血清微量元素组学及其在痛风性关节炎病理研究中的应用

论文摘要

元素是自然界中任何物质包括生物体在内的基本组成单位,对生物的一切生命活动起着至关重要的作用。环境元素组成和生物体对元素的代谢（吸收、转运、分布和排泄）都与疾病的发生发展情况密切相关。近些年,已经有科学家提出金属组学的概念,以整合所有与生物金属相关的研究分支。金属组学的研究方法强调金属的整体形态分析,但受限于目前分析技术水平的发展,而至今未有显著进展,其实质还是停留在各个领域的传统分析水平。因此,我们提出一种新的实际可行的血清微量元素组学的研究策略,即将”组学”策略与血清无机元素分析相结合,进行无机元素水平上的整体分析,同时结合多元统计思想,对临床疾病状态进行区分并寻找潜在的生物元素标记物。痛风是嘌呤代谢紊乱和（或）尿酸排泄减少,导致尿酸盐在组织沉积,所引起的一组异质性疾病。其临床特点为高尿酸血症、尿酸盐沉积所导致的反复发作的急、慢性关节炎和软组织损伤、尿酸性肾结石所导致的痛风性肾病。患者还可伴发肥胖、高脂血症、糖尿病、高血压病及心脑血管病等恶性疾病。痛风的发病率在男性中为600/10万,女性约为100/10万,高尿酸血症在人群中的患病率约为5%～30%。痛风虽然是一种古老的疾病,但在过去的30年里痛风的患病率呈现了非常快速增长的趋势。预计在今后的20～30年内,痛风在我国将成为仅次于糖尿病的第二号代谢疾病。痛风发作的直接原因-尿酸结晶沉积,虽然早在几十年前就已经很清楚,但深入的病理机制,至今未有显著进展。痛风诊断的金标准-关节穿刺尿酸结晶观察虽然很明确,但属于介入性方法,且可行性较差,人们目前应用较多的仍然是主观性较强的临床诊断标准,包括血尿酸水平,这种诊断标准不仅误诊的可能较大,而且不适合大规模临床筛查研究。此外,值得一提的是,痛风与元素之间的相关性研究,至今还未见有文献报道。本课题提出了一种新的血清微量元素组学研究策略,并对其方法学及临床应用的潜力进行了初步的研究和考察,在整体微量元素水平上对骨关节炎和急性痛风性关节炎的诊断及相关病理机制进行了有益的探索。主要内容和结果如下:1.血清微量元素组学方法学的优化和考察提出了一种新的血清微量元素组学研究策略,并通过回收率稳定性、扰动等试验对其基于电感耦合等离子体质谱的方法进行了研究和考察,同时优选出各个元素最佳的监测质量数。结果显示虽然ICPMS元素分析存在一定的干扰,但并不会影响微量元素组学策略研究结果的可靠性,微量元素组学策略研究所采用的方法学是稳定可靠的。2.血清微量元素组学在膝骨关节炎中的应用通过对骨关节炎的临床应用研究,进一步考察了微量元素组学方法的可行性和可靠性,并展示了微量元素组学应用研究的流程。血清微量元素组学结果显示,骨关节炎患者和健康人血清样本可以在OPLSDA得分图上清楚的分离。微量元素谱差异结果显示,骨关节炎患者血清中锡、锂等元素浓度较健康对照组明显改变。3.急性痛风性关节炎的血清微量元素组学研究将微量元素组学方法,应用于急性痛风性关节炎（包括急性发作期和缓解期）及其高血压伴发症的研究。将急性期和缓解期样本合并作为急性痛风性关节炎组与健康对照组一起建立多维模式识别模型,结果显示,两者可以在OPLSDA得分图上清楚的分离,模型有较好的稳定性和较高的预测率。差异元素结果显示,急性痛风性关节炎患者血清中Li、Fe、Cu、Ce、U等元素浓度较健康对照组明显改变,提示血清微量元素组学作为急性痛风性关节炎的一种新的临床诊断工具具有进一步开发的潜力。Cu和Fe的异常可能与体内氧化应激和/或炎症状态有关。急性期和缓解期之间单维统计研究结果则显示Fe,Rb,Cs为差异元素。Fe在缓解期相对急性期向正常状态微微升高,可能与急性痛风性关节炎反复发作的周期性变化相关。在正常组和痛风组内分别进行了元素与血尿酸值相关性研究。正常组内pearson相关性和Logistic回归分析证明,Sr可能与高尿酸的发生存在显著的相关性。而痛风组内元素Li, V, Cr, Fe, Se可能与尿酸升高相关性较大,经讨论分析推测,高浓度的Li可能是促使尿酸结晶的“催化剂”,而Se则可能对尿酸结晶起到一定的抑制作用。急性痛风性关节炎伴发高血压与否的微量元素组学研究结果表明伴发高血压与否的两个亚组之间可以明显地区分开,血清Li、Sr、Mo、Cs、U等元素是决定伴发高血压与否潜在的元素标记物。4.急性痛风性关节炎的相关元素的定量研究建立了传统的基于ICP-MS的定量分析方法,对急性痛风性关节炎微量元素组学研究发现的大部分潜在的差异元素进行了定量验证。结果显示,大多数潜在差异元素包括与尿酸相关的元素,都得到了与微量元素组学相似的结果。提示我们这些潜在的差异元素的结果可信度较高,值得进一步深入研究。本课题提出和考察了一种新的血清微量元素组学的研究策略。该方法相对于传统的目标元素定量分析方法具有整体性,高通量等优势,目前相对于金属组学是一种更具完全“组学”意义且更加实际可行的全元素分析研究方法。血清微量元素组学的方法学考察及其在膝骨关节炎和急性痛风性关节炎的临床应用结果和定量验证结果证明,本方法是稳定可靠的,其在临床疾病包括伴发症的诊断和金属标记物的发现研究方面是一种新的有潜力的工具,具有良好的应用前景。通过与其它组学数据整合,血清微量元素组学研究策略将有助于增强我们对生物体和疾病机理的理解。研究中发现的一些与疾病相关的元素,很可能是骨关节炎的元素标记物,值得我们进一步深入的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 课题背景介绍
• 1.1.1 “组学”科学的研究策略概述
• 1.1.2 微量元素和金属组学
• 1.1.3 微量元素组学的研究假设及其分析工具
• 1.1.4 痛风的研究背景
• 1.2 选题依据及研究内容
• 1.2.1 本课题的选题依据和意义
• 1.2.2 本课题的研究内容
• 参考文献
• 第二章 血清微量元素组学方法学的优化和考察
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 仪器
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 ICPMS 仪器调谐
• 2.3.2 数据采集和数据分析参数设定
• 2.3.3 数据提取
• 2.3.4 样品的制备
• 2.3.5 准确度稳定性试验
• 2.3.6 扰动试验
• 2.3.7 线性试验
• 2.3.8 精密度试验
• 2.3.9 重复性试验
• 2.4 结果和讨论
• 2.4.1 内标的选择和内标引入模式的选择
• 2.4.2 样品制备过程的确定
• 2.4.3 方法学考察中待考察同位素的设定及单元素标准溶液的选择
• 2.4.4 回收率稳定性试验结果
• 2.4.5 扰动试验结果
• 2.4.6 线性、精密度和重复性结果
• 2.4.7 检测同位素的确定
• 2.4.8 方法学研究总结和讨论
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 血清微量元素组学在骨关节炎研究中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 仪器
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 血清样本的采集
• 3.3.2 样品的制备
• 3.3.3 仪器和数据采集条件
• 3.3.4 数据提取及处理
• 3.4 试验结果
• 3.4.1 骨关节炎患者与健康对照血清ICPMS 测定典型质谱图
• 3.4.2 多维统计分析
• 3.5 讨论
• 3.5.1 本应用研究的总体意义
• 3.5.2 关于差异变量的确定
• 3.5.3 与骨关节炎病理相关元素的探讨
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 急性痛风性关节炎的血清微量元素组学研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料
• 4.2.1 试剂
• 4.2.2 仪器
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 血清样本的采集
• 4.3.2 样品的制备
• 4.3.3 仪器和数据采集条件
• 4.3.4 数据提取及处理
• 4.4 试验结果
• 4.4.1 样本基本信息
• 4.4.2 急性痛风性关节炎患者与健康对照血清ICPMS 测定典型质谱图
• 4.4.3 全体样本聚集和离散情况的总体观察
• 4.4.4 急性痛风性关节炎急性期和缓解期间的比较
• 4.4.5 急性痛风性关节炎组与非痛风健康对照组之间的区分
• 4.4.5.1 用于建立预测模型的样本筛选
• 4.4.5.2 急性痛风性关节炎预测模型的建立
• 4.4.6 潜在元素标记物的鉴别
• 4.4.7 各元素与血尿酸浓度的相关性研究
• 4.4.8 急性痛风性关节炎伴发高血压与否的判别及相关元素标记物
• 4.4.9 年龄对微量元素含量的影响
• 4.5 讨论
• 4.5.1 关于样本的选择
• 4.5.2 关于多元统计方法的一些讨论
• 4.5.3 微量元素组在急性痛风性关节炎诊断中的应用
• 4.5.4 与急性痛风性关节炎病理相关元素标记物的探讨
• 4.5.5 与急性痛风性关节炎伴发高血压病理相关元素标记物的探讨
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 急性痛风性关节炎相关元素的定量研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料
• 5.2.1 试剂
• 5.2.2 仪器
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 ICPMS 仪器调谐
• 5.3.2 数据采集和数据分析参数设定
• 5.3.3 数据提取及处理
• 5.3.4 血清样本来源及制备
• 5.3.5 标准溶液的制备
• 5.4 试验结果
• 5.4.1 标准曲线的绘制
• 5.4.2 方法学验证
• 5.4.3 急性痛风性关节炎样品定量结果
• 5.5 讨论
• 5.5.1 定量目标元素的选择
• 5.5.2 定量目标元素监测质量数和积分时间的确定
• 5.5.3 关于定量验证的结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.1.1 血清微量元素组学方法学的优化和考察
• 6.1.2 血清微量元素组学在膝骨关节炎中的应用
• 6.1.3 急性痛风性关节炎的血清微量元素组学研究
• 6.1.4 急性痛风性关节炎相关元素的定量研究
• 6.2 全文结论
• 6.3 论文创新点
• 6.4 展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要研究成果
• 附录