神刊综述 | CA:代谢组学在癌症研究和临床肿瘤学中的新应用

2022-03-14 452文献解读

代谢组学是对小分子代谢物的全局分析,可以提供关于癌症状态的关键信息。2021年5月神刊《CA: a cancer journal for clinicians》发表了一篇综述文章,概述了代谢组学在改进癌症诊断、监测和治疗方面当前和未来的机遇。

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代谢、癌症和治疗之间的交叉点

作者首先讨论了癌细胞的代谢改变,并回顾了针对代谢途径的药物;然后讨论癌症和癌症治疗对系统代谢的影响;最后回顾了饮食和生活方式因素在癌症发生和治疗反应中的作用。

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癌细胞代谢

癌细胞中最早和最公认的代谢改变之一是肿瘤的葡萄糖消耗量增加。通过FDG-PET(氟脱氧葡萄糖-正电子体层扫描)检测肿瘤的葡萄糖摄取升高,用于对癌症进行初步分期、评估对治疗的反应和监测。近年来,人们对了解代谢改变如何促进癌症发病机制重新产生了兴趣。许多研究表明肿瘤相关的代谢改变被认为是一个新兴的癌症标志。

癌症中许多信号通路的改变通过各种机制影响葡萄糖的代谢。在一个经典的范例中,由胰岛素或其他生长因子诱导的受体酪氨酸激酶激活PI3K-AKT信号通路以刺激糖酵解。PI3K-AKT信号还诱导哺乳动物mTORC1,从而导致HIF1α的表达增加。HIFs是由一个α亚基(HIF1α和HIF2α)和一个稳定的β亚基(HIF1β)组成的异质二聚体转录因子。在缺氧的情况下,HIFs稳定并激活转录反应,使其适应缺氧应激。HIF1α还促进丙酮酸脱氢酶激酶的表达,抑制丙酮酸的氧化,并将葡萄糖代谢转向乳酸,以适应低氧条件。HIF2α调节合成代谢的其他方面,是肾透明细胞癌的治疗靶点。生长因子受体信号也激活RAS蛋白,促进葡萄糖摄取、糖酵解和戊糖磷酸途径。例如,在胰腺导管腺癌(PDAC)中,致癌性KRAS驱动糖酵解中间产物进入非氧化性磷酸戊糖途径以支持核苷酸的产生。

当葡萄糖被完全氧化成二氧化碳时,能量被最大限度地释放,这个过程通过氧化磷酸化(OXPHOS)产生ATP。当细胞内的氧气受到限制时,糖酵解与OXPHOS脱钩,糖酵解的最终产物丙酮酸被还原为乳酸。有趣的是,在许多癌细胞中,葡萄糖优先通过发酵分解为乳酸(即使氧气没有限制)。丙酮酸转化为乳酸似乎是癌细胞维持氧化还原辅因子适当平衡以支持生物合成功能的一个基本机制。研究表明,TP53活性的丧失可以将细胞推向糖酵解途径,而不是OXPHOS。正如此前首次证明的那样,肿瘤会通过体循环排出乳酸,然后被肝脏吸收,并通过糖异生重新转化为葡萄糖。最近,有报道称,肿瘤中的一些细胞也可能吸收乳酸来促进三羧酸(TCA)循环,但这与葡萄糖摄取量的增加有什么关系,仍然是一个有待解决的问题。

除葡萄糖外,癌细胞对其他营养素的吸收增加也被证明有助于癌细胞的存活、生长和侵袭。致癌的MYC与谷氨酰胺分解增加有关,这会导致某些癌细胞中的谷氨酰胺成瘾。谷氨酰胺和葡萄糖一样,可以为脂肪生成提供碳水化合物,而MYC已被证明可以调节脂肪酸的代谢。在大多数情况下,对特定营养物质的需求取决于肿瘤类型和营养环境。例如,对谷氨酰胺的依赖可能是由高水平的细胞外胱氨酸驱动的,而一些肿瘤在体内对谷氨酰胺代谢的依赖性较低。肿瘤如何平衡葡萄糖和谷氨酰胺的代谢与环境中的其他营养物质是一个热点研究领域。

癌症基因组时代也使人们认识到,某些代谢酶在多种癌细胞类型中经常发生突变或扩增。最近发表的一项研究分析了32种癌症类型中超过10000个肿瘤的癌症基因组图谱数据库,发现每个肿瘤至少有一个代谢基因改变,不同癌症类型中有不同数量的代谢基因改变。富马酸水合酶和琥珀酸脱氢酶两种TCA循环酶的种系突变分别易患遗传性平滑肌瘤病和肾细胞癌综合征和遗传性副神经节瘤-嗜铬细胞瘤。另一个在癌症中经常发生突变的代谢酶的突出例子是异柠檬酸脱氢酶(IDH)。例如IDH-1和IDH-2基因突变发生在恶性胶质瘤(60%-90%)、软骨肉瘤(50%-70%)、胆管癌(10%-20%)、急性髓系白血病(AML)(10%-20%)和其他癌症患者中的比例较高。此外,编码代谢酶的基因也可以通过拷贝数的改变进行扩增。例如丝氨酸合成途径中的第一个限速酶磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)的扩增可在各种癌症类型中被观察到。

细胞谱系也被认为是癌细胞表型的重要决定因素,包括代谢活性、增殖指数、转移潜能和对治疗的反应。在癌变过程中,代谢活动被重新连接以支持癌症生长,但癌症和相关基质细胞如何适应其代谢取决于癌症起源的组织和细胞。癌细胞可以维持特定的代谢特征,类似于癌细胞如何维持反映起源组织/细胞类型的谱系标记。例如,原发性前列腺癌和前列腺癌转移保持柠檬酸盐产量的增加,柠檬酸盐是由正常前列腺大量分泌的代谢物。

除了癌细胞固有的代谢改变外,人们也越来越认识到,代谢改变发生在肿瘤微环境中的其他细胞中;这些变化也可能导致癌症进展。此外,癌细胞的异质性和可塑性也可以表现为代谢异质性。

免疫肿瘤学是一个活跃的研究领域,与代谢领域的交叉越来越多。大量能量用于细胞因子、趋化因子和免疫介质的产生、免疫细胞的激活和扩张,这表明能量可用性的变化会影响免疫反应。临床研究表明,类风湿性关节炎和系统性红斑狼疮等自身免疫性疾病与免疫细胞代谢之间存在明显联系。免疫细胞依赖于特定的代谢途径进行激活,而操纵这些代谢依赖性可能为靶向疾病提供独特的机会。

以代谢为目标的癌症疗法

代谢酶活性的改变为治疗干预提供了机会,如果这种活性是肿瘤维持所必需的(通常被称为代谢依赖性),并且宿主代谢可以耐受对这种活性的抑制。

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观察到快速增殖的细胞可以被干扰DNA复制的药物杀死,这促进了第一批化疗药物的开发,包括具有直接基因毒性作用的小分子。除了针对核苷酸和DNA合成,早期癌症治疗还针对其他代谢途径,例如针对癌细胞中异常调节的中枢代谢途径(糖酵解、TCA循环和脂肪生成)。但是以中枢代谢途径为靶点总是会引发关于治疗窗口的问题,因为全身代谢的改变可能会产生有害影响。

氨基酸也是支持癌细胞同化代谢的重要营养物质。谷氨酰胺是血液中最丰富的氨基酸,在许多癌症细胞系中已经观察到谷氨酰胺依赖性。靶向谷氨酰胺酶的药物,如CB-839和IPN60090,在一些临床前模型中是有效的,目前正在进行各种恶性肿瘤的试验。有趣的是,在临床前环境中,靶向谷氨酰胺酶似乎可与免疫疗法(包括嵌合抗原受体T细胞疗法)联合使用。此外,对于几个谷氨酰胺转运体(如SLC1A5、LAT1和SLC6A14),其抑制作用在临床前显示出积极的结果,正在探索未来的临床应用。

与大多数正常组织相比,癌细胞对生成脂膜和信号分子前体的脂肪酸的需求增加。脂肪生成酶在许多癌细胞中上调,从头合成脂肪酸被视为癌细胞的潜在治疗靶点。三种产脂酶(包括ATP柠檬酸裂解酶、乙酰辅酶A羧化酶和脂肪酸合成酶)一直是药物开发工作的重点。为了克服脂肪毒性,癌细胞过度表达硬脂酰辅酶A去饱和酶(SCD)的不同亚型,这些亚型将饱和脂肪酸转化为单不饱和脂肪酸。SCD1在各种癌症类型中过度表达,SCD1抑制剂正在进行临床前研究。

尽管大多数针对代谢的药物并不区分癌症和正常细胞,但在IDH突变的癌症中,有一个独特的机会可以选择性地针对癌细胞。事实上,已经开发了几种选择性地针对突变酶的药物。这种策略对治疗IDH突变的AML很有效。值得指出的是,在许多实体瘤类型中,针对代谢酶的药物在临床前模型中能有效减缓肿瘤生长,但很少观察到肿瘤消退,这表明其中一些药物作为多药方案的一部分或作为维持疗法可能最有用。

癌症和癌症治疗对系统代谢的影响

体重下降是癌症患者常见的症状,超过一半的癌症患者在基线检查时出现厌食症。一些癌症患者中观察到静止能量消耗增加,其发生率可能取决于癌症类型,这表明高代谢可能是一些癌症的特征,有助于消瘦表型的形成。癌症恶病质和体重减轻也与全身代谢变化有关,包括葡萄糖、脂质和蛋白质代谢紊乱。

通过手术、放疗、全身治疗或激素治疗癌症会导致急性和长期副作用,也会影响代谢。涉及消化系统的副作用是影响代谢的大部分急性治疗相关毒性。营养不良和体重减轻可能由恶心、呕吐、腹泻、粘膜炎和味觉障碍引起,这在接受头颈部和胃肠道恶性肿瘤治疗的患者中很常见。对所有癌症类型接受化疗的患者能量代谢的系统性文献回顾显示,化疗对能量消耗没有普遍影响,但表明接受化疗的患者在治疗期间代谢降低。尽管积极癌症治疗的急性代谢副作用是明显的,但长期副作用往往更微妙,发病率和严重程度取决于治疗方式和治疗后的时间间隔。除了涉及垂体、甲状腺、肾上腺、胰腺和性腺的手术或放疗后内分泌/外分泌功能下降的长期后遗症外,关于这些方式的长期代谢效应的数据相对较少。

饮食/生活方式在癌症发生和治疗反应中的作用

流行病学研究表明,癌症发病率与有害代谢状态(包括肥胖和糖尿病)呈正相关;饮食因素和缺乏运动也与此有牵连。此外,在诊断后的情况下,这些因素与某些癌症的疾病进展、复发风险和死亡率的相关性已得到证实。总的来说,这些数据促使人们采纳了关于健康食品选择和体育活动的指导方针,以降低癌症风险。

代谢组学

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在概念上,代谢组学与其他组学不同,因为它提供了代谢过程的功能读数,因此是表型的直接评估。也就是说,代谢组学如果解释得当,可以提供DNA、RNA和蛋白质水平上发生的全部改变的读数,在某些情况下,可能是识别病理变异最敏感的方法,因为即使是蛋白质表达或结构的微小变化也会导致蛋白质活性和代谢物水平的显著变化。相反,代谢物可以改变蛋白质活性,从而影响几乎每一个生物过程,包括DNA复制、RNA转录和翻译。表观代谢物一词被用来描述作为活性生物标志物的代谢物子集,并参与不同的生物功能,包括表观遗传调节、肿瘤发生、癌细胞侵袭、癌症干细胞多能性、胰岛素敏感性和其他细胞过程。此外,代谢组学还考虑到了肿瘤环境的改变,包括可以对肿瘤亚克隆施加选择压力的治疗干预。

在实践中,代谢组学被定义为分析生物标本中的小分子代谢物(≤1500 Daltons和非肽类)。它涉及到同时识别数百到数千种化学物质,部分是基于分子内原子的化学性质和/或重量。这与标准的临床测量代谢物(如葡萄糖和尿素)形成鲜明对比,后者依赖于识别基于酶促反应的化学物质,并且需要对每种代谢物进行单独的测试。

代谢组学分析存在多种方法,每种方法都有自己的优点和缺点;然而,选择适当方法的第一个决策点是希望采用非靶标方法还是靶标方法。一般来说,非靶标代谢组学用于假设的产生,并广泛用于生物标志物的发现,而靶标方法(即在进行分析前定义将被测量的代谢物)则用于测试特定的假设或验证和实施阶段。

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仪器和方法

代谢组学的主要技术涉及质谱(MS)和核磁共振(NMR)的方法,这两种方法都可以用于液相任何生物流体或细胞/组织提取物中的化合物检测。核磁共振还可以用于固相样品,例如细胞膜,甚至完整的细胞和组织。其他涉及代谢物原位分析的技术,如基质辅助激光解吸/电离质谱成像(MALDI-MSI),或基于核磁共振的活体成像,如磁共振波谱成像(MRSI),其应用范围更为有限。

MS是代谢组学中应用最广泛的分析技术,由于大多数代谢物在生物材料中的丰度相对较低,可以通过NMR实际测量的化学物种的多样性低于基于MS的技术。NMR能够分辨几百种独特的代谢物,而MS可以用来识别具有独特质量的成千上万种特征。GC-MS可用于分析大多数极性、非极性、有机和无机化合物;LC-MS通常不需要对分析物进行化学修饰,非常适合分析生物流体和含磷化合物。考虑到生物流体的易用性、高灵敏度和可测量广泛代谢物,LC-MS是与代谢组学相关的最全面和最广泛使用的分析方法。毛细管电泳-质谱是一种相关技术,其中带电化合物根据电泳迁移率进行分离,因此可用于检测低丰度和体积非常小的样本中存在的固有带电代谢物(例如胆碱)。

为了提高通量,生物液体也可以直接注入质谱仪,而无需事先进行色谱分离。这种技术被称为流动注射质谱,其最适用于高通量、低灵敏度的分析。它也可以作为非靶标代谢组学和脂质组学的筛选工具。但是最终如需要对检测到的特征进行鉴定,这些方法必须与传统的LC-MS方法相结合。

实验材料

代谢组学可以在多种生物材料上进行,包括实验室培养的细胞和组织、从实验动物身上采集的标本,以及新获得或适当保存的临床标本,包括肿瘤和生物流体。实验材料的用量取决于使用的技术。对于NMR,液体样品的体积通常在0.1~ 0.5 mL范围内。与NMR相比,基于MS的方法更灵敏,检测下限为10到1000倍。因此,只要几微升或毫克就足以检测许多代谢物。

在实验室里,细胞和组织可以在受控条件下进行研究,样品可以在预定的时间点收集并快速处理。临床标本的采集、处理和储存更为复杂,需要临床和实验室工作人员的精心计划和协调。已用于代谢组学分析的最常见的临床材料类型包括血液、血浆、血清、尿液以及活检或手术标本的提取物;许多其他类型的生物液体也被使用,包括痰、支气管洗液、唾液、汗液、眼泪、脑脊液、胸腔或腹腔积液、粪水、胆汁、母乳、羊水、精浆、前列腺分泌物等。无论使用哪种材料,都必须为所需的分析适当地选择收集、储存和处理的方法。

代谢组学的临床应用

代谢组学旨在利用癌症的代谢特征来评估疾病风险,或用于早期癌症检测、特定疾病亚群诊断或治疗监测。代谢组学原则上也可以帮助合理选择靶向治疗,以配合癌症的代谢依赖性。

识别癌症的危险因素

人们普遍认为,肿瘤的发生涉及基因突变的连续积累,最终引起恶性肿瘤。尽管一些致癌突变和易感多态性属于种系突变,但环境因素也可通过诱导体细胞DNA改变和选择转化细胞促进肿瘤的发生。小分子致癌物和紫外线或电离辐射通过直接与DNA相互作用引起DNA改变。相反,炎症和代谢因素通过诱导活性氧和创造选择致癌突变和表观遗传改变的环境间接促成肿瘤发生。此外,代谢改变会影响用于修饰染色质的底物的可用性,从而影响染色质动力学和驱动肿瘤发生的表观遗传学变化。诊断前血清的非靶标代谢组学可以揭示代谢风险因素,但需要获取大人群队列研究的资料。

早期的流行病学研究集中于一种或几种代谢因素对肿瘤发生的影响。20世纪70年代,多项研究将结直肠癌与高脂肪饮食摄入、低血清胆固醇和高粪便胆汁酸联系起来。前列腺癌队列研究中诊断前血清的分析表明ω-6多不饱和脂肪酸与癌症风险呈正相关,而ω-3多不饱和脂肪酸与癌症风险呈负相关。同样,一些多不饱和脂肪酸,而不是其他脂肪酸,与乳腺癌风险增加有关。最近,代谢组学被用来研究诊断前血清中更广泛的代谢物与癌症风险之间的关联。例如对乳腺癌患者循环代谢物的前瞻性分析表明,无论乳腺癌亚型、年龄、禁食状态、绝经状态或肥胖程度如何,酰基卡尼汀和磷脂酰胆碱与乳腺癌风险密切相关。同样,较高的循环溶血磷脂酰胆碱与较低的乳腺癌、前列腺癌和结直肠癌风险相关。

识别癌症筛查、诊断和监测的生物标志物

成像技术,包括计算机断层扫描、磁共振成像、PET和放射性核素扫描,在临床上广泛用于癌症检测和随访。最早用于癌症检测的代谢标志物之一是FDG-PET。除FDG外,临床前和临床环境中还使用了大量放射性标记的碳水化合物、氨基酸和脂肪酸,以利用肿瘤的高代谢率作为诊断工具。其他18F标记的糖,如D-甘露糖、D-乳糖、D-果糖和D-半乳糖,已作为PET示踪剂在临床前环境中开发和研究,并可能允许检测一些使用葡萄糖以外的糖分子作为能量的癌细胞。一些癌细胞过度表达特定的氨基酸转运体,因此放射性标记的氨基酸可用于检测这些癌症。除了氨基酸和糖,癌细胞还参与高脂代谢,以维持细胞的快速增殖和存活。11C-脂肪酸已被开发并用作PET放射性示踪剂,用于研究动物和人类的β-氧化。

除了PET成像外,MRSI也正在成为一种无创评估肿瘤代谢的工具。例如,通过磁共振波谱检测IDH突变体胶质瘤中的D-2-HG已在临床研究中得到证实,并可能在监测接受IDH靶向治疗的患者中发挥作用。随着治疗方案变得更加标准化和高效,以及新的代谢生物标志物被确定,MRSI在临床上的应用可能会扩大。

尽管PET成像在临床上发挥了重要作用,但它仍存在一些局限性,包括某些放射性示踪剂的可用性有限、半衰期短、图像分辨率差、无法检测较小的肿瘤,以及无法区分肿瘤和非恶性高代谢过程。

与代谢成像相比,直接分析临床标本和生物流体中的代谢物具有提高灵敏度和可监测化学物种类多样的优势。当外科标本可用时,肿瘤和邻近正常组织的代谢组学分析可用于确定癌症中发生改变的代谢途径。对于不稳定代谢物的评估,快速收集和处理活检组织是最理想的;甚至福尔马林固定的石蜡包埋保存的组织也可被用于代谢分析。例如在肺癌中,肿瘤组织和血清中最常见的代谢产物之一是乳酸。事实上,一项研究发现,侵袭性更强的肺癌有更高的乳酸生成,这表明乳酸水平可以用来评估疾病的侵袭性。与正常组织相比,癌症中的其他代谢产物,包括氨基酸、嘌呤、嘧啶和代谢途径的中间产物,也发生了广泛的改变。

肿瘤组织的代谢组学分析也可以区分肿瘤亚型和肿瘤的侵袭性。例如通过分析肿瘤组织、血浆和尿液,确定肌氨酸在前列腺癌进展中起作用。然而,肌氨酸作为尿液中前列腺癌生物标志物的作用尚未在其他研究中得到重复。在IDH突变型AML中,血清和尿液D-2-HG水平已被视为评估疾病活动和治疗反应的工具。

虽然组织活检对确定初步诊断至关重要,但它不适用于癌症筛查和监测。相比之下,血液、血清、尿液、唾液和汗液等生物流体是生物标记物检测的方便材料来源。例如在乳腺癌中,4种代谢物(L-辛酰基肉碱、5-氧丙啉、次黄嘌呤和二十二碳六烯酸)被确定为潜在的血清生物标记物。尿液代谢物也被评估为癌症检测的潜在生物标志物。例如,与健康人的尿液样本相比,膀胱癌患者的尿液样本中柠檬酸、2,5-呋喃二甲酸、核糖醇和核糖酸的水平显著降低。相比之下,两项独立研究显示膀胱癌患者尿液中牛磺酸水平升高。除了组织和生物流体外,呼出的气体也被探索为癌症生物标志物的潜在来源。例如有研究表明,呼出气中的挥发性有机化合物可用于区分非小细胞肺癌患者和非癌症对照组。

发现干扰癌症代谢的靶向疗法

代谢物水平的变化反映了癌细胞中代谢酶的活性,因此可用于帮助确定DNA、RNA和蛋白质水平的哪些变化导致细胞活性的功能变化。一个典型的例子是肿瘤代谢物D-2-HG,它被发现在表达癌症相关的IDH突变的细胞中明显升高,随后被证明在IDH体细胞突变的癌症的细胞、组织和血浆中也明显升高。这些和其他研究表明,D-2-HG改变染色质修饰酶的活性,并有助于疾病的进展,从而开发了针对突变型IDH的药物,目前正在进行临床试验。

稳定同位素追踪是另一个强大的工具,可以对体内的肿瘤代谢进行功能评估,当与基因组学、转录组学和蛋白质组学相结合时,可以了解代谢的改变与癌症分子驱动因素之间的关系。向肺癌患者输注13C-葡萄糖后的稳定同位素解析代谢组学分析表明,相对于非癌症组织,肿瘤的糖酵解和Krebs cycle活动增加,而且对糖酵解代谢物的处理也不同。其还显示,肺癌在营养物质利用方面显示出代谢的异质性,这对选择针对代谢的治疗方法可能有重要的意义。代谢组学的最佳使用是与其他组学数据相结合,以发现临床相关和可操作的药物靶点。

尽管与其他组学方法相比,代谢组学的使用较少,但它有可能显著影响肿瘤学的核心领域,包括筛查、诊断和治疗。然而,这些应用需要更好地理解这些分析与人类生理学和癌症生物学之间的联系。在临床上容易获得的生物流体中,尤其是血浆中,我们对哪些代谢物可以被检测以反映癌症状态的理解还处于非常早期的阶段。尽管已经取得了一些进展,但尚不清楚血浆中的代谢物谱在多大程度上揭示了癌症的代谢活动。另外一个很有希望的新方向是,在携带癌症的液体中进行代谢组学实验,并将这些检测与代谢和肿瘤生物学联系起来。关于如何从这些检测中解释癌症代谢,还有很多有待了解。

代谢组学的挑战之一是存在大量的、化学性质复杂的代谢物。例如,血浆中的代谢物组成是肝脏、肌肉和其他器官水平的代谢、饮食摄入、微生物组的活动和其他因素的表现。目前,代谢组学在研究中的最佳应用是与其他组学方法和假设驱动的研究相结合,以发现癌细胞的功能和诊断相关改变。随着标准化方案、价格合理的仪器和用户友好的分析平台变得越来越广泛,代谢组学将与临床和床旁的其他诊断和预后检测一起发挥越来越重要的作用。

参考文献
Schmidt D R, Patel R, Kirsch D G, et al. Metabolomics in cancer research and emerging applications in clinical oncology[J]. CA: a cancer journal for clinicians, 2021, 71(4): 333-358.
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