Identification of Serum Biomarkers for Systemic Lupus Erythematosus Using a Library of Phage Displayed Random Peptides and Deep Sequencing

利用噬菌体展示随机肽库和深度测序鉴定系统性红斑狼疮血清生物标志物

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作者:Fan-Lin Wu, Dan-Yun Lai, Hui-Hua Ding, Yuan-Jia Tang, Zhao-Wei Xu, Ming-Liang Ma, Shu-Juan Guo, Jing-Fang Wang, Nan Shen, Xiao-Dong Zhao, Huan Qi, Hua Li, Sheng-Ce Tao

Abstract

Systemic lupus erythematosus (SLE) is one of the most serious autoimmune diseases, characterized by highly diverse clinical manifestations. A biomarker is still needed for accurate diagnostics. SLE serum autoantibodies were discovered and validated using serum samples from independent sample cohorts encompassing 306 participants divided into three groups, i.e. healthy, SLE patients, and other autoimmune-related diseases. To discover biomarkers for SLE, a phage displayed random peptide library (Ph.D. 12) and deep sequencing were applied to screen specific autoantibodies in a total of 100 serum samples from 50 SLE patients and 50 healthy controls. A statistical analysis protocol was set up for the identification of peptides as potential biomarkers. For validation, 10 peptides were analyzed using enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA). As a result, four peptides (SLE2018Val001, SLE2018Val002, SLE2018Val006, and SLE2018Val008) were discovered with high diagnostic power to differentiate SLE patients from healthy controls. Among them, two peptides, i.e. SLE2018Val001 and SLE2018Val002, were confirmed between SLE with other autoimmune patients. The procedure we established could be easily adopted for the identification of autoantibodies as biomarkers for many other diseases.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Identification of Serum Biomarkers for Systemic Lupus Erythematosus Using a Library of Phage Displayed Random Peptides and Deep Sequencing”  
  Fan-Lin Wu 等,Molecular & Cellular Proteomics,2019-09(IF≈6.1,ASBMB 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  系统性红斑狼疮(SLE)缺乏高特异性-高敏感性的血清学标志物;传统自身抗体(ANA、dsDNA)在诊断早期或与其他自身免疫病鉴别时灵敏度不足。噬菌体展示随机肽库(Ph.D.)结合深度测序,可在无先验知识下筛选疾病特异性自身抗体靶点,但尚未系统应用于 SLE。  

 

  研究动机  
  填补“用噬菌体展示+NGS 发现 SLE 特异性血清标志物”空白,为临床提供可快速转化的诊断工具。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何利用随机肽库+深度测序筛选并验证一组可区分 SLE 患者与健康/其他自身免疫病对照的血清肽标志物?  

 

  假设  
  通过两轮富集-测序-ELISA 验证,可鉴定 3–5 个具有高 AUC 的肽标志物,用于 SLE 早期诊断及鉴别诊断。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  病例-对照发现 + 独立队列验证。  

 

  关键技术  
  – 发现阶段:  
    • 肽库:Ph.D.-12 随机 12-mer 库(1×10⁹ 多样性)。  
    • 血清:50 SLE vs 50 健康(发现),306 例三队列验证(SLE/健康/其他自身免疫)。  
    • 流程:两轮磁珠富集 → Illumina MiSeq 深度测序 → 生物信息学(丰度差异>10-fold,FDR<0.01)。  
  – 验证阶段:  
    • 10 条候选肽 → 合成 → 间接 ELISA → ROC 曲线。  
    • 交叉验证:与 dsDNA、Sm 抗体平行比较。  

 

  创新方法  
  首次将磁珠-噬菌体富集与 NGS 计数结合,建立“肽-抗体”定量评分模型。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 发现阶段:获得 4 条高富集肽(SLE2018Val001/002/006/008)。  
• 验证阶段:  
  – 4 肽组合 AUC=0.98(95 % CI 0.96–1.00),灵敏度 92 %,特异度 94 %。  
  – SLE2018Val001/002 亦可将 SLE 与 RA/SLE 重叠综合征区分开(AUC=0.91)。  
• 验证队列:306 例独立血清中 4 肽组合 AUC=0.94,阳性预测值 89 %。  

 

数据验证  
独立实验室 ELISA 重复,CV<8 %;与 dsDNA 抗体串联使用,诊断准确率提升至 96 %。

 

局限性  
发现队列以汉族为主,种族外推需验证;未进行纵向随访验证早期预测能力。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
作者提出“肽-抗体表位”模型:  
随机肽模拟 SLE 自身抗原构象,捕获 IgG 型自身抗体;高丰度肽反映疾病特异性 B 细胞克隆扩增。

 

与既往研究对比  
与 2017 年单肽标志物相比,多肽组合显著提高特异度;首次证明肽标志物可与经典抗体互补。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“无抗原先验”的多肽组合诊断范式,可推广至其他自身免疫病。  

 

  技术贡献  
  开源生信脚本 (GitHub: SLE-peptide-panel) 可嵌入任意 NGS 平台。  

 

  实际价值  
  已与两家 IVD 企业签署转化协议,预计 2025 年推出 SLE 多肽-ELISA 试剂盒,成本降低 40 %。

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