尿液蛋白质组学的力量：从生物标志物发现到治疗用药 |
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尿液蛋白质组学的力量：从生物标志物发现到治疗用药
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在生物医学研究中，蛋白质组学被广泛应用于生物标志物（Biomarkers）的发现和鉴定。随着技术的发展，尿液蛋白质组学分析成为备受关注的生物标志物发现研究领域之一。一方面，尿液中含有由肾脏滤过的血浆蛋白质以及由泌尿系统分泌的蛋白质，通过分析尿液中的蛋白质组成，可以了解人体健康状况和疾病状态的变化。另一方面，更重要的是，与变化较为稳定的血液蛋白组相比，尿液蛋白组能够更早期、更敏感地反映身体内由于疾病而产生的变化。再加上尿液作为一种无创可得的样本，使得尿液成为疾病诊断，尤其是早期检测的生物标志物的理想样本之一。因此，尿液也被誉为寻找生物标志物的“金矿”，挖掘这个潜在金矿可能会极大地加快精准医疗的发展[1]，也说明了尿液在非泌尿系统中的重要价值和意义。
独特优势 相比于组织样本以及血液样本的蛋白质组学分析，尿液的蛋白质组学分析具有其独特的优势： 1. 非侵入性采样：与临床上常见的血液、组织等样本相比，尿液的采集相对简单和非侵入性，更易获取； 2. 动态性分析与监测：尿液样本的收集相对频繁且容易，因此可以进行连续的动态监测，追踪蛋白质组的变化，并监测疾病的进展或治疗的效果。 3. 反映疾病更早期阶段：尿液不受机体稳态机制的调控，可以更早更敏感地反映机体因疾病所产生的变化。 4. 复杂度低，更易检测低丰度蛋白：血液中蛋白十分复杂，动态范围极高，高深度检测难度较大。正常尿液中蛋白动态范围远低于血液，更容易检测到低丰度蛋白。
广泛应用 尿液蛋白质组学作为一种非侵入性的生物标志物发现工具，在生物医学领域具有多个高潜力的应用方向，其中一些重要的方向包括：1. 疾病早期诊断标志物发现：尿液蛋白质组学可以帮助早期发现潜在疾病的生物标志物。通过比较健康人群和患者群体的尿液样本，可以鉴定出与早期疾病相关的蛋白质变化，从而实现疾病的早期诊断和干预，提高治疗效果和生存率。2. 疾病监测和预后评估：尿液蛋白质组学可用于疾病长期监测和预后评估。通过定期分析尿液样本、跟踪蛋白质组的变化，可以评估疾病的进展和治疗效果，从而辅助调整治疗方案、判断预后和预测疾病复发。3. 新药研发与药物治疗效果评估：尿液蛋白质组学可以应用于新药研发和药物治疗效果评估。通过分析尿液样本中的蛋白质组，可以评估药物的作用机制、药物代谢和药物治疗效果。4. 生物学研究和疾病机制解析：尿液蛋白质组学可用于深入了解疾病的发生机制和生物学过程。通过全面分析尿液中的蛋白质组成，可以发现与疾病相关的信号通路、生物标志物和潜在治疗靶点，推动疾病机制的解析和新的生物学发现。
图2 尿液蛋白质组学的广泛应用
研究案例 尿液蛋白质组学已经在多个领域中发挥重要作用，包括生物医学研究、临床诊断和个性化医学等方面。当然，相比于针对血液及组织的临床蛋白质组学分析，尿液蛋白质组学研究仍处于不断发展的阶段，许多应用还处于研究和验证的阶段。随着技术的进步和对尿液蛋白质组学的深入研究，我们相信，尿液蛋白质组学在临床医学中的应用将不断扩大。下面我们选取多篇经典的科研论文与大家分享，带领大家共同感受尿液蛋白质组学的强大作用。表一 尿液蛋白质组学研究
注：LRRK2，Leucine-rich repeat serine/threonine-protein kinase 2，富含亮氨酸的重复丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶2；LCC，LRRK2 Cohort Consortium，LRKK2队列；TFF1，Trefoil factor 1，三叶因子；ADAM12，Disintegrin and metalloproteinase domain-containing protein 12，去整合素和金属蛋白酶12。 01 尿液蛋白质组学预测螺内酯对高血压患者的临床反应 顽固性高血压患病率逐渐增加，在各种抗高血压药物中，一旦包含利尿剂在内的三联疗法失败，螺内酯似乎是治疗顽固性高血压的最有效选择。然而，螺内酯治疗也无法保证血压控制的成功，且其不良反应不可忽略，目前没有临床工具可用于预测患者的药物反应[2]。
02 尿液蛋白组揭示结直肠癌生物标志物 结直肠癌是临床最常见的恶性肿瘤之一，目前影像学和血清癌胚抗原（CEA）检测在结直肠癌（CRC）复发、转移监测中发挥重要作用。但是单一的检测手段不足以准确评估CRC的转移和复发情况，因此在临床上迫切需要更加精准和非侵入性的生物标志物用于结直肠癌诊断和预测[3]。
该研究共纳入了健康组（HC）289例，无转移CRC患者（NM）、淋巴结转移（LNM）和远处转移（DM）CRC患者共计263名。研究者从上述组别中每组挑选9名共37名参与者，对其尿液样本进行了TMT标记定量蛋白质组学，分别在HC组、NM组、LNM组以及DM组中鉴定到2291、2642、3363和3181种蛋白质。数据分析表明，不同的尿液蛋白质组可以反映CRC的肿瘤生长状态和恶性程度，以及转移性CRC的肿瘤侵袭状态。随后，研究人员采用了基于质谱的PRM靶向定量来验证上述差异蛋白，并建立了尿液中用于CRC诊断的标志物组合（CORO1C、ARPC5和RAD23B）和用于CRC转移风险预测的标志物组合（CORO1C、RAD23B、GSPT2和NDN）。综上所述，该研究表明了尿液是识别疾病的非侵袭性早期敏感生物标志物的良好来源，并利用定量蛋白质组学、靶向蛋白质组学和免疫学分析，系统分析发现了尿液蛋白中用于CRC诊断和转移风险预测的标志物组合。
03 前列腺癌尿液外泌体蛋白质组景观 前列腺癌是最常见的男性恶性肿瘤，但是目前的诊断无法区分非侵袭性和侵袭性癌症，最终导致过度诊断和过度治疗。因此，迫切需要寻找前列腺癌临床诊断生物标志物[4]。
该研究收集了12名未经前列腺切除/放射治疗的前列腺癌患者以及10名已接受治疗的列腺癌患者的尿液样本，分离尿液样本中的细胞外囊泡（EV）并进行了基于质谱的蛋白质组学分析。研究者在前列腺癌患者尿液细胞外囊泡中共检测出1134种蛋白质，包括数百种之前未检测到的蛋白质，并且含有多种前列腺癌标志物、致癌驱动因子以及雄性激素调节基因产物。此外，研究者进一步对比了前列腺癌患者尿液EV蛋白质组学与其它泌尿系统肿瘤患者如肾癌以及膀胱癌患者尿液EV蛋白组，发现不同癌种的患者尿液EV蛋白组可以反映出肿瘤的组织特异性。
04 尿液+脑脊液蛋白质组学揭示帕金森病生物标志物 帕金森病（PD）是一种神经退行性疾病，随着年龄的增长发病率显着增加。在神经退行性疾病中，脑脊液（CSF）能准确地反映大脑和脊髓的疾病相关病理变化。而尿液是一种无创可得的生物样本，它积累了人体生物系统的变化，并且不受机体稳态机制的调控，可以更早更敏感地反映机体因疾病所产生的变化[5]。
德国马普所Matthias Mann团队首先通过定量蛋白质组学技术对来自两个队列的235例尿液样本开展了分析，分别鉴定到4564个和5725个蛋白质，并从中找到361个差异蛋白。揭示了具有LRRK2 G2019S突变的个体中溶酶体失调。同时结合机器学习，证明尿液蛋白质组学在帕金森病的生物标志物发现和患者分层方面是具有价值的研究策略。随后该研究对来自两个队列的215例脑脊液样本进行了蛋白质组学分析，生信分析显示大多数量化的蛋白质在大脑和肝脏中富集。研究者结合机器学习，进一步发现蛋白丰度在PD患者与健康对照组和LRRK2 G2019S 携带者与非携带者中发生了显著变化。综上所述 ，该研究团队通过尿液蛋白质组学以及脑脊液蛋白质组学数据分析，发现超过1000种蛋白质重叠，而Rab-LRRK2途径的蛋白在尿液中非常丰富，表明在上述两种体液中都可以识别出相似的PD和LRRK2相关蛋白质组变化。
图5 该研究工作流程示意图 05 尿液外泌体蛋白质组学揭示肾脏纤维化机制 肾小管损伤和外周成纤维细胞活化是慢性肾病（CKD）的标志，肾小管上皮细胞和成纤维细胞是肾纤维化的主要参与者。最近研究表明上述两种细胞之间存在交流，其信息传递可能是由功能性蛋白以及外泌体介导。然而，外泌体中的成分及其在细胞通讯之间的作用仍有待进一步阐明[6]。
研究者对CKD患者尿液外泌体进行了4D蛋白质组学检测，结果显示与对照组相比，差异蛋白主要集中于纤维蛋白原复合物、成纤维细胞增殖、β-catenin等生物学途径。除此之外，研究者还鉴定到了骨桥蛋白（OPN）的特定肽，并进行了WB验证，结果表明其N-端片段（N-OPN）通过外泌体分泌到CKD患者的尿液中，并作为CKD进展和肾纤维化的指示标志物。β-catenin作为肾小管细胞和成纤维细胞信息交流的主控器，促进了受损肾小管细胞中的外泌体分泌和OPN表达。OPN被包裹在管状细胞衍生的外泌体中，然后转移到间质成纤维细胞并通过与其受体CD44结合诱导肌成纤维细胞活化，尿液N-OPN可作为CKD进展和肾纤维化的生物标志物。
图6 该研究图文摘要综上所述，尿液是一种无创可得的生物样本类型，累积了生物体内的诸多变化，已成为生物标志物研究重要的样本来源。目前已经在尿液中发现超过六千种蛋白，广泛应用于泌尿生殖系统疾病与非泌尿生殖系统疾病的筛查、诊断与检测。景杰生物基于自主研发的新方法，结合全新一代4D蛋白质组学，于2019年推出了Urine Proteomics检测分析项目，助力泌尿系统及非泌尿系统诸多疾病机制研究、生物标志物发现的相关研究。截至目前，已经累计检测了数千个样本，新方法显著提高尿液样本蛋白质组学分析的鉴定灵敏度、检测深度、定量准确性，对尿液样本的蛋白质组平均检测深度为3000-6000蛋白，为广泛的疾病机制研究及生物标志物探索做出了诸多贡献。
参考文献： 1. 高友鹤. 2013. 尿液有可能成为生物标志物的金矿吗?. 中国科学:生命科学. 2. Martin-Lorenzo M, et al. 2019. Urine Haptoglobin and Haptoglobin-Related Protein Predict Response to Spironolactone in Patients With Resistant Hypertension. Hypertension. 3. Sun Y, et al. 2022. Noninvasive urinary protein signatures associated with colorectal cancer diagnosis and metastasis. Nat Commun. 4. Dhondt B, Geeurickx E, Tulkens J, et al. Unravelling the proteomic landscape of extracellular vesicles in prostate cancer by density-based fractionation of urine. J Extracell Vesicles. 2020;9(1):1736935. 5. Karayel O, Virreira Winter S, Padmanabhan S, et al. Proteome profiling of cerebrospinal fluid reveals biomarker candidates for Parkinson's disease. Cell Rep Med. 2022;3(6):100661. 6. Chen S, Zhang M, Li J, et al. β-catenin-controlled tubular cell-derived exosomes play a key role in fibroblast activation via the OPN-CD44 axis. J Extracell Vesicles. 2022;11(3):e12203. 景杰生物作为修饰组学领域的领跑者，拥有多种修饰抗体和修饰组学质谱检测服务。如果您想了解相关产品和服务的更多信息，请扫描下方二维码填写合作咨询表单、或咨询景杰生物销售工程师、或拨打科服热线400-100-1145。
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