氨基酸代謝失衡在結(jié)直腸腺瘤及結(jié)直腸腺癌中的研究進展

路麗娟，劉明浩，馬 萍，王瑞玲

結(jié)直腸癌 (colorectal cancer, CRC) 是我國常見的惡性腫瘤之一。隨著我國人們生活水平的不斷提高和飲食習慣的改變，CRC的發(fā)病率也在逐年升高，已躍居第 3～5 位。然而，多數(shù)早期CRC可以治愈，顯著優(yōu)于進展期的CRC，早期CRC的5年生存率可達90%，而晚期則不足10%[1]。所以，CRC的早期診斷尤為重要。但是，目前檢查手段的敏感性和特異性比較低，作為金標準的結(jié)直腸鏡檢查有一定風險，且不能在人群中進行大規(guī)模的篩查。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，尋找CRC特異代謝產(chǎn)物，提高CRC早期發(fā)現(xiàn)率，成為亟待需要解決的問題。

1 氨基酸代謝組學

代謝組學(Metabolomics，MS)是繼基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學之后迅速發(fā)展的一門“組學”，已經(jīng)有十幾年的發(fā)展歷史。MS比其他“組學”有更高的靈敏性。MS的特點[2]：①基因和蛋白表達的極小變化可以引起代謝產(chǎn)物的進一步放大。②不需要完整的基因序列或者大型的表達序列。③代謝途徑少。④每種物種的代謝產(chǎn)物都是相似的。MS可以研究小分子物質(zhì)如：氨基酸、脂肪酸、核酸、糖類等代謝通路發(fā)生的改變。這些小分子物質(zhì)是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的最終結(jié)果，更加容易早期發(fā)現(xiàn)疾病的異常代謝產(chǎn)物[3]。代謝組學不僅會提供小分子物質(zhì)的代謝網(wǎng)絡，而且還有助于我們發(fā)現(xiàn)預測和治療腫瘤的新物質(zhì)?，F(xiàn)在越來越多的科研工作者將MS用于惡性腫瘤的研究。氨基酸在生物體液中廣泛分布，并參與蛋白質(zhì)，脂肪酸和酮體的合成。參與糖酵解、三羧酸循環(huán)等重要的生理過程。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)生物學中氨基酸水平的改變與幾種疾病密切相關(guān)，如:2型糖尿病，腎臟疾病，肝臟疾病和癌癥。所以開發(fā)測定氨基酸的分析方法，測定生物樣品中氨基酸的濃度，可以有助于研究氨基酸的生理作用和預測疾病[4]。腫瘤細胞為了滿足自身生物合成的需求，不斷的需要攝取營養(yǎng)物質(zhì)。腫瘤細胞無限制的增殖，對氨基酸的需求遠大于正常組織。所以，利用氨基酸代謝失衡預測腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及預后，檢測化療藥物的不良反應是非常具有前景的工作。常用的氨基酸代謝組學技術(shù)有：氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrography, GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)和毛細管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用(capillary electrophoresis mass spectrometry, CE-MS)。LC-MS 集液相色譜的高效分離功能和質(zhì)譜的高度靈敏性于一體，可以同時檢測人體全譜氨基酸，幾乎覆蓋了氨基酸代謝的重要關(guān)鍵位點，并且檢測時間短，分離度高。因此，LC-MS用于CRC代謝的研究具有充分的可能性[5-6]。

2 氨基酸代謝在腫瘤細胞中的異質(zhì)性

美國的科學家Douglas Hanahan和Robert A.Weinberg在2000年總結(jié)腫瘤細胞的十大特征：①持續(xù)不斷的生長信號。②抵抗生長抑制劑。③抵抗細胞凋亡。④無限制的復制。⑤誘導的血管生成。⑥組織浸潤和轉(zhuǎn)移。⑦逃逸機體免疫監(jiān)視。⑧促進腫瘤的炎癥發(fā)生。⑨基因組不穩(wěn)定性和突變。⑩細胞能量異常[7]。而能量代謝異常，是新提出的特征，也是腫瘤細胞最顯著的特征之一。氨基酸的代謝參與腫瘤細胞的能量代謝過程。

2.1谷氨酰胺代謝失衡 谷氨酰胺不僅是人體血液中最豐富的非必需氨基酸，也是腫瘤細胞培養(yǎng)基中的重要成分。谷氨酰胺是支持生存和哺乳動物生物合成的營養(yǎng)物質(zhì)。已經(jīng)證實谷氨酰胺是參與腫瘤細胞能量代謝的重要氨基酸[8]。谷氨酰胺為腫瘤細胞合成生物大分子提供碳骨架，為腫瘤細胞合成核苷酸和非必需氨基酸提供氮源，還可以維持腫瘤細胞氧化還原平衡能力，參與腫瘤細胞的信號轉(zhuǎn)導[9]。Miyo等[10]發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌細胞在無葡萄糖存在的環(huán)境下，仍然可以生存，而且可以進行三羧酸循環(huán)，可以提供ATP供能。這與谷氨酰胺脫氫酶分解谷氨酰胺供能密切相關(guān)。抑制谷氨酰胺脫氫酶可以抑制腫瘤的生長。Krishnamurthy等[11]運用同位素分析方法得出：在CRC的細胞系中，谷氨酰胺是氮元素的受體，而丙氨酸、天冬氨酸和脯氨酸是癌細胞氮的供體?？赡苁潜彼?、天冬氨酸和脯氨酸在轉(zhuǎn)氨過程中產(chǎn)生了谷氨酰胺。但是，具體機制尚不明確。

2.2絲氨酸和甘氨酸代謝失衡 研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)CRC細胞系過度表達磷酸絲氨酸磷酸酶(PSPH)，PSPH可以調(diào)節(jié)絲氨酸和甘氨酸的合成，并支持結(jié)直腸癌細胞的生長[12]。絲氨酸和甘氨酸被生物合成連接，并一起提供合成蛋白質(zhì)、核酸和脂類的前體物質(zhì)?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，從小鼠飲食中去除兩個非必需氨基酸——絲氨酸和甘氨酸，可以減慢了淋巴瘤和腸癌的發(fā)展。絲氨酸和甘氨酸分解代謝可以產(chǎn)生一碳單位，一碳單位參與細胞的生物合成、氧化還原平衡、甲基化反應等重要的代謝過程，這些生理過程在腫瘤細胞中被“超活化”從而導致腫瘤的發(fā)生[13]。

3 氨基酸代謝組學在結(jié)直腸癌的應用

3.1氨基酸在篩選結(jié)直腸癌早期標記物中的應用 Montrose等[14]人對實驗小鼠進行研究，發(fā)現(xiàn)小鼠的腫瘤組織中，絲氨酸的表達量比正常組織明顯增加。Leithtle等[3]利用代謝組學的技術(shù)，對58名CRC患者和59名健康對照人群的結(jié)直腸組織進行研究，發(fā)現(xiàn)CRC組織中有11種氨基酸表達下降，其中甘氨酸、酪氨酸和癌胚抗原(Carcinoembryonic antigen，CEA)的組合預測CRC要優(yōu)于單用CEA進行預測。該模型受試者工作特征曲線下面積(the area under the receive operating characteristic curve, AUC)0.878(95% CI：0.815～0.941)。Nishium 等[15]人對60名CRC患者和60名健康志愿者的血清標本進行代謝組學的研究建立了一個由2-羥基丁酸、天冬氨酸、犬尿氨酸和胱胺等4種物質(zhì)組成的預測的模型。此模型的敏感性要優(yōu)于CEA和CA199聯(lián)合預測CRC。隨后，Nishium對59例CRC患者和63例健康人群使用此模型進行驗證，其靈敏度和特異度分別是：83.1%和81%。此外，這項研究還發(fā)現(xiàn)此模型對0～Ⅱ期CRC的診斷的敏感性可達82.8%。Deng等[16]人對CRC患者和結(jié)直腸息肉患者進行研究，發(fā)現(xiàn)酪氨酸、組氨酸、甘氨酸、谷氨酸、纈氨酸等23種代謝產(chǎn)物在兩組之間的表達有差異。Deng等在對CRC和健康人研究時，發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸、組氨酸、丙氨酸、胱氨酸在兩組之間的表達有差異。

3.2氨基酸在結(jié)直腸腺瘤中的應用 Gao等[17]基于電泳-質(zhì)譜的非靶向代謝組學技術(shù)來分析CRC和相應的癌旁組織，以縮小惡性相關(guān)代謝物變化的范圍。該實驗初步結(jié)果提示CRC起病最嚴重的代謝物是氨基酸。隨后，他們又通過超高效液相色譜-質(zhì)譜法指示的靶向氨基酸分析，發(fā)現(xiàn)晚期腺瘤和CRC組織中9種氨基酸含量不同。9種差異氨基酸的分析表明甲硫氨酸，酪氨酸，纈氨酸和異亮氨酸可以用于區(qū)分CRC和晚期腺瘤，具有良好的敏感性和特異性(P<0.001)，AUROC為0.991。Budhathoki等[18]在日本人群中發(fā)現(xiàn)支鏈氨基酸(branched-chain amino acids，BCAA)與結(jié)直腸腺瘤相關(guān)，尤其是亮氨酸和纈氨酸，其含量越高，結(jié)直腸腺瘤的級別越低。但是，這項研究還存在爭議，而且必須調(diào)整體重指數(shù)后，才存在這種聯(lián)系。還需要額外的實驗來驗證。Deng等[16]對健康組和結(jié)直腸腺瘤性息肉的患者進行研究，發(fā)現(xiàn)甘氨酸、黃嘌呤等13種代謝產(chǎn)物有差異，其中甘氨酸在息肉患者中的表達量下降。

3.3氨基酸在CRC分期中的應用 AJCC第八版CRC分期系統(tǒng)，仍以解剖學為基礎[19]。但是此分類存在一定的缺陷，對存在隱性淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的患者，難以確定。對于腫瘤Ⅱ期的患者，如果能用代謝組學的手段發(fā)現(xiàn)新的標記物，進一步可以確定亞組人群，也許能夠給患者提供更加個體化的治療[20]。為選擇手術(shù)或者藥物治療提供更多選擇的依據(jù)。Gleisner等[21]曾報道本應該歸為結(jié)直腸癌Ⅱ的患者，由于淋巴結(jié)數(shù)目不足，而低估了病情。Nishiumi等[22]利用納入CRC 0期、Ⅰ期、Ⅱ期的患者，利用代謝組學的技術(shù)發(fā)現(xiàn)一組新的組合(丙氨酸、羥基乙酸、色氨酸、棕櫚酸、延胡索酸、鳥氨酸、賴氨酸、3-羥基異戊酸)。此組合預測CRC的特異性是99.3%，敏感性93.8%。預測0、Ⅰ、Ⅱ期腫瘤的敏感性分別是100.0%、97.5%、100.0%，特異性為100.0%、91.3%、91.7%。

3.4氨基酸在結(jié)直腸癌治療中的作用 手術(shù)切除腫瘤病灶或者放化療后，患者體內(nèi)的腫瘤負荷會明顯下降，代謝輪廓也會發(fā)生相應的改變。所以，可以通過患者治療前后的氨基酸變化，來評估手術(shù)效果，以及監(jiān)測化療藥物的不良反應。Ma等[23]人對30例CRC患者手術(shù)前后的血清氨基酸進行對比，發(fā)現(xiàn)L-纈氨酸、5-氧代-L-脯氨酸等7種代謝物的含量下降，而L-酪氨酸上升。但是具體的哪種氨基酸的變化更有指導意義，還需進一步研究。

4 氨基酸在結(jié)直腸癌治療方面的應用

惡性腫瘤患者體內(nèi)的炎性因子導致能量營養(yǎng)素代謝異常，包括：①糖代謝異常。②蛋白質(zhì)代謝異常。③脂質(zhì)代謝異常。這些異常的代謝使得腫瘤患者體重進行性下降。正確的使用營養(yǎng)素治療，如：谷氨酰胺、亮氨酸、纈氨酸、異亮氨、精氨酸、蛋氨酸等，可以改善患者的生活質(zhì)量，為結(jié)直腸癌患者放化療的正常實施提供營養(yǎng)支持[24]。因為腫瘤細胞對氨基酸有特殊的需要，氨基酸及其衍生物已經(jīng)用于抗腫瘤藥物的研究。如：5-氟尿嘧啶氨基酸衍生物[12,25]，精氨酸及精氨酸降解酶的抗腫瘤藥物[26]、針對氨基酸轉(zhuǎn)運體開發(fā)的藥物[27]、針對蛋氨酸酶開發(fā)的藥物[28]、大黃酸與不同的氨基酸贅生物一起可以合成20個尚未報道的抗腫瘤藥物[29]。另外，氨基酸作為現(xiàn)有的抗腫瘤藥物的前體，可以改善原有藥物溶解度差，通透性差的缺點。還可以保證抗腫瘤藥物可以持續(xù)釋放，針對腫瘤病灶靶向運輸，使藥物更加穩(wěn)定[30]。

5 氨基酸代謝在結(jié)直腸癌的應用前景

氨基酸代謝存在生物體的各個細胞中，具有參與蛋白質(zhì)合成，為核酸、脂質(zhì)的合成提供基團等作用，其代謝異常誘發(fā)機體生理功能的紊亂。腫瘤細胞的惡性發(fā)展，與氨基酸代謝失衡密切相關(guān)。

基于能量代謝發(fā)展起來的18氟-脫氧葡萄糖-正電子發(fā)射斷層掃描(18fluorodeoxyglucose-positron emission tomography，18FDG-PET) 已經(jīng)應用于臨床，但是它對腦腫瘤組織的特異性比較低。隨著代謝組學技術(shù)的發(fā)展，腫瘤細胞氨基酸代謝的神秘面紗逐漸被揭開?；谀[瘤細胞對某種氨基酸的高度攝取，也許可以克服18FDG-PET的局限性，發(fā)現(xiàn)更多的早期腫瘤[31]。

氨基酸代謝組學是怎樣從大量代謝物中篩選出準確度、靈敏度高的特異性腫瘤標志物, 是決定其能否在臨床上廣泛應用的一個重要因素。個體的代謝差異會受到年齡、性別、環(huán)境、飲食、生活方式、工作壓力等的影響。能否準確的區(qū)分引起代謝圖譜改變的來源，是目前存在的瓶頸。選擇適合的氨基酸提取試劑，多種氨基酸聯(lián)合診斷或者與糖類、脂質(zhì)的代謝產(chǎn)物聯(lián)合診斷CRC，也許對CRC的早期篩查更有意義。多項代謝組學技術(shù)的聯(lián)用可以檢測出重疊的生物候選的標記物，也是將來發(fā)展的一個方向。阻止氨基酸代謝的某條途徑，也許可以作為抗腫瘤藥物研發(fā)的新方向，但是，某些腫瘤細胞和正常細胞存在相同的代謝通路，如何區(qū)分出異常的代謝通路，還存在一定的挑戰(zhàn)。

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