谵妄(一种急性认知改变)是一种常见的、病态的的综合征，又称为急性脑综合征。主要见于老年人，表现为认知功能下降、意识障碍、行为无章、没有目的、注意力无法集中。谵妄并不是一种疾病，而是由多种原因导致的临床综合征。美国每年因谵妄引起的医疗费用高达1820亿美元。尽管对其流行病学的认识不断增加，但由于其多因素和异质性的病因，谵妄的病理生理和发病机制仍然知之甚少。

2022年03月在GSA ( the Gerontological Society of America)上发表的一篇题为“Proteome-Wide Analysis Using SOMAscan Identifies and Validates Chitinase-3-Like Protein 1 as a Risk and Disease Marker of Delirium Among Older Adults Undergoing Major Elective Surgery” [1] 的文章，通过在一项 谵妄病例对照队列研究中，作者使用基于核酸适配体的SomaScan 蛋白质组学技术评估了1305种血浆蛋白与谵妄的关系。结果确定了一种新的可能与临床相关的谵妄风险和疾病血浆生物标志物: CHI3L1/YKL-40。

 

 

研究目的：

谵妄主要依靠临床表现进行诊断，目前并没有明确的生物标志物来指导诊断或治疗。蛋白质组学的进步为识别术后谵妄及其相关长期后果(如长期认知能力下降和阿尔茨海默病[AD])的风险和疾病进展的新标志物提供了机会，以指导谵妄的预测、诊断和监测。

 

研究方法：

在一项巢式匹配病例对照研究中(18对谵妄/非谵妄)，SAGES研究旨在了解谵妄的新危险因素和长期结局，纳入560例≥70岁计划进行重大非心脏手术的患者。在择期手术后成功衰老研究队列SAGES (N = 556)中，作者使用SomaScan评估了术前[PREOP]和术后第2天[POD2]的1305种血浆蛋白与谵妄的关系。将广义线性模型应用于整个队列中一种蛋白质的酶联免疫吸附试验(ELISA)验证数据。多蛋白模型包括先前工作中确定的谵妄生物标志物(c反应蛋白[CRP]，白细胞介素-6 [IL6])。

基于先前的发现，本研究将重点放在PREOP和POD2时间点，分别识别谵妄的风险标志物 (PREOP) 和疾病标志物 (POD2) 。

总体工作流程：

 

 

研究结果：

1、SomaScan蛋白质组学发现谵妄生物标志物

作者比较了 PREOP 和 POD2 的谵妄 （DEL） 和对照 （CNT） 样本的差异表达分析并使用配对 t 检验。出现蛋白质明显失调，则认为该蛋白质具有差异表达（p < 0.05）。在PREOP鉴定了85种蛋白质和在POD2处鉴定了128种蛋白质，在谵妄和对照之间显著差异表达 (p <0.05)。这些蛋白中有44种在两个时间点都失调。这些结果表明，部分与谵妄相关的蛋白质在手术前失调，增加了术后谵妄的风险。

接下来作者使用分层聚类建立蛋白表达的鉴别能力 。PREOP时病例与对照组之间差异表达最显著的前17种蛋白的分层聚类分析(p < 0.01)，术后谵妄患者中增加了11种蛋白质，减少了6种蛋白质。除了18例谵妄病例中有1例与非谵妄对照组聚集，18例对照中有2例与谵妄病例聚集（图2A）。同样，在POD2中，最显着差异表达的 37 种蛋白质的分层聚类 (p < 0.01)，将谵妄病例与无谵妄对照组分开，18 例谵妄病例中，有 3 例与对照组聚类，无对照组与谵妄病例聚类(图2B)。在这37种蛋白质中，与无谵妄对照组相比，发生谵妄的患者中增加了9种蛋白质，减少了28种蛋白质。这也表明了在 PREOP 和 POD2 的谵妄病例和对照组之间有很好的区分。

 

 

图2. 在PREOP和POD2中，谵妄病例与对照之间最显著的差异表达蛋白的分层聚类

 

2、功能注释与系统生物学分析

作者对所有失调蛋白进行了功能类别、典型通路、交互网络、上游调节因子和调节因子效应分析，从而获得 PREOP 和 POD2 谵妄特异性血浆蛋白特征的潜在病理生理途径的新见解。他们使用 85 个 PREOP 和 128 个 POD2 蛋白，进行了IPA分析 (两者的阈值均为 p < 0.05)，预测了上游调节因子集中在PREOP和POD2共同的促炎细胞因子是IL1B和IFNG (图3A和B )。使用 IPA 进行功能富集分析突出了与谵妄相关的关键上游调节因子和生物学功能，这包括PREOP和POD2的炎症和其他免疫通路（如免疫细胞的迁移、粘附和激活），以及POD2的血管功能。这些与炎症反应相关的蛋白质也包括了CHI3L1/YKL-40和IL6（图3H）。CHI3L1/YKL-40 由不同的细胞类型表达，包括巨噬细胞、中性粒细胞、血管平滑肌细胞和软骨细胞，这些结果也表明了CHI3L1/YKL-40 表达水平失调可能会参与以组织重塑或炎症为特征的疾病，并在 2 型免疫应答中发挥关键作用 。

 

 

图3.功能注释与系统生物学分析图

 

3、风险预测模型

为了建立风险预测模型，作者开发了具有最少蛋白质数量的分类器，这些蛋白质可以作为谵妄的风险和疾病生物标志物，并通过基于 SVM 的应用投射在 PCA 上的样本来进行预测，以发现高精度的谵妄风险和疾病预测因子。在PREOP中，作者确定了7个蛋白谵妄风险预测因子，这7个蛋白谵妄风险预测模型在谵妄患者中包括4种增加的蛋白质（CHI3L1/YKL-40、MAP2K3、IL22RA2 和 CD300C）和 3 种减少的蛋白质（CCL27、CD207 和 FN1）。使用该7-蛋白组合的 PCA 将谵妄病例与对照组分离成 2 个簇(图4A)。在 POD2 中，作者鉴定出 4 种蛋白谵妄疾病预测因子，这个4种蛋白预测因子由谵妄患者中1种增加的蛋白(CHI3L1/YKL-40)和3种减少的蛋白(SERPINC1、IL25和ECE1)组成。使用该4-蛋白组合的PCA有效地将谵妄病例与对照组分离成 2 个簇(图4B)。这些结果表明了CHI3L1/YKL-40是在PREOP和POD2时谵妄病例中显著增加的蛋白之一，也是一个在两个时间点的预测模型中都共享的蛋白质。

 

 

图4.使用 PREOP 谵妄分类器 （A） 的 7 种蛋白质和 POD2 谵妄分类器 （B） 的 4 种蛋白质的 PCA 图

 

4、ELISA验证

作者选择了 PREOP 和 POD2 预测因子中包含的一种蛋白质，用于在整个 SAGES 队列中进行验证。CHI3L1/YKL-40是在PREOP 和 POD2 谵妄预测模型 共有的蛋白质，考虑到这一点及其与阿尔茨海默症和神经炎症的已知联系，他们选择CHI3L1/YKL-40在整个SAGES队列 （PREOP N = 553， POD2 N = 556）中进行独立ELISA验证。在PREOP和POD2时，谵妄患者的CHI3L1/YKL-40中位水平显著高于无谵妄患者 （PREOP 和 POD2 的p < 10–4）。结果ELISA 证实了 CHI3L1/YKL-40 是PREOP 和 POD2 预测因子模型中 的谵妄相关蛋白。

 

5、多变量分析

在 PREOP 和 POD2 的数据上生成了一万个子样本，以计算蛋白质保持谵妄特异性的频率。使用所有可能的组合评估具有高频和倍数变化的蛋白质，即稳健的差异表达，作为谵妄的预测因子。对于每种组合，使用SVM进行 1000 次 4 倍交叉验证，以确定预测器的性能。在更大的554 例样本中，ELISA 验证了 CHI3L1/YKL-40 作为 PREOP 和 POD2 预测因子模型中 的谵妄相关蛋白。在联合模型中分析了 CHI3L1/YKL-40 和先前与谵妄相关的血浆标志物（PREOP 和 POD2 的 CRP，仅 POD2 的 IL6）的独立关联，以确定每种蛋白质与谵妄严重程度的关联。通过多蛋白模型发现，PREOP 高的CHI3L1/YKL-40和POD2高的 IL6增加了谵妄的风险（相对风险RR）。

 

总结：

综上所述，作者使用SomaScan结合ELISA验证和多蛋白模型鉴定CHI3L1/YKL-40蛋白作为谵妄的术前风险标志物(即谵妄发作前升高)和术后的疾病标志物(即谵妄发作时升高，谵妄恢复时可能下降)，用于解答谵妄的病原致病机制存在的潜在联系，这些数据揭示了这种高度特异性的免疫激活蛋白在谵妄病理生理学中具有强大的外周特征，并可能提供谵妄、衰老和 AD 之间的联系。

参考文献

[1]Proteome-Wide Analysis Using SOMAscan Identifies and Validates Chitinase-3-Like Protein 1 as a Risk and Disease Marker of Delirium Among Older Adults Undergoing Major Elective Surgery.DOI: 10.1093/gerona/glaa326

 

 

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