基于糖尿病的心力衰竭新型生物标志物研究报告

该研究由Marcella S. Conning-Rowland、Marilena Giannoudi、Michael Drozd等学者共同完成，研究所属Light Laboratories, Leeds Institute of Cardiovascular and Metabolic Medicine, the University of Leeds。本研究发表于心血管研究领域权威期刊《Cardiovascular Research》，文章在线发表时间为2024年8月24日。

一、研究背景与目的

糖尿病（Diabetes Mellitus, DM）是一种全球高发的代谢性疾病，其全球成年患病率2019年为9.3%，预计到2045年将上升至10.9%。糖尿病不仅导致微血管和大血管并发症，还与心力衰竭（Heart Failure, HF）的高发病率和不良预后密切相关。据流行病学研究表明，糖尿病患者相比普通人群，心力衰竭发病率增加了一倍。即便是在没有肥胖或其他可控危险因素的糖尿病患者中，心力衰竭的风险依然显著升高，这提示现有的危险因素干预策略并未完全解决糖尿病性心脏病的发病机制。

尽管过去对糖尿病相关心肌疾病的分子机制研究多基于动物模型，但这些模型无法充分还原人类受体表型及治疗特点。基于此，本研究旨在利用大规模人群数据，通过RNA测序（RNA-sequencing, RNA-seq）技术探究糖尿病人群心肌转录组学特征，并验证与糖尿病相关的基因及其循环蛋白表达潜在的心力衰竭生物标志物价值，为理解疾病机制及生物标志物开发提供科学依据。

二、研究方法详解

1. 数据来源与研究设计

研究以多个步骤构建，包括以下环节：
- RNA测序数据：研究利用Genotype-Tissue Expression (GTEx)项目的人体多器官转录组数据，分析糖尿病患者与非糖尿病患者右心房（RA）和左心室（LV）心肌的差异基因表达（differentially expressed genes, DEGs）。 - 蛋白质组学验证：使用UK Biobank（UKB）生物银行的浆膜蛋白数据对候选DEGs的表达进行验证。 - 长期心血管随访数据：UKB提供了心血管MRI影像、心力衰竭事件和心血管死亡等临床终点，研究进一步分析了候选基因蛋白浓度与心血管结局的相关性。

2. 样本及RNA-seq分析流程

GTEx项目提供了429例右心房标本和432例左心室标本，经剔除缺失数据后，分析纳入425例RA与428例LV样本。利用DESeq2软件包进行差异基因表达分析，考量混杂因子包括年龄、性别、种族、BMI、缺血时间及RNA完整性评分。筛选标准为假发现率（false discovery rate, FDR）<0.05，log2倍数改变 >0.32或<-0.32（转录水平差异至少为25%）。

RNA-seq数据同时通过功能富集分析工具g:Profiler进一步解析基因本体（Gene Ontology, GO）条目，关注其与糖尿病相关心肌炎症及神经活动的潜在机制。

3. UK Biobank蛋白组学与随访分析

UK Biobank资源中包括54,219例参与者的浆膜蛋白表达数据，通过Olink Explore 3072面板进行测量，覆盖2923种蛋白。研究重点验证GTEx中糖尿病关联DEGs是否在浆液蛋白中呈方向一致的表达变化，并与长期心血管结局进行关联性分析。

在心血管MRI中关注左心室功能参数（如射血分数、应变参数、心肌质量和壁厚），并探讨候选蛋白与现有心力衰竭标志物（NT-proBNP和心肌肌钙蛋白I）的相关性。

三、主要研究结果

1. 差异基因筛选与功能富集

• 在RA和LV心肌中分别筛选出72个和46个DEGs，其中各有32个基因符合筛选标准。
• RA样本富集于免疫相关条目（如IgG和IgA免疫复合物），LV样本除免疫条目外，还显示与神经活动相关的条目（如neuroligin的结合蛋白、髓鞘结构蛋白等）。
• 糖尿病对RA与LV的转录组学特征影响不同，无显著重叠基因。

2. 候选基因的蛋白表达验证

• 在UK Biobank中，归一化蛋白表达数据表明12个候选基因中11个在糖尿病患者中与GTEx转录组数据方向一致，并表现出显著表达差异。
• 仅ERBB3（降低）、NRXN3（降低）和HSPA2（升高）展现方向一致的心肌基因表达与血浆浓度变化，同时与非心肌组织的表达无关。

3. 心血管结局与候选蛋白浓度

• Kaplan-Meier曲线显示，ERBB3低水平（最低四分位）与HSPA2高水平（最高四分位）与心力衰竭发病率及心血管死亡风险增加相关。
• 多变量Poisson回归验证，即便调整其他危险因素（如年龄、BMI、糖尿病状态等），ERBB3与HSPA2的相关性依然显著。

四、结论与研究意义

该研究揭示糖尿病患者心肌的分子表达特征，首次指出ERBB3和HSPA2可能是糖尿病相关心力衰竭的潜在生物标志物：

1. 科学贡献：建立了糖尿病心肌转录组学的全基因组图谱；同时完成蛋白验证，为生物标志物开发提供了新的数据支撑。
2. 应用前景：ERBB3与HSPA2的循环浓度有望用于心力衰竭的早期筛查和风险分层，或结合现有标志物（如NT-proBNP）优化预测模型。
3. 临床创新：基于ERBB信号相关药物（如癌症治疗的HER2抑制剂）可能为干预糖尿病性心脏病提供新策略。

五、研究亮点与局限性

研究亮点：

• 首次在人群数据中证实糖尿病心肌特异性基因与血浆蛋白表达的方向一致性。
• 通过多中心大样本数据（GTEx与UK Biobank）的结合实现结果的高可靠性和可重复性。

局限性：

• 由于数据限制，无法区分1型与2型糖尿病。
• UK Biobank蛋白组学检测使用归一化表达单位，仅提供相对差异，无绝对量化意义。

六、未来研究方向与建议

本研究为糖尿病心肌疾病的病理生理机制提供了创新性见解，未来工作应继续深化以下几个领域：

1. 探索ERBB3和HSPA2在不同心力衰竭分型（保留射血分数与降低射血分数）中的差异性作用。
2. 进一步开发ERBB3与HSPA2辅助功能，通过联合其他预后指标优化风险预测。
3. 在实验模型中验证ERBB家族与心肌功能的直接因果关系，评估其作为治疗靶点的潜力。

该研究显著推动了糖尿病相关心血管疾病分子机制的认知，并为新型疾病标志物开发奠定了基础。