险评分。

        

表 2.测量的调整后肺密度 （PD15） 与 LASSO 预测的 PD15 或测量的 DLCO 相比

五、SomaScan 识别 AATD 主题   

根据低 AAT 血清水平，很容易识别严重缺陷的 PiZZ 受试者。然而，许多 AATD 受试者中度缺陷，即 PiSZ、PiMS 和 PiMZ，尽管患 COPD 的风险增加，除非进行 AAT 基因分型。作者发现 SomaScan 可以很容易地识别未接受 AAT 治疗的 PiZZ 受试者（图 6a-b）。用于诊断 PiZZ 与 PiSZ、PiMM、PiMS 和 PiMZ，以及 PiSZ 与 PIMZ 和 PIMM 受试者的受试者工作特征 （ROC） 曲线是完美的（AUC 1.00，逻辑回归，图 6c）。PiSZ 、 PiMS 和 PiMZ 受试者也具有良好的区分 （AUCs 0.8-0.9，logistic 回归，图 6b-c）。因此，临界值 <7.99 （RFU，自然对数） 对 PiZZ 的诊断具有 100% 的敏感性/特异性，高于 10.52 的值可能是 PiMM 受试者。

图6.各种 Alpha-1 基因型中的 SomaScan Alpha-1 抗胰蛋白酶相对水平

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总结

本文证明 SomaScan 蛋白质组学平台有助于对 AATD 携带者和可能具有更高肺气肿风险的早期疾病受试者进行风险分层。此外，SomaScan 肺气肿蛋白评分增强了我们预测肺气肿的能力。此外，SomaScan 对重度和中度缺陷 AAT 基因型具有出色的诊断特性，这些基因型是临床上可操作的主要 AATD 表型。需要进一步的工作来确定这些相同的生物标志物是否有助于评估肺气肿和气流阻塞以及其他 COPD 合并症（如 AATD 受试者的恶化）的进展。

参考文献：

【1】Serban KA, Pratte KA, Strange C, Sandhaus RA, Turner AM, Beiko T, Spittle DA, Maier L, Hamzeh N, Silverman EK, Hobbs BD, Hersh CP, DeMeo DL, Cho MH, Bowler RP. Unique and shared systemic biomarkers for emphysema in Alpha-1 Antitrypsin deficiency and chronic obstructive pulmonary disease. EBioMedicine. 2022 Oct;84:104262. doi: 10.1016/j.ebiom.2022.104262. Epub 2022 Sep 22. PMID: 36155958; PMCID: PMC9507992.

文案：李秋燕

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