由SARS-CoV-2引起的新冠肺炎大流行給全世界帶來沉重的健康和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，同時(shí)也開啟了對(duì)控制疾病傳播措施的討論，如社會(huì)距離和人口篩查。患者的篩查和風(fēng)險(xiǎn)管理對(duì)政府和當(dāng)局如何引導(dǎo)資源、規(guī)劃重新開放以及衛(wèi)生對(duì)策發(fā)揮著根本性作用，現(xiàn)有的篩查方法主要有：抗原或RT-PCR檢測(cè)、血清學(xué)檢測(cè)、以及RT-PCR和胸部CT相結(jié)合檢測(cè)等。盡管標(biāo)準(zhǔn)程序的基礎(chǔ)已經(jīng)確立，但對(duì)于現(xiàn)實(shí)檢測(cè)的敏感性和特異性、與程序相關(guān)的時(shí)間和成本、試劑和培訓(xùn)人員可用性以及測(cè)試窗口的擔(dān)憂也越來越多。新冠肺炎的復(fù)雜性導(dǎo)致了對(duì)SARS-CoV-2的準(zhǔn)確診斷和患者風(fēng)險(xiǎn)分類的困難，用于患者風(fēng)險(xiǎn)分層和管理的醫(yī)療決策工具的開發(fā)與新冠肺炎檢測(cè)的緊迫性是一致的。
2021年2月巴西坎皮納斯大學(xué)Rodrigo Ramos Catharino教授和Anderson Rezende Rocha教授共同在Anal Chem雜志上發(fā)表題目為《Covid-19 Automated Diagnosis and Risk Assessment through Metabolomics and Machine Learning》的研究成果，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法與基于質(zhì)譜的代謝組相結(jié)合，分析了815名患者(442名新冠肺炎患者，350名對(duì)照患者和23名新冠肺炎可疑患者)的血漿樣本，引入一種新的新冠肺炎篩查方法，通過代謝物提供感染的間接檢測(cè)，并將發(fā)現(xiàn)與疾病的病理生理學(xué)聯(lián)系起來，創(chuàng)建了可在幾分鐘內(nèi)識(shí)別新冠肺炎血漿樣本、同時(shí)提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的工具，為醫(yī)療人員進(jìn)行患者管理和決策提供幫助。
【研究材料】 人-血漿樣本
【技術(shù)方法】 非靶代謝組學(xué)+機(jī)器學(xué)習(xí)算法
【實(shí)驗(yàn)方法】
?? 步驟1：新冠肺炎MS-ML平臺(tái)測(cè)試：建模與性能評(píng)估；
?? 步驟2：利用非靶代謝組數(shù)據(jù)構(gòu)建COVID-19診斷Panel；
?? 步驟3：候選生物標(biāo)志物病理生理學(xué)作用。
【研究結(jié)果】
1. 新冠肺炎MS-ML平臺(tái)測(cè)試：建模與性能
首先研究人員利用代謝組數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法（MS-ML）構(gòu)建了用于診斷和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的預(yù)測(cè)模型(盲法測(cè)試)，下表展示了隊(duì)列的分組情況和使用成對(duì)特征的預(yù)測(cè)模型（自動(dòng)診斷（M1），風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（M2）和低風(fēng)險(xiǎn)判別（M3））的判定結(jié)果。用梯度樹增強(qiáng)（GDB）算法進(jìn)行COVID-19自動(dòng)診斷可獲得最佳的診斷效果，其特異性為96.0％，靈敏度為83.1％。ADA Boosting算法，以80.3％的特異性和85.4％的敏感性，成為最佳的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。為了評(píng)估模型的特異性和敏感性，研究人員將中度和輕度癥狀患者與非感染對(duì)照組(M3)進(jìn)行ADA Boosting分析，獲得92.9%的特異度和91.3%的敏感度。
2. 利用非靶代謝組數(shù)據(jù)構(gòu)建COVID-19診斷Panel
通過ML篩選出19個(gè)分子用于新冠肺炎診斷(M1)，26個(gè)分子用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(M2) ， 24個(gè)分子用于低風(fēng)險(xiǎn)判別（M3）。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2感染者和非感染者的主要區(qū)別是：溶血磷脂酰膽堿(LysoPC)、膽固醇和不飽和脂肪酸減少，而三酰甘油(TG)、二酰甘油(DG)和嘌呤增加；與輕、中度癥狀的患者相比，重癥患者某些溶血磷脂酰膽堿(LysoPC)、磷脂酰膽堿(PC)、磷脂酰膽堿衍生的縮醛磷脂、膽固醇、甘油三酯(TG)、鞘磷脂(SM)和N-酰乙醇胺的含量相對(duì)減少，脫氧鳥苷/腺苷、N-硬脂酰纈氨酸和甾醇脂質(zhì)衍生物增加；輕癥患者與新冠肺炎陰性患者相比，4種甘油磷脂和2種甘油磷脂是上調(diào)的，二十碳三烯酸、3個(gè)甾醇類脂代謝物則下調(diào)。
3. 候選生物標(biāo)志物病理生理學(xué)作用
研究人員認(rèn)為：①氧鳥苷是嘌呤代謝的產(chǎn)物，在病毒ssRNA存在的情況下，可增強(qiáng)TLR7信號(hào)，誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分泌細(xì)胞因子，因此需進(jìn)一步研究脫氧鳥苷在SARS-CoV-2免疫過度激活中的潛在作用；②本研究中發(fā)現(xiàn)的與輕度病例相關(guān)的亞油酰甘氨酸和N-酰基乙醇胺(C20：1和C22：0)通過促進(jìn)抗炎作用來調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)；③主要的脂質(zhì)發(fā)現(xiàn)表明甘油磷脂代謝的重塑；④新冠肺炎的病理生理似乎破壞了膽固醇的穩(wěn)態(tài)，在新冠肺炎陽性的患者中膽固醇和膽固醇酯(CE(16：0))降低。
候選生物標(biāo)志物在COVID-19病理生理學(xué)中的作用
【小編小結(jié)】
本研究采用質(zhì)譜-機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)SARSCoV-2標(biāo)本進(jìn)行非靶向分析，基于光譜圖進(jìn)行診斷或生物標(biāo)志物評(píng)估及其對(duì)COVID-19患者嚴(yán)重程度的意義；引入成對(duì)m/z分析，可直接從原始數(shù)據(jù)提供診斷，是非靶向代謝組學(xué)應(yīng)用的重要進(jìn)展。本研究建立的MS-ML平臺(tái)定性結(jié)果可靠，其特異性為96.0%，靈敏度為83.1%(盲法測(cè)試)，與現(xiàn)有的血清學(xué)和RT-PCR方法相比性能相似甚至更好。總體而言，本研究提出了COVID-19篩查的替代方案，并通過風(fēng)險(xiǎn)分類為公共衛(wèi)生工作提供指導(dǎo)。