胰腺癌的代谢组学研究进展

马晓梅，李龙泉，刘敏，王玉平，郭庆红

(兰州大学第一临床医学院，兰州 730000)

胰腺癌是世界上最致命的恶性肿瘤之一。据估计，2020年美国胰腺癌在男性与女性癌症新发病例中分别居第10位和第9位，占新发病例总数的3%,而癌症相关死亡人数中，胰腺癌居第4位，占癌症相关死亡总人数的8%[1]。目前，胰腺癌的主要治疗手段为手术切除，然而由于其早期诊断困难，80%～85%的患者在发现时已进展为局部晚期或转移状态，失去了最佳治疗时机，同时胰腺癌在放疗和化疗时存在不敏感或耐药的现象[2]。胰腺癌的预后非常差，癌症各发展阶段平均5年生存率为9%，而远处转移的胰腺癌5年生存率仅为3%[1]。早期发现的胰腺癌患者的生存率远高于晚期诊断的患者[3]，在可切除时期发现胰腺癌，可使患者的生存率提高30%～40%[4]。血清糖类抗原(carbohydrate antigen，CA)19-9是目前美国食品药品管理局批准用于胰腺癌诊断的生物标志物，但其敏感性和特异性均不高[4]。代谢紊乱是肿瘤的特征，癌症患者与正常人之间有巨大的代谢差异，因此利用代谢组学发现差异代谢分子作为新的肿瘤标志物来早期诊断胰腺癌，并在分子水平上寻找针对胰腺癌的新治疗方式已成为研究热点。现就胰腺癌的代谢组学研究进展予以综述。

1 代谢组学概述

代谢组学是对内源性代谢物的定性和定量分析，通过核磁共振光谱或质谱来检测细胞、组织及生物液中的小分子代谢产物，并跟踪特定代谢产物的变化，来进一步推导生物体的生理或病理状态[3,5]。代谢组学能寻找潜在的可用于疾病诊断、治疗反应和预后的生物标志物，与基因组学、转录组学及蛋白质组学等多种组学技术一起被广泛应用于癌症研究[6]。在基因组-蛋白质组-代谢组的顺序中生物信号被逐级放大，代谢组学最接近表型，因此代谢组学诊断标志物会更敏感[7-8]。代谢组学可用的标本包括血液[9]、组织[10]、尿液[11]、粪便[12]、胆汁[13]、唾液[14-15]及肠道微生物群[16]等，这些标本的获取相对容易，且大多是非侵入性的。

2 胰腺癌的代谢紊乱

肿瘤的组织致密，血液供应不良，存在高氧化及炎症反应，在恶劣的生长环境下，肿瘤细胞为满足快速繁殖，必须要改变自身代谢[10,17]。肿瘤的发生一般起始于抑癌基因的丢失和(或)癌基因的表达，而基因的改变也会导致代谢的变化。胰腺癌的高危因素(如慢性胰腺炎、吸烟、酗酒、肥胖和2型糖尿病)均与代谢紊乱有关[18]。所以，癌细胞与正常分化细胞有着不同的代谢特征，最终表现为代谢小分子质和量的改变。代谢组学试图寻找胰腺癌患者与正常人体内具有明显差异的代谢小分子，并将其作为筛选早期胰腺癌患者或监测胰腺癌患者疾病进展以及预测患者治疗反应的生物标志物。这种诊断方式不仅可以更早期、更准确地诊断疾病，而且还能减少侵入性检查的伤害[5,16,19]。关于胰腺癌代谢组学的研究证明，参与糖、脂肪、蛋白质、胆碱和核酸代谢途径的小分子物质有将胰腺癌患者与正常人或良性胰腺疾病患者区分开的潜力[20]。

2.1氨基酸代谢 氨基酸是体液代谢组学中最常用的诊断标志物，其水平变化与胰腺癌的危险因素(肥胖和胰岛素抵抗)相关[8]。胰腺癌患者标本中水平升高的氨基酸有丝氨酸、异亮氨酸等[21]；水平降低的氨基酸有谷氨酰胺[6,8-9,22]、组氨酸[8-9,21]、谷氨酸[22]、苯丙酸[22]、色氨酸[22]、精氨酸[22]、缬氨酸[8]、丙氨酸[8]、脯氨酸[8]、天冬酰胺[8]、酪氨酸[8]、赖氨酸[8]、5-羟色氨酸[10]等。在低血糖条件下，胰腺癌细胞会利用脂肪酸和氨基酸来代替葡萄糖参与三羧酸循环产生能量，如谷氨酰胺常通过谷氨酰胺分解途径来产生能量[6]，这可能是胰腺癌患者血清内一些氨基酸水平降低的原因。研究显示，在癌细胞中谷氨酰胺的利用率增加，谷氨酰胺作为主要生物能量来促进癌细胞合成代谢过程，这种现象称为“谷氨酰胺上瘾”，而这种代谢重编程可能是致癌基因Kras及MYC所调控[23-24]。Mizuno等[21]的研究显示，用血浆游离氨基酸(丝氨酸、异亮氨酸、组氨酸、天冬酰胺、丙氨酸和色氨酸)计算的多变量指标有在糖尿病患者中筛查胰腺癌的潜力。前瞻性研究发现，血浆支链氨基酸(即异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸)水平升高与胰腺癌的未来发病风险增加有关[18,25]。以往文献报道，支链氨基酸的预测价值在诊断前2～5年最为突出[26]，而Katagiri等[25]研究认为，支链氨基酸的水平在胰腺癌诊断前10年才会有明显的升高。但也有研究并未观察到病例和对照者之间血浆支链氨基酸的差异[9]，可能是试验方法的不同或个体差异造成。肥胖、胰岛素抵抗的恶化和糖尿病的发展均会引起支链氨基酸水平的变化，而这些均是胰腺癌的危险因素[25]。有研究表明，胰腺癌细胞可能利用支链氨基酸作为脂肪酸合成的碳源，故破坏支链氨基酸代谢的酶将抑制肿瘤生长[19]。这些研究结果提示，氨基酸可能作为胰腺癌的诊断标志物或新的治疗靶点。

2.2脂质代谢 癌细胞的快速增殖需要大量的脂质来合成生物膜，因此癌细胞脂质的外源性摄入量和内源性合成量增加，研究表明癌细胞中有关脂质合成酶的水平升高[19]。甘油磷脂是细胞膜的重要组成部分，而溶血磷脂是甘油磷脂的代谢中间产物。研究证明，胰腺癌患者血浆溶血磷脂水平下降，提示溶血磷脂可以降低胰腺癌的发病风险，而溶血磷脂水平的降低可能因为胰腺癌细胞对溶血磷脂的分解代谢增加以及癌症伴随的肝功能异常造成[10,18,27-30]。不同类型的甘油磷脂(主要为磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺)增减趋势不同，如磷脂酰胆碱(16∶0/16∶0)、磷脂酰乙醇胺(16∶0/18∶1)水平上升[10,27]，磷脂酰胆碱(18∶1/18∶4)和磷脂酰乙醇胺(22∶6/16∶0)水平下降[18]。胆汁酸是胆汁的重要成分，有证据表明胆汁酸在胃肠道恶性肿瘤的发展中起重要作用，胰腺癌患者血清内的牛磺胆酸、胆汁酸、甘胆酸水平明显升高，故血清胆汁酸可能成为鉴别胰腺癌患者的重要诊断标志物[22,31]。Wood[32]研究表明，内源性超长链二羧酸(28∶4)在胰腺癌患者血浆中的水平降低，给癌症患者补充这种脂质，可能会延缓或防止癌症。此外，胰腺癌患者体内二酰甘油、三酰甘油以及鞘磷脂水平也均降低[10,27]。这些脂质水平的变化将来可能能应用于胰腺癌的早期诊断及治疗。

2.3能量代谢 正常细胞只在氧气缺乏的情况下才会进行无氧糖酵解。而肿瘤细胞即使在氧气充足的条件下也会进行无氧糖酵解，将葡萄糖代谢为乳酸，癌细胞的这种代谢特性被称为Warburg效应[33]。Warburg效应可以利用糖酵解的中间产物来大量合成核酸、脂类及蛋白质，满足肿瘤快速生长的需要[31]。通过Warburg效应肿瘤细胞会产生大量乳酸，使局部组织pH值降低，刺激肿瘤细胞的浸润和转移。乳酸脱氢酶产生乳酸的速率与肿瘤的发生和发展呈正相关[34]。研究表明，丙酮酸激酶M2在胰腺癌组织中过表达，这可能是Warburg效应发生的机制之一[35]。另一项研究显示，转化生长因子-β可以增加细胞的糖酵解，抑制转化生长因子-β可减弱胰腺癌细胞的迁移和侵袭能力[36]。参与转化生长因子-β信号通路的Smad基因在胰腺癌中普遍失活(50%～60%)，而Liang等[37]通过实验证明，在Smad基因缺失的胰腺癌中，糖酵解途径中的第一个ATP生成酶——磷酸甘油酸激酶1表达上调，继而增强癌细胞中的Warburg效应。另外，一项对胰腺癌细胞衰老机制的研究发现，衰老胰腺癌细胞的线粒体代谢出现明显异常，癌细胞线粒体内肉碱棕榈酰转移酶1C活性降低，从而使胰腺癌细胞能量代谢异常，导致细胞衰老及凋亡，这个发现提示可通过抑制肉碱棕榈酰转移酶1C来诱导肿瘤衰老，为胰腺癌的治疗提供新思路[38]。

2.4微生物代谢 人的消化系统内寄居着种类繁多的微生物，如肠道微生物群和口腔微生物群，它们能影响人的体重和消化能力，帮助机体抵御感染和自身免疫疾病。研究表明，有害微生物可以通过不同机制来引发癌症，而某些益生菌可能会抑制肿瘤的发生[39-40]。有研究证实，胰腺癌患者的口腔微生物组成有显著变化，这些有明显异常的微生物可能直接参与了胰腺癌的发生与进展[41]。口腔微生物的变化常发生于牙周病患者，而研究证实牙周病患者胰腺癌的发病率增加[42]。Farrell等[43]通过检测唾液来比较胰腺癌患者与正常人的口腔微生物群，发现细长奈瑟氏菌和米氏链球菌存在明显差异。Kita等[40]的研究结果显示，干酪乳杆菌可通过分泌高铁色素来促进胰腺癌细胞的凋亡，从而抑制胰腺癌的发生与进展。以上研究结果提示，微生物可能通过其代谢影响肿瘤的发生，可成为胰腺癌诊断及治疗的新靶点。

3 代谢组学在胰腺癌中的应用

3.1胰腺癌的早期诊断与鉴别诊断 胰腺癌的早期诊断是临床的一大难题，目前临床上诊断的胰腺癌多处于中晚期，已失去最佳治疗机会，因此早期识别胰腺癌是提高患者生存率的关键。胰腺癌的发生过程很漫长，至少需要10年才会发生转移，这为临床早期发现胰腺癌提供了机会[10]。胰腺上皮内瘤变已被确认是胰腺癌的癌前病变，但目前临床尚未有可以检测胰腺上皮内瘤变的有效方法[10]。在一项检测转基因小鼠胰腺上皮内肿瘤的动物实验中，学者发现随着胰腺上皮内瘤变由低级别发展到高级别，小鼠体内的丙氨酸/乳酸信号强度比逐渐降低，提示丙氨酸/乳酸信号强度比可用于发现胰腺癌癌前病变[34]。Unger等[10]用由溶血磷脂酰胆碱(0∶0/18∶2)、磷脂酰胆碱(16∶0/16∶0)、磷脂酰胆碱(18∶0/22∶4)、磷脂酰胆碱(17∶0/0∶0)、丹参素(D18∶1/16∶0)和5-羟色氨酸6种代谢物构成的诊断标志物组合可区分早期胰腺癌和良性胰腺疾病，其准确率高于95%。一项临床研究对可切除胰腺癌与非胰腺癌患者的胰液样本进行了分析，共找出18种差异代谢物，其中胰腺癌患者样本中糖酵解最终产物乳酸水平显著升高；随后，学者在包含106例样本的队列研究中证实，胰液中的乳酸水平可以区分胰腺癌与非胰腺癌患者[44]。一项队列研究对92例胰腺癌患者和56名健康志愿者的尿液代谢产物进行分析，确定了由6种代谢物(葫芦巴碱、乙醇酸、马尿酸盐、肌酸、肌醇和羟丙酮)组成的诊断标志物组合，并验证了该标志物组合对早期胰腺癌患者具有很好的诊断潜力[45]。另外，Farrell等[43]用细长奈瑟氏菌和米氏链球菌来鉴别胰腺癌患者与健康人，结果发现其灵敏度为96.4%，特异度为82.1%。胰腺癌和远端胆管癌解剖学位置相邻，均可引起肝外梗阻性胆汁淤积，由于它们具有相似的症状和影像学表现，故临床很难鉴别。有研究者试图通过寻找差异代谢物来区分胰腺癌、远端胆管癌和位于胰头的其他良性病变，结果显示胰腺癌和远端胆管癌患者胆汁中的磷脂酰胆碱水平均降低，且胰腺癌患者的血清溶血磷脂酰胆碱水平明显低于胆管癌患者[13]。另有研究提出，由酰肉碱(16∶0)、神经酰胺(D18∶1/24∶0)、磷脂酰胆碱(20∶0/0∶0)和(O-16∶0/20∶3)、溶血磷脂酰胆碱(20∶0/0∶0)和(0∶0/20∶0)、溶血磷脂酰乙醇胺(P-18∶2/0∶0),鞘磷脂(d18∶2/22∶0) 和(d18∶2/23∶0)以及CA19-9组成的诊断标志物组合有助于胰腺癌和远端胆管癌的鉴别诊断[46]。

3.2监测胰腺癌的进展与转移 胰腺癌的进展在临床上可分为4个阶段：可切除、临界可切除、局部晚期和转移，准确判断肿瘤的分期可为患者选择最合适的治疗方式，避免无效或过度治疗带来的伤害。肿瘤的发展常伴有代谢的改变，所以可根据代谢分子的动态变化来监测胰腺癌的进展与转移。在关于胰腺癌转移的代谢驱动因素研究中，Rozeveld等[47]报道，癌基因KRAS通过调节激素敏感脂肪酶控制细胞中脂滴的储存和利用，在胰腺癌细胞中，KRAS-激素敏感脂肪酶轴的破坏会使细胞中储存过多的脂滴，而过量的脂肪酸增强了癌细胞的生长与转移能力。另有研究指出，谷氨酰胺缺乏引起的营养应激会通过上调相关调节因子Slug来诱导胰腺导管腺癌细胞上皮-间充质转化，进而增强癌细胞的侵袭与迁移能力[48]。在寻找监测癌症转移的生物标志物方面，有研究发现琥珀酸和葡萄糖酸具有很强的监测胰腺癌进展和转移的能力[31]。Tumas等[8]观察发现，血浆组氨酸水平与胰腺癌分期呈显著负相关，并观察到酪氨酸、脯氨酸、甘氨酸、精氨酸、丝氨酸和苏氨酸水平从胰腺癌第一阶段到第四阶段的U型变化曲线。一项对胰腺癌患者血清外泌体的代谢分析发现，溶血磷脂酰胆碱(22∶0)、磷脂酰胆碱(P-14∶0/22∶2)和磷脂酰乙醇胺(16∶0/18∶1)与胰腺癌肿瘤分期有关，CA19-9、CA242和胰腺癌肿瘤直径有关[27]。随着更多研究的深入，这些标志物可能在临床监测胰腺癌的进展与转移方面起重要作用。

3.3研发胰腺癌靶向药物及预测治疗反应 胰腺癌对现有放化疗具有很高的耐药及抵抗性，且现阶段临床缺少针对胰腺癌的靶向治疗药物，因此胰腺癌的治愈率不甚理想。而代谢组学作为一种研究工具可用于研究药物的作用机制、作用靶点及治疗效果，并进一步探讨更加精准的治疗方法，避免无效治疗带来的沉重负担，同时通过及时有效的靶向治疗提高患者生存率。Liu等[2]用细胞代谢组学的方法研究了小檗碱对胰腺癌的治疗作用，结果表明小檗碱通过影响线粒体中柠檬酸的代谢和运输来抑制胰腺癌细胞的存活及转移，提示柠檬酸可能成为胰腺癌治疗的新靶点。Warburg效应是肿瘤细胞的能量代谢特性，也是一个潜在的治疗靶点，已有临床试验证实作用于糖酵解限速酶——6-磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二磷酸酶3的抑制剂PFK-158对晚期胰腺癌患者有益处[49]。同时在一项胰腺癌细胞与动物模型实验中，研究者从代谢组学层面证实了一种植物种子提取物——水飞蓟宾可通过诱导胰腺癌细胞的整体代谢重编程，下调糖酵解关键酶的表达来抑制胰腺癌细胞的葡萄糖摄取和乳酸释放，进而抑制胰腺癌细胞和动物模型的细胞生长和恶病质特性[50]。快速分裂的癌细胞以谷氨酰胺作为主要能量来源，因此利用靶向药物来干扰谷氨酰胺代谢进而抑制肿瘤的生长是癌症治疗的新方向。Elgogary等[51]将谷氨酰胺酶抑制剂——BPTES(bis-2-(5-phenylaceta-mido-1,2,4-thiadiazol-2-yl)ethyl sulfide)封装在纳米颗粒中来治疗胰腺癌小鼠模型，结果证明BPTES纳米颗粒有抗肿瘤效果。且该实验发现，谷氨酰胺酶被抑制后仍存活的肿瘤细胞依赖糖酵解和糖原合成，因此实验进一步用可抑制糖酵解的药物——二甲双胍与BPTES纳米颗粒联合治疗，结果证实联合治疗较单药治疗更能有效抑制肿瘤生长。目前，以吉西他滨为主的化疗方案是治疗胰腺癌的标准方案，然而由于化疗耐药等原因，大部分患者最终治疗失败。因此，亟须寻找生物标志物来提前评估患者对吉西他滨化疗的反应，根据评估结果决定是否采取化疗，可最大程度避免无效治疗[52]。研究报道，吉西他滨耐药胰腺癌细胞能够将碳从葡萄糖代谢途径中转移到核苷酸合成途径中，使核苷酸的合成增加，而大量合成的核苷酸通过竞争性抑制吉西他滨使癌细胞对吉西他滨耐药[53]。另有研究表明，3-羟基己二酸、D-半乳糖、溶血磷脂酰胆碱和十四烯酰-L-肉碱[54]以及包括乳酸、脯氨酸和焦谷氨酸在内的19种标志性代谢物[52]可以作为有效指标来预测胰腺癌患者对化疗的反应。

4 目前研究存在的问题

4.1样本量不足 很多关于胰腺癌代谢组学的研究由于样本量不足，产生的结果信服力不够，极有可能产生虚假结果[16,30]。胰腺癌是一种异质性很强的疾病，需要大量的样本来确保结果有足够的代表性。此外，研究样本被分成独立的发现队列和验证队列，进一步使所需样本的数量增加。然而，胰腺癌发病率很低(在美国为10/100 000人)[10]，很难去收集足够数量的样本。为解决该难题，研究者可考虑多中心合作来增加样本量[55]，以提高研究的质量和结果的准确性。

4.2混杂因素较多 代谢物受到许多因素的影响，包括年龄、性别、黄疸、药物、合并症、昼夜节律、生活方式及环境等，晚期胰腺癌患者的血清代谢物会在一天之内发生重要变化。但现有研究尚未完全考虑这些混杂因素，甚至有些其他混杂因素尚未被发现，这使得研究结果的有效性无法保证。这可能是同一类型的研究，会出现不同结果或得出相反结论的重要原因。因此，研究者在进行相关研究时应充分考虑并校正这些混杂因素[30,46]。

4.3对早期癌症的诊断价值不明 代谢组学运用于胰腺癌诊断的最大意义为筛选出高危或早期患者，以提高胰腺癌的存活率。而目前研究中纳入的一般为用现有方法明确诊断为胰腺癌甚至已进入晚期的患者，这些研究结果中的代谢变化可能是癌症进展、生活方式的改变及治疗造成[18]。研究显示，在发现队列中有统计学意义的差异代谢产物并不能在验证队列中筛选出早期胰腺癌患者[10,20]。所以，需进一步的大型队列研究来验证这些差异表达代谢物是否能筛选出早期患者。但是对于低发病率的胰腺癌进行队列研究的成本高、可行性低，这是目前研究面临的一大困难。

5 小 结

胰腺癌症状出现晚且特异性较低，早期诊断困难，难以与胰腺良性病变或远端胆管癌有效鉴别，错过最佳手术时机的概率很大，而化疗仅有助于轻微延长生存期，且有很高的耐药性[15]。因此，胰腺癌是预后最差的恶性肿瘤之一，是临床亟须解决的一大难题。代谢组学作为一种新的研究工具，通过监测低分子量内源性代谢物的质和量来反映生物体的疾病状态[56]，在胰腺癌的早期诊断、鉴别诊断、治疗及疾病进展和术后管理、预后等方面具有重要作用。目前代谢组学的研究虽取得了一定进展，但仍缺乏统一的研究标准及结果，存在许多不足。相信随着研究的不断深入，与代谢组学相关的诊断标志物将在胰腺癌及其他癌症的诊治过程中发挥重要作用。