代謝組與腎細(xì)胞癌的早期診斷

王 站，張玉石

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院泌尿外科，北京 100730

腎細(xì)胞癌是泌尿系最常見的惡性腫瘤之一，其發(fā)病率約占成年男性全身惡性腫瘤的5%，成年女性的3%[1]。在世界范圍內(nèi)，發(fā)達(dá)國家的腎癌發(fā)病率要比發(fā)展中國家高，其中歐洲及北美占據(jù)了發(fā)達(dá)國家新發(fā)病例的70%以上[2]。在美國，2017年泌尿系腫瘤的新發(fā)病例約為146 650例，其中腎癌約63 990例，僅次于膀胱癌的79 030例[1]。在我國，腎細(xì)胞癌發(fā)病率在泌尿系惡性腫瘤中居第2位，且各地區(qū)腎癌發(fā)病率及死亡率差異較大，呈現(xiàn)出城市高于農(nóng)村，男性高于女性的總體情況[3]。最新流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，我國2014年腎癌新發(fā)病例數(shù)約為68 000例，其中死亡病例數(shù)約為26 000例[3]。早期腎癌往往無特異性臨床表現(xiàn)，目前尚缺乏有效的早期篩查手段。代謝組學(xué)通過篩選機(jī)體的內(nèi)源性代謝產(chǎn)物，有望在腎癌腫瘤標(biāo)志物的探測領(lǐng)域取得突破。

腎細(xì)胞癌的早期診斷與代謝組

早期腎癌常缺乏特異性臨床表現(xiàn)，當(dāng)患者出現(xiàn)典型的血尿、腰痛、腹部腫塊而就診時，往往已經(jīng)處于腫瘤晚期。約20%～40%有上述癥狀的患者在就診時已經(jīng)處于晚期階段，甚至已經(jīng)發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，而伴發(fā)遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移者預(yù)后較差，5年生存率在10%以下[4-5]。影像學(xué)檢查雖然能夠早期發(fā)現(xiàn)腎臟腫物，但對于腫物的良惡性鑒別效果欠佳；腫物穿刺活檢術(shù)由于有創(chuàng)、檢出率低且存在針道轉(zhuǎn)移的風(fēng)險，臨床上的使用亦受到限制。因而，為了提高腎癌的早期診斷和治療水平、降低腎癌的死亡率，無創(chuàng)、經(jīng)濟(jì)且具有良好敏感性和特異性的腫瘤標(biāo)志物亟待產(chǎn)生。越來越多的研究表明，代謝通路的改變在惡性腫瘤，尤其是腎細(xì)胞癌的生物學(xué)行為中起著關(guān)鍵作用[6]。作為“組學(xué)”的一門新興學(xué)科，代謝組學(xué)在腫瘤標(biāo)志物的探測領(lǐng)域獲得了極大關(guān)注。

代謝組學(xué)是20世紀(jì)90年代末期發(fā)展起來的，研究關(guān)于生物體系(細(xì)胞、組織或生物個體)受到外部刺激(比如外部環(huán)境因素變化或基因改變)后，其內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的種類、數(shù)量變化及其規(guī)律的科學(xué)。與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)不同，代謝組學(xué)主要的研究對象為相對分子質(zhì)量小于1000的內(nèi)源性小分子物質(zhì)。這些小分子物質(zhì)往往能夠更加準(zhǔn)確、全面地反映機(jī)體的病生理狀態(tài)。通過代謝組學(xué)技術(shù)，尋找腎癌的差異性代謝組，將有助于發(fā)現(xiàn)新的腎癌腫瘤標(biāo)志物。目前代謝組學(xué)常用的技術(shù)有氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS)和核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)技術(shù)等。

腎細(xì)胞癌腫瘤標(biāo)志物的代謝組研究進(jìn)展

糖代謝根據(jù)Warburg效應(yīng)，即使氧供充分，腫瘤細(xì)胞依然會選擇無氧酵解來滿足自身的代謝及增殖所需，因此腫瘤代謝途徑的改變往往會導(dǎo)致相應(yīng)代謝產(chǎn)物的異常[7]，這種改變會在腎癌組織、患者的血液及尿液中有所體現(xiàn)，這也為瘤標(biāo)的尋找提供了理論基礎(chǔ)。

葡萄糖：作為糖代謝的重要起始底物，葡萄糖是細(xì)胞代謝及增殖所需的重要能量來源。Cuperlovic-Culf等[8]通過離體培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，VHL-的腎癌細(xì)胞系無論是細(xì)胞內(nèi)還是細(xì)胞外，葡萄糖濃度都發(fā)生了明顯下降，且同時伴隨著乳酸升高，而VHL+腎癌細(xì)胞系內(nèi)糖濃度和氨基酸、三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物以及膽堿濃度密切相關(guān)，該結(jié)果不僅證實(shí)了Warburg效應(yīng)，還提示葡萄糖是腎癌細(xì)胞重要的碳源。通過對離體腫瘤組織的分析，研究者發(fā)現(xiàn)腎癌組織局部血糖明顯升高，這為腫瘤的高代謝狀態(tài)提供了必要條件[6，9]。此外，腫瘤細(xì)胞對于葡萄糖的高攝取及高利用還會導(dǎo)致血清葡萄糖濃度的降低[10-11]。然而有研究顯示，腎癌組和對照組的血清葡萄糖水平并未呈現(xiàn)出明顯差異[12]，這可能與機(jī)體血糖的調(diào)控有關(guān)。目前僅有少量研究表明，腎癌患者尿液中的糖水平(主要是葡萄糖和乳糖)有所升高[13-14]。

丙酮酸：作為糖的有氧氧化和無氧酵解的分界點(diǎn)，丙酮酸濃度的改變有著重要意義。目前研究表明，M2型丙酮酸激酶主要表達(dá)于腫瘤細(xì)胞中，加速了磷酸烯醇式丙酮酸向丙酮酸的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致在腎癌組織、癌細(xì)胞系、患者的血液及尿液中，丙酮酸的濃度都有所升高[11，13-17]，為瘤細(xì)胞的無氧酵解提供了豐富的前體物質(zhì)。

乳酸：乳酸是無氧酵解的產(chǎn)物，也是腫瘤細(xì)胞遵循Warburg效應(yīng)的具體表現(xiàn)。研究表明，在腎癌組織以及患者的血液、尿液中，乳酸濃度均明顯升高[10-11，13，17-18]，其可能是腎癌的潛在腫瘤標(biāo)志物，但鑒于幾乎所有惡性腫瘤的無氧酵解途徑都增強(qiáng)，因此乳酸作為腎癌腫瘤標(biāo)志物的特異性較低。

山梨醇：山梨醇是葡萄糖多元醇途徑的代謝產(chǎn)物，在調(diào)節(jié)腎髓質(zhì)局部滲透壓方面有一定作用。Leuthold等[9]通過多種質(zhì)譜學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，腎癌組織中乳糖、山梨醇等有所升高，催化磷酸戊糖途徑相關(guān)酶系的活性也明顯增強(qiáng)，這說明腎癌組織的磷酸戊糖途徑發(fā)生上調(diào)。此外有少量研究表明，尿中山梨醇濃度亦明顯升高，其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究[12]。

三羧酸循環(huán)有研究顯示，腎癌組織中三羧酸循環(huán)出現(xiàn)下調(diào)，這是腫瘤細(xì)胞有氧氧化受到抑制的表現(xiàn)[6-7，15]。腎癌患者血液、尿液中檸檬酸鹽濃度較正常人明顯下降，此現(xiàn)象與腫瘤需要更高的檸檬酸來產(chǎn)生乙酰輔酶a有關(guān)，而后者是脂肪代謝的重要底物[13-14]。此外，三羧酸循環(huán)的重要中間產(chǎn)物，如琥珀酸、蘋果酸、延胡索酸等，在腎癌組織中都出現(xiàn)明顯下降，說明腫瘤細(xì)胞的三羧酸循環(huán)受到明顯抑制[15]。

氨基酸代謝研究發(fā)現(xiàn)，腎癌患者血清中谷氨酸鹽濃度上升，但谷氨酰胺水平卻下降[11-12，14-15]，該變化與谷氨酰胺酶活性的改變關(guān)系密切。而癌組織內(nèi)谷氨酸鹽和谷氨酰胺濃度的增加則促進(jìn)了谷胱甘肽的生成，進(jìn)而提高了癌細(xì)胞的抗氧化能力[7，9，15，19]。甘氨酸作為體內(nèi)重要的一碳單位來源參與核酸的合成，研究發(fā)現(xiàn)腎癌患者血清中甘氨酸濃度較高，但尿液中甘氨酸卻有所下降，這提示甘氨酸的改變與腫瘤細(xì)胞的核酸合成增加有關(guān)，但也可能與腫瘤引起的腎功能下降有關(guān)[18，20]。亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸等在腎癌患者血清中有所增加，但在癌組織中的濃度卻明顯降低，這可能與腎組織的三羧酸循環(huán)受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致琥珀酰輔酶A含量減少有關(guān)[11-12，15，18]。龍膽酸由體內(nèi)苯甲酸羥化而來，其在防止脂蛋白氧化方面具有重要作用，高濃度的龍膽酸對于預(yù)防癌細(xì)胞的細(xì)胞膜和細(xì)胞器過度氧化至關(guān)重要，而尿液中龍膽酸濃度的降低則提示著腫瘤對于該物質(zhì)的高攝取和高利用[21]。?；撬嵊审w內(nèi)的含硫氨基酸經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)而生成，是機(jī)體重要的抗氧化物，腎癌局部高濃度牛磺酸能夠預(yù)防癌細(xì)胞快速分裂所造成的氧化應(yīng)激損傷[15]。羥基喹啉銅位于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)的上游，后者是糖酵解過程中重要的輔助因子。腎癌組織及尿液中羥基喹啉銅的增加，提示無氧酵解增強(qiáng)[7，21-22]。此外，羥基喹啉銅還與色氨酸及丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸代謝通路有關(guān)，意味著其可能參與了腫瘤的多條代謝通路[21]。多項(xiàng)代謝組學(xué)研究顯示，癌組織內(nèi)氧脯氨酸較癌周正常組織有所升高，而苯甲酰氨基乙酸(馬尿酸)有所降低[6，9]。在腎癌患者的尿液中研究者還發(fā)現(xiàn)，馬尿酸、3羥基丁酸酯均明顯下降，提示腫瘤細(xì)胞可能過多利用了這些氨基酸，但也有可能受患者的飲食習(xí)慣、生活方式、并發(fā)疾病等因素影響[6，13，20]。

脂質(zhì)代謝腫瘤細(xì)胞的三羧酸循環(huán)受到抑制，導(dǎo)致脂肪酸的β-氧化作為一條能量供應(yīng)的選擇通路而被激活[23]。對患者血液及腫瘤組織的磁共振波譜學(xué)檢測發(fā)現(xiàn)，腎癌患者血漿脂肪酸水平較健康對照組略有下降，但腎癌組織的膽固醇、膽固醇酯、脂肪酸及三酰甘油較對照組有所升高，顯示了腫瘤對于脂質(zhì)的富集作用[10，24]。有研究在腎癌組織及尿液中檢測到左旋肉堿、酰基肉堿及乙酰肉堿濃度均明顯升高[7，23，25]，離體實(shí)驗(yàn)顯示上述物質(zhì)多是腫瘤來源的[23]，說明腎癌患者的脂代謝發(fā)生上調(diào)。然而有研究發(fā)現(xiàn)，腎癌組織中脂肪酸β-氧化的大部分酶系出現(xiàn)下調(diào)，說明腎癌細(xì)胞可能并不依賴于脂肪酸β-氧化來獲取能量[7]。已知膽堿和磷脂酰膽堿與細(xì)胞膜的合成密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，腎癌患者血清的膽堿和磷脂酰膽堿較正常人有所下降[11，18]，但癌組織的膽堿和磷脂酰膽堿水平相比于瘤周正常腎組織卻有明顯升高[15]。進(jìn)一步研究顯示，該結(jié)果是由于腫瘤組織內(nèi)溶血磷脂?；D(zhuǎn)移酶表達(dá)上調(diào)造成的[26]，高膽堿的環(huán)境為腫瘤的快速增殖提供了必要條件，也提示膽堿是潛在的腎癌腫瘤標(biāo)志物。

維生素代謝和瘤周組織相比，α-生育酚在腎癌組織中的含量有所升高[6，19]。α-生育酚的增加可能是機(jī)體對于脂類利用增加的一個表象，亦可能是腫瘤對抗氧化應(yīng)激的需要。但有研究指出，在其他惡性腫瘤如卵巢癌組織中，α-生育酚的含量也有所升高，因此，其作為腎癌腫瘤標(biāo)志物的特異性仍有待進(jìn)一步證實(shí)[27]。

其他研究發(fā)現(xiàn)，尿液中由21種揮發(fā)性有機(jī)化合物構(gòu)成的組合可以有效區(qū)分腎癌組和非腎癌組，其中的2-氧丙醛和2，5，8-三甲基-1，2，3，4-四氫萘-烯-1-醇在腎癌組和非腎癌組的改變最為明顯，然而這兩種有機(jī)化合物尚不能獨(dú)立地作為腎癌的腫瘤標(biāo)志物[28]。

前景和展望

目前雖然在基礎(chǔ)研究中發(fā)現(xiàn)腎細(xì)胞癌的各種潛在瘤標(biāo)，但均未能廣泛應(yīng)用于臨床，其原因有以下幾方面：(1)目前各中心研究的樣本量較小，難以排除偶然因素的影響，且受限于技術(shù)和樣本制備的差異，各實(shí)驗(yàn)室所得出的結(jié)果也不盡相同。(2)機(jī)體代謝組受多種復(fù)雜因素的影響，因此代謝組的異常能否反映腫瘤真實(shí)的代謝情況，目前仍值得商榷。(3)由于代謝通路存在交叉，因此終末分子的變化往往并不能反映特定通路的改變，這為瘤標(biāo)的尋找及探索腫瘤病生理的改變增加了困難。然而，越來越多的研究表明，代謝組的異常和腎癌，尤其是腎透明細(xì)胞癌的關(guān)系極為密切。與基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)一樣，代謝組學(xué)同樣能夠揭示腫瘤發(fā)生發(fā)展的病生理機(jī)制，進(jìn)而為腎癌的早期診斷提供依據(jù)，為藥物治療提供新的靶點(diǎn)。隨著技術(shù)的成熟、研究的深入、樣本量的擴(kuò)大以及多組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，腎癌的代謝機(jī)制必將會更加清楚，適合于臨床應(yīng)用的腫瘤標(biāo)志物終將會被挖掘出來。