代谢组学在结直肠癌诊断中的应用

张姗姗 综述 吴华星 审校

代谢组学在结直肠癌诊断中的应用

张姗姗 综述 吴华星 审校

结直肠癌是严重威胁人类健康的常见恶性肿瘤之一，代谢组学能有效地补充传统检查手段的不足。代谢组学通过检测肿瘤患者组织、血液及尿液中的代谢物，寻找差异代谢物从而发现新的特异性的肿瘤标志物。与正常细胞相比，肿瘤细胞存在着多个异常代谢通路。找出其代谢变化，为深入探讨结直肠癌生物标志物及其相关机制奠定了基础，对诊断和个体化治疗有着深远的意义。

结直肠癌；诊断；代谢组学；miRNA

结直肠癌作为一种常见的消化道恶性肿瘤，严重威胁着人们的生存与生活质量，仅次于肺癌、肝癌。仅2010年，全世界结直肠癌新发病例约为120万[1]，截止到2012年已增加13%，其发病率的上升趋势严峻。近年来5年相对生存率有明显差异：在Dukes分期中，Ⅰ期90.3%，Ⅳ期12.5%，因此早期诊断和治疗结直肠癌显得尤为重要，能明显提高诊疗效果和生存期[2]。

结肠镜检查在结直肠癌的诊断和治疗中具有突出的优势，但该检查操作伴有出血、穿孔等严重并发症的风险，发生率约为0.1%～0.3%，其有创性及患者耐受性差影响了该检查手段的普及和推广；CEA、CA19-9等蛋白组学指标的检测灵敏度和特异度较低，也具有明显的局限性[2]，因此亟需有效评估并预测疾病严重程度的新诊断方法。代谢组学通过高通量技术手段筛选鉴定潜在生物标志物，通过对机体代谢产物定性和定量检测而对患者病情加以分析[3]，为肿瘤早期诊断开辟了新的可能性，具有广泛研究应用前景。本文将从代谢组学在结直肠癌诊断的应用范畴做一综述。

1 代谢组学方法

代谢组学于1998年由Tweeddale首次提出，是研究体内产生的所有代谢物。其主要研究对象为分子量在1 000 kb以下小分子，主要研究样本有血液、尿液、肠液、肠道脱落细胞及唾液等[4]。在过去10年中，可能提示结直肠癌代谢改变的生物标志物被广泛应用，比如：大量补体[5]。而最近反应体内各种代谢改变的代谢组学指标被高度关注，比如：乳糖、氨基酸、脂质、miRNA等。代谢组学主要通过气相和液相色谱筛选分离代谢产物，利用核磁共振波谱(NMR)和质谱(MS)两大主要分析技术对生物整体在受到病理生理刺激或基因修饰时的机体体内组织代谢物进行定性和定量研究。因其能够揭示肿瘤代谢物水平的变化，并且具有侵袭性低、敏感性高等优点，能更加有效、准确地诊断结直肠癌，成为对疾病作出诊断的一门新技术[6-7]。将代谢组学应用于结直肠癌的诊断，将有助于了解其发生和发展机制，为明确诊断、早期治疗提供依据。

2 代谢组学在结直肠癌诊断中的应用

与正常细胞相比，肿瘤细胞代谢途径则是代谢紊乱的各种生化过程。以下几点是比较主流的检测指标，包括糖类、氨基酸、miRNA等[8]。找出其代谢变化，为结直肠癌诊断开辟了新的途径。

2.1 糖酵解乳酸的检测

肿瘤的发生是细胞生物学行为异常引起的，其根本是细胞增殖、分化、迁移、黏附等多个调控机制失常导致的。肿瘤细胞生长需要大量能量，其来源不同于正常细胞，主要依靠糖酵解供能，被称为“Warburg”现象[9]。Ludwig等[10]发现肿瘤患者血清中酮体、乳酸、丙酮酸水平显著升高，又进一步证实了结直肠癌患者中糖酵解明显增强；Yuan等[11]发现乳酸诱导的酸性环境抵抗细胞凋亡和促进转移。Schipani等[12]发现在低氧或低血糖的条件下肿瘤细胞可以诱导血管源性生长因子过表达从而引发新的肿瘤微血管形成，进一步促进肿瘤细胞的增殖及肿瘤细胞的侵袭和转移。由此可见，肿瘤细胞通过糖酵解诱导肿瘤生长而抵抗细胞凋亡；并且促进肿瘤的侵袭和转移。

2.2 氨基酸的检测

氨基酸几乎参与体内一切生化反应，而结直肠癌的发生和进展与营养摄取、过度增生等细胞代谢有关，这些变化可能是诊断和治疗结直肠的基础。Montrose等[13]分别检测结直肠癌组织、血浆、粪便3种标本代谢物发现多种氨基酸均升高，包括二甲基甘氨酸、肌氨酸、甘氨酸和丝氨酸；并且发现粪便和血浆的改变发生在结直肠癌早期阶段。这表明机体先通过调控氨基酸代谢通路来诱导细胞分化、代谢、增殖和凋亡，进而抑制细胞的凋亡并促进肿瘤的生长。由此可见氨基酸在调节癌症细胞早期增殖和生存方面起着至关重要的作用。运用氨基酸代谢指标的变化为早期诊断结直肠癌带来了深远的潜在效用。

Denkert等[14]收集了一组正常结直肠组织和结直肠癌配对样本，使用气相-色谱飞行时间质谱法对两组组织进行代谢物检测发现参与TCA循环中的中间体和脂质在肿瘤组织中下调，而发现谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、β-丙氨酸上调，其中β-丙氨酸是明显上调的。这表明β-丙氨酸可促进结直肠癌生长及发展，认为监测并减少β-丙氨酸含量是诊断和治疗结直肠癌的新靶点。

2.3 脂质的检测

脂质是贮能和细胞膜组成生物活性的物质，其中包括甘油三酯和类脂及衍生物。Yuan等[11]分别从早期和晚期结直肠癌患者和与其相邻的正常组织使用液质联用(LC-MS)方法通过多变量数据分析，发现两组有重大差异。与正常组织相比，结直肠癌组织中含有较高水平胆碱、磷酸胆碱(PC)、甘油磷酸胆碱(GPC)、磷酸乙醇胺(PE)。此外，早期脂质含量低、胆碱高；晚期则反之。并且用主成分分析(PCA)方法，对主成分进行潜在结构分析，分析得出早期肿瘤组织显示出更大代谢组学差异。那么肿瘤细胞可能通过调节脂质的表达来影响肿瘤的发展与演变，并且脂质在肿瘤早期表达更为活跃，是调节肿瘤发展的一种始动因子。早晚脂质含量及类型的差异，可作为诊断并判别分期的一个新指标。

Kuhn等[15]对835例包括乳腺癌362例、前列腺癌310例、结直肠癌163例的120个循环血液代谢物进行分析发现高水平的溶血磷脂胆碱(lysoPCs)增多时肿瘤风险明显增加；最为重要的是3种研究结果均一致：血脂组成变化先于常见恶性肿瘤诊断数年。也就是说，当溶血卵磷脂升高时意味着患癌症风险大幅增加，可用于早期结直肠癌的红色预警，并可作为早期筛查结直肠癌的敏感指标。

2.4 蛋白质的检测

蛋白质是一切生命的物质基础，不仅是构成细胞的主要成分，也是构成酶和激素的重要原料。其异常表达可能与肿瘤细胞的恶性程度和侵袭性密切相关。

2.4.1 Kisspeptins蛋白的检测 Kisspeptins蛋白参与癌症侵袭、迁移和血管生成，并在各种肿瘤中有诱导细胞凋亡的作用。Ke等[16]选取80例术后距离肿瘤边缘>10 cm的正常组织和94例结直肠癌患者组织为标本，使用稳定的转染细胞来推断kiss-1对肿瘤发生和转移的影响。结果显示，与正常组织相比，肿瘤组织kiss-1表达显著减少；并且随着TNM分期增加，kiss-1逐渐减少。分析显示kiss-1低表达及远处转移是结直肠癌患者预后的独立影响因素。kiss-1能够抑制结直肠癌的侵袭能力，其过表达与转移侵袭能力呈负相关，这也表明其可以作为评估临床治疗预后的因子之一，并且可能成为结直肠癌治疗的潜在分子靶点。

2.4.2 hTERT蛋白的检测 人端粒酶逆转录酶(hTERT)是端粒酶组成核心成分，端粒酶的激活被认为是细胞永生化和恶变的关键步骤。在很多恶性肿瘤中均出现了端粒酶的高表达，其生物活性与肿瘤的恶性程度及转移能力关系密切。Wang等[17]发现结直肠癌患者hTERT表达显著高于正常人群；淋巴结转移组高于无转移组。Gertler等[18]发现hTERT蛋白高表达患者的预后比低表达患者差，而且hTERT是影响结直肠癌患者生存率的独立影响因素。伍世钢等[19]发现hTERT阳性表达患者术后化疗的生存率高于未化疗者，这表明虽然阳性表达者预后不良，但患者的化疗敏感性及预后仍好于未化疗者。深入研究hTERT在肿瘤发生发展过程中的作用机制，可作为指导结直肠癌患者术后化疗敏感性的一个重要参考指标。总的来讲hTERT蛋白可作为评估结直肠癌分期、治疗疗效、总生存率和化疗敏感性的预测因子。

2.5 miRNA新型的生物标记物

miRNA，又称为微小RNA，是一种长度为18～25个核苷酸的单链非编码内源性RNA分子，主要位于染色体的内含子区域。miRNA主要通过调控转录及转录后的修饰，进而发挥生物学功能[20]。在肿瘤细胞及其它多种类型细胞中参与多种生命活动，比如在细胞分化、生长、增殖及凋亡等过程中均扮演了十分重要的角色[21]。大量研究表明miRNA与多种肿瘤分化、增殖和复发转移有着密切的关系。因此，其可以作为诊断和判断复发等预后的良好指标。

Alexander等[22]分别收集了10例正常人、9例腺瘤和10例结直肠癌患者粪便，并对3组粪便进行miRNA表达检测。数据表明，与正常组相比，腺瘤和结直肠癌组中，miR-21和miR-106a表达较高(P<0.01)。该结果表明当细胞有恶变倾向时miR-21和miR-106a表达升高呈阳性，二者具有一定红色预警和提示作用，可用于癌前筛查或早期诊断。

杨静等[23]发现miR-135b在结直肠癌患者组织中的表达高于癌旁组织，差异有统计学意义(P=0.021)。并随着TNM分期增加，表达也明显增加，差异也具有统计学意义(P=0.008)。因此肿瘤细胞可能与调节miR-135b表达密切联系；并且通过调节miR-135b的表达来影响结直肠癌患者的预后。因此miR-135b可以作为结直肠癌患者的预后因子。

徐学虎等[24]用实时荧光定量PCR法检测miRNA含量，结果提示miR-4770在肿瘤组织中表达下调10.306倍(P<0.01)。淋巴结转移阳性时敏感性和特异性分别为100%和83.3%，而无淋巴结转移时敏感性和特异性分别为88.89%和77.78%。表明miR-4770表达与淋巴结转移状态关系密切并呈正相关。总的来说，其可能作为判断淋巴结是否转移及复发的敏感指标。

靳慧芳等[25]选取5种不同转移能力的结直肠癌细胞株，用荧光PCR定量检测miR-30a研究miR-30a在不同分化的结直肠癌中的表达之间是否有差异。结果发现在以低度恶化的原位癌细胞系SW480为参考，侵袭性较低细胞系中的相对表达量均升高；在高度恶性的细胞系中表达最低。即miR-30a的表达抑制肿瘤细胞的侵袭能力，其过低表达可能提示预后不良。也就是说miR-30a可作为评估结直肠癌侵袭性、总生存期和预后的预测因子。

3 小结与展望

代谢组学作为一门新兴的技术对结直肠癌的诊断及治疗等方面均表现出巨大的发展潜力。通过检测体内各种代谢产物，比如糖类、氨基酸和miRNA等，可用来更早期、更敏感地诊断结直肠癌和判断预后，对诊断和治疗结直肠癌有重要意义。在今后工作中代谢组学的应用仍需更多实验和临床进一步的深入研究与探索。早期诊断和治疗结直肠癌是我们最终的愿望。我们坚信随着科学技术的不断完善，代谢组学必然会发挥更大的作用，为人类个体化治疗、精准治疗带来希望。

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Aplicationofmetabolomicsinthediagnosisofcolorectalcancer

ZHANGShanshan，WUHuaxing

Department of Endoscopy，Harbin Medical University Cancer Hospital，Harbin 150081，China

Colorectal cancer，a common malignant tumor，is a serious threat to human health.Metabolomics can effectively solve the shortcomings of the traditional ways of inspection.Metabolomics develop different metabolites to find new specific tumor markers by detecting metabolites in tissues，blood and urine of cancer patients.Compared with normal cells，tumor cells exist a number of abnormal metabolic pathways.It lays the foundation for further study of biomarkers of colorectal cancer by finding out its metabolic changes.It also shows important significance for diagnosis，evaluation of efficacy and prognosis and individual treatment.

Colorectal cancer；Diagnosis；Metabolomics；miRNA

哈尔滨医科大学附属肿瘤医院腔镜科(哈尔滨 150081)

张姗姗，女，(1986-)，硕士研究生，从事代谢组学在结直肠癌诊断中的研究。

吴华星，E-mail：107178265@qq.com

R735.3+4

A

10.11904/j.issn.1002-3070.2017.06.018

(收稿：2017-07-04)