定量代謝組學案列：用小分子代謝產(chǎn)物診斷腸癌

近年來，醫(yī)學領(lǐng)域的基礎研究日趨系統(tǒng)化和多學科交叉，系統(tǒng)生物學的迅猛發(fā)展翻開了臨床實踐、藥物研發(fā)的新篇章。作為國內(nèi)較早涉足系統(tǒng)生物學研究的賈偉教授研究團隊，近年來應用代謝組學技術(shù)對各種臨床疾病的早期預測、診斷和預后的生物標志物進行了廣泛的研究，現(xiàn)以結(jié)直腸癌的系列研究為例介紹我們的研究進展。

研究團隊首先采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析方法，結(jié)合單維統(tǒng)計、多維統(tǒng)計的代謝組學研究技術(shù)，對I-IV期的64名腸癌患者和65名健康志愿者分別進行了血清和尿液代謝標志物的篩查，并進一步在擴大的研究對象101名腸癌患者和103名健康人中對所發(fā)現(xiàn)的潛在代謝標志物進行了驗證。

研究結(jié)果顯示，腸癌患者與健康人的血清代謝物組成具有顯著差異。腸癌患者的糖酵解通路中的兩個代謝產(chǎn)物丙酮酸和乳酸在血清中呈顯著性升高，三羧酸循環(huán)中的琥珀酸、異檸檬酸、檸檬酸中間產(chǎn)物呈下降趨勢；油胺在腸癌病人血清中的含量也有顯著性降低；尿素循環(huán)代謝物精氨酸、鳥氨酸和瓜氨酸在病人血清中均顯著降低，脯氨酸、羥基脯氨酸和谷氨酸也顯著下降；另外，色氨酸及其相關(guān)的代謝物5-羥基色氨酸和5-羥基吲哚乙酸在腸癌組和正常組之間有顯著性差異，提示與5-羥色胺的代謝相關(guān)。研究結(jié)果還顯示，血清代謝產(chǎn)物不僅可以將腸癌Ⅱ-Ⅳ期的患者與健康人明顯區(qū)分開，還能將Ⅰ期的早期腸癌患者與健康人也區(qū)分開來。我們的相關(guān)研究結(jié)果從2009年開始陸續(xù)發(fā)表在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有較大影響力的雜志Journal of Proteome Research（2009和2013）上。

尿液代謝組學結(jié)果同樣顯示，結(jié)直腸癌患者和正常人的代謝譜亦呈顯著差異。結(jié)直腸癌患者中的色氨酸代謝上調(diào)，組胺和谷氨酸代謝通路、三羧酸循環(huán)和腸道菌群代謝紊亂。另外，結(jié)直腸癌病人中紊亂的代謝譜，如5-羥色氨酸代謝物、三羧酸循環(huán)代謝和腸道菌群代謝物在手術(shù)后得到明顯改善。研究進而開展了二甲肼（DMH）所致結(jié)腸癌早期病變的SD大鼠模型的研究，同樣發(fā)現(xiàn)這些代謝物的波動和紊亂。研究結(jié)果發(fā)表在Journal of Proteome Research （2010和2012）上，并得到美國ACS和TIME（時代周刊）為代表的多家權(quán)威媒體的重點報道和關(guān)注，對該研究結(jié)果和前景給予了極高的評價。

在結(jié)直腸癌血清和尿液的代謝組學研究基礎上，我們對腸癌的組織也進行了深入的研究，對組織的研究可以有效規(guī)避血清、尿研究中由于飲食差異等外界因素對體內(nèi)代謝物的影響帶來對研究結(jié)果的影響。研究團隊首先對來自上海地區(qū)的結(jié)直腸癌和癌旁組織進行研究，發(fā)現(xiàn)了一組在癌和癌旁組織中具有顯著性差異的代謝物。進而對來自北京、浙江和美國加州另外3個不同地區(qū)的結(jié)直腸癌和癌旁組織也進行了研究。結(jié)果顯示腸癌組織中總的代謝物變化趨勢在4個不同地區(qū)的樣本具有很高的相似性，其中的15個代謝分子呈現(xiàn)出完全一致的變化趨勢。進一步研究發(fā)現(xiàn)這些差異性代謝物的變化與所在的代謝通路上的基因表達水平的變化呈高度的一致性。這些差異代謝物包括上調(diào)的犬尿氨酸、-丙氨酸、谷氨酸、半胱氨酸、2-氨基丁酸、棕櫚油酸、焦谷氨酸、天冬氨酸、次黃嘌呤、乳酸、豆蔻酸、甘油、尿嘧啶、腐胺，以及下調(diào)的肌醇。差異表達性的基因包括LDHA、TALDO1、GOT2、MDH2、ME1、GAD1、ABAT、PANK1、DPYD、ACLY、FASN、SCD、IDO1、GPX1、GSTP1、GSR、GSS、GGCT、ANPEP、CAT、ERCC2。結(jié)合代謝物和基因表達變化發(fā)現(xiàn)的結(jié)直腸癌的代謝物模式和基因表達模式特點主要可以從三個方面闡釋其生物特性：1）“瓦伯格效應”（Warburg Effect）：這是腫瘤細胞能量代謝的典型特征，表現(xiàn)在大量地攝取葡萄糖進行有氧糖酵解，生成大量的乳酸，同時為不斷生長的腫瘤細胞提供生物合成原料；2）伴隨著糖酵解的上升，用于大分子物質(zhì)合成的代謝中間體顯著上升：腫瘤細胞的代謝會產(chǎn)生大分子中間體來支持細胞生長，導致某些特定的游離脂肪酸（豆蔻酸、棕櫚油酸）和核酸（次黃嘌呤）的濃度上升。在腫瘤細胞中，高表達的ACLY、 FASN和SCD同樣提示了脂肪酸合成的增強。而-丙氨酸在腫瘤細胞生長中明顯的變化可能與脂肪酸合成中的乙酰輔酶A和丙二酸輔酶A有著密切的聯(lián)系，提示這種變化可能與腸道菌群代謝有相關(guān)性；3）腫瘤細胞內(nèi)維持較高的氧化應激水平：我們發(fā)現(xiàn)腫瘤組織內(nèi)具有抗氧化活性代謝物的濃度顯著上升。由于腫瘤細胞加速合成代謝而產(chǎn)生較高的活性氧，從而使胞內(nèi)氧化應激水平上升。所發(fā)現(xiàn)的這些具有抗氧化活性的代謝產(chǎn)物在腫瘤組織中被大量的合成，提示腫瘤細胞通過改變代謝模式，用還原性的分子來平衡活性氧，從而在較高的氧化應激水平下維系其生理和代謝功能。實驗中發(fā)現(xiàn)，氧化應激的生物標志物視晶酸、2-氨基丁酸在腫瘤細胞中上升。同時，與谷胱甘肽相關(guān)的基因包括GPX1、GSR、GGCT、GSTP1也在腫瘤組織中顯著升高。該研究結(jié)果發(fā)表于國際知名的癌癥研究期刊Clinical Cancer Research（2014）。

我們相信對結(jié)直腸癌的系統(tǒng)性的代謝研究，對尋找和發(fā)現(xiàn)具有臨床早期診斷和預后價值的生物標志物研究提供了極大的可能性，為未來的臨床轉(zhuǎn)化研究奠定了堅實的基礎。

原文出處：

1．Qiu, Y.; Cai, G.; Su, M.; Chen, T.; Zheng, X.; Xu, Y.; Ni, Y.; Zhao, A.; Xu, L. X.; Cai, S.; Jia, W., Serum metabolite profiling of human colorectal cancer using GC-TOFMS and UPLC-QTOFMS.Journal of Proteome Research. 2009, 8, 4844–4850.

2．Qiu, Y.; Cai, G; Su, M.; Chen, T.; Liu, Y.; Xu, Y.; Ni, Y.; Zhao, A.; Cai, S.; Xu, L. X.; Jia, W., Urinary Metabonomic Study on Colorectal Cancer. Journal of Proteome Research.2010, 9, 1627–1634.

3．Cheng, Y., Xie, G., Chen, T., Qiu, Y., Zou, X., Zheng, M., Tan, B., Feng, B., Dong, T., He, P., Zhao, L., Zhao, A., Xu, LX., Zhan,g Y., Jia, W. Distinct urinary metabolic profile of human colorectal cancer. Journal of Proteome Research. 2012, 11(2):1354-63.

4．Tan, B, Qiu, Y, Zou, X, Chen, T, Xie, G, Cheng, Y, Dong, T, Zhao, L, Feng, B, Hu, X, Xu, L. X, Zhao, A, Zhang, M, Cai, G, Cai, S, Zhou, Z, Zheng, M, Zhang, Y & Jia, W. Metabonomics identifies serum metabolite markers of colorectal cancer. Journal of Proteome Research 2013, 12, 1354?1363.

5．Qiu, Y.; Cai, G.; Zhou, B.; Li, D.; Zhao, A.; Xie, G.; Li, H.; Cai, S.; Xie, D.; Huang,C.; Ge, W., Zhou,Z.; Xu, L.; Jia, Weiping; Zheng, S.; Yen, Y.; Jia, W. Metabonomics of human colorectal cancer: new approaches for early diagnosis and biomarker discovery. Clinical Cancer Research.2014, 20(8):15.