代谢组学在食管癌的研究现状

王琳霞　吴昌强　汤梦月　张小明*

代谢组学在食管癌的研究现状

王琳霞1吴昌强2汤梦月2张小明2*

代谢组学是一门新兴的学科,运用分析化学（磁共振和色谱-质谱）方法研究生物体对病理生理刺激产生的代谢变化，采用多因素统计分析方法综合评估内源性代谢产物变化水平，最终实现从代谢角度进行疾病诊断、肿瘤分期、治疗指导以及预后评估。食管癌是上胃肠道常见的恶性肿瘤，临床早期诊断困难，目前代谢组学及相关技术在食管癌的研究越来越深入，有望成为诊断及评价食管癌治疗效果的另一手段。就代谢组学及其相关研究技术用于食管癌的研究进展作一综述。

食管癌；代谢组学；磁共振波谱；色谱-质谱；肿瘤标志物

Int J Med Radiol，2016，39（5）：539-542

食管癌位居全球肿瘤发病率的第9位，死亡率第8位。食管癌在我国属高发肿瘤，居肿瘤死亡的第4位[1]。目前诊断食管肿瘤的主要手段有胃肠道内镜、上胃肠道钡餐、肿瘤标志物等。胃肠道内镜结合组织病理活检为有创性且受人员操作等因素的影响，因此对食管肿瘤的诊断受到了限制。上胃肠道钡餐和肿瘤标志物敏感性和特异性较低，不能作为诊断早期食管癌的有力手段，难以满足临床实践的需要。食管癌的预后与其分期密切相关，寻找食管癌早期诊断、分期的肿瘤标志物及手术效果评价、预后评估的标志物非常重要。

肿瘤发生、发展的病理变化往往引起机体基础代谢发生改变，进而引起小分子代谢物的种类或水平（浓度）发生相应的改变，最终造成与正常代谢谱的差异[2]。代谢组学能够从代谢角度描述肿瘤病理过程的瞬间概况，揭示恶性肿瘤的整体代谢变化；在肿瘤的发病机制、早期诊断、个体化疗及预后判断等方面具有独特的优势和研究价值。

代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后发展起来的一门新兴学科，研究对象为代谢组即细胞和生物体的所有代谢中间体和终产物，通常为分子质量在1000 u以下的小分子代谢物质[3]。由于代谢处于生命活动调控的末端，与基因组学、蛋白组学相比较，代谢组学反映的内容更接近于表型。代谢组学运用高灵敏度、高通量的分析化学技术，结合化学计量统计方法，一方面可以综合评估内源性代谢产物（脂肪、氨基酸、多肽、核酸、有机酸、维生素、硫醇和碳水化合物等）；另一方面能够分离、检测、定性和定量代谢产物以及分析相关代谢途径[4]。通常，根据研究的对象和目的不同，生物体系的代谢产物可以进行4个层次的分析：代谢靶标分析、代谢轮廓分析、代谢组学和代谢指纹分析，最终确定与肿瘤发生发展关系密切的代谢标志物[5]。目前研究代谢组学的常用技术有：质谱及质谱相关技术、色谱及色谱相关技术、MRS技术。

1　常用的代谢组学相关分析化学技术

代谢组学技术的发展是代谢组学研究不可或缺的前提，代谢物的检测依赖于各种相关分析化学技术，包括MRS、质谱（mass spectrometry，MS）及串联质谱、色谱（chromatography spectrum，GC）以及色谱质谱联用技术（chromatography spectrum－mass spectrometry，GC－MS）以及其他联用技术。另外，色谱和电泳等分离方法与质谱分析相结合为复杂代谢物在线分离提供了有力的手段。但质谱及其联用技术分辨力及灵敏性较低，设备价格和维护费昂贵[6-7]。MRS技术是一种高效的分析手段，具有可重复性强、样本需求量少、容易收集、样本预处理简单、能直接鉴别和解析其中的化学成分、对机体无损伤等优点[8]，能够检测溶液中浓度＞1 μmol/L的小分子物质，实验方法灵活多样，还可以研究动态系统中代谢产物的变化规律，现已被广泛运用于代谢组学领域的研究。目前，采用MRS技术分析平台研究代谢组学主要的分析方法有单体素分析和多体素分析，运用较多的是单体素分析。在单体素分析方法中，研究热点集中于1H谱、13C谱、31P谱。利用MRS和液相色谱-质谱联用技术（liquid chromatographymass spectrometry,LC-MS）相结合进行代谢组学分析更具有优越性[9-10]。

2　恶性肿瘤代谢改变及相关机制

机体重要的物质代谢主要有糖代谢、脂类代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢。机体正常的物质代谢是保证正常生命活动的基础，食管癌病人由于肿瘤组织能量需求增加、增殖速度加快，导致肿瘤组织代谢与正常机体组织代谢存在差异。

2.1氨基酸代谢食管癌中氨基酸水平的改变发生在氨基酸代谢的各个环节，最终引起代谢产物水平发生改变[11-12]。由于恶性肿瘤能量需求高，蛋白质合成增加，肿瘤细胞内氨基酸水平明显增加[13]。肿瘤细胞生存和增殖需要消耗高浓度的谷氨酰胺，一方面谷氨酰胺氧化成乳酸，为脂肪酸和核苷酸合成提供还原型辅酶Ⅱ（NADPH）；另一方面转化成α-酮戊二酸进入三羧酸循环，有效补充大量用合成脂类的三羧酸循环的中间代谢物，维持三羧酸循环功能[14]，导致肿瘤细胞中谷氨酰胺的浓度明显降低。

2.2糖代谢糖代谢是指葡萄糖在体内发生的一系列复杂的生物化学反应，主要包括糖酵解和三羧酸循环。葡萄糖代谢在很大程度上受供氧状况的影响，但恶性肿瘤的糖代谢途径发生异常改变，即使氧气充足的条件下糖酵解同样活跃，表现为葡萄糖摄取率高，利用率低，产能效率低，生成大量的乳酸及少量ATP[15]，从而导致食管癌病人血浆中乳酸大量积累，当机体不能将乳酸完全还原成葡萄糖时，使得乙酰辅酶A累积和柠檬酸盐上调；假如血浆中没有乙酰辅酶A累积，那么糖代谢可能被生酮作用代替[16]。

2.3脂质代谢肿瘤细胞生长快、增殖迅速，为了满足细胞增殖的能量需求及细胞膜的构建，脂肪、能量、胆碱代谢发生明显改变[17-18]。磷脂酸主要通过磷脂酰胆碱在磷脂酶D的作用下水解得到，多种肿瘤细胞中磷脂酶D活性上调，使得磷脂酸水平增高[19]。研究发现，较高水平的磷脂类物质助长肿瘤细胞的恶性行为：一方面加速细胞的增殖，另一方面促进肿瘤细胞扩散和迁移[20]。

2.4核酸代谢肿瘤体内核酸代谢发生改变，在癌基因的作用下，控制核酸代谢的一些酶发生的改变会导致核酸代谢发生改变。比如脱氧核苷酸合成代谢中的限速酶核糖核苷酸还原酶（ribonucleotide reductase，RNR）的活性受到抑制[21]，会引起细胞内的脱氧核糖核苷酸水平降低。体内核酸代谢异常，则必然会引起核苷酸代谢异常[22]。恶性肿瘤增殖率高，其细胞凋亡受阻[23]，核酸的合成代谢增强[24]，分解代谢减弱。利用代谢组学技术研究体内核苷酸合成及分解代谢可以间接反映肿瘤的核酸代谢情况。

3　代谢组学在食管癌中的应用

Zhang等[9]研究发现食管癌病人中约200种代谢物的水平发生改变，其中约40种物质已被鉴定出来，运用魔角MRS技术能将食管癌组织与正常食管黏膜区分开[25]。不同研究者对食管癌病人的血清[9]、血浆[11]、尿液[26]、组织[25]进行了代谢组学分析，发现机体代谢物水平改变与食管癌的转移、疗效观察等临床资料有相关性，代谢组学具有对食管癌进行诊断、无创性分期、治疗指导及预后评估的潜力，甚至可以诊断早期食管癌[10]。

3.1诊断食管癌利用代谢组学技术研究机体代谢物质水平的改变有诊断食管癌的潜力。Hasim等[12]利用1H-MRS波谱技术研究104例食管癌病人血浆和尿液代谢轮廓，并与40例正常对照组比较，结果显示食管癌病人血浆中，二甲胺、α-葡萄糖、β-葡萄糖、柠檬酸水平升高，亮氨酸、丙氨、酸、异亮氨酸、缬氨酸、糖蛋白、乳酸盐、丙酮、乙酸盐、胆碱、异丁酸、不饱和脂肪酸、极低密度脂蛋白、低密度脂蛋白、甲基组氨酸水平降低。食管癌病人尿液中甘露醇、谷氨酸盐、γ-氨基丁酸、苯丙氨酸、醋酸盐、尿囊素、丙酮酸、酪氨酸、β-葡萄糖、8-羟基喹啉铜水平升高，乙酰半胱氨酸、缬氨酸、二氢胸腺嘧啶、马尿酸、甲基胍、1-烟酸甲酯-酰胺、柠檬酸水平降低；利用1H-MRS谱技术检测食管癌病人血浆或尿液特征代谢水平的变化，有诊断食管癌的潜力。

Zhang等[27]利用1H-MRS波谱技术和超高效液相色谱（ultra high performance liquid chromatography，UHPLC）对食管癌病人和正常对照组进行检测，发现血清代谢谱有诊断食管癌的潜力，检测出19种代谢物水平变化显著，其中绝大多数是氨基酸；在实验组半胱氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、天冬氨酸、胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、组氨酸、肌酸、肌酸酐、乳酸、乙酰乙酸盐、β-羟丁酸、醋酸盐水平升高；蛋氨酸、酪氨酸、葡萄糖、色氨酸、脂质代谢水平降低。高分辨魔角旋转MRS可直接检测组织中代谢物的改变，Yang等[25]利用这项技术对食管癌（癌旁组织、高分化组织、中度分化组织）进行研究，发现食管癌组织和癌旁组织代谢谱有明显差别，癌组织中总胆碱、丙氨酸、谷氨酸盐、肌酸、肌醇、牛磺酸增加，表明高分辨魔角MRS有诊断食管癌的潜力。Wang等[18]利用1H-MRS检测正常食管黏膜（26例）和食管癌组织（89例）的浸取液，鉴定出45种代谢差异的产物，葡萄糖、腺苷磷酸（AMP）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）下调，甲酸盐上调，乙酸盐、短链脂肪酸及γ氨基丁酸（GABA）上调，胆碱代谢[肌酸酐、肌酸、二甲基甘氨酸（DMG）、二甲胺（DMA）和三甲胺（TMA）]代谢异常，利用MRS检测上述代谢物水平的变化有诊断食管癌的潜力。Ikeda等[28]利用GC-MS研究了胃肠道肿瘤和正常成年人血浆代谢谱，食管癌病人血浆中丙二酸、丝氨酸变化有特异性，敏感度和特异度分别为80%和59.2%、81.3%和 90.1%。

3.2诊断早期食管癌利用代谢组学技术研究机体血浆/血清、尿液等代谢物水平的改变，其具有诊断早期食管癌的潜力，甚至能够筛查出食管癌高危个体。Zhong等[9]利用1H-MRS波谱技术对食管癌、高危病人（Barrett食管、高级别上皮瘤变）的血清研究发现，食管癌病人中赖氨酸、谷氨酸、乳酸、葡萄糖、柠檬酸、肌酸、β-羟丁酸和一些未知小子水平升高，但食管癌进展期各相邻阶段代谢水平变化不明显；利用1H-MRS波谱技术与LC-MS技术相结合，能够区分出食管癌高危组与对照组；在高危组中，焦谷氨酸（LC-MS）、脯氨酸（1H-MRS）、乳酸（1HMRS）水平上调。此后，Zhang等[10]利用LC-MS技术研究发现，与食管癌病人比较，食管癌高危病人血浆中缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸水平下调，进一步表明检测血浆代谢物水平有诊断食管癌高危病人的潜力。Davis等[26]利用尿液代谢组学研究了食管癌不同分期及与其他肿瘤的代谢特征，发现Barrett食管病人琥珀酸盐、泛酸盐、醋酸盐、甲酸盐相对减少，通过食管癌代谢组学技术可以区分癌前病变-Barrett食管；还利用1H-MRS谱技术对胰腺癌和食管癌病人尿样进行研究，两者尿液中66种代谢物存在差异，在食管癌病人尿液中代谢物的改变具有特异性，尿液代谢组学作为一种无创性手段在未来食管癌的筛查中具有很大的潜力。

3.3辅助分期及指导治疗利用代谢组学技术研究机体血浆/血清、尿液等代谢物水平的改变可以辅助食管癌分期及指导食管癌的治疗。Ma等[29]针对不同分期的食管癌病人，利用UHPLC对51例食管癌病人（食管癌病人包括中度/不良预后24例，淋巴结转移17例，其中临床分期大于Ⅰb2期的36例）与60例健康对照的血浆进行代谢组学分析，在食管癌病人中绝大多数氨基酸代谢水平呈降低趋势，谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、牛磺酸、酪氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸等的代谢水平与食管癌的分期密切相关。Jin等[11]运用质谱和色谱评价血浆缬氨酸、γ-氨基丁酸、吡咯-2-羧酸等代谢产物的水平，其有诊断转移性食管癌的潜力。这几种代谢产物还与细胞增殖、迁移和氧化应激相关。该方法在对食管癌无创性分期、预后预测、制定治疗方案和寻找食管癌不良预后机制有较好的前景。此外淋巴结转移组与非淋巴结转移组血清中长链脂酸（软脂酸、油酸不饱和脂肪酸）的代谢水平有明显改变。但食管癌病人体内代谢（糖酵解、谷氨酸代谢、脂肪酸代谢、支链氨基酸消耗）水平、细胞凋亡、肿瘤迁移、免疫逃逸、氧化应激等多个方面发生改变，必须全面考虑各个影响因素才能全面了解食管癌的发病机制，为食管癌的诊断及治疗提供可靠依据。Xu等[22]用LCMS检测放疗前、放疗中与放疗后食管癌病人血浆代谢物质变化情况，对放疗前与放疗后比较，放疗后病人血浆中多种氨基酸水平降低，磷脂类[主要是溶血卵磷脂（16∶1）]、脂酰肉碱（辛酸肉碱、壬烷肉碱、癸酰肉碱、十一烷肉碱）等水平上调，这些物质的改变在放疗后病人中变化具有特异性，观察这些代谢物水平的变化趋势对食管癌的治疗具有指导意义。

4　展望

目前代谢组学在食管癌中的研究显示：①食管癌代谢组学研究处于探索阶段，具体代谢通路上不同代谢物的改变，需要进一步研究；并且对发现的一些生物标志物的产生机制解释得都比较笼统，对这些标志物的诊断价值的研究也非常少。②目前，对食管癌代谢组学研究大多局限在小样本研究，并且研究人群也比较局限，导致研究结果有较大差异，而扩大样本量、增加研究对象、拓宽地域研究，减少目前在研究结果上的一些差异，为代谢组学运用于食管癌的诊治打下良好的基础。③在食管癌病因、发病机制、个体化治疗及预防方面也有很大的发展潜力，并且代谢在肿瘤早期诊断和人群筛检方面有较好的运用前景。但是目前关于食管癌早期诊断标志物的报道结果不一，需要进一步研究探索，利用细胞、动物模型等多方验证。

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（收稿2015-10-13）

The current situation of metabonomics in esophageal cancer

WANG Linxia1,WU Changqiang2,TANG Mengyue2,

ZHANG Xiaoming2.1 Department of Radiology,The First People’s Hospital of Chengdu,Chengdu 610041,China;2 Sichuan Key Laboratory of Medical Imaging,Department of Radiology,Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College

Metabolomics is an emerging discipline.It uses analytical chemistry(magnetic resonance and gas chromatography/mass spectrometry)to study the generated metabolic change of pathophysiology by the stimulation of organism.Metabonomics employs multivariable statistical analysis method to assess the changes in endogenous metabolites and finally achieves the disease diagnosis,neoplasm staging,guiding treatment and prognosis evaluation from the metabolism point of view.Esophageal cancer,a common malignant tumor of digestive tract,is difficult to diagnose at early stage with existing methods at present.The metabonomics and related technology have been intensively used in the study of esophageal cancer and have potential to be a novel tool in diagnosing and evaluating the treatment effect of esophageal cancer.In the article we reviewed the research progress of metabonomics and its related technologies about esophageal cancer.

Esophageal cancer;Metabolomics;Magnetic resonance spectroscopy;Chromatography/Mass spectrometry; Tumor biomarker

10.19300/j.2016.Z3711

R735.1

A

1成都市第一人民医院放射科，成都610041；2医学影像四川省重点实验室川北医学院附属医院放射科

张小明，E-mail：cjr.zhxm@vip.163.com

*审校者