肩部肌肉退化通常導致撕裂，疼痛，殘疾和喪失自主性。已報道在肩部肌肉撕裂中有不同的肌肉受累模式，但是該病例過程中的分子機制仍有較大空白。受累組織生物分子的空間分布可以由MALDI-MSI技術清楚的獲取。因此，本研究利用該技術獲得慢病疾病引起的肩部肌肉退化的空間代謝物組學圖片。本研究揭示肩部肌肉退化區域與完整區域的區別在于它們的代謝組譜。但未確定肌肉特異性代謝組譜。 三塊被檢查的肌肉之間的組織退化區域顯著不同。 完整區域中較高的 HO-1 水平與退化區域中較低的血紅素水平一致。 此外，HO-1 水平區分功能失調和功能性肩袖肌肉。 此外，某些肌纖維類型中特定脂質的富集表明，肌纖維類型之間的脂質代謝不同。 本研究于2022年2月發表在《Journal of Cachexia Sarcopenia and Muscle》IF：12.910期刊上。

技術路線：

主要實驗結果：

1、入組樣本和工作流程

肩胛下肌(RC)包括肩胛下肌、岡上肌(SSp)、岡下肌(ISp)和小圓肌(Tmi)。RC肌肉與三角肌(Del)一起確保肩關節的穩定性和靈活性。本次空間代謝組入選組織收集自5名患者的：ISp，Tmi和Del。所有患者的ISp的Goutallier評分和脂質滴積累均高于Tmi和Del（圖1A）。在使用組織學染色確認組織質量后，對橫切面進行MALDI – MSI分析，隨后進行染色，將代謝狀況與炎癥組織病理學聯系起來，最后對獲得的質譜圖譜進行生物信息學分析即可（圖1B）。

圖1本研究的工作流程圖

2、空間代謝組的整體分析

如圖2A所示，三種肌肉之間的潛在分子差異通過監督分析進行評估。但是肌肉間沒有發現肌肉特異性分子的富集或減少（圖2B-2C）。這表明Del、Tmi和ISp之間的代謝譜主要是相似的。隨后，空間分割揭示了三個突出的Clusters分散在所有樣本（圖2D）。Clusters 1和Clusters 2的平均光譜顯示出相反的峰強度（圖2E）。與Clusters 1和Clusters 2相反，Clusters 3主要包含低質量特征，其中質量與MALDI矩陣相對應（圖2D）。因此，Clusters 3不再考慮用于后續分析。引人注目的是，集群的相對面積在肌肉群之間顯著不同（圖2F）。Clusters 1的相對平均面積在Del（91.3%）中要高于ISp（72.1%）和Tmi（77.2%）。相反的，Clusters 2中相對面積在ISp（27.9%）和Tmi（22.8%）中要高于Del（8.7%）。

圖2空間分割顯示出三個簇之間的顯著差異，而肌肉之間的差異不明顯

3、聚類集群特征和差異集群的識別

Clusters 1的空間定位顯示與完整肌纖維的區域重疊，而Clusters 2的空間定位顯示與纖維和脂肪區域重疊。正常組織和退化組織的平均光譜的比較表明，不同特征的豐度存在明顯差異（圖3A）。對負離子模式的判別分析得出了14個和28個特征，分別針對完整區域和退化區域（圖3B）。在正離子模式下，完整區和退化區分別有35和9個特征（圖3C）。為了識別空間相關分子特征的亞組，評估了區域特定特征的空間分布之間的 Pearson 相關性。 相關矩陣表明，在先前定義的兩個集群中，存在子集群（圖3D-3E）。這些亞群代表肌肉中的特定區域（圖3F）。

圖3質譜圖像在完整區域和退化區域之間存在差異

4、HO-1的空間分布表明其與肌肉撕裂相關

血紅素主要由血紅素加氧酶-1 (HO-1)分解，HO-1的表達被認為在組織變性中發揮作用。因此，在退化的 RC 肌肉中評估了 HO-1 的空間定位和血紅素之間的聯系。與血紅素相反，HO-1信號存在于完整區域（圖4A-4B）。在嚴重受累的ISp肌中，HO-1信號高于輕度受累的Del或Tmi肌（圖4C）。相反，ISp的血紅素平均水平低于Del或Tmi（圖4D）。HO-1信號與血紅素積累呈顯著負相關(r = 0.52)(圖4E)。

圖4血紅素積累與血紅素加氧酶-1定位不互補

5、肌纖維同型特征的脂質空間分布

完整區域以肌纖維的存在為標志，可以通過MyHC -2X, 2A和type-1的表達來識別。為了評估肌纖維類型是否富含特定代謝物，采用了一種監督法分析（圖5A）。MyHC-2A陽性或陰性的肌纖維由肉眼分辨（圖5B）。在負離子模式下，30個特征被發現與2A型陽性或2A型陰性區域特異性相關（圖5C）。正離子模式分析得到36個特征，均富集于2A型陰性區域（圖5D）。確定的脂質與MyHC - 2A陽性或MyHC -2A陰性肌纖維有很強的空間相關性（圖5E）。因此，對不同的脂類進行了分析。MyHC - 2A陰性的肌纖維只有4個不同脂質的特征，而MyHC - 2A陽性區域的肌纖維有16個特征。

圖5肌纖維同型特征的空間分布

這項初步研究顯示了闡明不同人類骨骼肌空間代謝景觀的首次努力。 先前的臨床研究表明，與 Tmi 和鄰近的 Del 肌相比，ISp 受 RC 撕裂的影響更大。這些觀察的基礎上，研究了代謝物或脂質是否可以區分撕裂和完整的肌肉。在這項研究中，沒有發現可以區分肩部肌肉的代謝物或脂質。與RC病理學MRA分析結果一致的是，與Del相比，ISp更受影響，7個代謝空間聚類顯示Del中完整區域的比例高于ISp。MRA分析顯示與ISp相比，Tmi的脂肪浸潤有限，但在兩塊肌肉的活組織檢查中，退化區域同樣多（圖1A）。與MRA相比，MRA評估的是整個肌肉表型，活檢是局部的，所有活檢都是從同一個外部視角進行的。因此，活檢不一定代表整個肌肉。這是組織學方法的一個已知的局限性。

總之，這項初步研究展示了肩部肌肉中的高分辨率空間代謝組，它成功地區分了完整組織和退化組織。這項研究的一個局限性是納入的患者數量較少。有可能在更多患者身上發現肌肉特異性分子。研究設計允許進行統計配對分析，克服潛在的患者間變異性。肩部肌肉的肌肉退化與年齡相關，為了盡量減少患者之間的差異，在一個小年齡組（平均 65 歲）上進行了這項初步研究。這里報告的觀察結果與這個年齡（中年成人）有關，而不是針對年輕或年長的患者。最顯著的是，與相鄰的 Del 肌相比，受影響更嚴重的肌肉中退化區域的面積增加。作者認為特定的脂質可以區分肌纖維類型。因此，需要進一步的研究來闡明 MyHC 異構體相關脂質的作用。最后，血紅素表征了退化區域，在嚴重受影響的肌肉中，HO-1 存在的增加抵消了這些區域。

參考文獻：

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