空间代谢组鉴定肌肉撕裂相关代谢物谱
肩部肌肉退化通常导致撕裂，疼痛，残疾和丧失自主性。已报道在肩部肌肉撕裂中有不同的肌肉受累模式，但是该病例过程中的分子机制仍有较大空白。受累组织生物分子的空间分布可以由MALDI-MSI技术清楚的获取。因此，本研究利用该技术获得慢病疾病引起的肩部肌肉退化的空间代谢物组学图片。本研究揭示肩部肌肉退化区域与完整区域的区别在于它们的代谢组谱。但未确定肌肉特异性代谢组谱。 三块被检查的肌肉之间的组织退化区域显着不同。 完整区域中较高的 HO-1 水平与退化区域中较低的血红素水平一致。 此外，HO-1 水平区分功能失调和功能性肩袖肌肉。 此外，某些肌纤维类型中特定脂质的富集表明，肌纤维类型之间的脂质代谢不同。 本研究于2022年2月发表在《Journal of Cachexia Sarcopenia and Muscle》IF：12.910期刊上。
技术路线：
主要实验结果：
1、入组样本和工作流程
肩胛下肌(RC)包括肩胛下肌、冈上肌(SSp)、冈下肌(ISp)和小圆肌(Tmi)。RC肌肉与三角肌(Del)一起确保肩关节的稳定性和灵活性。本次空间代谢组入选组织收集自5名患者的：ISp，Tmi和Del。所有患者的ISp的Goutallier评分和脂质滴积累均高于Tmi和Del（图1A）。在使用组织学染色确认组织质量后，对横切面进行MALDI – MSI分析，随后进行染色，将代谢状况与炎症组织病理学联系起来，最后对获得的质谱图谱进行生物信息学分析即可（图1B）。
图1本研究的工作流程图
2、空间代谢组的整体分析
如图2A所示，三种肌肉之间的潜在分子差异通过监督分析进行评估。但是肌肉间没有发现肌肉特异性分子的富集或减少（图2B-2C）。这表明Del、Tmi和ISp之间的代谢谱主要是相似的。随后，空间分割揭示了三个突出的Clusters分散在所有样本（图2D）。Clusters 1和Clusters 2的平均光谱显示出相反的峰强度（图2E）。与Clusters 1和Clusters 2相反，Clusters 3主要包含低质量特征，其中质量与MALDI矩阵相对应（图2D）。因此，Clusters 3不再考虑用于后续分析。引人注目的是，集群的相对面积在肌肉群之间显著不同（图2F）。Clusters 1的相对平均面积在Del（91.3%）中要高于ISp（72.1%）和Tmi（77.2%）。相反的，Clusters 2中相对面积在ISp（27.9%）和Tmi（22.8%）中要高于Del（8.7%）。
图2空间分割显示出三个簇之间的显著差异，而肌肉之间的差异不明显
3、聚类集群特征和差异集群的识别
Clusters 1的空间定位显示与完整肌纤维的区域重叠，而Clusters 2的空间定位显示与纤维和脂肪区域重叠。正常组织和退化组织的平均光谱的比较表明，不同特征的丰度存在明显差异（图3A）。对负离子模式的判别分析得出了14个和28个特征，分别针对完整区域和退化区域（图3B）。在正离子模式下，完整区和退化区分别有35和9个特征（图3C）。为了识别空间相关分子特征的亚组，评估了区域特定特征的空间分布之间的 Pearson 相关性。 相关矩阵表明，在先前定义的两个集群中，存在子集群（图3D-3E）。这些亚群代表肌肉中的特定区域（图3F）。
图3质谱图像在完整区域和退化区域之间存在差异
4、HO-1的空间分布表明其与肌肉撕裂相关
血红素主要由血红素加氧酶-1 (HO-1)分解，HO-1的表达被认为在组织变性中发挥作用。因此，在退化的 RC 肌肉中评估了 HO-1 的空间定位和血红素之间的联系。与血红素相反，HO-1信号存在于完整区域（图4A-4B）。在严重受累的ISp肌中，HO-1信号高于轻度受累的Del或Tmi肌（图4C）。相反，ISp的血红素平均水平低于Del或Tmi（图4D）。HO-1信号与血红素积累呈显著负相关(r = 0.52)(图4E)。
图4血红素积累与血红素加氧酶-1定位不互补
5、肌纤维同型特征的脂质空间分布
完整区域以肌纤维的存在为标志，可以通过MyHC -2X, 2A和type-1的表达来识别。为了评估肌纤维类型是否富含特定代谢物，采用了一种监督法分析（图5A）。MyHC-2A阳性或阴性的肌纤维由肉眼分辨（图5B）。在负离子模式下，30个特征被发现与2A型阳性或2A型阴性区域特异性相关（图5C）。正离子模式分析得到36个特征，均富集于2A型阴性区域（图5D）。确定的脂质与MyHC - 2A阳性或MyHC -2A阴性肌纤维有很强的空间相关性（图5E）。因此，对不同的脂类进行了分析。MyHC - 2A阴性的肌纤维只有4个不同脂质的特征，而MyHC - 2A阳性区域的肌纤维有16个特征。
这项初步研究显示了阐明不同人类骨骼肌空间代谢景观的首次努力。 先前的临床研究表明，与 Tmi 和邻近的 Del 肌相比，ISp 受 RC 撕裂的影响更大。这些观察的基础上，研究了代谢物或脂质是否可以区分撕裂和完整的肌肉。在这项研究中，没有发现可以区分肩部肌肉的代谢物或脂质。与RC病理学MRA分析结果一致的是，与Del相比，ISp更受影响，7个代谢空间聚类显示Del中完整区域的比例高于ISp。MRA分析显示与ISp相比，Tmi的脂肪浸润有限，但在两块肌肉的活组织检查中，退化区域同样多（图1A）。与MRA相比，MRA评估的是整个肌肉表型，活检是局部的，所有活检都是从同一个外部视角进行的。因此，活检不一定代表整个肌肉。这是组织学方法的一个已知的局限性。
总之，这项初步研究展示了肩部肌肉中的高分辨率空间代谢组，它成功地区分了完整组织和退化组织。这项研究的一个局限性是纳入的患者数量较少。有可能在更多患者身上发现肌肉特异性分子。研究设计允许进行统计配对分析，克服潜在的患者间变异性。肩部肌肉的肌肉退化与年龄相关，为了尽量减少患者之间的差异，在一个小年龄组（平均 65 岁）上进行了这项初步研究。这里报告的观察结果与这个年龄（中年成人）有关，而不是针对年轻或年长的患者。最显着的是，与相邻的 Del 肌相比，受影响更严重的肌肉中退化区域的面积增加。作者认为特定的脂质可以区分肌纤维类型。因此，需要进一步的研究来阐明 MyHC 异构体相关脂质的作用。最后，血红素表征了退化区域，在严重受影响的肌肉中，HO-1 存在的增加抵消了这些区域。
参考文献：
Olie Cyriel Sebastiaan., van Zeijl René., El Abdellaoui Salma., Kolk Arjen., Overbeek Celeste., Nelissen Rob G H H., Heijs Bram., Raz Vered.(2022). The metabolic landscape in chronic rotator cuff tear reveals tissue-region-specific signatures. J Cachexia Sarcopenia Muscle, 13(1), 532-543. doi:10.1002/jcsm.12873