GUT文獻解析：綜合代謝組學揭示肝癌從腸入肝的代謝變化
肝細胞癌（HCC）是全球癌癥死亡的第三大原因。由于缺乏早期診斷標志物，大多數(shù)HCC患者往往在確診時已處于晚期，預后較差。門靜脈系統(tǒng)的環(huán)境可能在HCC的發(fā)展中起重要作用。越來越多的證據(jù)表明，代謝物對HCC的形成很重要。然而，由于門靜脈血的可及性較差。因此，比較HCC患者與健康受試者在門靜脈、中央靜脈、肝組織和糞便樣本中的代謝變化，更有助于深入了解腸-肝軸進而評估HCC患者的潛在病因和新的治療靶點。來自香港中文大學的于君團隊等對HCC患者和健康肝臟供體的血清、肝臟和糞便樣本進行綜合代謝組學分析，以揭示HCC患者以前未報道的代謝改變，相關(guān)研究成果發(fā)表于《Gut》。
1. HCC患者和健康對照的隊列設計及特征
招募兩個獨立的HCC患者和健康肝臟供體隊列，采用嚴格的納入和排除標準，以避免對菌群或菌群代謝物的影響。建立兩個研究隊列來探索代謝改變和HCC之間的關(guān)聯(lián)。其中，發(fā)現(xiàn)隊列包括52例HCC患者和50例健康對照，驗證隊列包括50例HCC患者和50例健康對照。在發(fā)現(xiàn)和驗證隊列中，慢性乙型肝炎病毒感染是HCC的主要原因，分別占65.4%和60%。與健康對照組相比，HCC患者年齡較大，血清丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶 (ALT)、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶 (AST)、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶 (GGT)、堿性磷酸酶 (ALP)、直接膽紅素和凝血酶原時間 (PT) 水平較高。但總蛋白、白蛋白和血小板水平較低。對來自HCC患者的門靜脈和中央靜脈血清、癌組織及癌旁組織和糞便樣本（3種樣本類型共360個樣本）以及來自正常受試者的門靜脈和中央靜脈血清、肝組織和糞便樣本（3種樣本類型共300個樣本）共660個樣本通過液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS）平臺進行代謝組學檢測，根據(jù)血清、組織和糞便的代謝物變化進行綜合分析，并在肝細胞系中驗證候選代謝物的功能（圖 1）。
圖1. 代謝組學和生物驗證研究流程
2. 與健康對照相比，在HCC患者中發(fā)現(xiàn)了代謝改變
在所有收集的樣品中共檢測到2799種代謝物，包括在發(fā)現(xiàn)隊列中，鑒定到156種(ESI–)和285種(ESI+)血清代謝物；305種(ESI–) 和535種(ESI+) 肝組織代謝物；440種(ESI–)和703種(ESI+) 糞便代謝物；在驗證隊列中，鑒定到146種(ESI–)和229種(ESI+)血清代謝物。PLS-DA分析結(jié)果顯示，HCC患者與對照組個體具有不同的代謝物簇。通過擬合PLS-DA建立了一個包含代謝組學信息的模型，并通過200次隨機排列測試其在七次交叉驗證期間正確分類新樣本的能力。擬合優(yōu)度（R2）和預測優(yōu)度（Q2）的截距說明PLS-DA模型是可靠的，并且沒有過度擬合。考慮到統(tǒng)計學上的顯著差異（p 值）和投影中的變量重要性（VIP），繪制了HCC患者中已識別代謝物水平相對于健康對照的倍數(shù)變化的火山圖，結(jié)果顯示在門靜脈血清、中央靜脈血清、HCC肝組織和糞便樣本中，與相應的對照組相比，HCC患者的差異代謝物水平發(fā)生顯著改變�？傊�，HCC與門靜脈、中央靜脈、肝組織和糞便樣本等多種來源的代謝組的顯著變化有關(guān)（圖2）。
圖2. 在3種樣本類型中均發(fā)現(xiàn) HCC 的代謝改變
3. HCC患者從門靜脈血清到中央靜脈血清的代謝發(fā)生變化
評估門靜脈和中央靜脈之間代謝物的相對變化，作為通過肝臟后變化的反映。比較從門靜脈到中央靜脈的代謝物在HCC患者和健康對照的差異。結(jié)果顯示，在HCC患者中發(fā)現(xiàn)17種代謝物，在正常對照組中發(fā)現(xiàn)12種代謝物，在兩種ESI模式中，從門靜脈到中心靜脈的減少變化為兩倍或更多�？傊�，門靜脈代謝改變不同于外周血代謝改變。門靜脈結(jié)果將為HCC發(fā)展過程中的代謝組學改變提供更多的見解(圖3)。
圖3. HCC 患者和健康對照組從門靜脈到中央靜脈的代謝物顯著降低
4. HCC患者門靜脈血清中的致病代謝物升高
為了揭示可能參與HCC形成的代謝表型，通過層次聚類分析比較從門靜脈到中央靜脈血清樣本的代謝變化。發(fā)現(xiàn)與HCC中的中央靜脈相比，門靜脈中有56種代謝物顯著升高，在ESI–和ESI+模型中分別鑒定到28種。而且，HCC 患者門靜脈中鑒定出的這56種升高的代謝物也顯著高于健康對照。此外，這些升高的代謝物在獨立隊列中得到驗證，與健康對照相比，其中25種在 HCC 患者的門靜脈血清中也升高。
進行KEGG通路富集分析，并在ESI–和ESI+模型中確定顯著的富集通路，結(jié)果顯示，初級膽汁酸生物合成、�；撬岷蛠喤；撬岽x以及苯丙氨酸和色氨酸代謝是HCC患者門靜脈代謝物中發(fā)生改變的主要通路。已報道，這些通路相關(guān)的代謝物有助于全身性肝臟炎癥。其中，L-色氨酸是一種重要的癌癥營養(yǎng)物質(zhì)，去除它會導致腫瘤的破壞。使用HCC細胞系 Hep3B、Huh7和正常肝細胞細胞系MIHA對升高的門靜脈代謝物（如 L-色氨酸）進行功能驗證，結(jié)果顯示，L-色氨酸顯著促進HCC細胞（Hep3B 和 Huh7）中的細胞增殖，但在MIHA中不以時間依賴性方式促進細胞增殖�？傊T靜脈中升高的代謝物可能有助于HCC 的腫瘤發(fā)生（圖4）。
圖4. HCC患者門靜脈致病代謝物
5. HCC腫瘤組織中代謝物升高
與HCC患者的癌旁組織相比，在癌組織中鑒定出116種升高的代謝物，其中43種在ESI–模型中和73種在ESI+模型中被鑒定到。而且，與健康對照相比，116種升高的代謝物在HCC患者的腫瘤組織中也顯著更高。其中，與正常肝組織相比，HCC腫瘤組織中DL-3-苯基乳酸、L-色氨酸、甘氨膽酸和1-甲基煙酰胺的門靜脈代謝物也顯著升高。將這些代謝物的水平與肝功能的生化指標進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，DL-3-苯基乳酸、甘氨膽酸和1-甲基煙酰胺與血清AST、ALT、ALP、GGT、血清總膽紅素和PT水平呈正相關(guān)，與血清白蛋白和血小板水平呈負相關(guān)，表明HCC患者門靜脈和腫瘤組織中代謝物升高與肝功能受損有關(guān)。
隨后根據(jù)這4個代謝物的濃度中位值將HCC患者分為高與低類別。當根據(jù)單個代謝物的中位值對隊列進行二分位時，DL-3-苯乳酸的總體死亡率危險比為3.975，L-色氨酸為 3.662 ，甘膽酸為 3.975，1-甲基煙酰胺為 3.487，表明HCC患者門靜脈和腫瘤組織中升高的代謝物與生存率降低有關(guān)（圖 5）。
圖5. 驗證HCC腫瘤組織中的致病代謝物
6. HCC患者門靜脈中降低的代謝物在體外對 HCC 具有保護作用
最后，評估HCC患者門靜脈樣本中降低的代謝物，并與相同患者糞便樣本中降低的代謝物的交集情況，結(jié)果顯示，與發(fā)現(xiàn)隊列中的健康對照相比，亞油酸和苯酚在 HCC 患者的門靜脈血清和糞便樣本中均顯著減少，并在驗證隊列中的 HCC 患者的門靜脈血清樣本中得到證實。對HCC 細胞系中亞油酸和苯酚進行功能研究，結(jié)果顯示，亞油酸和苯酚均以時間依賴性方式顯著抑制HCC細胞系Hep3B和Huh7中的細胞增殖，但不抑制正常肝細胞系MIHA的細胞增殖；同時，還發(fā)現(xiàn)亞油酸和苯酚顯著抑制 HCC細胞系Hep3B和Huh7的集落形成；此外，亞油酸和苯酚增加HCC 細胞的凋亡。總之，亞油酸和苯酚抑制細胞增殖并誘導 HCC 細胞凋亡，推斷它們的抗 HCC 功能是保護性代謝物（圖 6）。
圖6. 體外HCC潛在保護性代謝物的驗證
小結(jié)
本研究招募發(fā)現(xiàn)隊列和驗證隊列，收集HCC患者和健康對照的血清（門靜脈和中央靜脈）、肝臟組織和糞便樣本進行了深入的綜合代謝組學分析。闡述了HCC 患者先前未報告的代謝改變。在門靜脈（腸道和肝臟之間的關(guān)鍵體液通訊途徑）中，確定了升高的致病性代謝物和降低的保護性代謝物，表明它們在HCC發(fā)展中的關(guān)鍵作用。
參考文獻
Integrative metabolomic characterisation identifies altered portal vein serum metabolome contributing to human hepatocellular carcinoma. Gut. 2021. https://doi.org/10.1136/gutjnl-2021-325189.
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質(zhì)譜代謝組學可對生物樣品中的數(shù)千個小分子進行全面、系統(tǒng)的分析，可以靈敏捕捉到機體代謝的細微變化，可以為疾病的病因?qū)W、治療和早期診斷提供見解。本研究通過對肝癌患者的血清、肝臟、糞便樣本進行綜合代謝組學檢測分析，系統(tǒng)揭示從腸入肝的代謝變化。麥特繪譜擁有業(yè)內(nèi)強大的Q600全定量代謝組、Q300全定量代謝組、Q200宏代謝組等方法，可提供代謝組學一站式整體解決方案，獨家的檢測技術(shù)、全面的數(shù)據(jù)報告以及專業(yè)的售后探討，助力您的科研探索之路不斷創(chuàng)新和突破。詳情歡迎咨詢麥特繪譜熱線400-867-2686，獲取詳細資料！
