尿液代謝組學(xué)在前列腺癌中的應(yīng)用研究進(jìn)展*

李宗霖，盧強(qiáng)，李遠(yuǎn)偉

[湖南師范大學(xué)附屬第一醫(yī)院（湖南省人民醫(yī)院）泌尿外科，湖南 長(zhǎng)沙 410005]

前列腺癌（prostate cancer, PCa）是常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，位于全球男性惡性腫瘤發(fā)病率第1位和病死率第2位，嚴(yán)重危害人類(lèi)健康安全[1]。隨著我國(guó)人口老齡化速度不斷加快，發(fā)病率也顯著上升[2]。隨著PCa診療方案不斷優(yōu)化，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家PCa的5年生存率＞80%。我國(guó)PCa生存率雖逐年上升，但與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距[3]。改善PCa患者生存情況的重要措施是如何早期診斷和加強(qiáng)疾病監(jiān)測(cè)，但目前還缺乏高敏感性、高特異性、能夠檢測(cè)早期PCa和快速、經(jīng)濟(jì)及便于復(fù)查的無(wú)創(chuàng)腫瘤生物標(biāo)志物。因此，進(jìn)一步篩選出具有上述特征的生物標(biāo)志物成為當(dāng)前PCa的研究熱點(diǎn)。

近年來(lái)研究表明，代謝組學(xué)是一種研究生物體內(nèi)代謝物種類(lèi)和數(shù)量變化的學(xué)科，可以反映生物體在特定生理、病理狀態(tài)下的代謝狀態(tài)，在腫瘤的早期診斷、疾病進(jìn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)后評(píng)估中具有巨大的潛力[4]。相較于其他檢查方法，代謝組學(xué)主要具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：生物體液容易獲取且分析起來(lái)比較方便[5-6]。此外，小分子代謝物對(duì)影響疾病進(jìn)展的環(huán)境和基因的變化都很敏感[7]。尿液代謝組學(xué)是代謝組學(xué)的重要分支，通過(guò)對(duì)尿液中的代謝物進(jìn)行分析，可以反映生物體的代謝狀態(tài)[8]。尿液樣本易于獲取，無(wú)創(chuàng)傷性，尿液代謝組學(xué)在臨床診斷和疾病監(jiān)測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。尤其是在PCa的研究中，尿液代謝組學(xué)已顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[9]。其在PCa的研究中主要包括早期診斷、疾病監(jiān)測(cè)、預(yù)后評(píng)估和個(gè)體化治療等方面。通過(guò)對(duì)尿液中的代謝物進(jìn)行分析，可以找到PCa的特異性標(biāo)志物，從而實(shí)現(xiàn)早期診斷；通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)尿液中的代謝物變化，可以評(píng)估疾病的進(jìn)程和治療效果；通過(guò)對(duì)尿液中的代謝物進(jìn)行深入研究，可以為PCa的個(gè)體化治療提供依據(jù)[10]。本文擬對(duì)尿液代謝組學(xué)在PCa中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為PCa診治提供新的思路和方法。

1 尿液代謝組學(xué)在PCa早期診斷中的應(yīng)用

PCa的早期診斷一直是臨床上的一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的前列腺特異性抗原（prostate specific antigen,PSA）檢測(cè)雖然在一定程度上有助于PCa的檢測(cè)，但特異性和敏感性仍有待提高，且可能受到許多非癌癥因素的影響[11]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，PCa患者的尿液代謝物譜與健康人群存在顯著差異，而這些差異主要體現(xiàn)在某些代謝物的濃度上，這些代謝物可能是PCa的生物標(biāo)志物。如JANUARIS等[12]采用橫斷面研究設(shè)計(jì)以及酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)PCa患者的肌氨酸濃度顯著高于對(duì)照參與者，表明尿液中的肌氨酸能夠作為PCa的診斷預(yù)測(cè)因子。LEE等[13]通過(guò)尿基因表達(dá)和代謝物特征的綜合分析揭示PCa衍生細(xì)胞中異常的谷氨酸代謝和三羧酸循環(huán)節(jié)點(diǎn)，功能驗(yàn)證支持谷氨酸代謝和谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶1依賴(lài)性氧化還原平衡在PCa中的作用，可用于新的生物標(biāo)志物和療法。HTOO等[14]采用基于未修飾的金納米粒子與硫醇化聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)物之間的相互作用，檢測(cè)尿液中前列腺癌抗原3（prostate cancer antigen 3, PCA3）含量，發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)PCa細(xì)胞系中的PCA3具有特異性，520/640 nm處的吸收比與反應(yīng)中硫醇化聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)物濃度呈線(xiàn)性關(guān)系（R2=0.9798），同時(shí)該方法也適用于PCa診斷。LEE等[15]通過(guò)系統(tǒng)評(píng)價(jià)和薈萃分析的方法發(fā)現(xiàn)在54項(xiàng)研究（17 575例患者）中，PCA3的敏感性、特異性和診斷優(yōu)勢(shì)比分別為0.71（95% CI：0.67，0.74）、0.68（95% CI：0.63，0.74）和5.28（95% CI：4.28，6.51），曲線(xiàn)下面積為0.75（95% CI：0.71，0.79）。WARLI等[16]評(píng)估尿液中PCA3、雄激素調(diào)控的跨膜蛋白酶絲氨酸2（transmembrane protease serine 2,TMPRSS2）基因和v-ets禽幼紅細(xì)胞增多癥病毒E26同源基因（v-ets avian erythroblastosis virus E26 oncogene homolog, ERG）在檢測(cè)PCa方面的效用，發(fā)現(xiàn)ERG與PCA3、PCa的發(fā)病有關(guān)，而ERG和PCA3可以作為PCa的生物標(biāo)志物。外泌體是一類(lèi)微小囊泡，可以由不同類(lèi)型的細(xì)胞分泌釋放，廣泛分布于不同生物體個(gè)體的不同體液中[17]。外泌體也是細(xì)胞間通訊的重要媒介之一，包裹各種不同微小核糖核酸等功能物質(zhì)，這些物質(zhì)有著較高的穩(wěn)定性，可以真實(shí)準(zhǔn)確地反映出分泌細(xì)胞目前的病理生理狀態(tài)；同時(shí)與正常細(xì)胞比較時(shí)，惡性腫瘤細(xì)胞的代謝會(huì)更加活躍，可以釋放出更多的外泌體，鑒于外泌體所具備的特點(diǎn)，對(duì)于腫瘤的鑒別診斷具有較好的參考價(jià)值。MOUL等[18]發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)立的尿液基因組測(cè)試方法，為高級(jí)別PCa提供一種客觀且可操作的基因組風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具，并且是泌尿科和初級(jí)保健實(shí)踐中有關(guān)活檢（靶向、系統(tǒng)或兩者）的知情決策的關(guān)鍵部分。

盡管尿液代謝組學(xué)在PCa早期診斷中顯示出巨大潛力，但也存在一些挑戰(zhàn)，如尿液中的代謝物種類(lèi)繁多，分析和識(shí)別這些代謝物需要高效的分析技術(shù)和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理方法。現(xiàn)有PCa代謝標(biāo)志物的特異性和敏感性仍需進(jìn)行更深入的驗(yàn)證。例如，PCA3作為一種潛在的生物標(biāo)志物，在區(qū)分侵襲性PCa及評(píng)估PCa患者預(yù)后方面仍存在局限性，對(duì)PCA3評(píng)分最佳臨界值的確定存在爭(zhēng)議。現(xiàn)有研究表明，當(dāng)PCA3評(píng)分采用單一臨界值時(shí)，可能存在一定的局限性，當(dāng)PCA3評(píng)分采用較低的臨界值時(shí)，可以獲得較高的陰性預(yù)測(cè)值，從而有利于排除PCa的可能性。反之，當(dāng)采用較高的臨界值時(shí)，可以獲得較高的陽(yáng)性預(yù)測(cè)值，從而有利于確認(rèn)PCa的存在。然而，當(dāng)PCA3評(píng)分處于這2個(gè)臨界值之間時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于血清PSA的“灰區(qū)”現(xiàn)象，這將對(duì)診斷結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，對(duì)PCA3評(píng)分臨界值的確定，以及如何處理“灰區(qū)”現(xiàn)象，是未來(lái)研究的重要方向[19]。

2 尿液代謝組學(xué)在PCa疾病監(jiān)測(cè)和預(yù)后評(píng)估中的應(yīng)用

尿液代謝組學(xué)不僅在PCa的早期診斷中發(fā)揮重要作用，而且在疾病的監(jiān)測(cè)和預(yù)后評(píng)估中也顯示出了巨大潛力。尿液中的代謝物譜可以反映生物代謝狀態(tài)，通過(guò)分析尿液中的代謝物，可以對(duì)疾病的進(jìn)程、治療效果和預(yù)后進(jìn)行評(píng)估。首先，尿液代謝組學(xué)可以用于PCa的疾病監(jiān)測(cè)，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)尿液中的代謝物變化，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)疾病的進(jìn)展和復(fù)發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)PCa患者在接受治療后，尿液中的某些代謝物濃度會(huì)發(fā)生變化，這些變化可能反映出治療的效果和疾病的狀態(tài)。如KOTOVA等[20]研究指出，局限性PCa患者尿沉渣中PCA3基因表達(dá)增加是瘤周區(qū)局限性PCa和高級(jí)別前列腺上皮內(nèi)瘤變患者根治性前列腺切除術(shù)后生化復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)增加的預(yù)測(cè)因子。而且當(dāng)尿沉渣中的ΔCt PCA3和激肽釋放酶3≥ 1.86時(shí)，瘤周區(qū)PCa和高級(jí)別前列腺上皮內(nèi)瘤變患者的生化復(fù)發(fā)率顯著提高（84% VS 51%）。SALVI等[21]團(tuán)隊(duì)通過(guò)細(xì)胞熒光檢測(cè)方法支持了尿上清液中細(xì)胞外囊泡對(duì)PCa的腫瘤發(fā)生、轉(zhuǎn)移擴(kuò)散和治療抵抗都有重要的作用。一項(xiàng)研究表明尿液外泌體可以從PCa中分離出來(lái)，是生物標(biāo)志物識(shí)別的潛在儲(chǔ)存庫(kù)。外泌體因?yàn)榭梢詫⑿』蚨谈蓴_RNA或藥物制劑裝載到外泌體中，故具有治療潛力[22]。DONG等[23]對(duì)來(lái)自不同Gleason評(píng)分的PCa患者尿液樣本中的糖蛋白，通過(guò)萃取含糖肽和液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法進(jìn)行表征，研究發(fā)現(xiàn)與血清樣本相比，患者尿液中大多數(shù)侵襲性PCa相關(guān)糖蛋白更容易檢測(cè)到，這也為區(qū)分侵襲性PCa、惰性PCa和其他良性前列腺疾病提供了更好的參考，同時(shí)也為治療方案的選擇提供了幫助。

在歷史的研究軌跡中，研究人員觀察到PSA在尿液中表達(dá)降低與PCa的發(fā)生、發(fā)展有一定關(guān)系。PSA是一種由前列腺上皮細(xì)胞生成的激肽釋放酶，其表達(dá)可能在腫瘤的發(fā)展過(guò)程中發(fā)生變化。然而，隨著腫瘤的發(fā)展，前列腺的腺體結(jié)構(gòu)可能遭受破壞，導(dǎo)致大量PSA釋放到血液，使血清PSA水平無(wú)法準(zhǔn)確地反映PCa組織中的PSA表達(dá)。這一觀點(diǎn)得到了一系列研究證實(shí)，其中包括一項(xiàng)揭示高級(jí)別PCa組織中存在PSA表達(dá)喪失現(xiàn)象的研究[24]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，PCa組織中PSA低表達(dá)與Gleason評(píng)分提高及細(xì)胞增殖加速有關(guān)[25]。在一項(xiàng)大樣本的隊(duì)列研究中，OCCHIPINTI等[26]發(fā)現(xiàn)，尿液中的PSA能更直接地反映前列腺組織中的PSA表達(dá)水平，其研究結(jié)果顯示，尿液PSA在預(yù)測(cè)侵襲性PCa方面的陰性預(yù)測(cè)值和陽(yáng)性預(yù)測(cè)值分別為82.7%和47.8%，曲線(xiàn)下面積為0.681，高于護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)的0.601。將曲線(xiàn)下面積提升至0.713，尿液PSA和護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)合應(yīng)用能進(jìn)一步提高診斷效能。研究發(fā)現(xiàn)肌氨酸為PCa發(fā)展時(shí)明顯增加的代謝物，后續(xù)的研究進(jìn)一步評(píng)估了肌氨酸作為PCa生物標(biāo)志物的可能性，結(jié)果表明尿液中的肌氨酸可以作為前列腺疾病早期篩查、病理分期和預(yù)后判斷的重要參數(shù)，還可以有效地反映PCa的侵襲性狀況[27-28]。此外，尿液中肌氨酸的濃度與PCa的Gleason評(píng)分密切相關(guān)，其診斷準(zhǔn)確性顯著高于血液PSA的檢測(cè)[29]?？偟膩?lái)說(shuō)，盡管在PCa的疾病檢測(cè)和預(yù)后評(píng)估方面已有一定的進(jìn)展，但這些潛在的生物標(biāo)志物仍需要進(jìn)行更深入的研究和驗(yàn)證。

3 尿液代謝組學(xué)在PCa個(gè)體化治療中的應(yīng)用

隨著醫(yī)學(xué)研究的深入，個(gè)體化醫(yī)療已經(jīng)成為未來(lái)治療癌癥的重要方向。尿液代謝組學(xué)作為一種新興的研究方法，通過(guò)分析尿液中代謝物種類(lèi)和數(shù)量的變化，為PCa個(gè)體化治療提供了新的研究思路和方法。首先，尿液代謝組學(xué)可以幫助醫(yī)生了解患者代謝狀態(tài)，為患者制訂個(gè)體化治療方案。例如，通過(guò)分析尿液中的代謝物，可以了解患者的營(yíng)養(yǎng)狀況、肝腎功能等，這些信息對(duì)于制訂治療方案和調(diào)整治療策略具有重要的指導(dǎo)意義。其次，尿液代謝組學(xué)也可以用于評(píng)估治療效果和監(jiān)測(cè)疾病的進(jìn)展。通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)尿液中的代謝物變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)疾病的復(fù)發(fā)和進(jìn)展，從而調(diào)整治療方案。此外，尿液中的某些代謝物可能與治療效果有關(guān)，可以作為評(píng)估治療效果的生物標(biāo)志物。最后，尿液代謝組學(xué)也可以用于預(yù)測(cè)和評(píng)估治療的副作用。BRUZZONE等[30]發(fā)現(xiàn)PCa細(xì)胞表現(xiàn)出深刻的信號(hào)傳導(dǎo)和代謝重編程標(biāo)記，這些患者尿液中豐度改變的代謝物揭示了與癌癥生物學(xué)相關(guān)的途徑發(fā)生了變化，包括糖酵解和尿素循環(huán)。PCa細(xì)胞的快速增殖常需要多種物質(zhì)，為了維持增殖能力，惡性細(xì)胞可以通過(guò)調(diào)整分解代謝和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取來(lái)安排代謝重編程，使細(xì)胞能夠繞過(guò)免疫介導(dǎo)的破壞和對(duì)氧化應(yīng)激的抵抗力[31]。據(jù)報(bào)道，谷氨酰胺在PCa和其他癌癥中會(huì)發(fā)生變化：谷氨酰胺可以轉(zhuǎn)化為谷氨酸，然后轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸[32-33]。谷氨酰胺可被癌細(xì)胞用于乙酰輔酶A生產(chǎn)、蛋白質(zhì)合成、核苷酸合成、脂質(zhì)合成和脂肪酸合成[34]。以谷氨酰胺為靶點(diǎn)進(jìn)行癌癥治療是重要的課題之一，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和影響谷氨酰胺代謝的策略包括以下內(nèi)容：限制谷氨酰胺攝取、谷氨酰胺剝奪、應(yīng)用谷氨酰胺類(lèi)似物、抑制谷氨酰胺代謝酶活性及中斷谷氨酰胺代謝調(diào)節(jié)劑[35]。因此，識(shí)別改變的代謝途徑及在PCa轉(zhuǎn)化和進(jìn)展中起主要作用的關(guān)鍵分子，可以為轉(zhuǎn)化應(yīng)用（包括治療策略的開(kāi)發(fā)）鋪平新的前景。

4 尿液代謝組學(xué)在PCa研究中的挑戰(zhàn)與前景

盡管尿液代謝組學(xué)在PCa的診斷、疾病監(jiān)測(cè)、預(yù)后評(píng)估和個(gè)體化治療中顯示出了巨大的潛力，但在其廣泛應(yīng)用的過(guò)程中，仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，尿液中的代謝物濃度可能受到許多因素的影響，如飲食、藥物、個(gè)體差異等，這些因素可能影響到尿液代謝物譜的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。因此，如何控制和調(diào)整這些影響因素，以獲得更準(zhǔn)確和可靠的代謝物濃度數(shù)據(jù)，是當(dāng)前研究的一個(gè)重要挑戰(zhàn)[36]。其次，尿液代謝組學(xué)的研究方法和技術(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。目前的研究方法主要依賴(lài)于質(zhì)譜和核磁共振等技術(shù)，這些技術(shù)雖然能夠檢測(cè)到尿液中的大部分代謝物，但仍有一部分代謝物由于濃度低或結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難以檢測(cè)[37]。再次，數(shù)據(jù)處理和解析也是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要開(kāi)發(fā)更高效的算法和軟件來(lái)處理和解析大量的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)[38]。盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些可能的生物標(biāo)志物，但這些標(biāo)志物的特異性和敏感性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證[39]。此外，如何將這些標(biāo)志物應(yīng)用到臨床實(shí)踐中，也需要進(jìn)行更多的研究。盡管存在這些挑戰(zhàn)，但尿液代謝組學(xué)在PCa的研究中仍有廣闊的前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，尿液代謝組學(xué)將在PCa的診斷、治療和預(yù)后評(píng)估中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，尿液代謝組學(xué)也有可能為其他類(lèi)型的癌癥提供新的研究思路和方法?？偟膩?lái)說(shuō)，尿液代謝組學(xué)在癌癥研究中的應(yīng)用，無(wú)疑將為醫(yī)療科研提供更深入、更全面的癌癥代謝信息，為癌癥的早期診斷和個(gè)體化治療開(kāi)辟新的道路。

5 結(jié)論

在過(guò)去的幾年中，尿液代謝組學(xué)不僅可以更深入地了解PCa的發(fā)病機(jī)制，而且還可以發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)志物，為PCa的早期診斷、治療效果評(píng)估和預(yù)后評(píng)估提供了新的方法。盡管尿液代謝組學(xué)作為一種開(kāi)發(fā)新的PCa生物標(biāo)志物的方法具有諸多優(yōu)勢(shì)，但必須承認(rèn)，在研究的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化方面仍需作出更多努力。這是因?yàn)樵诳茖W(xué)研究中，標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的方法能夠確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性和可重復(fù)性，從而提高研究的準(zhǔn)確性和可靠性。因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善尿液代謝組學(xué)的研究方法，以提高其在PCa研究中的應(yīng)用價(jià)值。