金屬組學(xué)在肝癌診斷及治療中的應(yīng)用

張艷麗 畢鵬偉 江鑫垚 王永安 蔣婷婷 王 欣* 李 超

(1.安徽醫(yī)科大學(xué) 第二附屬醫(yī)院 腫瘤科,合肥 230601;2.安徽醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 化學(xué)教研室,合肥 230032;3.安徽醫(yī)科大學(xué) 第二臨床學(xué)院,合肥 230000;4.安徽醫(yī)科大學(xué) 第一臨床學(xué)院,合肥 230032)

作為新興的研究領(lǐng)域,金屬組學(xué)旨在系統(tǒng)地研究金屬/類金屬及其物種與生物體內(nèi)基因、蛋白質(zhì)、代謝物和其他生物分子之間的相互作用與功能關(guān)系。金屬組學(xué)系統(tǒng)研究生物體內(nèi)金屬/類金屬元素的含量、形態(tài)、分布、結(jié)構(gòu)及功能等。生命體系中的金屬組存在穩(wěn)態(tài)平衡,而疾病的發(fā)生發(fā)展可能會(huì)打破這一平衡狀態(tài)[1-2]。因此,金屬組學(xué)有望實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的輔助診斷與治療。例如Scassellati在研究神經(jīng)發(fā)育障礙疾病(精神分裂癥、注意力缺陷多動(dòng)障礙、自閉癥及癲癇)中發(fā)現(xiàn)血液中鋅的含量與之密切相關(guān),可能是潛在診斷生物標(biāo)志物[3]。

肝癌是全球范圍內(nèi)最常見與致死率最高的惡性腫瘤之一,嚴(yán)重威脅人類的生命健康。根據(jù)“Global cancer statistics 2020:GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries”預(yù)測(cè)全球肝癌新發(fā)病例約為90.5萬(wàn)且死亡病例約為83.0萬(wàn),發(fā)病率居惡性腫瘤的第6位且死亡率居第3位[4]。我國(guó)肝癌的發(fā)病率與死亡率亦很高,例如2016年我國(guó)肝癌新確診病例數(shù)約為39.0萬(wàn)且死亡病例約為30.2萬(wàn)[5]。原發(fā)性肝癌的病因與發(fā)病機(jī)制尚未完全明確,可能與以下因素有關(guān):1)病毒性肝炎;2)黃曲霉素;3)肝硬化;4)飲用水污染;5)遺傳因素;6)其他:亞硝胺類、偶氮芥類、有機(jī)氯農(nóng)藥、酒精等[6]。肝癌起病隱匿,缺乏典型的、特異性的臨床癥狀,約80%肝癌患者在確診時(shí)已處于中晚期,導(dǎo)致總生存率低,因此早期診斷與治療肝癌是當(dāng)前亟待解決的問題[7]。

肝癌現(xiàn)有的診斷方法包括影像學(xué)診斷(B超、CT、MRI及PET/CT)、血清學(xué)檢查(AFP)與病理組織學(xué)檢查,但上述診斷方法對(duì)早期診斷肝癌具有一定的局限性,例如:B超容易受到肝臟病變、膽囊、腸道及其他組織器官的影響,從而降低了診斷肝癌的準(zhǔn)確率[8];肝癌的異質(zhì)性導(dǎo)致CT和MRI可能產(chǎn)生漏診[9];AFP是早期篩查肝癌的主要腫瘤標(biāo)志物,但約40%的原發(fā)性肝癌患者的AFP位于正常水平[10];病理學(xué)檢查是肝癌診斷的金標(biāo)準(zhǔn),但部分患者不能耐受穿刺活檢,且病理結(jié)果受到穿刺部位與診斷醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)等的影響,可能會(huì)產(chǎn)生漏診或誤診[11]。因此尋找新的肝癌診斷方法迫在眉睫。

肝癌的治療方法有手術(shù)、放療、介入與藥物治療等。手術(shù)是早期肝癌患者的主要治療方式,藥物治療則為不適合局部治療的中晚期肝癌患者的首選治療方式,目前以鉑類藥物為主[12]。

本文主要系統(tǒng)總結(jié)近年來(lái)金屬組學(xué)在肝癌診斷及治療中的應(yīng)用情況,為建立新的肝癌篩查方法和治療手段提供有益借鑒。

1 金屬組學(xué)常用的檢測(cè)方法

金屬組學(xué)常用的檢測(cè)方法包括對(duì)其含量、形態(tài)、分布、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析,目前在肝癌的研究中以金屬元素含量的分析為最常見。常見的金屬元素含量檢測(cè)手段有原子吸收光譜(Atomic absorption spectroscopy,AAS)、電感耦合等離子體-質(zhì)譜(Inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Inductively coupled plasma optical emission spectrometer,ICP-OES)及X射線熒光光譜儀(X-ray fluorescence spectrometer,XRF)等。

AAS法是一種應(yīng)用非常廣泛的檢測(cè)金屬元素的分析方法,目前主要為石墨爐法與火焰原子吸收光譜法。石墨爐法的優(yōu)點(diǎn)是所需樣品量少、前處理方便且靈敏度高,缺點(diǎn)是準(zhǔn)確性受石墨爐升溫程序影響且比較復(fù)雜的樣品分析時(shí)存在一定的背景干擾?；鹧嬖游展庾V法的優(yōu)點(diǎn)為操作簡(jiǎn)便、信號(hào)穩(wěn)定、檢測(cè)速度快等,缺點(diǎn)為靈敏度較低[13-14]。

ICP-MS法其工作原理是樣品在ICP通道高溫電離后進(jìn)入質(zhì)譜儀,利用元素之間的質(zhì)荷比不同,用離子檢測(cè)器檢測(cè),目前應(yīng)用在很多領(lǐng)域如地質(zhì)樣品、生物樣品、食品等。ICP-MS具有基體效應(yīng)小、譜線簡(jiǎn)單、很低的檢出限(ng/L)并能同時(shí)測(cè)定多種元素等特點(diǎn)[15-16]。

ICP-OES法是ICP與原子發(fā)射光譜相結(jié)合的分析技術(shù)。根據(jù)檢測(cè)元素特征譜線對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行定性和定量分析,檢出限為ng/g級(jí),可測(cè)定大多數(shù)金屬元素和少量非金屬元素(如硅、磷、硫等)[17]。

XRF法的原理是利用初級(jí)X射線激發(fā)待測(cè)樣品中的原子使之產(chǎn)生熒光,從而對(duì)樣品進(jìn)行定性(金屬元素的類別)和定量(金屬元素的含量)分析,是一種無(wú)損的快速分析方法,能夠分析固體或粉狀樣品中多種元素[18]。

2 金屬組學(xué)在肝癌診斷中的應(yīng)用

微量元素與生理功能密切相關(guān),它們?cè)隗w內(nèi)保持著動(dòng)態(tài)平衡,缺乏或過(guò)量可使細(xì)胞發(fā)生突變,進(jìn)而發(fā)生癌變。肝臟是微量元素吸收與儲(chǔ)存代謝的場(chǎng)所,對(duì)微量元素的平衡起著重要的作用。金屬組學(xué)可用于肝癌的輔助診斷及判斷預(yù)后,目前常以血、頭發(fā)和組織等為研究樣本。

2.1 靶標(biāo)金屬組學(xué)

靶標(biāo)金屬組學(xué)通常用ICP-MS/MS、AAS及ICP-OES等對(duì)健康者與肝癌患者的樣品進(jìn)行定量分析,在測(cè)定前需對(duì)樣品進(jìn)行消化處理。

1)血樣品(包括全血或血清)的研究。FU等[19]使用ICP-MS/MS準(zhǔn)確測(cè)定了肝細(xì)胞癌(HCC)患者和健康者血清中的Mn、Fe、Ni、Cu、Zn和Se,發(fā)現(xiàn)HCC患者的Fe與Cu含量高于健康者而Zn與Se含量低于健康者,提示微量元素濃度的變化可能與HCC的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。趙玉萍等[20]使用AAS檢測(cè)了肝癌患者與健康者血漿中的五種金屬元素(Ca、Mg、Cu、Fe、Zn),發(fā)現(xiàn)肝癌患者的Cu含量高于健康者而Ca、Mg、Fe、Zn含量低于健康者。高翠紅等[21]使用AAS測(cè)定了肝癌和健康者全血中的Cu與Zn,發(fā)現(xiàn)Cu/Zn在肝癌診斷中價(jià)值最高,Cu有較高的診斷價(jià)值,Zn診斷價(jià)值較低。FANG等[22]使用ICP-MS測(cè)定了肝癌患者血清中Cu與Zn,發(fā)現(xiàn)較高的血清Cu與Cu/Zn提示預(yù)后差,與總生存密切相關(guān)。這種關(guān)聯(lián)在慢性炎癥患者和HBsAg陰性患者中最為突出,Zn水平與生存結(jié)果之間沒有顯著相關(guān)性。研究結(jié)果提示血清Cu/Zn可作為HCC進(jìn)展和生存的預(yù)后指標(biāo)。血樣品的研究發(fā)現(xiàn)Cu/Zn和Cu具有較高的診斷價(jià)值。

2)頭發(fā)樣品相關(guān)的研究。我國(guó)乙型肝炎病毒感染率高,而乙型肝炎病毒隨病情進(jìn)展可引起的肝硬化及肝細(xì)胞癌。謝裕達(dá)[23]使用AAS測(cè)定了乙型肝炎、肝硬化、肝癌及健康者頭發(fā)的Zn、Fe、Cu、Mn與Se,發(fā)現(xiàn)乙型肝炎、肝硬化、肝癌組的Zn、Mn和Se含量均顯著低于正常對(duì)照組,Fe顯著升高,肝癌組的Cu含量顯著高于正常對(duì)照組。以上結(jié)果提示毛發(fā)中的微量元素的變化可能提示肝臟病變的進(jìn)展,協(xié)助肝癌診斷。

3)組織樣品相關(guān)的研究。劉志輝等[24]應(yīng)用AAS測(cè)定血清和肝癌組織、癌旁組織及正常肝組織樣品中Zn、Cu、Mn和Se,發(fā)現(xiàn)原發(fā)性肝癌患者的血清Cu水平顯著低于健康者,血清Zn、Mn與Se無(wú)顯著差異,Zn、Cu、Mn與Se從癌組織、癌旁組織到正常肝組織依次升高。癌組織Cu含量與體重呈負(fù)相關(guān),Mn、Se與年齡呈負(fù)相關(guān)。癌組織Zn含量與血清中的含量無(wú)相關(guān)性,Cu、Mn與Se在癌組織的含量與其血清中的含量呈正相關(guān)。蔡康榮等[25]應(yīng)用ICP-OES測(cè)定了肝癌患者的癌組織、癌旁組織及正常組織中Se、Zn、Cu、Fe、Mg、Mn、Mo的含量,發(fā)現(xiàn)正常組織、癌旁組織、癌組織的Se、Zn、Mg、Mo含量與Se/Cu、Zn/Cu、Fe/Cu、Mg/Cu、Mo/Cu逐漸降低,但Cu、Mn的含量逐漸升高,Fe的含量與Mn/Cu無(wú)顯著差異。

以上研究發(fā)現(xiàn)肝癌患者常伴有Cu和Cu/Zn升高,Se和Zn含量下降,提示肝癌發(fā)生、發(fā)展與微量元素含量的變化具有相關(guān)性,對(duì)研究肝癌病變過(guò)程和協(xié)助診斷具有重要意義。但靶標(biāo)金屬組學(xué)存在以下不足:樣品處理過(guò)程煩瑣、不同檢測(cè)設(shè)備對(duì)樣品結(jié)果的影響等。

2.2 非靶標(biāo)金屬組學(xué)

HE等[26]提出了非靶標(biāo)金屬組學(xué)方法,即無(wú)需轉(zhuǎn)換XRF光譜為定量數(shù)據(jù)而直接比較XRF光譜以發(fā)現(xiàn)金屬組學(xué)的差異。該方法樣品處理過(guò)程簡(jiǎn)單,與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合可以快速準(zhǔn)確地區(qū)分癌癥患者和健康對(duì)照者(圖1)。

圖1 非靶標(biāo)金屬組學(xué)流程圖Figure 1 Non-targeted metallomics flow-process diagram.

3 金屬組學(xué)在治療中應(yīng)用

金屬組學(xué)除用于診斷,亦應(yīng)用于研究金屬藥物治療肝癌機(jī)制、研發(fā)新型金屬藥物及預(yù)測(cè)肝癌治療效果中(圖2)。

圖2 金屬組學(xué)在肝癌診斷及治療中的應(yīng)用Figure 2 Application of metallomics in diagnosis and treatment of liver cancer.

3.1 金屬組學(xué)助力金屬藥物治療肝癌機(jī)制研究

鉑類是肝癌治療中常用的藥物,包括順鉑與奧沙利鉑等。順鉑為第一代鉑類抗癌藥物,它通過(guò)與腫瘤細(xì)胞DNA鏈結(jié)合形成交叉連接從而抑制DNA與RNA的合成與細(xì)胞分裂。例如杜峰等[27]研究觀察組(順鉑熱化療灌注聯(lián)合TACE治療)與對(duì)照組(TACE治療)的療效,發(fā)現(xiàn)觀察組的腫瘤控制率、生存率均高于對(duì)照組,腫瘤復(fù)發(fā)率顯著低于對(duì)照組,提示順鉑熱化療灌注聯(lián)合TACE可有效控制肝癌,降低肝癌復(fù)發(fā)率并提高生存率。

奧沙利鉑是第三代鉑類抗癌藥物,采用含奧沙利鉑化療方案治療肝癌,可以提高治療有效率,改善患者的生活質(zhì)量。魏濤[28]研究觀察組(常規(guī)化療方案即亞葉酸鈣與氟尿嘧啶加用奧沙利鉑治療)與對(duì)照組(常規(guī)化療方案治療),發(fā)現(xiàn)觀察組的治療總有效率、生活質(zhì)量總改善率高于對(duì)照組,不良反應(yīng)發(fā)生率低于對(duì)照組。

釩復(fù)合物是繼鉑類藥物之后具有巨大開發(fā)潛力的金屬藥物。ESCALIANTE等[29]分別應(yīng)用木葡聚糖與氧釩(XGC:VO)的復(fù)合物和天然XGC處理HepG2細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用XGC:VO作用肝癌細(xì)胞72 h后細(xì)胞活力較天然XGC明顯下降,證明XGC:VO能有效抑制肝癌細(xì)胞生長(zhǎng)。

釕復(fù)合物毒性較小且副作用小。ALVES等[30]用釕復(fù)合物順式-[Ru(1,10-菲咯啉)2(咪唑)2]2+(RuC)作用HepG2細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)48 h后細(xì)胞活力降低63%,證明RuC能抑制肝癌細(xì)胞生長(zhǎng),是治療肝癌的潛在新藥物。

砷類藥物如三氧化二砷(As2O3)治療肝癌療效顯著,可延長(zhǎng)患者生存周期,且不良反應(yīng)少,安全性高。卞曉山等[31]研究觀察組(As2O3經(jīng)導(dǎo)管肝動(dòng)脈化療栓塞介入療法)與對(duì)照組(常規(guī)肝動(dòng)脈栓塞療法)的療效,結(jié)果顯示研究組治療后總有效率、1年生存率明顯高于對(duì)照組,治療后不良反應(yīng)發(fā)生率明顯低于對(duì)照組。應(yīng)用As2O3經(jīng)導(dǎo)管肝動(dòng)脈化療栓塞介入療法效果顯著,減輕單一經(jīng)導(dǎo)管動(dòng)脈栓塞化療介入療法對(duì)患者肝功能產(chǎn)生的損傷,從而減少不良反應(yīng)的發(fā)生。

3.2 金屬組學(xué)助力新型肝癌金屬藥物研發(fā)

微量元素不平衡狀態(tài)可能是影響肝癌治療效果的重要因素。翦耀文等[32]應(yīng)用Meta分析法探討肝癌患者血清微量元素水平。結(jié)果顯示,肝癌患者血清Cu升高,血清Zn與Fe降低,說(shuō)明肝癌患者微量元素水平處于不平衡狀態(tài)。

Zn在各種鋅酶中起著關(guān)鍵作用,而鋅酶對(duì)維持肝功能至關(guān)重要。慢性肝炎、肝硬化或脂肪肝等慢性肝病(Chronic liver disease,CLD)患者的Zn濃度通常較低,隨著肝纖維化的進(jìn)展,Zn濃度會(huì)進(jìn)一步降低。長(zhǎng)期補(bǔ)Zn能改善肝功能并降低肝癌的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。HOSUI等[33]選取267例CLDs患者的資料進(jìn)行回顧性分析,分為補(bǔ)Zn組(196例,予ZnSO46個(gè)月)和對(duì)照組(71例),結(jié)果顯示補(bǔ)Zn組3年事件(死亡、肝癌發(fā)展、肝衰竭出現(xiàn))累積發(fā)生率顯著低于對(duì)照組,補(bǔ)Zn組的肝癌發(fā)病率顯著低于對(duì)照組。說(shuō)明患者服用超過(guò)90 mg/d的Zn使其血清Zn濃度大于70 μg/dL時(shí),能有效抑制肝癌發(fā)展。

Se在人體內(nèi)含量極少卻發(fā)揮著重要作用,具有提高機(jī)體免疫功能的作用。LIN等[34]采用薈萃分析與系統(tǒng)評(píng)價(jià)分析了50項(xiàng)研究,發(fā)現(xiàn)肝癌患者的Se水平顯著低于健康志愿者。薈萃分析顯示在安全劑量(<400 μg/d)內(nèi)攝入Se是肝的保護(hù)因素,提示及早補(bǔ)充Se能夠保護(hù)肝臟、預(yù)防肝癌,防止肝癌的發(fā)展及惡化。

Fe在機(jī)體內(nèi)主要參與氧的運(yùn)送和組織呼吸,以及維持正常造血功能等。肝臟是Fe儲(chǔ)存的主要部位,也是Fe過(guò)多誘導(dǎo)損傷的主要靶器官。補(bǔ)充適量的Fe可以延緩肝癌的發(fā)展以及改善肝癌患者的營(yíng)養(yǎng)狀況和生活質(zhì)量。RIZK等[35]選取401例肝硬化患者和181名肝癌合并肝硬化患者進(jìn)行病例對(duì)照研究,結(jié)果顯示,Fe的攝入量高于2.83 mg/d能夠抑制肝硬化發(fā)展為肝細(xì)胞癌。

在藥物治療方面,金、銀、鉑、金屬氧化物、鈣與硒等納米粒子已被用作藥物遞送系統(tǒng)中的治療劑、載體或成像劑,如YANG 等[36]合成的納米金顆粒能靶向腫瘤微環(huán)境,釋放抗腫瘤藥物,能提高腫瘤治療效果。

3.3 金屬組學(xué)助力肝癌治療效果預(yù)測(cè)

肝癌患者體內(nèi)存在著多種微量元素的異常變化,與肝癌的發(fā)生、發(fā)展、療效及預(yù)后密切相關(guān),檢測(cè)肝癌患者治療前后微量元素含量的變化對(duì)肝癌的治療效果評(píng)價(jià)有一定的參考價(jià)值。于瑞珍等[37]應(yīng)用AAS研究肝癌患者和健康者治療前后血清中微量元素含量變化,結(jié)果顯示治療前肝癌患者血清Cu高于健康者,Zn、Fe、Se、Mn、Ni、Cd低于健康者;治療后肝癌患者血清Cu降低,Zn、Fe、Se、Mn、Ni、Cd升高,但仍低于健康者。肝癌患者治療后血清Zn回升,主要是病灶切除,癥狀好轉(zhuǎn),各種酶活性降低,Zn消耗減少所致;Fe回升與患者低鐵性貧血癥狀改善,飲食增加,Fe消耗減少有關(guān)。

4 結(jié)論與展望

金屬組學(xué)在肝癌的診斷及治療中起著重要作用。隨著技術(shù)的發(fā)展,新的金屬組學(xué)診斷方法不斷推陳出新,人工智能、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)與金屬組學(xué)在肝癌早期診斷、分型、治療及預(yù)后中的進(jìn)一步應(yīng)用將提升肝癌的早期診斷率及治療效果,造福于患者。