代謝組學(xué)在結(jié)直腸癌診斷中的應(yīng)用

張姍姍 綜述 吳華星 審校

代謝組學(xué)在結(jié)直腸癌診斷中的應(yīng)用

張姍姍 綜述 吳華星 審校

結(jié)直腸癌是嚴(yán)重威脅人類健康的常見惡性腫瘤之一，代謝組學(xué)能有效地補(bǔ)充傳統(tǒng)檢查手段的不足。代謝組學(xué)通過檢測(cè)腫瘤患者組織、血液及尿液中的代謝物，尋找差異代謝物從而發(fā)現(xiàn)新的特異性的腫瘤標(biāo)志物。與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞存在著多個(gè)異常代謝通路。找出其代謝變化，為深入探討結(jié)直腸癌生物標(biāo)志物及其相關(guān)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，對(duì)診斷和個(gè)體化治療有著深遠(yuǎn)的意義。

結(jié)直腸癌；診斷；代謝組學(xué)；miRNA

結(jié)直腸癌作為一種常見的消化道惡性腫瘤，嚴(yán)重威脅著人們的生存與生活質(zhì)量，僅次于肺癌、肝癌。僅2010年，全世界結(jié)直腸癌新發(fā)病例約為120萬[1]，截止到2012年已增加13%，其發(fā)病率的上升趨勢(shì)嚴(yán)峻。近年來5年相對(duì)生存率有明顯差異：在Dukes分期中，Ⅰ期90.3%，Ⅳ期12.5%，因此早期診斷和治療結(jié)直腸癌顯得尤為重要，能明顯提高診療效果和生存期[2]。

結(jié)腸鏡檢查在結(jié)直腸癌的診斷和治療中具有突出的優(yōu)勢(shì)，但該檢查操作伴有出血、穿孔等嚴(yán)重并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生率約為0.1%～0.3%，其有創(chuàng)性及患者耐受性差影響了該檢查手段的普及和推廣；CEA、CA19-9等蛋白組學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)靈敏度和特異度較低，也具有明顯的局限性[2]，因此亟需有效評(píng)估并預(yù)測(cè)疾病嚴(yán)重程度的新診斷方法。代謝組學(xué)通過高通量技術(shù)手段篩選鑒定潛在生物標(biāo)志物，通過對(duì)機(jī)體代謝產(chǎn)物定性和定量檢測(cè)而對(duì)患者病情加以分析[3]，為腫瘤早期診斷開辟了新的可能性，具有廣泛研究應(yīng)用前景。本文將從代謝組學(xué)在結(jié)直腸癌診斷的應(yīng)用范疇做一綜述。

1 代謝組學(xué)方法

代謝組學(xué)于1998年由Tweeddale首次提出，是研究體內(nèi)產(chǎn)生的所有代謝物。其主要研究對(duì)象為分子量在1 000 kb以下小分子，主要研究樣本有血液、尿液、腸液、腸道脫落細(xì)胞及唾液等[4]。在過去10年中，可能提示結(jié)直腸癌代謝改變的生物標(biāo)志物被廣泛應(yīng)用，比如：大量補(bǔ)體[5]。而最近反應(yīng)體內(nèi)各種代謝改變的代謝組學(xué)指標(biāo)被高度關(guān)注，比如：乳糖、氨基酸、脂質(zhì)、miRNA等。代謝組學(xué)主要通過氣相和液相色譜篩選分離代謝產(chǎn)物，利用核磁共振波譜(NMR)和質(zhì)譜(MS)兩大主要分析技術(shù)對(duì)生物整體在受到病理生理刺激或基因修飾時(shí)的機(jī)體體內(nèi)組織代謝物進(jìn)行定性和定量研究。因其能夠揭示腫瘤代謝物水平的變化，并且具有侵襲性低、敏感性高等優(yōu)點(diǎn)，能更加有效、準(zhǔn)確地診斷結(jié)直腸癌，成為對(duì)疾病作出診斷的一門新技術(shù)[6-7]。將代謝組學(xué)應(yīng)用于結(jié)直腸癌的診斷，將有助于了解其發(fā)生和發(fā)展機(jī)制，為明確診斷、早期治療提供依據(jù)。

2 代謝組學(xué)在結(jié)直腸癌診斷中的應(yīng)用

與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞代謝途徑則是代謝紊亂的各種生化過程。以下幾點(diǎn)是比較主流的檢測(cè)指標(biāo)，包括糖類、氨基酸、miRNA等[8]。找出其代謝變化，為結(jié)直腸癌診斷開辟了新的途徑。

2.1 糖酵解乳酸的檢測(cè)

腫瘤的發(fā)生是細(xì)胞生物學(xué)行為異常引起的，其根本是細(xì)胞增殖、分化、遷移、黏附等多個(gè)調(diào)控機(jī)制失常導(dǎo)致的。腫瘤細(xì)胞生長需要大量能量，其來源不同于正常細(xì)胞，主要依靠糖酵解供能，被稱為“Warburg”現(xiàn)象[9]。Ludwig等[10]發(fā)現(xiàn)腫瘤患者血清中酮體、乳酸、丙酮酸水平顯著升高，又進(jìn)一步證實(shí)了結(jié)直腸癌患者中糖酵解明顯增強(qiáng)；Yuan等[11]發(fā)現(xiàn)乳酸誘導(dǎo)的酸性環(huán)境抵抗細(xì)胞凋亡和促進(jìn)轉(zhuǎn)移。Schipani等[12]發(fā)現(xiàn)在低氧或低血糖的條件下腫瘤細(xì)胞可以誘導(dǎo)血管源性生長因子過表達(dá)從而引發(fā)新的腫瘤微血管形成，進(jìn)一步促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖及腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。由此可見，腫瘤細(xì)胞通過糖酵解誘導(dǎo)腫瘤生長而抵抗細(xì)胞凋亡；并且促進(jìn)腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。

2.2 氨基酸的檢測(cè)

氨基酸幾乎參與體內(nèi)一切生化反應(yīng)，而結(jié)直腸癌的發(fā)生和進(jìn)展與營養(yǎng)攝取、過度增生等細(xì)胞代謝有關(guān)，這些變化可能是診斷和治療結(jié)直腸的基礎(chǔ)。Montrose等[13]分別檢測(cè)結(jié)直腸癌組織、血漿、糞便3種標(biāo)本代謝物發(fā)現(xiàn)多種氨基酸均升高，包括二甲基甘氨酸、肌氨酸、甘氨酸和絲氨酸；并且發(fā)現(xiàn)糞便和血漿的改變發(fā)生在結(jié)直腸癌早期階段。這表明機(jī)體先通過調(diào)控氨基酸代謝通路來誘導(dǎo)細(xì)胞分化、代謝、增殖和凋亡，進(jìn)而抑制細(xì)胞的凋亡并促進(jìn)腫瘤的生長。由此可見氨基酸在調(diào)節(jié)癌癥細(xì)胞早期增殖和生存方面起著至關(guān)重要的作用。運(yùn)用氨基酸代謝指標(biāo)的變化為早期診斷結(jié)直腸癌帶來了深遠(yuǎn)的潛在效用。

Denkert等[14]收集了一組正常結(jié)直腸組織和結(jié)直腸癌配對(duì)樣本，使用氣相-色譜飛行時(shí)間質(zhì)譜法對(duì)兩組組織進(jìn)行代謝物檢測(cè)發(fā)現(xiàn)參與TCA循環(huán)中的中間體和脂質(zhì)在腫瘤組織中下調(diào)，而發(fā)現(xiàn)谷氨酸、天冬氨酸、絲氨酸、β-丙氨酸上調(diào)，其中β-丙氨酸是明顯上調(diào)的。這表明β-丙氨酸可促進(jìn)結(jié)直腸癌生長及發(fā)展，認(rèn)為監(jiān)測(cè)并減少β-丙氨酸含量是診斷和治療結(jié)直腸癌的新靶點(diǎn)。

2.3 脂質(zhì)的檢測(cè)

脂質(zhì)是貯能和細(xì)胞膜組成生物活性的物質(zhì)，其中包括甘油三酯和類脂及衍生物。Yuan等[11]分別從早期和晚期結(jié)直腸癌患者和與其相鄰的正常組織使用液質(zhì)聯(lián)用(LC-MS)方法通過多變量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)兩組有重大差異。與正常組織相比，結(jié)直腸癌組織中含有較高水平膽堿、磷酸膽堿(PC)、甘油磷酸膽堿(GPC)、磷酸乙醇胺(PE)。此外，早期脂質(zhì)含量低、膽堿高；晚期則反之。并且用主成分分析(PCA)方法，對(duì)主成分進(jìn)行潛在結(jié)構(gòu)分析，分析得出早期腫瘤組織顯示出更大代謝組學(xué)差異。那么腫瘤細(xì)胞可能通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)的表達(dá)來影響腫瘤的發(fā)展與演變，并且脂質(zhì)在腫瘤早期表達(dá)更為活躍，是調(diào)節(jié)腫瘤發(fā)展的一種始動(dòng)因子。早晚脂質(zhì)含量及類型的差異，可作為診斷并判別分期的一個(gè)新指標(biāo)。

Kuhn等[15]對(duì)835例包括乳腺癌362例、前列腺癌310例、結(jié)直腸癌163例的120個(gè)循環(huán)血液代謝物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)高水平的溶血磷脂膽堿(lysoPCs)增多時(shí)腫瘤風(fēng)險(xiǎn)明顯增加；最為重要的是3種研究結(jié)果均一致：血脂組成變化先于常見惡性腫瘤診斷數(shù)年。也就是說，當(dāng)溶血卵磷脂升高時(shí)意味著患癌癥風(fēng)險(xiǎn)大幅增加，可用于早期結(jié)直腸癌的紅色預(yù)警，并可作為早期篩查結(jié)直腸癌的敏感指標(biāo)。

2.4 蛋白質(zhì)的檢測(cè)

蛋白質(zhì)是一切生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，不僅是構(gòu)成細(xì)胞的主要成分，也是構(gòu)成酶和激素的重要原料。其異常表達(dá)可能與腫瘤細(xì)胞的惡性程度和侵襲性密切相關(guān)。

2.4.1 Kisspeptins蛋白的檢測(cè) Kisspeptins蛋白參與癌癥侵襲、遷移和血管生成，并在各種腫瘤中有誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的作用。Ke等[16]選取80例術(shù)后距離腫瘤邊緣>10 cm的正常組織和94例結(jié)直腸癌患者組織為標(biāo)本，使用穩(wěn)定的轉(zhuǎn)染細(xì)胞來推斷kiss-1對(duì)腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移的影響。結(jié)果顯示，與正常組織相比，腫瘤組織kiss-1表達(dá)顯著減少；并且隨著TNM分期增加，kiss-1逐漸減少。分析顯示kiss-1低表達(dá)及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移是結(jié)直腸癌患者預(yù)后的獨(dú)立影響因素。kiss-1能夠抑制結(jié)直腸癌的侵襲能力，其過表達(dá)與轉(zhuǎn)移侵襲能力呈負(fù)相關(guān)，這也表明其可以作為評(píng)估臨床治療預(yù)后的因子之一，并且可能成為結(jié)直腸癌治療的潛在分子靶點(diǎn)。

2.4.2 hTERT蛋白的檢測(cè) 人端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(hTERT)是端粒酶組成核心成分，端粒酶的激活被認(rèn)為是細(xì)胞永生化和惡變的關(guān)鍵步驟。在很多惡性腫瘤中均出現(xiàn)了端粒酶的高表達(dá)，其生物活性與腫瘤的惡性程度及轉(zhuǎn)移能力關(guān)系密切。Wang等[17]發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌患者h(yuǎn)TERT表達(dá)顯著高于正常人群；淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移組高于無轉(zhuǎn)移組。Gertler等[18]發(fā)現(xiàn)hTERT蛋白高表達(dá)患者的預(yù)后比低表達(dá)患者差，而且hTERT是影響結(jié)直腸癌患者生存率的獨(dú)立影響因素。伍世鋼等[19]發(fā)現(xiàn)hTERT陽性表達(dá)患者術(shù)后化療的生存率高于未化療者，這表明雖然陽性表達(dá)者預(yù)后不良，但患者的化療敏感性及預(yù)后仍好于未化療者。深入研究hTERT在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用機(jī)制，可作為指導(dǎo)結(jié)直腸癌患者術(shù)后化療敏感性的一個(gè)重要參考指標(biāo)?？偟膩碇vhTERT蛋白可作為評(píng)估結(jié)直腸癌分期、治療療效、總生存率和化療敏感性的預(yù)測(cè)因子。

2.5 miRNA新型的生物標(biāo)記物

miRNA，又稱為微小RNA，是一種長度為18～25個(gè)核苷酸的單鏈非編碼內(nèi)源性RNA分子，主要位于染色體的內(nèi)含子區(qū)域。miRNA主要通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后的修飾，進(jìn)而發(fā)揮生物學(xué)功能[20]。在腫瘤細(xì)胞及其它多種類型細(xì)胞中參與多種生命活動(dòng)，比如在細(xì)胞分化、生長、增殖及凋亡等過程中均扮演了十分重要的角色[21]。大量研究表明miRNA與多種腫瘤分化、增殖和復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移有著密切的關(guān)系。因此，其可以作為診斷和判斷復(fù)發(fā)等預(yù)后的良好指標(biāo)。

Alexander等[22]分別收集了10例正常人、9例腺瘤和10例結(jié)直腸癌患者糞便，并對(duì)3組糞便進(jìn)行miRNA表達(dá)檢測(cè)。數(shù)據(jù)表明，與正常組相比，腺瘤和結(jié)直腸癌組中，miR-21和miR-106a表達(dá)較高(P<0.01)。該結(jié)果表明當(dāng)細(xì)胞有惡變傾向時(shí)miR-21和miR-106a表達(dá)升高呈陽性，二者具有一定紅色預(yù)警和提示作用，可用于癌前篩查或早期診斷。

楊靜等[23]發(fā)現(xiàn)miR-135b在結(jié)直腸癌患者組織中的表達(dá)高于癌旁組織，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.021)。并隨著TNM分期增加，表達(dá)也明顯增加，差異也具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.008)。因此腫瘤細(xì)胞可能與調(diào)節(jié)miR-135b表達(dá)密切聯(lián)系；并且通過調(diào)節(jié)miR-135b的表達(dá)來影響結(jié)直腸癌患者的預(yù)后。因此miR-135b可以作為結(jié)直腸癌患者的預(yù)后因子。

徐學(xué)虎等[24]用實(shí)時(shí)熒光定量PCR法檢測(cè)miRNA含量，結(jié)果提示miR-4770在腫瘤組織中表達(dá)下調(diào)10.306倍(P<0.01)。淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移陽性時(shí)敏感性和特異性分別為100%和83.3%，而無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移時(shí)敏感性和特異性分別為88.89%和77.78%。表明miR-4770表達(dá)與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移狀態(tài)關(guān)系密切并呈正相關(guān)?？偟膩碚f，其可能作為判斷淋巴結(jié)是否轉(zhuǎn)移及復(fù)發(fā)的敏感指標(biāo)。

靳慧芳等[25]選取5種不同轉(zhuǎn)移能力的結(jié)直腸癌細(xì)胞株，用熒光PCR定量檢測(cè)miR-30a研究miR-30a在不同分化的結(jié)直腸癌中的表達(dá)之間是否有差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在以低度惡化的原位癌細(xì)胞系SW480為參考，侵襲性較低細(xì)胞系中的相對(duì)表達(dá)量均升高；在高度惡性的細(xì)胞系中表達(dá)最低。即miR-30a的表達(dá)抑制腫瘤細(xì)胞的侵襲能力，其過低表達(dá)可能提示預(yù)后不良。也就是說miR-30a可作為評(píng)估結(jié)直腸癌侵襲性、總生存期和預(yù)后的預(yù)測(cè)因子。

3 小結(jié)與展望

代謝組學(xué)作為一門新興的技術(shù)對(duì)結(jié)直腸癌的診斷及治療等方面均表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＭㄟ^檢測(cè)體內(nèi)各種代謝產(chǎn)物，比如糖類、氨基酸和miRNA等，可用來更早期、更敏感地診斷結(jié)直腸癌和判斷預(yù)后，對(duì)診斷和治療結(jié)直腸癌有重要意義。在今后工作中代謝組學(xué)的應(yīng)用仍需更多實(shí)驗(yàn)和臨床進(jìn)一步的深入研究與探索。早期診斷和治療結(jié)直腸癌是我們最終的愿望。我們堅(jiān)信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善，代謝組學(xué)必然會(huì)發(fā)揮更大的作用，為人類個(gè)體化治療、精準(zhǔn)治療帶來希望。

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Aplicationofmetabolomicsinthediagnosisofcolorectalcancer

ZHANGShanshan，WUHuaxing

Department of Endoscopy，Harbin Medical University Cancer Hospital，Harbin 150081，China

Colorectal cancer，a common malignant tumor，is a serious threat to human health.Metabolomics can effectively solve the shortcomings of the traditional ways of inspection.Metabolomics develop different metabolites to find new specific tumor markers by detecting metabolites in tissues，blood and urine of cancer patients.Compared with normal cells，tumor cells exist a number of abnormal metabolic pathways.It lays the foundation for further study of biomarkers of colorectal cancer by finding out its metabolic changes.It also shows important significance for diagnosis，evaluation of efficacy and prognosis and individual treatment.

Colorectal cancer；Diagnosis；Metabolomics；miRNA

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院腔鏡科(哈爾濱 150081)

張姍姍，女，(1986-)，碩士研究生，從事代謝組學(xué)在結(jié)直腸癌診斷中的研究。

吳華星，E-mail：107178265@qq.com

R735.3+4

A

10.11904/j.issn.1002-3070.2017.06.018

(收稿：2017-07-04)