基于炎症衍生和临床指标的缺血性卒中恢复预测模型

Inflammation-Derived and Clinical Indicator-Based Predictive Model for Ischemic Stroke Recovery

作者信息Jiao Luo, You Cai, Peng Xiao, Changchun Cao, Meiling Huang, Xiaohua Zhang, Jie Guo, Yongyang Huo, Qiaoyan Tang, Liuyang Zhao, Jiabang Liu, Yaqi Ma, Anqun Yang, Mingchao Zhou, Yulong Wang
PMID39041609
发布时间2024-08-06
DOI10.1161/JAHA.124.035609

实验完整度

高

包含临床队列蛋白质组学与ELISA验证、动物模型(MCAO)与细胞模型(OGD/R)的多层级验证,以及机器学习预测模型。

主要模型

hCMEC/D3细胞(人脑微血管内皮细胞系) MCAO小鼠模型(C57BL/6J) 缺血性卒中患者临床队列

重点核对

MCAO模型:12周龄C57BL/6J雄性小鼠(25-30g),硅胶包被线栓阻塞1小时,再灌注 OGD/R模型:hCMEC/D3细胞,无糖MEM培养基,1% O2,5% CO2,94% N2条件下6小时,再复氧24小时 ELISA验证:血清样本稀释10倍,TIMP1(RDR-TIMP1-Hu, Reddot Biotech),LGALS3(EK1126, Multi Sciences) 临床分组:根据Longshi量表和Barthel指数,LE组卧床到卧床,OE组卧床到居家 机器学习:随机森林算法,训练集15例LE和11例OE,测试集15例LE和11例OE,预测准确率80%

摘要

背景:神经炎症反应与卒中后预后严重程度密切相关。本研究旨在开发一种结合炎症衍生标志物和临床指标的预测模型,用于区分亚急性缺血性卒中患者的功能结局。方法与结果:根据日常生活活动能力评估,将缺血性卒中参与者分为疗效不佳(LE)恢复组和疗效明显(OE)恢复组。通过重叠临床血清样本蛋白质组学(5例LE,5例OE,6例健康对照)中差异表达蛋白和大脑中动脉闭塞小鼠缺血皮质RNA序列(n=3)中差异表达基因,识别出初始生物候选分子。在缺血-再灌注模型和临床队列(15例LE,11例OE,18例健康对照)中进行了多维度验证。基于鲁棒的生物候选分子结合临床指标,在训练数据集中用机器学习开发模型,并在另一个测试数据集(15例LE,11例OE)中进行预测。我们在人血清中鉴定出194个差异表达蛋白(LE与健康对照)和174个差异表达蛋白(OE与健康对照),在小鼠皮质中鉴定出5121个差异表达基因(第3天)和5906个差异表达基因(第7天)。炎症衍生生物标志物TIMP1(组织金属蛋白酶抑制剂-1)和半乳糖苷结合蛋白LGALS3(半乳糖凝集素-3)在小鼠和人类的缺血损伤下表现出稳健增加。TIMP1和LGALS3与临床指标(血红蛋白、低密度脂蛋白胆固醇和尿酸)结合构建的联合模型,可高准确度区分功能结局(曲线下面积,0.8)。结论:联合模型是评估预后结局的有价值的工具,预测因子有助于制定更好的治疗策略。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
整合炎症衍生生物标志物与临床指标,能否开发出准确预测亚急性缺血性卒中功能恢复结局的联合模型?
核心机制
缺血再灌注损伤诱导小胶质细胞中TIMP1和LGALS3表达显著增加,二者参与神经炎症过程,其水平升高与卒中预后严重程度正相关。
主要证据
临床血清蛋白质组学(5 LE、5 OE、6 HC)与MCAO小鼠转录组学(第3天和第7天)重叠分析,结合qPCR、免疫荧光和ELISA验证,显示TIMP1和LGALS3在缺血性损伤后升高;在训练和测试数据集中,随机森林模型联合TIMP1、LGALS3、血红蛋白、尿酸和低密度脂蛋白胆固醇,AUC为0.8,预测准确率80%。
研究意义
该研究开发的联合模型可作为评估卒中预后的实用工具,预测因子有助于制定更好的治疗策略;靶向小胶质细胞TIMP1和LGALS3调节神经免疫反应和神经血管单元修复是缺血性卒中患者的潜在治疗策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

候选分子筛选

从蛋白组学和转录组学数据中筛选与卒中恢复相关的候选分子。

对5例LE、5例OE和6例HC血清进行LC-MS/MS蛋白质组学,对MCAO小鼠缺血皮质第3天和第7天进行RNA测序,取差异表达蛋白和基因的交集。

2

候选分子验证

在体外和体内模型中验证候选分子的表达变化。

在hCMEC/D3细胞OGD/R模型和MCAO小鼠模型中,通过qPCR检测8个目标分子的mRNA表达,并通过免疫荧光检测Timp1和Lgals3的蛋白表达及与Iba1的共定位。

3

ELISA验证

在临床队列中验证候选生物标志物的蛋白水平及其诊断效能。

在15例LE、11例OE和18例HC血清中,通过ELISA检测TIMP1、LGALS3和TGFB1水平,并进行ROC分析。

4

临床指标评估

识别与卒中恢复相关的临床指标。

收集15例LE和11例OE患者的临床参数,通过t检验和ROC分析筛选差异显著的指标。

5

机器学习模型构建与评估

构建并评估结合生物标志物和临床指标的预测模型。

使用LASSO和逻辑回归筛选特征,采用10种机器学习算法在训练集(15 LE、11 OE)中建模,并在测试集(15 LE、11 OE)中预测。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Pierce Top 14高丰度蛋白去除离心柱试剂盒Thermo Fisher Scientific--
EASY-nLC 1200超高效液相色谱系统Thermo Fisher Scientific--
Orbitrap Exploris 480质谱仪Thermo Fisher Scientific--
Proteome Discoverer软件Thermo Fisher Scientific--
小动物麻醉机R500RWD Life Science--
三苯基四氮唑氯化物Sigma-AldrichT8877
2%三苯基四氮唑氯化物溶液Sigma-AldrichT8877
内皮细胞培养基ScienCell1001
内皮细胞生长添加物ScienCell1052
无葡萄糖MEM培养基GibcoA1443001
ProOx C21低氧培养箱Biospherix--
TRIzol试剂Invitrogen15596026
RevertAid RT逆转录试剂盒Thermo ScientificK1691
SYBR Green混合液ToyoboQPK-201
Bio-Rad CFX Connect实时荧光定量PCR系统Bio-Rad--
抗Iba1兔多克隆抗体Santa Cruz BiotechnologyWFD6884
抗Timp1小鼠单克隆抗体Santa Cruz Biotechnologysc-21734
抗Lgals3小鼠单克隆抗体Santa Cruz Biotechnologysc-32790
共聚焦显微镜(KEYENCE BZ-X)Keyence--
人TIMP1 ELISA试剂盒Reddot BiotechRDR-TIMP1-Hu
人TGFB1 ELISA试剂盒Multi SciencesEK981
人LGALS3 ELISA试剂盒Multi SciencesEK1126

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
研究对象招募
纳入标准:男性,年龄40-80岁,发病1-3个月,经CT或MRI确诊的缺血性卒中;排除严重系统性疾病或精神障碍、其他原因脑损伤、头部外伤。分组:根据Longshi量表和Barthel指数评估,LE组从卧床到卧床,OE组从卧床到居家。
阅读提示:Methods: Study Design and Participants
血清样本采集
入院第二天采集血液,K2EDTA管,室温放置1小时,4°C 1000g离心10分钟,-80°C保存。
阅读提示:Methods: Collection of Serum Samples
蛋白质组学分析
使用Pierce Top 14高丰度蛋白去除试剂盒,LC-MS/MS条件如溶剂梯度、流速、分辨率、碰撞能量等。
阅读提示:Methods: Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry
MCAO模型构建
雄性C57BL/6J小鼠(12周龄,25-30g),硅胶包被线栓,阻塞1小时再灌注,假手术组不作插入。
阅读提示:Methods: MCAO Modeling
OGD/R模型
hCMEC/D3细胞接种于6孔板,3×10^5细胞/孔,无糖MEM培养基,1% O2、5% CO2、94% N2条件下6小时,复氧24小时。
阅读提示:Methods: Cell Culture and Oxygen-Glucose Deprivation/Reoxygenation
RT-qPCR
使用TRIzol提取RNA,1μg总RNA逆转录,SYBR Green Mix,β-actin作为内参,每个样本三次重复。
阅读提示:Methods: Real-Time Polymerase Chain Reaction Analysis
ELISA验证
血清样本稀释10倍,按试剂盒说明书操作,检测TIMP1、LGALS3、TGFB1。
阅读提示:Methods: Validation Study of Targeted Biomarkers Using ELISA Analysis
机器学习模型构建
使用LASSO和逻辑回归筛选特征,10种机器学习算法(包括随机森林)在训练集(15 LE、11 OE)建模,测试集(15 LE、11 OE)预测。
阅读提示:Methods: Construction of a Predictive Model Using Machine Learning