用于预测或评估健康个体认知功能的生物标志物组合及其应用
阅读说明：本技术 用于预测或评估健康个体认知功能的生物标志物组合及其应用 (Biomarker combination for predicting or evaluating cognitive function of healthy individual and application thereof ) 是由 朱振华 惠李 贾秋放 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于预测或评估健康个体认知功能的生物标志物组合及其应用,涉及分子诊断技术领域。本发明公开的生物标志物组包括：肌酐、肌酸、鸟氨酸、苏氨酸、缬氨酸和谷氨酸；采用该生物标志物组预测或评估健康个体的认知功能,具有较高的准确率,通过对认知功能的预测有利于快速筛选出有中枢神经疾病的高危人群；本发明为预测或评估健康个体的认识功能提供了一种客观的技术手段,避免采用RBANS测评带来的受试者疲劳问题。(The invention discloses a biomarker combination for predicting or evaluating cognitive function of healthy individuals and application thereof, and relates to the technical field of molecular diagnosis. The biomarker panel disclosed by the invention comprises: creatinine, creatine, ornithine, threonine, valine, and glutamic acid; the biomarker group is adopted to predict or evaluate the cognitive function of healthy individuals, so that the accuracy is high, and the high risk group with central nervous system diseases can be quickly screened out by predicting the cognitive function; the invention provides an objective technical means for predicting or evaluating the cognitive function of a healthy individual, and avoids the problem of fatigue of a subject caused by RBANS evaluation.)
技术领域
本发明涉及分子诊断技术领域，具体而言，涉及用于预测或评估健康个体认知功能的生物标志物组合及其应用。
背景技术
认知功能障碍广泛存在于老年痴呆症、精神分裂症、双相情感障碍、抑郁症或者其他中枢神经疾病。健康人群中可能存在潜在的患老年痴呆症、精神分裂症、双相情感障碍、抑郁症等患有中枢神经疾病的个体。通过对认知功能的预测有利于快速地从健康人群中筛选出患这类中枢神经疾病的高危人群。而目前主要是采用重复性成套神经心理状态评估工具评测认知功能。
重复性成套神经心理状态评估工具(repeatable battery for assessment ofneuropsychological status,RBANS)自1998年Randolph编制完成以后，国内外已广泛应用精神科临床研究。该工具是一个简明的、由单人操作的测验，整个测验耗时不超过30分钟，可以最大可能地取得病人合作，同时也尽可能地减少因疲劳对测验结果的影响。测验难度适中，适应人群范围从正常人到中度痴呆，包括12个分测验，可以概括为5组神经心理状态：即刻记忆(immediate memory)、注意力(attention)、视觉广度(visuospatial/constructional)、语言功能(language function)与延迟记忆(delayed memory)。即刻记忆：受试者接触信息后在短时内的记忆能力，分数来自故事回忆和词汇学习测验；注意力：受试者记忆能力和其视觉与口头上去控制短时程记忆及呈现信息能力，分数来自编码和数字广度测验；语言功能：受试者通过回忆或命名已经知道的素材，体现其语言应答的能力，分数来自语言流畅性和图画命名测验；视觉广度：受试者将被考察感知空间的能力及构建特定画的空间拷贝的能力，分数来自线条定位和图形复制测验；延迟记忆：受试者被测查顺行记忆能力，分数来自词汇的回忆、词汇的再识、故事的记忆和图形的回忆。
但采用RBANS评测受试者的认识功能时，仍有可能导致受试者疲劳，且目前，还没有较为客观的技术手段评测健康人群的认识功能。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于预测或评估健康个体认知功能的生物标志物组合及其应用。本发明提供的生物标志物组可以反映健康个体的认知功能受损状态，采用该生物标志物组预测或评估健康个体的认知功能，具有较高的准确率，通过对认知功能的预测有利于快速筛选出患老年痴呆症、精神分裂症、双相情感障碍、抑郁症或者其他中枢神经疾病等高危人群；同时为评测健康个体的认识功能提供了一种较为客观的技术手段，有效避免采用RBANS测评带来的受试者疲劳问题。
本发明是这样实现的：
一方面，本发明提供一种用于预测或评估健康个体认知功能的生物标志物组合，其包括第一标志物组，所述第一标志物组包括如下化合物：次黄嘌呤、肌酐、鸟氨酸、缬氨酸和精氨酸。
本发明实施例的研究显示，上述生物标志物组合可以从总体上反映健康个体的认知功能；通过对上述生物标志物的检测，能够实现对健康个体的认知功能进行总体预测或评估，具有较高的准确率。通过对健康人群的认知功能的预测有利于快速筛选出患老年痴呆症、精神分裂症、双相情感障碍、抑郁症或者其他中枢神经疾病等的高危人群；本发明为评测健康个体的认识功能提供了一种较为客观的技术手段，有效避免采用RBANS测评带来的受试者疲劳问题。
本发明中，所指的健康个体是指躯体健康，3个月内未服用降脂、降糖药和免疫调节剂者，无严重躯体或中枢系统疾病，无精神疾病或精神疾病家族史的受试者。
可选地，在本发明的一些实施方案中，所述认知功能可由即刻记忆、注意力、视觉广度、语言功能或延迟记忆维度预测或评估。
可选地，在本发明的一些实施方案中，当所述认知功能由即刻记忆维度预测或评估时，所述生物标志物组合还包括第二标志物组，所述第二标志物组包括如下化合物：肌酐、肌酸、鸟氨酸、苏氨酸、缬氨酸和谷氨酸。
可选地，在本发明的一些实施方案中，当所述认知功能由注意力维度预测或评估时，所述生物标志物组合还包括第三标志物组，所述第三标志物组包括如下化合物：肌酸、鸟氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和谷氨酸。
可选地，在本发明的一些实施方案中，当所述认知功能由视觉广度维度预测或评估时，所述生物标志物组合还包括第四标志物组，所述第四标志物组包括如下化合物：肌酐、肌酸、异亮氨酸、赖氨酸、瓜氨酸和谷氨酸。
可选地，在本发明的一些实施方案中，当所述认知功能由语言功能维度预测或评估时，所述生物标志物组合还包括第五标志物组，所述第五标志物组包括如下化合物：次黄嘌呤、肌酐、苏氨酸、缬氨酸和色氨酸。
可选地，在本发明的一些实施方案中，当所述认知功能由延迟记忆维度预测或评估时，所述生物标志物组合还包括第六标志物组，所述第六标志物组包括如下化合物：次黄嘌呤、肌酐、肌酸、鸟氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸。
本领域技术人员知晓，反映认知功能的维度包括：即刻记忆、注意力、视觉广度、语言功能以及延迟记忆。对此，本发明还提供了针对不同维度预测或评估认知功能时所对应采用的生物标志物组，例如当需要从刻记忆维度预测或评估某健康个体的认知功能时，可以采用第二标志物组；当需要从注意力维度预测或评估某健康个体的认知功能时，可以采用第三标志物组；当需要从视觉广度维度预测或评估某健康个体的认知功能时，可以采用第四标志物组；当需要从语言功能维度预测或评估某健康个体的认知功能时，可以采用第五标志物组；当需要从延迟记忆维度预测或评估某健康个体的认知功能时，可以采用第六标志物组。每一标志物组都具有较高的准确率，本发明也为评测健康个体的认识功能的不同维度提供了一种较为客观的技术手段。
另一方面，本发明提供如上任一项所述的生物标志物组合在制备用于预测或评估健康个体认知功能的试剂盒中的应用。
另一方面，本发明提供检测如上任一项所述的生物标志物组合的试剂在制备用于预测或评估健康个体认知功能的试剂盒中的应用。
需要说明的是，上述化合物均为本领域熟知的化合物，本领域技术人员容易想到采用本领域常规技术手段实现检测，其检测生物标志物组合的试剂和/或耗材也是本领域技术熟知的。
另一方面，本发明提供一种用于预测或评估健康个体认知功能的试剂盒，其包括：用于检测如上任一项所述的生物标志物组合浓度中各化合物的试剂和/或耗材。
可选地，在本发明的一些实施方案中，所述试剂和/或耗材适用于LC-MS/MS技术检测所述生物标志物组合中各化合物的的浓度。
可选地，在本发明的一些实施方案中，所述试剂盒的检测样本为血浆或血清。
另一方面，本发明提供一种用于预测或评估健康个体认知功能的装置，其包括：
信息获取模块，其用于获取待测评信息，所述待测评信息包括来自目标健康个体的待测样本中的如权利要求1-3任一项所述的生物标志物组合的浓度信息，以及所述目标健康个体的年龄信息和教育程度信息；
以及测评模块，其用于使用测评模型对所述待测评信息处理，得到测评结果。
需要说明的是，本领域技术人员可以根据需要测评的指标选择对应的生物标志物浓度信息即可。
可选地，在本发明的一些实施方案中，其包括：所述测评模型由测评信息标准样本对初始模型训练后得到；
所述测评信息标准样本包括多例健康个体的所述生物标志物组合的浓度信息样本、年龄信息、教育程度信息以及对应的RBANS量表分值样本。
需要说明的是，“多例”的具体数量可以由本领域技术人员可以根据实际情况合理选择，但至少为3例，当然，数量越多，得到的预测结果更为可靠，优选为10例以上。可选地，在本发明的一些实施方案中，本发明选用241例。
需要说明的是，教育程度信息是指目标健康个体的受教育年限。
可选地，在本发明的一些实施方案中，所述初始模型为支持向量机、K最近邻算法或神经网络算法。
可选地，在本发明的一些实施方案中，所述浓度信息通过氨基酸自动分析仪、毛细管电泳法、气相色谱法、气相色谱质谱串联法、液相色谱法或液相色谱质谱串联法检测得到。
对本领域技术人员来说，在知晓具体化合物的情况下，能够很容易地通过氨基酸自动分析仪、毛细管电泳法、气相色谱法、气相色谱质谱串联法、液相色谱法或液相色谱质谱串联法等本领域常规的技术手段检测其浓度。
可选地，在本发明的一些实施方案中，采用LC-MS/MS技术检测所述浓度信息。
可选地，在本发明的一些实施方案中，所述浓度信息由所述生物标志物组合中各化合物的浓度值、离子丰度值或其与内标的比值表示。
可选地，在本发明的一些实施方案中，采用LC-MS/MS技术检测所述浓度信息的色谱条件如下：
色谱柱：BEH Amide,1.7μm,2.1mm×100mm，流动相A：水(含5mM甲酸铵、5mM乙酸铵和0.2％甲酸)，流动相B：乙腈(含1mM甲酸铵、1mM乙酸铵和0.2％甲酸)，流速0.4mL/min，柱温35℃，梯度洗脱条件：
0-3min,95％B；3-11min,95％B-70％B；11-13min,70％B-55％B；13-14min,55％B。
上述条件中的各项数值参数可在±3％的范围内波动。
可选地，在本发明的一些实施方案中，采用LC-MS/MS技术检测所述浓度信息的质谱条件如下：
仪器：三重四级杆质谱，扫描模式：多反应监测(MRM/SRM)，电喷雾电压：正离子3.5kv、负离子3kv，鞘气：35Arb，辅助气：10Arb，离子源温度：350℃。
上述条件中的各项数值参数可在±3％的范围内波动。
可选地，在本发明的一些实施方案中，所述待测样本为血浆或血清。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中采用生物标志物组合1和实施1的回归模型预测即刻记忆的预测结果；A：预测分值与量表分值的比较，横坐标表示受试者序号，纵坐标表示预测分数，圆点表示量表分，三角形表示预测分，浅灰色线表示与量表分的差值是±10，深灰色线表示与量表分的差值是±20；B：预测分值与量表分差值在10以内和10以上的比例；图2-图6中的A和B同此说明。
图2为本发明实施例中采用生物标志物组合2和实施例2的回归模型预测注意力的预测结果。
图3为本发明实施例中采用生物标志物组合3和实施例3的回归模型预测视觉广度的预测结果。
图4为本发明实施例中采用生物标志物组合4和实施例4的回归模型预测语言功能的预测结果。
图5为本发明实施例中采用生物标志物组合5和实施例5的回归模型预测延迟记忆的预测结果。
图6为本发明实施例中采用生物标志物组合6和实施例6的回归模型预测认知功能的预测结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
用于预测或评估健康个体即刻记忆的生物标志物的筛选和模型建立。
(1)采集241例健康个体训练集样本(信息见表1)的外周静脉血，提取血浆，置于-80℃保存备用；健康个是指躯体健康，3个月内未服用降脂、降糖药和免疫调节剂者，无严重躯体或中枢系统疾病，无精神疾病或精神疾病家族史的受试者。取血浆90微升，加入内标溶液10微升，再加入400微升提取溶液，涡旋30秒，超声5分钟，13000rpm离心10分钟，取上清得待测样本；
内标溶液的制备：精密称取L-2-氯苯丙氨酸，溶解于甲醇中，配制成10μg/mL的溶液；
提取溶液的制备：将色谱级的二氯甲烷和甲醇按照2:1体积比混合；
质量控制血浆：取健康个体抗凝血，常温离心10分钟，将上清转移至新的离心管中，按照血浆：内标溶液＝9:1的比例加入内标溶液，混合。
(2)通过代谢组学方法，运用LC-MS/MS技术对血浆中的主要代谢产物进行定性定量分析；
代谢提取液被自动进样器注入色谱柱中，进行分离，具体色谱条件如下：
色谱柱填料与规格：BEH Amide,1.7μm,2.1mm X 100mm，流动相A：水(含5mM甲酸铵、5mM乙酸铵和0.2％甲酸)，流动相B：乙腈(含1mM甲酸铵1mM乙酸铵和0.2％甲酸)，流速0.4mL/min，柱温35℃，梯度洗脱条件如下：
0-3min,95％B；3-11min,95％B-70％B；11-13min,70％B-55％B；13-14min,55％B。
色谱分离过后的代谢物被注入质谱中检测，具体质谱条件如下：仪器：三重四级杆质谱，扫描模式：多反应监测(MRM/SRM)，电喷雾电压：正离子3.5kv、负离子3kv，鞘气：35Arb，辅助气：10Arb，离子源温度：350℃。
(3)所得的数据与即刻记忆分值进行偏最小二乘判别回归分析(PLS)，通过VIP>1筛选，再与对照品比对鉴定，得到备选代谢标志物。
(4)将241例样本的备选代谢标志物与内标的离子丰度比值和对应的即刻记忆分值(由专业医师根据RBANS量表打分得到)，年龄以及教育年限，作为输入数据，利用支持向量机(SVM)，建立可预测即刻记忆分值的回归模型，重抽样方法：repeatedcv，重抽样的迭代次数：10次；最终通过机器学习筛选，得到一组预测准确率较高的生物标志物组合1和预测即刻记忆的回归模型，用于预测或评估神经分裂症患者的即刻记忆分值，具体包括如下化合物：肌酐、肌酸、鸟氨酸、苏氨酸、缬氨酸和谷氨酸。
表1
注：表中部分数据以平均值±标准差表示，教育年限从小学1年级起算。
需要说明的是，在其他的实施例中，本领域技术人员可以根据本发明实施例得到的生物标志物组，以多例健康个体(建议10例以上)为样本，直接检测本发明实施例得到的生物标志物组的浓度，再结合RBANS量表的打分结果，例如即刻记忆，建立可预测即刻记忆的回归模型；此种情形下，其不需要再进行标志物的筛选步骤，降低工作量，提高了预测效率。
实施例2
用于预测或评估健康个体注意力的生物标志物的筛选和模型建立。
参考实施例1的方法，用上述241例健康个体样本的年龄、教育年限，以及备选代谢标志物与内标的离子丰度比值和对应的注意力分值(由专业医师根据RBANS量表打分得到)作为输入数据，得到一组预测准确率较高的生物标志物组合2和预测注意力的回归模型，其用于预测或评估神经分裂症患者的注意力分值，生物标志物组合2具体包括如下化合物：肌酸、鸟氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和谷氨酸。
实施例3
用于预测或评估健康个体视觉广度的生物标志物的筛选和模型建立。
参考实施例1的方法，用上述241例健康个体样本的年龄、教育年限，以及备选代谢标志物与内标的离子丰度比值和对应的视觉广度分值(由专业医师根据RBANS量表打分得到)作为输入数据，得到一组预测准确率较高的生物标志物组合3和预测视觉广度的回归模型，其用于预测或评估神经分裂症患者的视觉广度分值，生物标志物组合3具体包括如下化合物：肌酐、肌酸、异亮氨酸、赖氨酸、瓜氨酸和谷氨酸。
实施例4
用于预测或评估健康个体语言功能的生物标志物的筛选和模型建立。
参考实施例1的方法，用上述241例健康个体样本的年龄、教育年限，以及备选代谢标志物与内标的离子丰度比值和对应的语言功能分值(由专业医师根据RBANS量表打分得到)作为输入数据，得到一组预测准确率较高的生物标志物组合4和预测语言功能的回归模型，其用于预测或评估神经分裂症患者的语言功能分值，生物标志物组合4具体包括如下化合物：次黄嘌呤、肌酐、苏氨酸、缬氨酸和色氨酸。
实施例5
用于预测或评估健康个体延迟记忆的生物标志物的筛选和模型建立。
参考实施例1的方法，用上述241例健康个体样本的年龄、教育年限，以及备选代谢标志物与内标的离子丰度比值和对应的延迟记忆分值(由专业医师根据RBANS量表打分得到)作为输入数据，得到一组预测准确率较高的生物标志物组合5和预测延迟记忆的回归模型，其用于预测或评估神经分裂症患者的延迟记忆分值，生物标志物组合5具体包括如下化合物：肌酐、肌酸、鸟氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸。
实施例6
用于预测或评估健康个体认知功能的生物标志物的筛选和模型建立。
参考实施例1的方法，用上述241例健康个体样本的年龄、教育年限，以及备选代谢标志物与内标的离子丰度比值和对应的认知功能总分值(即由专业医师根据RBANS量表得到的总分)作为输入数据，得到一组预测准确率较高的生物标志物组合6和预测认知功能的回归模型，其用于预测或评估神经分裂症患者的认知功能分值，生物标志物组合6具体包括如下化合物：次黄嘌呤、肌酐、鸟氨酸、缬氨酸和精氨酸。
实验例1
评价实施例1建立的预测回归模型的对认知功能以及各子维度的评测效果。
选取随机取来源于某医院门诊或住院患者的血液，以及招募的健康个体的血液(共111例健康个体测试集样本(信息见表1)，所有样本均有完整的量表数据，且签署知情同意书)，并参照实施例1-6的方法直接检测生物标志物与内标的离子丰度比值，将数据输入(受试者的年龄、受教育程度以及离子丰度比值(待预测维度的对应生物标志物组的生物标志物与内标的比值))实施例1-6建立的预测回归模型，得到认知功能和评价认知功能不同维度的预测分值，如图1-6中的三角形表示，将该预测分值与由专业医生对该30例样本通过RBANS量表进行诊断的分值比较，见图中的A；并对数据进行统计，预测分值在RBANS量表分值±10的范围内，视为预测结果正确，统计结果见图中的B。
可以看出，在预测健康个体的即刻记忆维度上，采用实施例1的预测回归模型，可以达到78.38％的准确率(图1)。
可以看出，在预测健康个体的注意力维度上，采用实施例2的预测回归模型，可以达到77.48％的准确率(图2)。
可以看出，在预测健康个体的视觉广度维度上，采用实施例3的预测回归模型，可以达到83.78％的准确率(图3)。
可以看出，在预测健康个体的语言功能维度上，采用实施例4的预测回归模型，可以达到83.78％的准确率(图4)。
可以看出，在预测健康个体的延迟记忆维度上，采用实施例5的预测回归模型，可以达到92.79％的准确率(图5)。
可以看出，在预测健康个体的认知功能上，采用实施例6的预测回归模型，可以达到90.09％的准确率(图6)。
从上述结果可以看出，采用本发明各实施例提供生物标志物组和由此建立的回归模型能够以较高的准确率预测健康个体的认知功能和评价认知功能的各维度指标，包括：即刻记忆、注意力、视觉广度、语言功能、延迟记忆；为评测健康个体的认识功能提供了一种较为客观的技术手段，可有效避免采用RBANS测评带来的受试者疲劳问题，即本领域技术人员只需要问询受试者的年龄信息，教育程度信息以及采集血液样本，生物标志物的浓度信息又可以通过仪器检测获得，检测得到的标志物浓度结果数据输入预先建立的回归模型，即可得到受试者的认识功能和不同维度的预测分值。根据得到的预测分数认识是否受损，例如当认识功能预测分值低于70分(相当于RBANS总分)时，则认为是有认知损伤的，该结果指示该个体具有患老年痴呆症、精神分裂症、双相情感障碍、抑郁症或者其他中枢神经疾病的较高风险，建议进一步诊断，如果认识功能预测分值大于等于70分认为是正常的。
通过上述回归模型预测的预测的认知功能和不同维度的分值，本领域技术人员，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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