胃癌代謝組學(xué)研究進(jìn)展

仙晴穎 吳駿 魯露 燕海姣 王琦 朱丹霞

代謝組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)的組成部分，其效仿基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究思想，運(yùn)用代謝圖譜、代謝指紋圖譜和代謝足跡分析方法對(duì)生物體內(nèi)小分子代謝物（大多為相對(duì)分子量1 000左右的代謝物）進(jìn)行定性定量分析，并尋找代謝物與生理病理變化的相對(duì)關(guān)系的研究方式［1］。近年來(lái)，從代謝組學(xué)著手研究癌癥的發(fā)病機(jī)制及其對(duì)預(yù)防癌癥發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移的效果備受期待，代謝組學(xué)目前主要用于一些常見癌癥診斷或預(yù)后標(biāo)志物檢測(cè)、疾病代謝通路研究、揭示疾病相關(guān)機(jī)制，增進(jìn)對(duì)藥物反應(yīng)表型的理解、通過生物通路中的細(xì)微改變發(fā)現(xiàn)不同生理狀況和異常過程中的機(jī)制［2?3］等，較常用的檢測(cè)物為患者尿液、血漿、血清、病理組織、組織液、細(xì)胞等。全球范圍內(nèi)，胃癌發(fā)病率居惡性腫瘤發(fā)病第三位［4］，是最常見的消化道腫瘤。而提高早期診斷率是降低胃癌死亡率最有效的方法，早期確診患者的5年生存率接近90%［5］。但由于胃癌缺乏早期診斷標(biāo)志物和明顯癥狀，易漏診和誤診。胃癌患者機(jī)體發(fā)生癌變后，往往伴隨著機(jī)體的正常代謝功能異常，包括糖代謝、氨基酸代謝、脂類代謝、核苷酸代謝以及微生物代謝等，因此探索胃癌代謝物質(zhì)變化有助于確定更加高效的胃癌標(biāo)志物以及從中找到有效的靶點(diǎn)。本文主要綜述近年來(lái)胃癌代謝組學(xué)相關(guān)研究進(jìn)展。

1 糖代謝

葡萄糖是細(xì)胞生物合成和能量產(chǎn)生的主要碳源［6］。細(xì)胞中普遍存在糖代謝，有氧條件下正常細(xì)胞的葡萄糖在胞質(zhì)中形成丙酮酸，丙酮酸經(jīng)過線粒體完成三羧酸循環(huán)，最終生成水和二氧化碳以及機(jī)體所需的ATP，而癌細(xì)胞代謝較正常細(xì)胞“活躍”，增加的葡萄糖消耗促進(jìn)了需氧糖酵解，需氧糖酵解在有氧條件下仍使丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸，癌細(xì)胞中的這種糖代謝改變也被稱為“Warburg效應(yīng)”［7?8］。目前研究發(fā)現(xiàn)“Warburg效應(yīng)”與胃癌發(fā)生、侵襲、轉(zhuǎn)移、抗藥性以及預(yù)后有密切聯(lián)系［9］。大多數(shù)癌癥標(biāo)志物的產(chǎn)生都是“Warburg效應(yīng)”的結(jié)果，由于氧化磷酸化代謝損傷，ATP濃度降低，為了補(bǔ)償這種能量損失，機(jī)體會(huì)代償性增加葡萄糖吸收、無(wú)氧糖酵解和上調(diào)磷酸戊糖途徑，從而增加生物合成、細(xì)胞分裂和局部壓力。這種局部壓力的增加會(huì)導(dǎo)致腫瘤分形，同時(shí)成纖維細(xì)胞分泌膠原蛋白并在腫瘤轉(zhuǎn)移中發(fā)揮不可替代的作用。在一些侵襲性較強(qiáng)的腫瘤類型中，還會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)線粒體消失現(xiàn)象，這是由于ATP濃度降低而導(dǎo)致線粒體腫脹以至于消失［10］。在有氧條件下，胃癌細(xì)胞將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸后，產(chǎn)生的ATP效率較低，但會(huì)產(chǎn)生大量供細(xì)胞增殖的中間產(chǎn)物［11］，因此癌細(xì)胞較正常細(xì)胞增殖更快。其次，需氧糖酵解過程中會(huì)產(chǎn)生大量的乳酸從而形成酸性環(huán)境，細(xì)胞外基質(zhì)在這種環(huán)境下變得不穩(wěn)定，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移［12］。此外，乳酸大量增多也有利于腫瘤血管形成［4］。有研究報(bào)道，在非糖尿病情況下，血糖水平與癌癥死亡率呈正相關(guān)，且葡萄糖耐受不良的癌癥患者潛在死亡率也增加［13］，同時(shí)患糖尿病和胃癌的患者體內(nèi)的高血糖狀態(tài)會(huì)促進(jìn)胃癌細(xì)胞增殖以及降低對(duì)化療藥物的敏感性［14］。不僅如此，糖酵解轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子和糖酵解相關(guān)蛋白與癌癥患者的預(yù)后有明顯相關(guān)性，因此糖酵解狀態(tài)也可能是預(yù)后的潛在生物標(biāo)志物［15］。

2 氨基酸代謝

氨基酸是人體重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可用于人體生物合成，同時(shí)氨基酸也是腫瘤細(xì)胞增殖過程中的重要營(yíng)養(yǎng)素，在許多惡性腫瘤細(xì)胞中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)明顯增加［16］。例如，在癌細(xì)胞中，通常需要消耗大量的絲氨酸和谷氨酰胺［17］。氨基酸常存在于血液中，在正常情況下處于動(dòng)態(tài)平衡中，但當(dāng)機(jī)體處于疾病狀態(tài)時(shí)，氨基酸水平也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)變化［18］，所以血液中氨基酸的水平可能是各種疾病風(fēng)險(xiǎn)的潛在指標(biāo)［19］。在癌癥早期階段，由于血管生成不足，癌組織生長(zhǎng)迅速且營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏，癌細(xì)胞高度依賴于需氧糖酵解獲取能量，一旦出現(xiàn)葡萄糖缺乏，就會(huì)出現(xiàn)癌細(xì)胞自噬，自噬之后會(huì)產(chǎn)生氨基酸，雖然自噬會(huì)增加癌細(xì)胞凋亡和死亡，但是在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏的情況下，癌細(xì)胞可能通過這種方式增強(qiáng)自身儲(chǔ)備能力從而支持自身生存。有實(shí)驗(yàn)證明，非必需氨基酸可以代替葡萄糖成為正在經(jīng)歷葡萄糖缺乏的癌細(xì)胞的新能源［20］。血漿氨基酸代謝譜可用于鑒別胃潰瘍和胃癌，有研究報(bào)道，胃癌組血漿中的鳥氨酸、甘氨酸和賴氨酸水平較胃潰瘍組升高，而谷氨酰胺、組氨酸、精氨酸和色氨酸水平降低［21］。也有學(xué)者報(bào)道，相較于正常對(duì)照組，胃癌組的糖酵解、三羧酸循環(huán)、谷氨酰胺分解、絲氨酸合成、酮體生成、胺酸代謝以及膽堿代謝等代謝途徑均受到不同程度的干擾，并鑒定出了可用于區(qū)分胃癌組織的代謝物，其中包括異亮氨酸、乳酸、谷氨酸、谷胱甘肽、氧化三甲胺、4?羥基苯基乳酸、酪氨酸、苯乙酰谷氨酰胺、次黃嘌呤、瓜氨酸、纈氨酸、乙酰乙酸和甲胺等13種代謝物，且其水平會(huì)隨著胃癌進(jìn)展而變化［22］。也有研究認(rèn)為胃液游離氨基酸代謝譜可用于篩選早期胃癌生物標(biāo)志物，在胃癌組和非胃癌組中共篩選出14種氨基酸，相較于非胃癌組，胃癌組的蘇氨酸、絲氨酸、丙氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸和精氨酸濃度顯著升高，而磷酸絲氨酸、磷酸乙醇胺和尿素濃度明顯下降［23］。在診斷尚不明確但高度懷疑胃癌的患者中，5?氨基乙酰丙酸（ALA，原卟啉IX的前體，是一種天然的氨基酸衍生物）誘導(dǎo)的原卟啉IX光動(dòng)力學(xué)診斷可以在術(shù)中確診胃癌，尤其對(duì)檢測(cè)腹膜彌散和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性［24］。ALA不僅可以用作診斷劑，還可以作為胃癌的光動(dòng)力療法（PDT）治療藥物，外源使用ALA后，正常細(xì)胞中ALA會(huì)被代謝為血紅素，只有癌細(xì)胞中才會(huì)特異性積聚原卟啉IX，在藍(lán)光照射下原卟啉IX呈現(xiàn)紅色熒光并形成單態(tài)氧（激發(fā)態(tài)氧分子），這種單態(tài)氧可與癌細(xì)胞內(nèi)的某些成分發(fā)生反應(yīng)，從而造成癌細(xì)胞損傷［25］。此外，ALA用于診斷和治療還可以有效降低長(zhǎng)期復(fù)發(fā)率［26］。氨基酸也可以作為胃癌切除術(shù)后缺乏維生素B12的早期診斷指標(biāo)，如甲基丙二酸（MMA）和同型半胱氨酸水平升高可以預(yù)示患者可能存在維生素B12缺乏，且MMA的敏感性較同型半胱氨酸更強(qiáng)［27?28］。還有研究報(bào)道，氨基酸索引癌癥篩查（AICS）中，以血漿游離氨基酸（PFAA）水平為主要檢測(cè)物的癌癥篩查方式可有效評(píng)估癌癥發(fā)病率，具有較高的敏感性，可用于各種癌癥的早期檢測(cè)，而PFAA的改變也可能與局部癌組織代謝改變、遠(yuǎn)端器官代謝改變誘導(dǎo)以及機(jī)體免疫系統(tǒng)參與有關(guān)［29］。

3 脂類代謝

癌細(xì)胞在人體內(nèi)的生存依賴脂質(zhì)，在多種癌癥微環(huán)境中都發(fā)現(xiàn)積累的脂滴［30］，而脂滴有望成為化學(xué)抑制劑阻斷腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞體外極化和體內(nèi)腫瘤生長(zhǎng)的有效靶點(diǎn)［31］，脂肪酸代謝相關(guān)蛋白質(zhì)也有可能成為早期胃癌的診斷標(biāo)志物［32?33］。我國(guó)居民飲食中的飽和脂肪酸（SFA），單不飽和脂肪酸（MUFA），總膽固醇的高攝入與胃癌發(fā)生有關(guān)［34］。也有研究報(bào)道，相較于非癌癥組，癌癥患者血清中的游離脂肪酸水平明顯升高，且會(huì)增加患癌風(fēng)險(xiǎn)［35］。胃癌組織中的脂肪酸2?羥化酶也較正常組織低，而脂肪酸2?羥化酶可抑制腫瘤生長(zhǎng)，并增強(qiáng)胃癌對(duì)順鉑的敏感性［36］。脂肪酸2?羥基化酶還可催化長(zhǎng)鏈脂肪酸的第2個(gè)碳原子，并引入手性羥基基團(tuán)，形成2?羥基化脂肪酸（2?OHFAs），而2?OHFAs也有潛在的抗腫瘤活性，已有研究將其作為胃癌新藥用于提高患者對(duì)順鉑的敏感性［37］。此外，胃癌易發(fā)生大網(wǎng)膜轉(zhuǎn)移，而脂肪酸氧化受網(wǎng)膜脂肪細(xì)胞調(diào)節(jié)，一旦患者機(jī)體內(nèi)的脂肪酸氧化增強(qiáng)，會(huì)促進(jìn)胃癌的網(wǎng)膜轉(zhuǎn)移［38］，而在胃癌能量代謝中脂肪酸氧化是增加的［39］。脂肪酸氧化在間充質(zhì)干細(xì)胞介導(dǎo)的胃癌患者化療耐藥性中也起著重要作用，有研究表明脂肪酸氧化抑制劑聯(lián)合化療藥物可以提高患者的化學(xué)耐藥性［40］。此外，晚期胃癌患者通常伴有惡病質(zhì)，有研究發(fā)現(xiàn)，在胃癌患者中TNF和IL?6介導(dǎo)的慢性炎癥可能促進(jìn)惡病質(zhì)的發(fā)生，在惡病質(zhì)早期，血清TNF與血清游離脂肪酸（FFA）呈正相關(guān)，在早期和晚期癌癥惡病質(zhì)中，血清IL?6與FFA也呈顯著正相關(guān)［41］，說明惡病質(zhì)可能與脂質(zhì)代謝存在關(guān)聯(lián)，但具體機(jī)制尚不明確。

4 核苷酸代謝

腫瘤細(xì)胞的核苷酸代謝明顯高于正常細(xì)胞，這說明腫瘤細(xì)胞遺傳物質(zhì)的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄明顯增強(qiáng)，也為腫瘤細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移提供了有利條件。核苷酸的合成可以確保DNA及時(shí)復(fù)制，對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖至關(guān)重要，也是癌癥代謝的關(guān)鍵要素之一［42?43］。核苷酸的合成依賴于一碳代謝，機(jī)體細(xì)胞生成一碳單元并將其用于重要的生物合成反應(yīng)和甲基化反應(yīng)，而有效地抑制機(jī)體內(nèi)異常的一碳代謝可以有效阻斷癌癥發(fā)生發(fā)展過程［44］。其中，葉酸循環(huán)就是一碳代謝中的一種類型，傳統(tǒng)的葉酸拮抗劑甲氨蝶呤對(duì)葉酸代謝途徑進(jìn)行靶向攻擊，在一定程度上減少了急性白血病兒童的白血病細(xì)胞數(shù)量［45］。5?氟尿嘧啶（5?FU）也可以通過破壞嘧啶穩(wěn)態(tài)誘導(dǎo)核苷酸代謝改變［46］。腫瘤細(xì)胞中往往含有高濃度的嘌呤代謝物，嘌呤代謝也會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，而嘌呤是所有DNA和RNA的必要成分，嘌呤代謝是通過嘌呤核苷酸合成和降解從而維持腺苷酸和鳥苷酸穩(wěn)定［47］。有學(xué)者認(rèn)為，腺苷與自身特異性的G蛋白偶聯(lián)受體相互作用，可以減弱機(jī)體對(duì)腫瘤的免疫反應(yīng)，抑制CD8+T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞的浸潤(rùn)和功能［48］。也有學(xué)者認(rèn)為腺苷可以通過某些內(nèi)在和外在途徑誘導(dǎo)胃癌細(xì)胞凋亡，因此認(rèn)為充分了解腺苷的下游靶分子有利于建立針對(duì)胃癌的化學(xué)療法［49］。與核苷酸相關(guān)的蛋白質(zhì)也參與胃癌的發(fā)展過程，如煙酰胺核苷酸轉(zhuǎn)氫酶參與了胃癌的生長(zhǎng)、肺轉(zhuǎn)移和腹膜擴(kuò)散［50］。

5 代謝組學(xué)與微生物代謝

一直以來(lái)，幽門螺桿菌都被認(rèn)為是胃癌發(fā)展的主要危險(xiǎn)因素［51］，通常會(huì)導(dǎo)致慢性胃炎、萎縮性胃炎、腸上皮化生、異型增生和胃癌等一系列病理變化［52］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，74.4%～89.0%的胃癌與幽門螺桿菌有關(guān)［53］。幽門螺桿菌是一種革蘭氏陰性、螺旋形、游動(dòng)、彎曲的鞭毛狀變形桿菌，能在胃的酸性環(huán)境中生存［54］。有研究報(bào)道，以細(xì)胞毒素相關(guān)基因A（幽門螺桿菌的主要毒力因子之一）陽(yáng)性的幽門螺桿菌株感染人胃癌細(xì)胞株AGS，采用氣相色譜/質(zhì)譜（GC/MS）代謝組學(xué)方法分析感染AGS細(xì)胞的代謝產(chǎn)物，2 h后感染細(xì)胞的天冬酰胺水平顯著低于相應(yīng)的未感染細(xì)胞；6 h后2?氨基甲酸、檸檬酸+異檸檬酸、纈氨酸和蘋果酸含量顯著高于未感染的AGS細(xì)胞，而天冬酰胺和1，6?脫水葡萄糖含量顯著低于未感染的AGS細(xì)胞；12 h后檸檬酸+異檸檬酸、絲氨酸、甘氨酸、蘇氨酸、牛磺酸、纈氨酸和2?氨基乙醇含量顯著高于未感染的AGS細(xì)胞，可見在幽門螺桿菌感染的AGS細(xì)胞中，糖酵解、三羧酸循環(huán)和相關(guān)的氨基酸代謝途徑均表現(xiàn)出特征性變化［55］。還有研究以幽門螺桿菌26 695株感染人胃癌細(xì)胞株AGS，用代謝組學(xué)方法分析感染的AGS細(xì)胞代謝途徑的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與谷胱甘肽周期相關(guān)的代謝物被下調(diào)［56］。此外，研究發(fā)現(xiàn)根除幽門螺桿菌會(huì)影響宿主能量和脂質(zhì)代謝［57］。因此認(rèn)為，感染或根除幽門螺桿菌對(duì)機(jī)體代謝都存在影響，但是感染幽門螺桿菌的代謝變化可以為根除幽門螺桿菌的療效提供見解。近期還有研究發(fā)現(xiàn)獨(dú)特的微生物不僅可以調(diào)節(jié)化學(xué)藥物的藥效，上皮屏障及微生物生態(tài)系統(tǒng)之間的共生，對(duì)局部和遠(yuǎn)處免疫系統(tǒng)也有重大影響，并且顯著影響癌癥患者的臨床結(jié)局［58］。

6 小結(jié)

胃癌細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移快，各種代謝過程也較正常細(xì)胞旺盛，其中機(jī)體的糖代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、核苷酸代謝、微生物代謝等代謝過程也會(huì)出現(xiàn)特異性改變，從而出現(xiàn)特異性代謝物增多或減少，甚至出現(xiàn)新的代謝物，而這種異常的代謝物有望作為胃癌生物標(biāo)志物?，F(xiàn)階段雖然胃癌尚未發(fā)現(xiàn)特異性和靈敏性較理想的標(biāo)志物，但是采用多種代謝物聯(lián)合檢測(cè)具有良好的應(yīng)用前景，這些代謝過程也可以作為治療胃癌的靶點(diǎn)，未來(lái)通過尋找上游或下游靶點(diǎn)擾亂腫瘤細(xì)胞的代謝過程，有望阻斷胃癌進(jìn)一步發(fā)展，也為靶向治療提供思路。但是代謝組學(xué)是一門新興的科學(xué)，人類代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（HMDB）尚未完善，研究數(shù)據(jù)尚無(wú)法精準(zhǔn)比對(duì)。而且，目前大多代謝組學(xué)相關(guān)研究是單次測(cè)定相關(guān)代謝物較正常對(duì)照組的區(qū)別，尚不能測(cè)定相關(guān)代謝物在機(jī)體的連續(xù)變化，而隨著腫瘤不斷進(jìn)展，相關(guān)代謝物可能呈現(xiàn)與之前測(cè)定結(jié)果完全相反的趨勢(shì)，因此定期隨訪對(duì)于代謝組學(xué)研究至關(guān)重要，是尋找有意義的代謝物以及候選生物標(biāo)志物和靶點(diǎn)的有效途徑。此外，個(gè)體差異、代謝物種類繁多、測(cè)定代謝物儀器不同、對(duì)代謝物正常范圍界定不統(tǒng)一等因素也是代謝組學(xué)研究的難點(diǎn)，有待進(jìn)一步探索。