CN110517776B - 一种老年人健康风险评估方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种老年人健康风险评估方法及其应用。该方法采用PBMC的线粒体活性评估老年人健康风险,PBMC的线粒体活性的表征参数包括ATP生成率和ATP产能来源于糖酵解的比例,进一步提出BASI概念,用数值代替主观评价反映老年人一般身体健康状况,预测老年人身体抗打击能力,提示老年患者可能的健康风险。与BHI相比,该方法更精准地评估线粒体和细胞的功能状态,从而更精准反映老年个体在衰老中身体状况的变化。该方法能有效判断老年人的衰弱状态,从而应用于围手术期并发症的预测,以有效指导围手术期管理策略,为降低围手术期的并发症发生率和死亡率提供新的思路。
Description
技术领域
本发明生命科学技术领域,具体而言涉及一种老年人健康风险评估方法及其应用。
背景技术
生物能量健康系数(Bioenergetic Health Index,BHI)这一概念于2014年由阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)医学院线粒体医学实验室和Seahorse Bioscience公司共同提出,它是一项实验性血液测试,通过测量外周血细胞的线粒体呼吸功能水平,确定病人的基准生物能量状态。基于线粒体Seahorse氧耗曲线,可得到线粒体呼吸代偿能力(Reservecapacity),ATP相关氧耗率(ATP-linked),非线粒体呼吸(non-mitochondrial)和质子漏(proton leak),通过下图公式:可计算得到BHI,即生物能量健康系数(BaluK.CHACKO.Philip A,et al.The Bioenergetic Health Index:a new concept inmitochondrial translational research.Clinical Science(2014)127,367–373(Printed in Great Britain);Degui ZHI.Victor M.The Bioenergetic Health Index:anew concept in mitochondrial translational research.Clinical Science(2014)127,367–373.)。
目前评价老年人身体健康状况并无准确客观且有效的评价指标,研究表明,线粒体的代谢和应激能力与老年人衰老和健康状况密切相关。通过检测线粒体在不同药物作用下的代谢水平,基于线粒体Seahorse氧耗曲线可得到BHI,但该指数仅反映线粒体的氧化磷酸化(OXOHOS)能力,无法对缺血缺氧和应激状态下的糖酵解能力进行评估,因此对于老年人一般身体健康情况,身体抗打击能力以及常见的健康风险问题,如衰弱和围手术期并发症的预测效果较差。
发明内容
本发明的第一发明目的在于:针对上述存在的问题,提供一种老年人健康风险评估方法,该方法用数值而不是主观的评价预测老年人身体抗打击能力,和提示老年患者可能的健康风险,相较于BHI,该方法更精准的评估了线粒体和细胞的功能状态,从而能更精准反映老年个体在衰老中身体健康状况的变化。
本发明的第二发明目的在于,提供上述老年人健康风险评估方法在老年人衰弱状态判断中的应用。
本发明的第三发明目的在于,提供上述老年人健康风险评估方法在老年人围手术期严重并发症的预测中的应用。
本发明采用的技术方案如下:
一种老年人健康风险评估方法,其采用外周血单个核细胞(PBMC)的线粒体活性对老年人健康风险进行评估,其中,外周血单个核细胞的线粒体活性的表征参数包括ATP生成率和ATP产能来源于糖酵解的比例。
本发明的一种老年人健康风险评估方法,外周血单个核细胞的线粒体活性由细胞生物能量抗压指数(Bioenergetic Anti-Stress Index,BASI)进行表征,细胞生物能量抗压指数采用以下公式计算:
式中,ATP代表细胞ATP生成率,ATP INDEX代表ATP产能来源于糖酵解的比例,BHI代表生物能量健康系数。
BHI越大表示被检测细胞线粒体基础呼吸及耐受应激的能力更强;ATP INDEX越大反映被检测细胞在应激状态下能更好地动员无氧糖酵解途径;ATP越大反映被检测细胞通过糖酵解和氧化磷酸化生成的ATP总量越高,产能效率更好。由于体内三条重要的内在免疫通路—RIG-I/MAVS,NLRP3,TLR9及免疫细胞的表型转化都与线粒体代谢功能相关,所以本方案通过外周血单个核细胞(一种免疫细胞)为载体评估老年人机体生物能量代谢水平,从而评估其健康风险。BASI值越大,表明受试者健康风险越高。
本发明的一种老年人健康风险评估方法,其采用以下公式计算:
式中,ATP代表细胞ATP生成率,ATP INDEX代表ATP产能来源于糖酵解的比例,BHI代表生物能量健康系数。
由于采用了上述技术方案,lg对数函数可以将测得数值变小,同时不影响风险评估结果,便于实际应用。
本发明的一种老年人健康风险评估方法,a,b,c均为-10-10之间。
将ATP、ATP INDEX、BHI取对数后对于老年人衰弱程度和围手术期并发症的严重程度使用最小二乘法进行多元logistic回归,得出各自相关的风险系数,将这些风险系数作为可能的a、b、c的值。需要说明的是,当实际风险系数过大或过小时,可通过将三者等比例缩小或放大进行矫正,使a、b、c的值在-10-10之间,以使最终获得的BASI的值便于理解。
在样本量扩大的过程中a、b、c的值可能发生变化,是由于个体与整体之间可能存在一定的差异,样本量加大的过程中,a、b、c将更加精确,能更准确的反映老年人衰弱程度和围手术期并发症风险。
本发明的一种老年人健康风险评估方法,其包括如下步骤:
采集受试者静脉血,从中提取外周血单核细胞;
分别测量外周血细胞的线粒体呼吸参数和ATP生成率;
根据线粒体的呼吸参数计算BHI,进一步计算BASI。
本发明的一种老年人健康风险评估方法,受试者处于围手术期时,应当于麻醉前采集静脉血。
上述的老年人健康风险评估方法在老年人衰弱状态判断中的应用。
由于衰弱状态伴随生物能量代谢水平失调,所以该方法能有效判断老年人的衰弱状态。
上述的老年人健康风险评估方法在老年人围手术期严重并发症的预测中的应用。
由于衰弱状态与术后30天死亡及严重并发症密切相关,所以将该方法能有效预测老年人围手术期严重并发症,从而指导围手术期管理策略,为降低围手术期的并发症发生率和死亡率提供新的思路。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
本发明提供一种老年人健康风险评估方法及其应用,该评估方法在BHI的基础上,联合ATP生成率和ATP产能来源于糖酵解的比例两个参数得到BASI,从而使用数值代替主观的评价来反映老年人一般身体健康状况,预测老年人身体抗打击能力,和提示老年患者可能的健康风险。与BHI相比,该方法更精准的评估了线粒体和细胞的功能状态,从而能更精准反映老年个体在衰老中身体健康状况的变化。该方法能有效判断老年人的衰弱状态。将该方法应用于围手术期并发症的预测,能有效指导围手术期管理策略,为降低围手术期的并发症发生率和死亡率提供新的思路。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1是本发明实施例1提供的BHI和BASI对老年人高衰弱状态的预测结果图;
图2是本发明实施例2提供的BHI和BASI对老年胃肠道肿瘤患者围手术期严重并发症的预测结果图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
本实施例提供生物能量抗压指数在高衰弱状态预测中的应用。具体预测方法如下:
1.1外周血单核细胞(PBMC)的分离提取。在获得15位老年人知情同意后,采集受试者静脉血约10mL,贮存于含乙二胺四乙酸(EDTA)的采血管,置于4℃环境下,于60分钟内送入实验室依次进行以下步骤:
①将样本分装至含等体积RPMI培养液的10ml离心管进行稀释。
②另取一10mL离心管,加入与稀释后的外周血等体积的淋巴细胞分离液。
③将稀释后的外周血沿管壁轻柔加入至分离液中。
④室温下离心20分钟,离心力设定为800G(离心开始与结束离心的加速度与减速度分别设定为4m/s2与1m/s2),离心后可见离心管中一乳白色层,即PBMC层。
⑤吸取PBMC层至新的离心管中。
⑥加入10mL RPMI,用胶头滴管轻轻吹打混匀,在室温下离心5分钟,离心力设定为600G(离心开始与结束离心的加速度与减速度分别设定为9m/s2与9m/s2),弃去上清液;取沉淀。
⑦重复步骤⑥。
⑧加入10倍沉淀体积的裂红液,用胶头滴管轻轻吹打混匀并置于冰上放置5分钟。
⑨加入10mL RPMI,用胶头滴管轻轻吹打混匀并在室温下离心5分钟,离心力设定为600G(离心开始与结束离心的加速度与减速度分别设定为9m/s2与9m/s2)弃去上清液后所得沉淀即为外周血单核细胞。
1.2PBMC的耗氧率(OCR)测定。具体操作如下:
测定前一天:
①化探针:在XFp校准板每孔中加入150μL校准液,将探针版放置于校准板上,使探针没于校准液中。将探针板与校准板置于无CO2的37℃的孵箱中过夜(注意孵箱湿度,以防止校准液蒸发)。
②Seahorse细胞板提前用l鼠尾胶原(1:100)100μL每孔包被并在37℃的温度下过夜。
③配置OCR分析培养基(OCR Assay Medium):在10mL XF培养液(XF medium)中分别添加18mg D-葡萄糖(D-Glucose)、100μL-谷氨酰胺(L-Glutamine 200mM)、100μL丙酮酸(Sodium Pyruvate 100mM),使用5mM氢氧化钠(NaOH)将PH值校准至7.4,使终浓度达到:D-葡萄糖10mM,L-谷氨酰胺2mM,丙酮酸1mM。
④稳定仪器:打开Seahorse XFp分析仪,确保分析仪校准至37℃并过夜。
测定当天:
①加入Assay Medium 1mL重悬细胞,充分混匀后提取50μL PBMCs稀释10倍后进行计数(细胞数量/m=每视野数量*10^6)。
②去除细胞板中的鼠尾胶原,每孔种植180μL重悬细胞(30万)使用相同体积的Assay medium加入空白孔中,将细胞放入无CO2孵箱中37℃孵育30分钟。
③配置工作液:将20μL的寡霉素A(Oligomycin A)(5μM),22μL的碳酰氰-4-三氟甲氧基苯腙(FCCP)(3μM),25μL的鱼藤酮与抗毒素A混合液(Rotenone/antimycin A)(1μM/1μM)分别加入至探针板的A、B、C孔内并设置界面参数。
④室温下将细胞板离心10分钟,离心力设定为40G(离心开始与结束离心的加速度与减速度分别设定为3m/s2与0m/s2),使用显微镜观察,细胞应均匀分布于细胞板中,避免成团或空缺。
⑤上机得到线粒体呼吸参数,包括最大氧耗量、储备量、质子漏、ATP相关氧耗率、非线粒体呼吸。
1.3 PBMC的ATP生成率测定。具体操作如下:
测定前一天:
①化探针:在Seahorse XFp校准板每孔中加入150μL校准液,将探针版放置于校准板上,使探针没于校准液中。将探针板与校准板置于无CO2的37℃的孵箱中过夜(注意孵箱湿度,以防止校准液蒸发)。
②Seahorse XFp细胞板提前用l鼠尾胶原(1:100)100μL每孔包被并在37℃的温度下过夜。
③配置ATP分析培养基(ATP Assay Medium):在10mL XF DMEM培养液(XF DMEM pH7.4)中分别添加18mg D-葡萄糖(D-Glucose)、100μL L-谷氨酰胺(L-Glutamine 200mM)、100μL丙酮酸(Sodium Pyruvate 100mM),无需校准pH,使终浓度达到:D-葡萄糖10mM,L-谷氨酰胺2mM,丙酮酸1mM。
④稳定仪器:打开Seahorse XFp分析仪,确保分析仪校准至37℃并过夜。
测定当天:
①加入Assay Medium 1mL重悬细胞,充分混匀后提取50μL PBMCs稀释10倍后进行计数(细胞数量/m=每视野数量*10^6)。
②去除细胞板中的鼠尾胶原,每孔种植180μL重悬细胞(30万)使用相同体积的ATPAssay medium加入空白孔中,将细胞放入无CO2孵箱中37℃孵育30分钟。
③配置工作液:将20μL的寡霉素A(Oligomycin A)(1.5μM),22μL的鱼藤酮与抗毒素A混合液(Rotenone/antimycin A)(0.5μM/0.5μM)分别加入至探针板的A、B孔内并设置界面参数。
④室温下将细胞板离心10分钟,离心力设定为40G(离心开始与结束离心的加速度与减速度分别设定为3m/s2与0m/s2),使用显微镜观察,细胞应均匀分布于细胞板中,避免成团或空缺。
⑤上机获取PBMC的ATP生成率。
1.4生物能量代谢水平的评估。根据线粒体应激测试所得出的线粒体呼吸参数分别计算BHI和BASI。其中:
在实际操作中,可采用Bioenergetics Health Index_Report_Generator_Normalization(Seahorse Bioscience)操作系统进行计算。
若用上式得出的数值过大,可给等式右边加上对数函数,即:
式中,ATP代表细胞ATP生成率,ATP INDEX代表ATP产能来源于糖酵解的比例。ATP生成率和ATP产能来源于糖酵解的比例参考已发表文献(Romero,Natalia et al.“Quantifying Cellular ATP Production Rate Using Agilent Seahorse XFTechnology.”(2018).)计算得到。具体如下:
Glucose+2ADP+2Pi→2Lactate+2ATP+2H2O+2H+(Eq.1);
glycoATP Production Rate(pmol ATP/min)=glycoPER(pmol H+/min)(Eq.2);此公式代表糖酵解产生的ATP的量等于糖酵解产生的氢离子的量;
glycoPER(pmol H+/min)=PER(pmol H+/min)–mitoPER(pmol H+/min)(Eq.3);将培养基中总的氢离子产生量减去线粒体产生的氢离子量等于糖酵解产生的氢离子量;
PER(pmol H+/min)=ECAR(mpH/min)*BF(mmol H+/L/pH)*Vol XF microchamber(μL)*Kvol(Eq.4);总的氢离子产生量等与培养基PH的变化乘以培养基的原来的氢离子浓度乘以培养基的容积乘以校正系数;
mitoPER(pmol H+/min)=mitoOCR(pmol O2/min)*CCF(pmol H+/pmol O2)(Eq.5);
mitoOCR(pmol O2/min)=OCR basal(pmol O2/min)–OCR(Rot/AA)(pmol O2/min)(Eq.6);
OCRATP(pmol O2/min)=OCR basal(pmol O2/min)–OCR Oligo(pmol O2/min)(Eq.7);
mitoATP Production Rate(pmol ATP/min)=OCRATP(pmol O2/min)*2(pmol O/pmol O2)*P/O(pmol ATP/pmol O)(Eq.8);
上面的四个公式代表着将氧气消耗量转化成线粒体产生的ATP量;
ATP Production Rate(pmol ATP/min)=glycoATP Production Rate(pmol ATP/min)+mitoATP Production Rate(pmol ATP/min)(Eq.9);
先根据培养基单位时间内pH值的变化算出培养基内氢离子的变化,得到培养基中ATP的产率,再通过氧气的消耗量算出线粒体产生的ATP量,再将全部ATP产率减去线粒体产生的ATP的量即可得到糖酵解产生的ATP的量。
实际操作过程中,可使用Seahorse XF Real-Time ATP Rate Assay ReportGenerator(Agilent Technologies)操作系统计算ATP生成率和ATP产能来源于糖酵解的比例。
将ATP、ATP INDEX、BHI取对数后对于老年人衰弱程度和围手术期并发症的严重程度使用最小二乘法进行多元logistic回归,得出各自相关的风险系数,并对三者进行校正得到a、b、c的值,分别为3、1、1,最终得到BASI。
本实施例中运用BHI和BASI对老年人高衰弱状态的预测结果如图1所示。图1为BHI和BASI与老年人衰弱的ROC曲线比较图。由图1可知,BHI对老年人高衰弱的预测AUC为0.70(95%CI 0.358-1.0),而BASI指数对于老年高衰弱的预测AUC为0.840(95%CI 0.580-1.0),BHI和老年人高衰弱的Spearman相关系数为0.318,BASI和老年人高衰弱的Spearman相关系数为0.592。由此可见,BASI对老年人高衰弱的预测性和相关性均优于BHI。
实施例2
本实施例提供物能量抗压指数在围手术期并发症预测中的应用。具体地,本实施例中主要考察物能量抗压指数与老年胃肠道肿瘤患者预后的相关性,以为改善患者预后,为优化围手术期管理策略提供理论依据。本实施例中的主要考察指标为:手术后30天内Ⅲ级以上并发症的发生率及与BASI的相关性。具体实施方法如下:
以15位老年胃肠道肿瘤患者为受试者,在获得老年人知情同意后,进入手术室后,于麻醉诱导前采集各患者5mL外周静脉血,按照实施例1中1.1-1.4提供方法,进行线粒体压力测试,评估细胞生物能量代谢水平,分别计算BHI和BASI。
本实施例中,运用BHI和BASI对老年胃肠道肿瘤患者围手术期严重并发症的预测结果如图2所示。图2为BHI和BASI对围手术期并发症的ROC曲线比较图。由图2可知,BHI对老年人围手术期严重并发症的预测AUC为0.640(95%CI 0.238-1.0),而BASI对老年人围手术期严重并发症的预测AUC为0.800(95%CI 0.494-1.0),BHI和老年人围手术期并发症的Spearman相关系数为0.096,而BASI和老年人围手术期并发症的Spearman相关系数为0.657。由此可见,BASI对老年人围手术期并发症的预测性和相关性均明显优于BHI。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (6)
2.根据权利要求1所述的老年人健康风险评估方法,其特征在于,a,b,c均为[-10,10]。
3.根据权利要求2所述的老年人健康风险评估方法,其特征在于,其包括如下步骤:
采集受试者静脉血,从中提取外周血单核细胞;
分别测量外周血细胞的线粒体呼吸参数和ATP生成率;
根据线粒体的呼吸参数计算BHI,进一步计算BASI。
4.根据权利要求3所述的老年人健康风险评估方法,其特征在于,受试者处于围手术期时,应当于麻醉前采集静脉血。
5.权利要求1-4中任一项所述的老年人健康风险评估方法在老年人衰弱状态判断中的应用。
6.权利要求1-4中任一项所述的老年人健康风险评估方法在老年人围手术期严重并发症的预测中的应用。
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