氨基酸代谢失衡在结直肠腺瘤及结直肠腺癌中的研究进展

路丽娟，刘明浩，马 萍，王瑞玲

结直肠癌 (colorectal cancer, CRC) 是我国常见的恶性肿瘤之一。随着我国人们生活水平的不断提高和饮食习惯的改变，CRC的发病率也在逐年升高，已跃居第 3～5 位。然而，多数早期CRC可以治愈，显著优于进展期的CRC，早期CRC的5年生存率可达90%，而晚期则不足10%[1]。所以，CRC的早期诊断尤为重要。但是，目前检查手段的敏感性和特异性比较低，作为金标准的结直肠镜检查有一定风险，且不能在人群中进行大规模的筛查。随着现代技术的不断发展，寻找CRC特异代谢产物，提高CRC早期发现率，成为亟待需要解决的问题。

1 氨基酸代谢组学

代谢组学(Metabolomics，MS)是继基因组学、转录组学、蛋白质组学之后迅速发展的一门“组学”，已经有十几年的发展历史。MS比其他“组学”有更高的灵敏性。MS的特点[2]：①基因和蛋白表达的极小变化可以引起代谢产物的进一步放大。②不需要完整的基因序列或者大型的表达序列。③代谢途径少。④每种物种的代谢产物都是相似的。MS可以研究小分子物质如：氨基酸、脂肪酸、核酸、糖类等代谢通路发生的改变。这些小分子物质是基因转录和翻译的最终结果，更加容易早期发现疾病的异常代谢产物[3]。代谢组学不仅会提供小分子物质的代谢网络，而且还有助于我们发现预测和治疗肿瘤的新物质。现在越来越多的科研工作者将MS用于恶性肿瘤的研究。氨基酸在生物体液中广泛分布，并参与蛋白质，脂肪酸和酮体的合成。参与糖酵解、三羧酸循环等重要的生理过程。已经发现生物学中氨基酸水平的改变与几种疾病密切相关，如:2型糖尿病，肾脏疾病，肝脏疾病和癌症。所以开发测定氨基酸的分析方法，测定生物样品中氨基酸的浓度，可以有助于研究氨基酸的生理作用和预测疾病[4]。肿瘤细胞为了满足自身生物合成的需求，不断的需要摄取营养物质。肿瘤细胞无限制的增殖，对氨基酸的需求远大于正常组织。所以，利用氨基酸代谢失衡预测肿瘤的发生、发展及预后，检测化疗药物的不良反应是非常具有前景的工作。常用的氨基酸代谢组学技术有：气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrography, GC-MS)、液相色谱-质谱联用(liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)和毛细管电泳-质谱联用(capillary electrophoresis mass spectrometry, CE-MS)。LC-MS 集液相色谱的高效分离功能和质谱的高度灵敏性于一体，可以同时检测人体全谱氨基酸，几乎覆盖了氨基酸代谢的重要关键位点，并且检测时间短，分离度高。因此，LC-MS用于CRC代谢的研究具有充分的可能性[5-6]。

2 氨基酸代谢在肿瘤细胞中的异质性

美国的科学家Douglas Hanahan和Robert A.Weinberg在2000年总结肿瘤细胞的十大特征：①持续不断的生长信号。②抵抗生长抑制剂。③抵抗细胞凋亡。④无限制的复制。⑤诱导的血管生成。⑥组织浸润和转移。⑦逃逸机体免疫监视。⑧促进肿瘤的炎症发生。⑨基因组不稳定性和突变。⑩细胞能量异常[7]。而能量代谢异常，是新提出的特征，也是肿瘤细胞最显著的特征之一。氨基酸的代谢参与肿瘤细胞的能量代谢过程。

2.1谷氨酰胺代谢失衡 谷氨酰胺不仅是人体血液中最丰富的非必需氨基酸，也是肿瘤细胞培养基中的重要成分。谷氨酰胺是支持生存和哺乳动物生物合成的营养物质。已经证实谷氨酰胺是参与肿瘤细胞能量代谢的重要氨基酸[8]。谷氨酰胺为肿瘤细胞合成生物大分子提供碳骨架，为肿瘤细胞合成核苷酸和非必需氨基酸提供氮源，还可以维持肿瘤细胞氧化还原平衡能力，参与肿瘤细胞的信号转导[9]。Miyo等[10]发现结肠癌细胞在无葡萄糖存在的环境下，仍然可以生存，而且可以进行三羧酸循环，可以提供ATP供能。这与谷氨酰胺脱氢酶分解谷氨酰胺供能密切相关。抑制谷氨酰胺脱氢酶可以抑制肿瘤的生长。Krishnamurthy等[11]运用同位素分析方法得出：在CRC的细胞系中，谷氨酰胺是氮元素的受体，而丙氨酸、天冬氨酸和脯氨酸是癌细胞氮的供体。可能是丙氨酸、天冬氨酸和脯氨酸在转氨过程中产生了谷氨酰胺。但是，具体机制尚不明确。

2.2丝氨酸和甘氨酸代谢失衡 研究发现大多数CRC细胞系过度表达磷酸丝氨酸磷酸酶(PSPH)，PSPH可以调节丝氨酸和甘氨酸的合成，并支持结直肠癌细胞的生长[12]。丝氨酸和甘氨酸被生物合成连接，并一起提供合成蛋白质、核酸和脂类的前体物质。科研人员发现，从小鼠饮食中去除两个非必需氨基酸——丝氨酸和甘氨酸，可以减慢了淋巴瘤和肠癌的发展。丝氨酸和甘氨酸分解代谢可以产生一碳单位，一碳单位参与细胞的生物合成、氧化还原平衡、甲基化反应等重要的代谢过程，这些生理过程在肿瘤细胞中被“超活化”从而导致肿瘤的发生[13]。

3 氨基酸代谢组学在结直肠癌的应用

3.1氨基酸在筛选结直肠癌早期标记物中的应用 Montrose等[14]人对实验小鼠进行研究，发现小鼠的肿瘤组织中，丝氨酸的表达量比正常组织明显增加。Leithtle等[3]利用代谢组学的技术，对58名CRC患者和59名健康对照人群的结直肠组织进行研究，发现CRC组织中有11种氨基酸表达下降，其中甘氨酸、酪氨酸和癌胚抗原(Carcinoembryonic antigen，CEA)的组合预测CRC要优于单用CEA进行预测。该模型受试者工作特征曲线下面积(the area under the receive operating characteristic curve, AUC)0.878(95% CI：0.815～0.941)。Nishium 等[15]人对60名CRC患者和60名健康志愿者的血清标本进行代谢组学的研究建立了一个由2-羟基丁酸、天冬氨酸、犬尿氨酸和胱胺等4种物质组成的预测的模型。此模型的敏感性要优于CEA和CA199联合预测CRC。随后，Nishium对59例CRC患者和63例健康人群使用此模型进行验证，其灵敏度和特异度分别是：83.1%和81%。此外，这项研究还发现此模型对0～Ⅱ期CRC的诊断的敏感性可达82.8%。Deng等[16]人对CRC患者和结直肠息肉患者进行研究，发现酪氨酸、组氨酸、甘氨酸、谷氨酸、缬氨酸等23种代谢产物在两组之间的表达有差异。Deng等在对CRC和健康人研究时，发现苯丙氨酸、组氨酸、丙氨酸、胱氨酸在两组之间的表达有差异。

3.2氨基酸在结直肠腺瘤中的应用 Gao等[17]基于电泳-质谱的非靶向代谢组学技术来分析CRC和相应的癌旁组织，以缩小恶性相关代谢物变化的范围。该实验初步结果提示CRC起病最严重的代谢物是氨基酸。随后，他们又通过超高效液相色谱-质谱法指示的靶向氨基酸分析，发现晚期腺瘤和CRC组织中9种氨基酸含量不同。9种差异氨基酸的分析表明甲硫氨酸，酪氨酸，缬氨酸和异亮氨酸可以用于区分CRC和晚期腺瘤，具有良好的敏感性和特异性(P<0.001)，AUROC为0.991。Budhathoki等[18]在日本人群中发现支链氨基酸(branched-chain amino acids，BCAA)与结直肠腺瘤相关，尤其是亮氨酸和缬氨酸，其含量越高，结直肠腺瘤的级别越低。但是，这项研究还存在争议，而且必须调整体重指数后，才存在这种联系。还需要额外的实验来验证。Deng等[16]对健康组和结直肠腺瘤性息肉的患者进行研究，发现甘氨酸、黄嘌呤等13种代谢产物有差异，其中甘氨酸在息肉患者中的表达量下降。

3.3氨基酸在CRC分期中的应用 AJCC第八版CRC分期系统，仍以解剖学为基础[19]。但是此分类存在一定的缺陷，对存在隐性淋巴结转移的患者，难以确定。对于肿瘤Ⅱ期的患者，如果能用代谢组学的手段发现新的标记物，进一步可以确定亚组人群，也许能够给患者提供更加个体化的治疗[20]。为选择手术或者药物治疗提供更多选择的依据。Gleisner等[21]曾报道本应该归为结直肠癌Ⅱ的患者，由于淋巴结数目不足，而低估了病情。Nishiumi等[22]利用纳入CRC 0期、Ⅰ期、Ⅱ期的患者，利用代谢组学的技术发现一组新的组合(丙氨酸、羟基乙酸、色氨酸、棕榈酸、延胡索酸、鸟氨酸、赖氨酸、3-羟基异戊酸)。此组合预测CRC的特异性是99.3%，敏感性93.8%。预测0、Ⅰ、Ⅱ期肿瘤的敏感性分别是100.0%、97.5%、100.0%，特异性为100.0%、91.3%、91.7%。

3.4氨基酸在结直肠癌治疗中的作用 手术切除肿瘤病灶或者放化疗后，患者体内的肿瘤负荷会明显下降，代谢轮廓也会发生相应的改变。所以，可以通过患者治疗前后的氨基酸变化，来评估手术效果，以及监测化疗药物的不良反应。Ma等[23]人对30例CRC患者手术前后的血清氨基酸进行对比，发现L-缬氨酸、5-氧代-L-脯氨酸等7种代谢物的含量下降，而L-酪氨酸上升。但是具体的哪种氨基酸的变化更有指导意义，还需进一步研究。

4 氨基酸在结直肠癌治疗方面的应用

恶性肿瘤患者体内的炎性因子导致能量营养素代谢异常，包括：①糖代谢异常。②蛋白质代谢异常。③脂质代谢异常。这些异常的代谢使得肿瘤患者体重进行性下降。正确的使用营养素治疗，如：谷氨酰胺、亮氨酸、缬氨酸、异亮氨、精氨酸、蛋氨酸等，可以改善患者的生活质量，为结直肠癌患者放化疗的正常实施提供营养支持[24]。因为肿瘤细胞对氨基酸有特殊的需要，氨基酸及其衍生物已经用于抗肿瘤药物的研究。如：5-氟尿嘧啶氨基酸衍生物[12,25]，精氨酸及精氨酸降解酶的抗肿瘤药物[26]、针对氨基酸转运体开发的药物[27]、针对蛋氨酸酶开发的药物[28]、大黄酸与不同的氨基酸赘生物一起可以合成20个尚未报道的抗肿瘤药物[29]。另外，氨基酸作为现有的抗肿瘤药物的前体，可以改善原有药物溶解度差，通透性差的缺点。还可以保证抗肿瘤药物可以持续释放，针对肿瘤病灶靶向运输，使药物更加稳定[30]。

5 氨基酸代谢在结直肠癌的应用前景

氨基酸代谢存在生物体的各个细胞中，具有参与蛋白质合成，为核酸、脂质的合成提供基团等作用，其代谢异常诱发机体生理功能的紊乱。肿瘤细胞的恶性发展，与氨基酸代谢失衡密切相关。

基于能量代谢发展起来的18氟-脱氧葡萄糖-正电子发射断层扫描(18fluorodeoxyglucose-positron emission tomography，18FDG-PET) 已经应用于临床，但是它对脑肿瘤组织的特异性比较低。随着代谢组学技术的发展，肿瘤细胞氨基酸代谢的神秘面纱逐渐被揭开。基于肿瘤细胞对某种氨基酸的高度摄取，也许可以克服18FDG-PET的局限性，发现更多的早期肿瘤[31]。

氨基酸代谢组学是怎样从大量代谢物中筛选出准确度、灵敏度高的特异性肿瘤标志物, 是决定其能否在临床上广泛应用的一个重要因素。个体的代谢差异会受到年龄、性别、环境、饮食、生活方式、工作压力等的影响。能否准确的区分引起代谢图谱改变的来源，是目前存在的瓶颈。选择适合的氨基酸提取试剂，多种氨基酸联合诊断或者与糖类、脂质的代谢产物联合诊断CRC，也许对CRC的早期筛查更有意义。多项代谢组学技术的联用可以检测出重叠的生物候选的标记物，也是将来发展的一个方向。阻止氨基酸代谢的某条途径，也许可以作为抗肿瘤药物研发的新方向，但是，某些肿瘤细胞和正常细胞存在相同的代谢通路，如何区分出异常的代谢通路，还存在一定的挑战。

[1] 李鹏,王拥军,陈光勇,等.中国早期结直肠癌及癌前病变筛查与诊治共识[J].中国实用内科杂志,2015,35(3):211-227.

[2] Peng B, Li H, Peng X X. Functional metabolomics: from biomarker discovery to metabolome reprogramming[J].Protein Cell, 2015,6(9):628-637.

[3] Leichtle A B, Nuoffer J M, Ceglarek U,etal. Serum amino acid profiles and their alterations in colorectal cancer[J].Metabolomics, 2012,8(4):643-653.

[4] Song Y, Xu C, Kuroki H,etal. Recent trends in analytical methods for the determination of amino acids in biological samples[J].J Pharm Biomed Anal, 2018,5(147):35-49.

[5] 马萍，刘明浩，马晓冰，等.基于液相色谱-串联质谱技术的氨基酸代谢组学在结直肠癌研究中的应用[J].中华胃肠内镜电子杂志,2015,2(2):9-12.

[6] Becker S, Kortz L, Helmschrodt C,etal. LC-MS-based metabolomics in the clinical laboratory[J].J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci, 2012,(883-884):68-75.

[7] Hanahan D, Weinberg R A. Hallmarks of Cancer: The Next Generation[J].Cell, 2011,144(5):646-674.

[8] Pavlova N N, Thompson C B. The Emerging Hallmarks of Cancer Metabolism[J].Cell Metabolism, 2016,23(1):27-47.

[9] 苏兰鸿，孙林冲，高平.肿瘤的氨基酸代谢变化及其意义[J].中国生化药物杂志,2016,36(9):6-10.

[10] Miyo M, Konno M, Nishida N,etal. Metabolic Adaptation to Nutritional Stress in Human Colorectal Cancer[J].Sci Rep, 2016,6(1):38415.

[11] Krishnamurthy R V, Suryawanshi Y R, Essani K. Nitrogen isotopes provide clues to amino acid metabolism in human colorectal cancer cells[J].Sci Rep, 2017,7(1):2562.

[12] Li X ,Xun Z, Yang Y. Inhibition of phosphoserine phosphatase enhances the anticancer efficacy of 5-fluorouracil in colorectal cancer[J].Biochem BiophylRes Commun, 2016,477(4):633-639.

[13] Locasale J W. Serine, glycine and one-carbon units: cancer metabolism in full circle[J].Nat Rev Cancer, 2013,13(8):572-583.

[14] Montrose D C, Zhou X K, Kopelovich L,etal. Metabolic profiling, a noninvasive approach for the detection of experimental colorectal neoplasia[J].Cancer Prev Res (Phila), 2012,5(12):1358-1367.

[15] Nishiumi S, Kobayashi T, Ikeda A,etal. A novel serum metabolomics-based diagnostic approach for colorectal cancer[J].PLoS One, 2012,7(7):e40459.

[16] Deng L, Gu H, Zhu J,etal. Combining NMR and LC/MS Using Backward Variable Elimination: Metabolomics Analysis of Colorectal Cancer, Polyps, and Healthy Controls[J].Anal Chem, 2016,88(16):7975-7983.

[17] Gao P, Zhou C, Zhao L,etal. Tissue amino acid profile could be used to differentiate advanced adenoma from colorectal cancer[J].J Pharm Biomed Anal, 2016,118:349-355.

[18] Budhathoki S, Iwasaki M, Yamaji T,etal. Association of plasma concentrations of branched-chain amino acids with risk of colorectal adenoma in a large Japanese population[J].Ann Oncol, 2017,28(4)818-823.

[19] 刘荫华,姚宏伟,周斌,等. 美国肿瘤联合会结直肠癌分期系统(第8版)更新解读[J].中国实用外科杂志,2017,37(1):6-9.

[20] Farshidfar F, Weljie A M, Kopciuk K A,etal. A validated metabolomic signature for colorectal cancer: exploration of the clinical value of metabolomics[J].British Journal of Cancer, 2016,115(7):848-857.

[21] Gleisner A L, Mogal H, Dodson R,etal. Nodal status, number of lymph nodes examined, and lymph node ratio: what defines prognosis after resection of colon adenocarcinoma?[J].J Am Coll Surg, 2013,217(6):1090-1100.

[22] Nishiumi S, Kobayashi T, Kawana S,etal. Investigations in the possibility of early detection of colorectal cancer by gas chromatography/triple-quadrupole mass spectrometry[J].Oncotarget, 2017,8(10):17115-17126.

[23] Ma Y, Liu W, Peng J,etal. A pilot study of gas chromatograph/mass spectrometry-based serum metabolic profiling of colorectal cancer after operation[J].Mol Biol Rep, 2010,37(3):1403-1411.

[24] 李素云,唐振闯.氨基酸在肿瘤免疫营养治疗中的应用及思考[J].肿瘤代谢与营养电子杂志,2015,2(3):19-22.

[25] 卓仁禧,范昌烈,赵儒林.含5-氟尿嘧啶的氨基酸衍生物的合成及其抗肿瘤活性研究[J].高等学校化学报,1986,7(6):508-512.

[26] Stasyk O V, Boretsky Y R, Gonchar M V,etal. Recombinant arginine-degrading enzymes in metabolic anticancer therapy and bioanalytics[J].Cell Biol Int, 2015,39(3):246-252.

[27] Bhutia Y D, Babu E, Ramachandran S,etal. Amino Acid Transporters in Cancer and Their Relevance to "Glutamine Addiction": Novel Targets for the Design of a New Class of Anticancer Drugs[J].Cancer Res, 2015,75(9):1782-1788.

[28] Sharma B, Singh S, Kanwar S S. L-Methionase: A Therapeutic Enzyme to Treat Malignancies[J].BioMed Res Inte, 2014,(2014):1-13.

[29] 周昌健,谢建伟,张洁.大黄酸-氨基酸缀合物的合成及初步抗肿瘤活性研究[J].有机化学,2017,37(1):122-132.

[30] Balvinder S, Vig K M H B. Amino acids as promoieties in prodrug design and development[J].Advanced Drug Delivery Reviews, 2013,65(10):1370-1385.

[31] 聂大红,唐刚华.肿瘤氨基酸代谢PET显像研究进展[J].同位素,2015,28(4):214-224.