代謝組學(xué)技術(shù)在乳腺癌標(biāo)志物篩選中的應(yīng)用進(jìn)展

吳靜，楊睿，劉樹(shù)業(yè)△

代謝組學(xué)（metabonomics）是“后基因組學(xué)”時(shí)期的一門(mén)新興學(xué)科，同基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)共同構(gòu)成了系統(tǒng)生物學(xué)的核心內(nèi)容［1］。與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)以及蛋白質(zhì)組學(xué)相比，代謝組學(xué)更關(guān)注生物體的表型，因此也是腫瘤潛在生物標(biāo)志物篩選中最有前景的發(fā)展方向［2］。代謝組學(xué)以體液（包括尿液［3］、血清［4］、血漿等）、細(xì)胞［5］、組織［6］等樣本中分子質(zhì)量低于1 ku的小分子化合物為研究對(duì)象，運(yùn)用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)合技術(shù)（liquid chromatograph mass spectrometer，LC-MS）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)合技術(shù)（gas chromatograph mass spectrometer，GC-MS）、磁共振波譜技術(shù)（nuclear magnetic resonance，NMR）等［7］高分辨率、高敏感度、高通量的現(xiàn)代儀器分析手段，對(duì)生物體系在生理或病理狀態(tài)下所有內(nèi)源性小分子代謝產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，從而描繪出生物體代謝輪廓，揭示代謝通路的改變［8］，探索內(nèi)源性小分子物質(zhì)與疾病發(fā)生發(fā)展間的關(guān)系［9］。

代謝組學(xué)的研究過(guò)程包括生物樣本的采集及預(yù)處理，代謝物的分離、檢測(cè)、鑒定以及數(shù)據(jù)分析，生物標(biāo)志物識(shí)別和途徑分析。相比較于基因、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)組學(xué)，代謝組學(xué)技術(shù)具有明顯的研究?jī)?yōu)勢(shì)：生物體內(nèi)的小分子化合物的組成較基因組、蛋白質(zhì)組相對(duì)簡(jiǎn)單，數(shù)量大約數(shù)千種；很多內(nèi)源性小分子化合物的生化代謝網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)弄清，而目前對(duì)基因、蛋白質(zhì)功能的認(rèn)識(shí)還很有限；代謝組學(xué)反映的是細(xì)胞活動(dòng)的最終產(chǎn)物［10］，也是基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組綜合作用下的終末效應(yīng)，具有很強(qiáng)的綜合信息優(yōu)勢(shì)。因此，代謝組學(xué)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括疾病診斷［11］、新藥研究與開(kāi)發(fā)、藥物作用機(jī)制研究［12］和食品科學(xué)［13］等。

乳腺癌是女性最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，嚴(yán)重威脅著女性的健康［14-15］。目前研究已證實(shí)，乳腺癌的發(fā)生和進(jìn)展與代謝異常密切相關(guān)［16］，而乳腺癌的常規(guī)檢測(cè)與研究中又缺乏高敏感度和高特異度的腫瘤標(biāo)志物［17-18］，因此作為一種新型的研究方法，代謝組學(xué)可以分析乳腺癌發(fā)生發(fā)展中產(chǎn)生的所有代謝物的種類或濃度的變化［19］，識(shí)別有價(jià)值的潛在標(biāo)志物，從而為乳腺癌的預(yù)防、早期診斷和個(gè)體化治療開(kāi)辟新途徑。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)乳腺癌患者的血清、血漿、尿液、組織等樣本中的小分子代謝物進(jìn)行了研究，并取得一定的成效［20-21］。本文針對(duì)代謝組學(xué)技術(shù)篩選出的乳腺癌小分子代謝標(biāo)志物的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 乳腺癌血液樣本潛在代謝標(biāo)志物的篩選

血液樣本是代謝組學(xué)研究中最易獲得且最常用的樣本。Cui等［22］利用基于質(zhì)譜的代謝組學(xué)技術(shù)研究了20例乳腺浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌患者和20例健康人的血清代謝譜，發(fā)現(xiàn)15個(gè)差異表達(dá)代謝物，這些代謝物參與了包括神經(jīng)鞘脂類代謝、磷脂代謝和脂肪酸β氧化等多個(gè)代謝途徑，其中溶血磷脂酰乙醇胺和神經(jīng)酰胺兩類信號(hào)脂類分子可能在乳腺浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。因此，研究者認(rèn)為代謝組學(xué)分析可能成為尋找疾病生物標(biāo)志物的有利工具。Fan等［23］通過(guò)液相色譜-質(zhì)譜和氣相色譜-質(zhì)譜的方法對(duì)96例乳腺癌患者和79例健康人的血漿進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)了64個(gè)差異表達(dá)代謝物，與人表皮生長(zhǎng)因子受體2（human epidermal growth factor receptor 2，HER-2）陰性乳腺癌患者相比，HER-2陽(yáng)性患者有氧糖酵解增加、葡萄糖異生和脂肪酸生物合成增多以及三羧酸循環(huán)減少；與雌激素受體（estrogen receptor，ER）陰性患者相比，ER陽(yáng)性患者丙氨酸、天門(mén)冬氨酸、谷氨酸和嘌呤代謝增加，甘油脂類分解代謝減少；研究者鑒定了8個(gè)差異性代謝物，包括肉堿、溶血磷脂膽堿［lysoPC（20：4）］、脯氨酸、丙氨酸、溶血磷脂膽堿［lysoPC（16：1）］、鵝脫氧膽堿甘氨酸、纈氨酸和2-辛烯二酸，它們可以用于預(yù)測(cè)乳腺癌的分子亞型，其受試者工作特征（ROC）曲線下面積（area under the curve，AUC）高達(dá)0.925，因此這些代謝物具有潛在的乳腺癌診斷價(jià)值。Leonardo等［24］利用高分辨率磁共振光譜技術(shù)分析了80例ER陰性早期乳腺癌和95例轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者的血清樣本代謝譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)葡萄糖、脂類含量在轉(zhuǎn)移性乳腺癌組升高，組氨酸含量在轉(zhuǎn)移性乳腺癌組降低，這些代謝產(chǎn)物可以很好地區(qū)分早期乳腺癌和轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者且與乳腺癌復(fù)發(fā)相關(guān)；研究者進(jìn)一步應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型對(duì)乳腺癌的復(fù)發(fā)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，其敏感度、特異度和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性分別為82%、72%、75%，由此認(rèn)為將血清代謝組學(xué)預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于ER陰性早期乳腺癌的復(fù)發(fā)預(yù)測(cè)具有廣闊的前景。Miolo等［25］運(yùn)用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜結(jié)合（Liquid chromatographycoupledwithtandemmass spectrometry）對(duì)HER-2陽(yáng)性乳腺癌患者應(yīng)用曲妥單抗聯(lián)合紫杉醇治療后的有效組（15例）和療效不佳組（19例）血清進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，2個(gè)代謝物亞精胺和色氨酸可很好地區(qū)分2組患者，敏感度和特異度分別高達(dá)90%和87%。因此這一結(jié)果對(duì)于預(yù)測(cè)乳腺癌患者治療的療效和進(jìn)行個(gè)體化治療具有重要價(jià)值。

2 乳腺癌組織樣本潛在代謝標(biāo)志物的篩選

在組織代謝物的研究方面，Budczies等［21］利用氣相色譜和飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)對(duì)270例乳腺癌組織和97例正常乳腺組織樣本進(jìn)行代謝組學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，在正常乳腺組織中谷氨酸與谷氨酰胺含量呈正相關(guān)，而兩者在乳腺癌組織中呈負(fù)相關(guān)，56%的ER陽(yáng)性乳腺癌組織和88%的ER陰性乳腺癌組織中谷氨酸的表達(dá)水平顯著升高；研究者通過(guò)單因素和多因素分析發(fā)現(xiàn)谷氨酸/谷氨酰胺水平升高與總體生存期延長(zhǎng)有關(guān)，基因表達(dá)分析顯示谷氨酸水平升高與過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR）途徑的激活呈負(fù)相關(guān)，因此認(rèn)為谷氨酸可能成為診斷乳腺癌的潛在生物標(biāo)志物，為乳腺癌患者應(yīng)用谷氨酰胺酶抑制劑治療提供了有利依據(jù)。Haukaas等［10］運(yùn)用高分辨率魔角自旋磁共振光譜（High-resolution magic-angle spinning magnetic resonance spectroscopy，HR MAS MRS）結(jié)合層次聚類分析對(duì)228例未治療過(guò)的乳腺癌患者組織樣本進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了3個(gè)有明顯差異代謝譜的代謝簇——Mc1、Mc2、Mc3，其中Mc1中甘油磷酸膽堿（GPC）和磷酸膽堿（PCho）的含量最高，Mc2中葡萄糖含量最高，而Mc3中乳酸鹽和丙氨酸含量最高；研究者進(jìn)一步通過(guò)代謝物綜合通路分析結(jié)合基因、蛋白質(zhì)表達(dá)數(shù)據(jù)揭示了3個(gè)代謝簇在糖酵解/糖異生和甘油磷脂代謝方面具有顯著差異，乳腺癌相關(guān)蛋白亞型的表達(dá)分布也具有明顯差異，如膠原蛋白和細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)的基因在Mc1中表達(dá)下調(diào)，而在Mc2和Mc3中表達(dá)上調(diào)。這一結(jié)果不僅為乳腺癌的異質(zhì)性提供了新的信息，更重要的是為乳腺癌患者應(yīng)用不同代謝靶向藥物進(jìn)行治療提供了重要指導(dǎo)。

3 乳腺癌尿液樣本潛在代謝標(biāo)志物的篩選

在尿液代謝物的研究方面，Yu等［26］應(yīng)用毛細(xì)管電泳聯(lián)合質(zhì)譜方法分析了21例晚期乳腺癌患者化療前后和21例健康人的尿液樣本后發(fā)現(xiàn)，與健康人相比，對(duì)化療敏感的患者30%的代謝物發(fā)生水平改變，而對(duì)化療不敏感的患者只有9%的代謝物發(fā)生水平改變；在化療敏感組患者中，甘氨酸、半胱氨酸、組氨酸、胱氨酸和色氨酸的水平在化療后顯著下降，而在對(duì)化療不敏感的患者中，大部分氨基酸均未表現(xiàn)出明顯的差異。因此，研究者認(rèn)為尿液代謝產(chǎn)物有望作為評(píng)估乳腺癌患者化療療效的潛在預(yù)測(cè)指標(biāo)。Fathi等［27］通過(guò)液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜方法對(duì)全世界首例報(bào)道的異檸檬酸脫氫酶1（isocitrate dehydrogenase1，IDH1）p.R132L突變的轉(zhuǎn)移性激素受體陽(yáng)性（hormone receptor-positive，HR+）乳腺癌患者和6例無(wú)IDH1突變的轉(zhuǎn)移性HR+乳腺癌患者的血清和尿液樣本進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，具有IDH1 p.R132L突變患者的血清和尿液中2-羥基戊二酸（2-hydroxyglutarate，2-HG）水平顯著升高，因此他們認(rèn)為IDH1突變誘發(fā)的乳腺癌可能與癌代謝物2-HG的異常產(chǎn)生和蓄積有關(guān)。這一結(jié)果為通過(guò)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)2-HG的水平來(lái)監(jiān)測(cè)乳腺癌，以及開(kāi)發(fā)和研究針對(duì)異常IDH1酶的靶向治療提供了重要指導(dǎo)。

目前，代謝組學(xué)研究已經(jīng)成為腫瘤研究的一個(gè)新方向。代謝組學(xué)整體性、宏觀性、高通量、廉價(jià)快捷的特點(diǎn)使其在乳腺癌潛在標(biāo)志物的篩選方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，許多小分子已經(jīng)在臨床診斷中應(yīng)用。盡管如此，代謝組學(xué)要想在臨床腫瘤檢測(cè)中被廣泛推廣和應(yīng)用，還需要進(jìn)一步完善和發(fā)展，如建立樣本獲取、保存和制備的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)流程，不斷擴(kuò)大和更新將不同腫瘤特征表型與相關(guān)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)相聯(lián)的公用數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步降低檢測(cè)成本。此外，還需要經(jīng)過(guò)更大規(guī)模的前瞻性的臨床研究來(lái)驗(yàn)證篩選出的代謝標(biāo)志物在腫瘤的診斷、治療、療效評(píng)估方面的敏感度和特異度，才能最終將其作為腫瘤標(biāo)志物應(yīng)用于臨床。此外，隨著“精準(zhǔn)醫(yī)療”概念在臨床診斷和治療中的推廣，未來(lái)將個(gè)體的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)分析可以更好地指導(dǎo)臨床腫瘤的個(gè)體化治療。