通過空間代謝組學(xué)揭示膠質(zhì)母細(xì)胞瘤局部代謝梯度

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)是一種細(xì)胞代謝紊亂的疾病。GBM是一種復(fù)雜的異質(zhì)系統(tǒng)，包含多個不同的細(xì)胞群，并由異常的血管網(wǎng)絡(luò)支持生長增殖。目前觀察到藥物在GBM中存在異質(zhì)性分布，這一現(xiàn)象無法通過血腦屏障局部或者不均勻破壞來解釋。所以有必要從空間上對GBM的代謝模式和微環(huán)境的變化，以及化學(xué)成分區(qū)域性的變化進(jìn)行更深入的了解。

來自哈佛醫(yī)學(xué)院的研究者們在Cancer research(IF 12.7)上發(fā)表題為“Localized Metabolomic Gradients in Patient-Derived Xenograft Models of Glioblastoma”的文章，通過空間代謝組學(xué)，在3D維度對GBM代謝異質(zhì)性進(jìn)行了分析，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行了討論。

研究材料

腦組織
 
技術(shù)路線

步驟1：腫瘤切片空間代謝組學(xué)分析；
步驟2：三維驗證代謝物分布；
步驟3：結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析腫瘤內(nèi)部代謝模式；
步驟4：藥物空間分布成像。
 
研究結(jié)果

1. 腫瘤切片空間代謝組學(xué)分析

對移植膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的小鼠腦組織進(jìn)行空間代謝組學(xué)分析，對檢測結(jié)果進(jìn)行空間聚類分析，發(fā)現(xiàn)腫瘤區(qū)域內(nèi)部存在兩個具有獨(dú)特代謝模式的區(qū)域，分別被標(biāo)注為藍(lán)色和白色，對兩個區(qū)域中的代謝物進(jìn)行ROC分析，排名靠前的代謝物主要為一類long chain acylcarnitines（長鏈�；�肉堿）。對這些代謝物進(jìn)行空間成像，發(fā)現(xiàn)它們在腫瘤內(nèi)部都出現(xiàn)了較為一致的空間分布，尤其是肉豆蔻�；�肉堿（m/z 410.2666）、棕櫚�；�肉堿（m/z 400.3422）和硬脂�；�肉堿（m/z 428.3734）三種高含量的�；�肉堿，在腫瘤邊緣的強(qiáng)度明顯高于腫瘤內(nèi)部。進(jìn)一步通過LESA（液滴萃取表面分析）-MS/MS對相關(guān)目標(biāo)代謝物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗證，結(jié)果一致。

圖1 腦組織空間代謝組血分析

2. 通過3D成像對相關(guān)代謝酰基肉堿空間分布進(jìn)行驗證

對包含腫瘤部分的腦組織以160 μm的間隔進(jìn)行連續(xù)組織切片，共計制備22片進(jìn)行空間代謝組學(xué)分析，并構(gòu)建組織3D成像圖。驗證了�；�肉堿分布于整個腫瘤組織邊緣而非單一異常的異常平面所特有。另一方面，通過對血紅素進(jìn)行3D成像確認(rèn)了腫瘤組織和血管組織的相對位置。以上結(jié)果通過來源6只不同小鼠的腫瘤組織得到了驗證。

圖2 腦組織切片的腫瘤及血管三維成像圖

 
為了確定這一現(xiàn)象是否在其他GBM中觀察到，制備GBM12，GBM22，GBM39和GBM108等4種腫瘤組織樣本(n=2)，進(jìn)行空間代謝組學(xué)分析，在所有樣本中都檢測到酰肉堿，在腫瘤邊緣均可檢測到更高強(qiáng)度的�；�肉堿。
 
3. �；�肉堿相關(guān)代謝物分析

在上述四種腫瘤組織中均檢測到相對正常組織中更高強(qiáng)度的ATP，而且與�；�肉堿存在相反的分布趨勢。在GBM108模型中檢測到血紅素的相對強(qiáng)度最高，這和GBM108具有更高度的血管擴(kuò)張?zhí)匦杂嘘P(guān)系，而在酰基肉堿分布的核心區(qū)域，血管內(nèi)皮生長因子和血紅素的區(qū)域存在一定對應(yīng)關(guān)系，這可能暗示血管系統(tǒng)在�；�肉堿分布的有較大關(guān)系。
對腫瘤進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)脂肪酸代謝和糖酵解相關(guān)標(biāo)志基因表達(dá)趨勢和ATP以及酰基肉堿表達(dá)趨勢是一致的。
 
4. Erlotinib和AZD1775兩種藥物空間分布成像

兩種藥物在所有GBM模型的腫瘤區(qū)域均有較高的表達(dá)強(qiáng)度。在GBM12模型中，EGFR抑制劑厄洛替尼在腫瘤邊緣檢測到較低的信號，其特征是腫瘤周圍有一個暗環(huán)。棕櫚酰肉堿在該區(qū)域以較高的強(qiáng)度被檢測到，顯示出某種相反的分布。AZD1775在整個腫瘤區(qū)域有相對均勻的分布，在腫瘤邊緣和內(nèi)部核心濃度一致。對兩種藥物的理化性質(zhì)進(jìn)行了比較和總結(jié)，Erlotinib的溶解度有明顯的pH依賴性，兩種藥物溶解的差異性很可能是由于腫瘤微環(huán)境中不同pH環(huán)境導(dǎo)致的。

小編小結(jié)
研究者通過空間代謝組學(xué)對腫瘤微環(huán)境進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤內(nèi)部和邊緣擁有兩種不同的代謝模式，并進(jìn)一步對相關(guān)代謝物、血管系統(tǒng)、藥物在腫瘤內(nèi)外部的空間分布進(jìn)行了展示。