能量代謝紊亂在結直腸癌中的研究進展

陳康部，李岳桓

結直腸癌(colorectal Cancer，CRC)是大腸黏膜上皮和腺體發(fā)生的惡性腫瘤，根據(jù)發(fā)病部位分為結腸癌和直腸癌，是常見的消化道腫瘤之一。研究表明，全球范圍內(nèi)，結直腸癌的發(fā)病率和死亡率位居惡性腫瘤第三位，僅次于肺癌、乳腺癌[1]。隨著人們生活水平不斷提高，飲食結構發(fā)生了巨大改變，結直腸癌的發(fā)病率和死亡率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，且近年來年輕化趨勢發(fā)展明顯，給居民健康及社會發(fā)展造成嚴重威脅[2]。結直腸癌發(fā)病受到多種因素的綜合影響，其發(fā)病機制尚不十分明確，危險因素包括遺傳和環(huán)境兩個方面，隨著分子生物學、遺傳學和生物技術的發(fā)展，結直腸癌的分子遺傳學特征逐漸被人們所了解。目前普遍認為結直腸癌發(fā)病是一個涉及多基因、多步驟、多階段的復雜過程，這限制了以單一影響因素為對象來研究其發(fā)病機制[3]。代謝組學以其高通量、高靈敏度、高精確度的優(yōu)勢，在腫瘤個體化治療的研究中顯示出了巨大的潛力和價值，通常以機體內(nèi)某個代謝組為研究對象，可以反映某種病理狀態(tài)下生物體的瞬間概況，揭示整體性代謝變化，尤其適用于涉及多組分、多通路、多種機制的研究，在復雜的疾病機制研究中展現(xiàn)出特有的優(yōu)勢[4-6]。

1 代謝組學技術及其應用

代謝組學(Metabonomics)作為系統(tǒng)生物學的重要分支，繼基因組學、轉錄組學及蛋白質(zhì)組學之后迅速興起，并廣泛應用于生物學和醫(yī)學相關的眾多領域[7]。代謝組學以機體內(nèi)代謝終產(chǎn)物為研究對象，反映的是機體現(xiàn)存狀態(tài)下，多種因素綜合作用的表征結果，能夠評估機體在一定條件下的整體狀態(tài)。是一門“在新陳代謝的動態(tài)進程中，系統(tǒng)研究代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律，揭示機體生命活動代謝本質(zhì)”的科學，能夠更直接、準確地反映機體的病理生理狀態(tài)[8]。

代謝組學作為基因組、轉錄組和蛋白組的延伸和終端，能夠更直接、更準確地反映生物體的病理生理狀態(tài)，主要研究機體內(nèi)代謝底物及分子量小于1 000的小分子物質(zhì)，如氨基酸、寡肽、糖類、類固醇、膽汁酸、脂肪酸以及代謝途徑中的中間產(chǎn)物，可以檢測代謝通路以及信號通路中的分子[9]。代謝組學研究流程一般包括樣品處理、樣品分析、數(shù)據(jù)處理、代謝通路分析等，其中代謝通路分析主要為對組間差異性代謝物進行生物學辨識，映射至KEGG、Biocyc/Human Metabolome Database等與代謝通路相關的數(shù)據(jù)庫，尋找差異性代謝物在代謝通路中的具體位置，以期解釋病理過程中代謝網(wǎng)絡之間的調(diào)控過程[10]。在臨床研究中主要涉及篩選潛在生物標志物、探討疾病發(fā)病機制、疾病診斷、治療和預后判斷等[11-12]。

2 代謝組學與惡性腫瘤

人體的代謝是一個永不停息的過程，任何疾病的發(fā)生發(fā)展都會影響機體代謝特征，引起體內(nèi)代謝產(chǎn)物的變化。比較機體在生理和某種疾病狀態(tài)下的代謝產(chǎn)物的差異，可以找到與疾病診斷相關的一組生物標志物，進一步尋找差異性代謝物所在的代謝通路，從而探索疾病的發(fā)病機制[13]。利用代謝組學技術手段，研究機體不同狀態(tài)下代謝物圖譜的差異，從而展現(xiàn)與機體生理發(fā)展變化相關的整體功能的完整信息，可用于疾病的診斷、分型、發(fā)病機制探討。

近年來，代謝組學技術已成為惡性腫瘤疾病診斷、發(fā)病機制、分期及預后判斷等研究的重要技術手段，用系統(tǒng)生物學的思想研究機體內(nèi)代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律被廣泛接受[14-15]。對腫瘤代謝表型圖譜的研究有助于人們了解腫瘤發(fā)生、發(fā)展以及致死的機制，臨床中這些代謝圖譜可以作為發(fā)病機制、腫瘤診斷、預后以及治療的評判標準。

腫瘤的發(fā)生和發(fā)展可促使細胞的代謝網(wǎng)絡發(fā)生變化，導致出現(xiàn)細胞異常增殖喪失了正常生長規(guī)律。與機體正常細胞相比，有關腫瘤細胞糖類、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸等的合成和分解代謝與正常組織有差異，反映機體產(chǎn)生和排出代謝產(chǎn)物的變化，其代謝產(chǎn)物水平出現(xiàn)特征性改變[16-17]。代謝組學分析有助于更好地理解腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程以及機體內(nèi)物質(zhì)的代謝途徑，可以發(fā)現(xiàn)具有腫瘤表征特征的較全面的生物標志物。

3 代謝組學技術在結直腸癌能量代謝紊亂研究中的應用

有機體在物質(zhì)代謝過程中能量的釋放、轉換和利用過程稱為能量代謝。近年來，能量代謝紊亂在結直腸癌的發(fā)生發(fā)展中的作用及機制逐漸受到人們的重視[18]。腫瘤細胞在生長過程中，由于組織增殖過快造成局部組織嚴重缺氧和能量代謝不平衡。結直腸癌是一種消化系統(tǒng)惡性腫瘤，患者體內(nèi)存在能量代謝異常，新陳代謝率和消耗總量明顯增加，對營養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收、利用率明顯降低。

葡萄糖的無氧降解和有氧呼吸生成ATP，成為提供機體能量來源的主要方式。脂肪酸的β氧化以及氨基酸、固醇類等物質(zhì)通過分解代謝生成葡萄糖有氧呼吸的底物，也可以生成大量ATP以供機體進行正常能量代謝[19]。腫瘤的發(fā)生發(fā)展與能量代謝密切相關，腫瘤細胞能量代謝異常是腫瘤組織區(qū)別于正常組織的重要特征。

3.1 糖代謝紊亂與結直腸癌

葡萄糖在機體內(nèi)的代謝分為無氧呼吸和有氧呼吸兩個途徑，前者是糖酵解(glycolysis)過程，后者為三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA循環(huán))[20]。

糖酵解是葡萄糖利用的主要途徑，能在無氧條件下為機體提供ATP，保證機體在氧氣供應不足的情況下的能量供應。這個過程分為四個階段：磷酸己糖的生成、磷酸丙糖的生成、3-磷酸甘油醛轉變?yōu)?-磷酸甘油酸、丙酮酸生成。代謝組學研究中，若發(fā)現(xiàn)試驗組樣本中丙酮酸和乳酸等物質(zhì)代謝異常，則提示可能與糖酵解途徑有[21]關。TCA循環(huán)是葡萄糖在線粒體內(nèi)進行的連續(xù)有氧氧化反應，該過程的關鍵化合物是檸檬酸，也稱為檸檬酸循環(huán)。TCA循環(huán)在能量代謝過程中起著非常重要的作用，是機體獲取能量的主要方式，也是體內(nèi)主要有機物在體內(nèi)徹底氧化的共同代謝途徑。其反應過程包括檸檬酸，異檸檬酸，α-酮戊二酸，琥珀酰輔酶A，延胡索酸的生成，底物磷酸化產(chǎn)生ATP，延胡索酸水化以及草酰乙酸的再生等。代謝組學研究中，若試驗組樣本發(fā)現(xiàn)TCA循環(huán)底物異常，則提示該病理可能與機體能量代謝途徑紊亂有關[22]。此外，因腫瘤細胞的特異性，磷酸戊糖途徑和果糖途徑的的代謝失衡也會導致能量代謝紊亂。

20世紀中葉，德國生化和生理學家Warburg等人發(fā)現(xiàn)在腫瘤細胞中，相對于氧化磷酸化，葡萄糖更傾向于經(jīng)糖酵解的途徑進行代謝從而產(chǎn)生更多ATP。有些腫瘤細胞在供養(yǎng)充足的情況下也優(yōu)先選擇糖酵解途徑提供能量，以滿足其快速增值的能量需求，這一現(xiàn)象被稱為Warburg效應[23-24]。

譚斌斌等[25]人利用GC-TOFMS和UPLC-QTOFMS檢測平臺對CRC患者血清和尿液內(nèi)代謝物進行分析，并探討其生物學意義。研究顯示，CRC患者血清代謝組學研究中，試驗組血清中丙酮酸水平顯著高于健康對照組。同時也發(fā)現(xiàn)，CRC患者血清內(nèi)烏頭酸和延胡索酸顯著下調(diào)，提示患者體內(nèi)TCA循環(huán)受損。也有文獻報道CRC患者血清及腫瘤組織中乳酸水平異常增加，這兩種代謝物質(zhì)的水平在體內(nèi)顯著增加提示CRC患者體內(nèi)糖酵解反應的加劇。上調(diào)的糖酵解與下調(diào)的TCA循環(huán)相對應，體現(xiàn)出CRC患者體內(nèi)以糖代謝失衡為特點的能量代謝紊亂。

Yan Lin[26]等人采用核磁共振技術(NMR)對結直腸癌患者及健康人糞便進行代謝組學研究，并對組間差異性代謝物進行模式識別判別分析(OPLS-DA)。結果顯示，相對于健康人，CRC患者糞便內(nèi)乳酸和琥珀酸含量明顯升高，而葡萄糖含量顯示含量降低，這提示CRC患者體內(nèi)糖代謝出現(xiàn)異常改變，從而影響機體的供能途徑，導致能量代謝紊亂。

3.2 脂質(zhì)代謝異常與結直腸癌

脂質(zhì)包括脂肪酸與各種不同的醇類形成的酯，如?；视王?、簡單脂肪酸等。脂質(zhì)是一類重要的生物大分子，在機體內(nèi)發(fā)揮多種重要功能，除了作為細胞結構組成部分，也能為機體代謝提供能量，是代謝組學研究的重要組成部分[27]。脂肪酸β氧化是體內(nèi)脂肪分解的主要途徑，不僅能為機體提供能量，還能生成大量乙酰輔酶A作為機體化合物生成的中間原料，如果脂肪酸氧化不完全，可生成大量酮體等中間代謝產(chǎn)物。

Nishiumi S等[28]人采用氣相色譜-三重串聯(lián)四極桿質(zhì)譜法(GC-MS/MS)對處于不同分期階段的CRC患者和健康人血漿進行代謝組學分析，結果表明，CRC患者體內(nèi)棕櫚酸及膽固醇含量明顯低于正常組。棕櫚酸在體內(nèi)與炎癥的發(fā)生密切相關，從而改變相關組織細胞內(nèi)的能量供應狀態(tài)。Goedert等[29]人采用HPLC-MS/MS 技術對48例結直腸癌患者、102例健康人以及48例未知質(zhì)控樣本的凍干糞便樣本進行代謝組學分析，結果顯示棕櫚酰鞘磷脂在CRC患者組呈現(xiàn)上調(diào)，反應了CRC患者體內(nèi)脂質(zhì)代謝異常，可能會造成機體能量代謝失衡。Uchiyama K等[30]采用電噴霧電離飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用(CE-TOFMS)分析技術對CRC患者(n=59)和對照組(n=60)進行血清代謝組學研究，結果顯示兩組樣本之間苯甲酸、辛酸、癸酸等脂肪酸具有顯著差異，這提示CRC患者體內(nèi)脂肪酸代謝發(fā)生異常改變，從而引起體內(nèi)能量代謝失衡。

Liesenfeld DB等[31]人應用GC-TOFMS技術對結直腸癌患者和健康人內(nèi)臟及皮下脂肪組織進行代謝組學研究。結果顯示，相比與皮下脂肪組織，CRC患者內(nèi)臟組織內(nèi)高分子量甘油酯及鞘磷脂均呈現(xiàn)上調(diào)，這提示CRC患者體內(nèi)脂質(zhì)代謝紊亂，與之前報道的肥胖與結直腸癌的發(fā)病呈正相關的結果一致。

江孔梅[32]對不同轉移潛能的直腸癌癌癥細胞系進行脂質(zhì)組學研究，結果顯示，隨著結直腸癌細胞系轉移能力的增加，大多數(shù)的脂質(zhì)種類包括各類磷脂、鞘脂、TG、DG 的含量都呈現(xiàn)下降趨勢，其中含C18:1的鞘脂的含量變化有統(tǒng)計學意義。對主要脂肪酸側鏈的相對含量進行比較分析發(fā)現(xiàn)大部分的脂肪酸側鏈(包括多不飽和脂肪酸 C18:3、C20:4、C20:5、C22:6 在內(nèi))的含量隨著轉移能力的增加呈下降趨勢，并且 C16:0 的含量降低有統(tǒng)計學意義，這提示在結直腸癌發(fā)生發(fā)展過程中需要消耗更多的能量和脂肪酸。在代謝通路分析中涉及到鞘脂代謝、甘油磷脂代謝、脂肪酸代謝、甘油酯代謝等。

3.3 氨基酸代謝失衡與結直腸癌

氨基酸作為細胞結構及功能成分，幾乎存在于所有類型細胞內(nèi)。游離氨基酸可通過轉氨作用生成有機酸類物質(zhì)，再通過分解代謝作用生成TCA循環(huán)的底物，作為能量來源，機體內(nèi)氨基酸代謝失衡也會引起能量代謝紊亂[33]。谷氨酰胺(glutamine，Gln)作為氮的主要運輸形式，循環(huán)過程中半數(shù)以上的氨基酸都是谷氨酰胺，苯丙氨酸大多依賴四氫蝶蛉轉化為酪氨酸[34]。

李丹等[35]人采用氣相色譜飛行時間質(zhì)譜分析法研究腸癌組織內(nèi)代謝物質(zhì)的變化，對人類結直腸癌代謝通路變化整合分析，結果顯示，谷氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、精氨酸、脯氨酸、賴氨酸、蛋氨酸代謝表現(xiàn)增強，而大多數(shù)氨基酸的降解途徑表現(xiàn)被抑制。此外，氨基磷酸脂代謝、D-谷氨酸和D-谷氨酸鹽代謝表現(xiàn)較高的活性。這與之前大多數(shù)研究結果一致，在正常細胞中，谷氨酰胺是一種非必需氨基酸，被用來合成必需氨基酸、多肽蛋白質(zhì)以及為機體提供必需的氮源。而在癌細胞則相反，分泌大量的谷氨酸鹽分解的碳-氮碎片作為代謝廢物而不是利用其進行其他物質(zhì)的合成。

沙麗娜等[36]人以大腸癌患者的血液、尿液標本和與其配對的健康者血液、尿液為研究對象，利用高效液相色譜-質(zhì)譜技術(LC-MS/MS)檢測分析，比較兩組之間的代謝產(chǎn)物氨基酸表達情況差異，尋找與大腸癌發(fā)生相關的氨基酸。結果表明，CRC患者體內(nèi)天冬酰氨、半胱氨酸代謝物水平呈明顯上升趨勢，亮氨酸、賴氨酸、色氨酸、纈氨酸、異亮氨酸代謝物水平呈明顯下降趨勢，提示在CRC患者體內(nèi)氨基酸代謝失衡，可能影響機體的能量供應。

Nishiumi S等[37]通過對CRC患者和健康對照者血清樣本進行代謝組學分析，表明CRC患者代謝物中犬尿氨酸、胱氨酸、半胱氨酸水平上調(diào)，而且早期較進展期上調(diào)水平顯著，說明腫瘤的侵襲及轉移與色氨酸代謝、半胱氨酸代謝途徑具有較高關聯(lián)性。用電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜法高度標準化的CRC患者和對照組的血清樣本進行檢測，并比較與傳統(tǒng)方法在CRC診斷中的效果，發(fā)現(xiàn)血清甘氨酸、酪氨酸與CEA 結合在鑒別大腸癌患者和對照組方面優(yōu)于CEA 的單獨應用[38]。這提示，患者體內(nèi)氨基酸代謝異?？梢暂o助CRC的早期診斷，也為研究疾病的發(fā)病機制提供理論依據(jù)。

4 總結與展望

目前，結直腸癌的發(fā)病機制尚不十分明確，限制了為患者提供最好的臨床治療策略，以及最合理的靶向藥物的應用。結直腸癌患者體內(nèi)能量代謝紊亂是研究者普遍接受的一個觀點，生物體內(nèi)主要以糖類、脂質(zhì)以及氨基酸這三種有機物的分解代謝作為能量來源。結直腸癌因發(fā)病機制復雜，很難考察體內(nèi)單一物質(zhì)的影響，代謝組學在復雜疾病機制研究中具有其特殊優(yōu)勢，能夠將代謝物含量變化與生物表型變化建立直接相關性。

利用代謝組學技術手段研究患者體內(nèi)能量代謝紊亂機理，找到與病理狀態(tài)相關的代謝通路，可以為臨床診斷提供一種具有潛能的分子生物學檢測方法，能夠為研究結直腸癌的發(fā)病機制、腫瘤標志物的篩選、早期診斷、以及設計基于能量代謝通路的靶向藥物和個體化治療方案提供依據(jù)。相信在可以預見的將來，臨床能夠為結直腸癌患者患者提供基于腫瘤細胞能量代謝的合理“饑餓療法”，制訂個體化治療策略。