一、代謝組學(xué)是什么
“基因組反應(yīng)了可能將要發(fā)生的事情，轉(zhuǎn)錄組反應(yīng)了將要發(fā)生的事情，而代謝組反應(yīng)了正在或者已經(jīng)發(fā)生的事情”。代謝組學(xué)的分析能夠幫助人們更好的理解病理變化的過程。已發(fā)表的一系列研究顯示代謝組學(xué)的研究可以應(yīng)用于腫瘤早期biomarker的識(shí)別以及預(yù)后情況的監(jiān)測(cè)。
二、腫瘤biomarker的研究現(xiàn)狀
從1846年Bence-Jones發(fā)現(xiàn)B-J蛋白對(duì)多發(fā)性骨髓瘤的診斷作用以來(lái)，腫瘤biomarker的研究已有100多年的歷史，它對(duì)腫瘤的早期診斷、預(yù)后診斷治療指導(dǎo)及復(fù)發(fā)與轉(zhuǎn)移的監(jiān)測(cè)都有著相當(dāng)重要的意義。腫瘤biomarker是腫瘤組織產(chǎn)生的可以反映腫瘤自身存在的化學(xué)物質(zhì)，具有以下特征：在體液、組織、組織液中可以檢出；提示腫瘤負(fù)荷；具有腫瘤的類別特異性；可提示腫瘤復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移的出現(xiàn)。
三、如何利用代謝組學(xué)手段進(jìn)行biomarker的篩選
1、前列腺癌biomarker發(fā)現(xiàn)
2009年nature刊發(fā)了美國(guó)密歇根大學(xué)霍華休斯醫(yī)學(xué)院研究者的一項(xiàng)基于GC/MS代謝組學(xué)研究的前列腺癌生物biomarker的研究成果。研究者對(duì)前列腺癌患者血清、組織、尿液樣本中的代謝組進(jìn)行系統(tǒng)分析，一共262個(gè)臨床樣本，分別選自前列腺癌患者（59個(gè)活檢陽(yáng)性，51個(gè)活檢陰性作為對(duì)照）的42個(gè)組織，110份尿液和血漿，以代謝物差異性來(lái)區(qū)分出良性前列腺癌、臨床局限性前列腺癌、轉(zhuǎn)移性癌。研究發(fā)現(xiàn)肌氨酸在侵入性前列腺癌組織中含量很高，同時(shí)作者檢測(cè)活檢陽(yáng)性和陰性人群尿液樣本，這些樣本中往往前列腺抗原含量是上升的。也就是說(shuō)活體穿刺陰性并不能完全排除未患癌。這也顯示出肌氨酸作為判斷前列腺癌轉(zhuǎn)移的重要意義。
圖1 前列腺癌代謝組學(xué)分析
圖2 肌氨酸含量及其與癌細(xì)胞入侵的關(guān)系
該研究中還利用遺傳技術(shù)將甘氨酸生成肌氨酸的酶定向敲除，發(fā)現(xiàn)敲除了生成肌氨酸的酶將大大降低前列腺癌的惡性程度，反過來(lái)，外源添加肌氨酸或降低肌氨酸脫氫酶，將導(dǎo)致前列腺良性上皮細(xì)胞的惡化。這說(shuō)明肌氨酸在癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移中可能扮演了重要的角色，肌氨酸代謝通路有可能成為前列腺癌治療的新靶點(diǎn)。
圖3 肌氨酸在雄性激素信號(hào)通路和癌細(xì)胞惡化中的作用
2、白血病biomarker發(fā)現(xiàn)
那么對(duì)于實(shí)體瘤我們可以利用代謝組學(xué)的手段進(jìn)行biomarker的篩選，非實(shí)體瘤我們同樣也可以。2014年刊發(fā)在blood上的一篇關(guān)于急性髓細(xì)胞白血?。ˋML）葡萄糖代謝機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)急性髓細(xì)胞白血病患者（AML）的糖酵解代謝活性越高，其生存就越差。研究團(tuán)隊(duì)獲得兩組（測(cè)試組：229個(gè)AML患者和260個(gè)對(duì)照血漿樣本；驗(yàn)證組：171個(gè)AML患者和233個(gè)對(duì)照血漿樣本）受測(cè)對(duì)象的血漿代謝組數(shù)據(jù)，利用非靶向代謝物檢測(cè)技術(shù)測(cè)得100個(gè)代謝物中有6種代謝物在組間有顯著性差異，其中甘油-3-磷酸、乳酸、檸檬酸在AML患者血清中含量較對(duì)照顯著下降，而丙酮酸、α-酮戊二酸和2-HG在AML患者中顯著增加，進(jìn)一步將這6種代謝產(chǎn)物組合來(lái)評(píng)估AML患者的預(yù)后發(fā)現(xiàn)：患者的生存期(OS)和無(wú)事件發(fā)生期(EFS)與乳酸、丙酮酸、α-酮戊二酸、2-HG、甘油-3-磷酸的含量成負(fù)相關(guān)，但與檸檬酸含量成正相關(guān)。這六個(gè)biomarker的發(fā)現(xiàn)對(duì)于急性髓細(xì)胞白血?。ˋML）預(yù)后評(píng)價(jià)有重要的價(jià)值。
圖4 急性髓細(xì)胞白血病葡萄糖代謝機(jī)制研究
3、其他腫瘤相關(guān)的biomarker發(fā)現(xiàn)
2012年，Xiao等用UPLC-QTOFMS技術(shù)對(duì)40位肝癌患者和49位肝硬化患者的血清進(jìn)行代謝組學(xué)分析，結(jié)果表明肝癌患者血清里與膽汁酸相關(guān)的肝臟特異性代謝和長(zhǎng)鏈游離脂肪酸代謝水平下調(diào)，小分子氨基酸代謝增強(qiáng)，可借此對(duì)肝硬化和早期肝癌患者進(jìn)行鑒別診斷。
2015年，國(guó)內(nèi)學(xué)者XieG等運(yùn)用GC-MC對(duì)美國(guó)和中國(guó)各100例早期胰腺癌患者及100例健康對(duì)照進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)一組差異代謝物：谷氨酸、膽堿、1，5-脫水葡萄糖醇、甲基胍等代謝物可以將兩地區(qū)早期胰腺癌患者和健康對(duì)照區(qū)分。
圖5.Connecticut和上海地區(qū)兩組人群OPLS-DA圖
2016年，ChanAW等采用核磁的方法對(duì)3組研究對(duì)象包括43例胃癌患者、40例胃部良性病變患者以及40例健康人的尿液進(jìn)行代謝組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)包括蔗糖、二甲胺、1-甲基煙酰胺等9個(gè)物質(zhì)在組間有顯著差異，可能成為潛在的腫瘤biomarker。研究者進(jìn)一步運(yùn)用LASSO-LR回歸分析將2-羥基異丁酸、3-吲哚硫酸酯、丙氨酸3種代謝物組合后建立了區(qū)分胃癌患者和健康人的有效方法，其ROC曲線下AUC值高達(dá)0.95。這些biomarker的發(fā)現(xiàn)對(duì)臨床腫瘤的早期診斷具有重要的價(jià)值。
圖6三個(gè)代謝物的LASSO-LR模型
四、廣泛靶向代謝組：創(chuàng)新的高通量代謝組檢測(cè)技術(shù)
廣泛靶向代謝組（WidelyTargetedMetabolome）：一種整合了非靶向和靶向代謝物檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的新型代謝組檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高通量、高靈敏、廣覆蓋的靶向代謝物檢測(cè)，為高效批量定性、定量檢測(cè)低豐度代謝物提供了理想的手段（表1）。
隨著廣泛靶向代謝組技術(shù)的建立，高通量的檢測(cè)鑒定疾病代謝通路中的物質(zhì)成為可能。相對(duì)傳統(tǒng)方法NMR（核磁共振）和靶向技術(shù)來(lái)說(shuō)，大大降低了研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。
通過廣泛靶向代謝組學(xué)的手段能更清晰全面的監(jiān)測(cè)體內(nèi)代謝物的變化，找到導(dǎo)致疾病的關(guān)鍵代謝途徑，從而找到治療靶點(diǎn)。同時(shí)也能監(jiān)測(cè)藥物在體內(nèi)的吸收情況和進(jìn)行療效研究。
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