作者：彭华，黄常志
单位：北京协和医学院 中国医学科学院肿瘤医院病因及癌变研究室 分子肿瘤学国家重点实验室
肿瘤是严重危害人类生命健康的疾病，发病率与死亡率逐年增加。早期发现、早期诊断和早期治疗是有效提高癌症疗效的关键措施之一。目前，功能基因组学已经用于检测肿瘤生物标志物，包括基因表达(转录组学)和蛋白质谱(蛋白组学)。近年来，与肿瘤相关的代谢组学研究也已逐渐受到重视。代谢组学运用高通量、高敏感度的分析技术手段，结合化学计量学、生物信息学等方法，从代谢角度描述肿瘤病理过程中小分子代谢物的概况，揭示肿瘤整体性代谢变化，在肿瘤的发病机制、早期诊断、个体化治疗以及预后判断等方面具有独特优势。
Nicholson教授在1999年提出了代谢组学(metabonomics)的概念，代谢组学研究的核心是一个生物体系中所有的组织细胞内的全部小分子代谢物(相对分子质量<1 000)的定量分析。这些小分子代谢物的变化是基因表达、蛋白质表达与细胞内环境之间相互作用的最终结果。Fiehn将代谢产物的分析分为代谢物靶标分析、代谢轮廊分析、代谢组学以及代谢物指纹分析几个层次。
一、肿瘤组织的代谢改变
肿瘤的发生、发展是细胞代谢网络发生异常改变，导致细胞失去正常生长规律而出现的细胞异常增殖，包括糖酵解增强、蛋白质合成增加、脂肪酸从头合成增加和DNA合成活跃等。肿瘤组织可夺取正常组织的蛋白质分解产物，合成肿瘤本身所需要的蛋白，导致机体处于严重消耗的恶病质状态，肿瘤细胞的氨基酸代谢也发生了紊乱。
肿瘤细胞不仅表现为旺盛的代谢状态，而且肿瘤的发生、发展也离不开周围的微环境。肿瘤周围的微环境呈现出明显的酸性环境，构成这些酸性环境的物质主要是乳酸盐等一些小分子。大量的肿瘤细胞有很强的增殖性，即使在氧供应充足的情况下，也主要以糖酵解获取能量，这种现象被称为Warburg效应。乳酸是糖酵解途径的最终产物。在多种转移癌中，乳酸水平均显著增加，包括肾癌、宫颈癌、头颈癌和结直肠癌等。高浓度的乳酸与疾病早期阶段的远处转移发生率相关。
二、肿瘤相关的代谢标志物
采用代谢组学分析代谢网络，有助于发现肿瘤治疗的新靶点。Xiao等[1]首次采用超高效液相色谱–四级杆飞行时间–质谱(ultraperformance liquid chromatography coupled with quadrupole time–of–flight mass spectrometry, UPLC–QTOF–MS)的方法研究了埃及人的肝癌与肝硬化患者，结果显示，胆汁酸代谢物水平、长链肉毒碱和小片段多肽的水平显著不同。Ressom等[2]研究显示，在肝癌患者血清中，参与鞘脂新陈代谢与磷脂分解代谢的代谢分子发生了明显改变，如1磷酸鞘氨醇(S–1–P)和溶血磷脂酰胆碱(17∶0)升高；胆汁酸的生物合成，特别是胆固醇代谢，如3硫酸甘氨鹅脱氧胆酸、甘胆酸、牛磺胆酸(TCA)和牛磺鹅胆酸降低。肝癌患者血浆中，二十四烷酸(24∶0)与神经酸(24∶1)几乎完全缺失，胆汁酸和胎儿胆酸升高，胆红素与胆绿素升高，多种溶血磷脂酰胆碱(LPC)下降，并且溶血磷脂酸(LPA，16∶0)与甲胎蛋白的水平呈正相关[3]。
代谢标志物的选择需要综合考虑不同组织、细胞、检测样本本底状态以及肿瘤异质性等各种复杂因素，每一种代谢物都有可能成为反映某种肿瘤细胞对某种环境刺激的标志物。随着代谢组学方法的不断更新，越来越多的肿瘤相关主要代谢物被鉴定(表1)。
单位：北京协和医学院 中国医学科学院肿瘤医院病因及癌变研究室 分子肿瘤学国家重点实验室
肿瘤是严重危害人类生命健康的疾病，发病率与死亡率逐年增加。早期发现、早期诊断和早期治疗是有效提高癌症疗效的关键措施之一。目前，功能基因组学已经用于检测肿瘤生物标志物，包括基因表达(转录组学)和蛋白质谱(蛋白组学)。近年来，与肿瘤相关的代谢组学研究也已逐渐受到重视。代谢组学运用高通量、高敏感度的分析技术手段，结合化学计量学、生物信息学等方法，从代谢角度描述肿瘤病理过程中小分子代谢物的概况，揭示肿瘤整体性代谢变化，在肿瘤的发病机制、早期诊断、个体化治疗以及预后判断等方面具有独特优势。
Nicholson教授在1999年提出了代谢组学(metabonomics)的概念，代谢组学研究的核心是一个生物体系中所有的组织细胞内的全部小分子代谢物(相对分子质量<1 000)的定量分析。这些小分子代谢物的变化是基因表达、蛋白质表达与细胞内环境之间相互作用的最终结果。Fiehn将代谢产物的分析分为代谢物靶标分析、代谢轮廊分析、代谢组学以及代谢物指纹分析几个层次。
一、肿瘤组织的代谢改变
肿瘤的发生、发展是细胞代谢网络发生异常改变，导致细胞失去正常生长规律而出现的细胞异常增殖，包括糖酵解增强、蛋白质合成增加、脂肪酸从头合成增加和DNA合成活跃等。肿瘤组织可夺取正常组织的蛋白质分解产物，合成肿瘤本身所需要的蛋白，导致机体处于严重消耗的恶病质状态，肿瘤细胞的氨基酸代谢也发生了紊乱。
肿瘤细胞不仅表现为旺盛的代谢状态，而且肿瘤的发生、发展也离不开周围的微环境。肿瘤周围的微环境呈现出明显的酸性环境，构成这些酸性环境的物质主要是乳酸盐等一些小分子。大量的肿瘤细胞有很强的增殖性，即使在氧供应充足的情况下，也主要以糖酵解获取能量，这种现象被称为Warburg效应。乳酸是糖酵解途径的最终产物。在多种转移癌中，乳酸水平均显著增加，包括肾癌、宫颈癌、头颈癌和结直肠癌等。高浓度的乳酸与疾病早期阶段的远处转移发生率相关。
二、肿瘤相关的代谢标志物
采用代谢组学分析代谢网络，有助于发现肿瘤治疗的新靶点。Xiao等[1]首次采用超高效液相色谱–四级杆飞行时间–质谱(ultraperformance liquid chromatography coupled with quadrupole time–of–flight mass spectrometry, UPLC–QTOF–MS)的方法研究了埃及人的肝癌与肝硬化患者，结果显示，胆汁酸代谢物水平、长链肉毒碱和小片段多肽的水平显著不同。Ressom等[2]研究显示，在肝癌患者血清中，参与鞘脂新陈代谢与磷脂分解代谢的代谢分子发生了明显改变，如1磷酸鞘氨醇(S–1–P)和溶血磷脂酰胆碱(17∶0)升高；胆汁酸的生物合成，特别是胆固醇代谢，如3硫酸甘氨鹅脱氧胆酸、甘胆酸、牛磺胆酸(TCA)和牛磺鹅胆酸降低。肝癌患者血浆中，二十四烷酸(24∶0)与神经酸(24∶1)几乎完全缺失，胆汁酸和胎儿胆酸升高，胆红素与胆绿素升高，多种溶血磷脂酰胆碱(LPC)下降，并且溶血磷脂酸(LPA，16∶0)与甲胎蛋白的水平呈正相关[3]。
代谢标志物的选择需要综合考虑不同组织、细胞、检测样本本底状态以及肿瘤异质性等各种复杂因素，每一种代谢物都有可能成为反映某种肿瘤细胞对某种环境刺激的标志物。随着代谢组学方法的不断更新，越来越多的肿瘤相关主要代谢物被鉴定(表1)。
三、肿瘤的早期诊断及分期
目前，代谢组学研究主要集中在对乳腺癌、前列腺癌、结直肠癌和肝癌等研究方面。代谢组学技术可以较准确区分出肿瘤患者血液和健康人血液的差异，且假阳性率较低，现已通过分析血清或肿瘤组织的代谢谱，用于卵巢癌的临床诊断过程。
Putluri等[4]研究了58例膀胱癌临床样本，确定了35个有显著差异的代谢物，并且在尿样本与另一组临床样本中进行了验证。结果显示，采用这些差异代谢物能将对照组与癌症组进行区分，并可将肌层浸润性膀胱癌与非肌层浸润性膀胱癌区分开。生物信息学分析显示，在膀胱癌相关代谢谱中，除了氨基酸代谢、脂肪酸代谢、三羧酸循环与电子传导途径发生改变外，细胞色素P450代谢途径及甲基化作用也发生异常改变。特别是在细胞色素P450 1A1(CYP1A1)与细胞色素P450 1B1启动子区发现了肿瘤相关的高甲基化反应。
通过代谢谱的分析得到相关标志物是肿瘤分型、诊断和治疗的基础，同时也使肿瘤的诊断、治疗个体化成为现实。肿瘤的代谢组学诊断模型见表2。
目前，代谢组学研究主要集中在对乳腺癌、前列腺癌、结直肠癌和肝癌等研究方面。代谢组学技术可以较准确区分出肿瘤患者血液和健康人血液的差异，且假阳性率较低，现已通过分析血清或肿瘤组织的代谢谱，用于卵巢癌的临床诊断过程。
Putluri等[4]研究了58例膀胱癌临床样本，确定了35个有显著差异的代谢物，并且在尿样本与另一组临床样本中进行了验证。结果显示，采用这些差异代谢物能将对照组与癌症组进行区分，并可将肌层浸润性膀胱癌与非肌层浸润性膀胱癌区分开。生物信息学分析显示，在膀胱癌相关代谢谱中，除了氨基酸代谢、脂肪酸代谢、三羧酸循环与电子传导途径发生改变外，细胞色素P450代谢途径及甲基化作用也发生异常改变。特别是在细胞色素P450 1A1(CYP1A1)与细胞色素P450 1B1启动子区发现了肿瘤相关的高甲基化反应。
通过代谢谱的分析得到相关标志物是肿瘤分型、诊断和治疗的基础，同时也使肿瘤的诊断、治疗个体化成为现实。肿瘤的代谢组学诊断模型见表2。
四、肿瘤的个体化治疗及预后
传统的肿瘤治疗方法是以手术、放疗和化疗为主，患者的预后并不理想。代谢组学是一种高通量、高敏感性的研究方法，在药理学研究中发挥着重要作用。它不仅可以研究抗肿瘤药物本身的代谢变化，而且还研究药物引起的内源性代谢物的动力学变化，直接反映体内代谢指纹图谱的变化，从而指导肿瘤治疗的个体化用药，并对临床用药的药效及安全性进行评价。
顺铂是一种广泛应用的抗肿瘤药物，但有严重的肾毒性[13]。Kwon等[14]用核磁共振技术(nuclear magnetic resonance, NMR)为基础的药物代谢组学技术，评价了由顺铂诱导的肾毒性反应。结果显示，用顺铂诱导鼠的肾毒性组与无肾毒性组相比，其尿代谢谱存在显著性差异；并且利用用药前的代谢谱差异，可预测用药后可能的毒性反应。Backshall等[15]研究了化疗药物希罗达对结直肠癌患者的毒性作用，结果显示，在治疗期间，血清脂质代谢发生了改变。其中多不饱和脂肪酸和磷酸胆碱等成分的变化预示着希罗达存在较大的毒副作用。因此，药物代谢组学技术将有助于肿瘤患者化疗药物的个体化治疗及疗效评估等。
Zheng等[16]对乳腺癌患者术前及术后1周的尿液修饰核苷代谢谱进行了检测，结果显示，与术前水平相比，术后1周假尿苷(pseudouridine, Pseu)、乙酰胞嘧啶核苷(N4–acetylcytidine, ac4C)、甲基鸟苷(1–methylguanosine, m1G)和甲基鸟苷(2–methylguanosine, m2G)修饰核苷水平显著降低，并且术后1周的尿修饰核苷恢复到了正常水平。此项研究表明，代谢组学可以对手术治疗预后进行评价。Ma等[17]对30例结直肠肿瘤患者手术前后的血液学监测显示，34种内环境代谢产物发生显著变化，表明代谢组学用于术后疗效监测具有可行性。
五、面临的挑战与应用前景
代谢组学是基因组学、转录组学和蛋白质组学研究的有力补充，是系统生物学中的后起之秀。作为一门新兴学科，代谢组学发展迅速，应用领域也越来越广，尤其在恶性肿瘤研究领域有着广阔的发展空间。目前开展了大量关于肿瘤代谢谱的研究，如通过患者血清和尿液中的相关特征性小分子代谢标志物来对肿瘤进行早期诊断、预后监测及个体化治疗等。
随着代谢组学的不断发展与完善，其将在功能基因组学中发挥更大的作用，同时也提供了一种了解肿瘤相关基因表型的独特途径。对于当前使用的单个肿瘤标志物来说，必将会被全面反映健康和疾病复杂生物学状态的综合性代谢谱所取代。代谢组学通过与其他组学联合应用，通过探索分子缺陷与代谢产物改变之间的相关性，建立从基因水平、功能性蛋白到终端产物的系统模型，从而建立起对疾病的全面认识，有利于筛选出对疾病有意义的代谢产物。在检测不同阶段肿瘤的分期及特征方面，未来还需要大范围的人群研究，多临床中心进行肿瘤特征性研究，发现具有早期诊断、疗效评价和预后估计价值的分子标志物，为疾病的早期诊断、准确分型及个体化靶向治疗提供理论基础。
参考文献
[1]XiaoJF, VargheseRS, ZhouB, et al. LC–MS based serum metabolomics for identification of hepatocellular carcinoma biomarkers in Egyptian cohort [J]. J Proteome Res, 2012, 11(12):5914–5923.
[2]RessomHW, XiaoJF, TuliL, et al. Utilization of metabolomics to identify serum biomarkers for hepatocellular carcinoma in patients with liver cirrhosis [J]. Anal Chim Acta, 2012, 743:90–100.
[3]PattersonAD, MaurhoferO, BeyogluD, et al. Aberrant lipid metabolism in hepatocellular carcinoma revealed by plasma metabolomics and lipid profiling [J]. Cancer Res, 2011, 71(21):6590–6600.
[4]PutluriN, ShojaieA, VasuVT, et al. metabolomic profiling reveals potential markers and bioprocesses altered in bladder cancer progression [J]. Cancer Res, 2011, 71(24):7376–7386.
[5]阿仙姑·哈斯木, 巴吐尔·买买提明, 伊力亚尔·夏合丁. 不同模式识别方法分析食管癌患者血浆代谢组的磁共振氢谱[J]. 中华肿瘤杂志, 2010, 32(9):681–684.
[6]RochaCM, CarrolaJ, BarrosAS, et al. metabolic signatures of lung cancer in biofluids: NMR–based metabonomics of blood plasma [J]. J Proteome Res, 2011, 10(9):4314–4324.
[7]GantiS, TaylorSL, KimK, et al. Urinary acylcarnitines are altered in human kidney cancer [J]. Int J Cancer, 2012, 130(12):2791–2800.
[8]ZhouL, WangQ, YinP, et al. Serum metabolomics reveals the deregulation of fatty acids metabolism in hepatocellular carcinoma and chronic liver diseases [J]. Anal Bioanal Chem, 2012, 403(1):203–213.
[9]LeichtleAB, NuofferJM, CeglarekU, et al. Serum amino acid profiles and their alterations in colorectal cancer [J]. metabolomics, 2012, 8(4):643–653.
[10]BertiniI, CacciatoreS, JensenBV, et al. metabolomic NMR fingerprinting to identify and predict survival of patients with metastatic colorectal cancer [J]. Cancer Res, 2012, 72(1):356–364.
[11]KobayashiT, NishiumiS, IkedaA, et al. A novel serum metabolomics based–diagnostic approach to pancreatic cancer [J]. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev, 2013, 22(4):571–579.
[12]LeichtleAB, CeglarekU, WeinertP, et al. Pancreatic carcinoma, pancreatitis, and healthy controls: metabolite models in a three–class diagnostic dilemma [J]. metabolomics, 2013, 9(3):677–687.
[13]李瑞超, 郑丽君, 邱红. 盐酸帕洛诺司琼与托烷司琼预防含大剂量顺铂方案化疗所致呕吐的疗效[J]. 中华肿瘤杂志, 2012, 34(3):228–231.
[14]KwonHN, KimM, WenH, et al. Predicting idiopathic toxicity of cisplatin by a pharmacometabonomic approach[J]. Kidney Int, 2011, 79(5):529–537.
[15]BackshallA, SharmaR, ClarkeSJ, et al. Pharmacometabonomic profiling as a predictor of toxicity in patients with inoperable colorectal cancer treated with capecitabine [J]. Clin Cancer Res, 2011, 17(9):3019–3028.
[16]ZhengYF, KongHW, XiongJH, et al. Clinical significance and prognostic value of urinary nucleosides in breast cancer patients[J]. Clin Biochem, 2005, 38(1):24–30.
[17]MaY, LiuW, PengJ, et al. A pilot study of gas chromatograph/mass spectrometry–based serum metabolic profiling of colorectal cancer after operation[J]. Mol Biol Rep, 2010, 37(3):1403–1411.
