能量代谢紊乱在结直肠癌中的研究进展

陈康部，李岳桓

结直肠癌(colorectal Cancer，CRC)是大肠黏膜上皮和腺体发生的恶性肿瘤，根据发病部位分为结肠癌和直肠癌，是常见的消化道肿瘤之一。研究表明，全球范围内，结直肠癌的发病率和死亡率位居恶性肿瘤第三位，仅次于肺癌、乳腺癌[1]。随着人们生活水平不断提高，饮食结构发生了巨大改变，结直肠癌的发病率和死亡率呈现不断上升的趋势，且近年来年轻化趋势发展明显，给居民健康及社会发展造成严重威胁[2]。结直肠癌发病受到多种因素的综合影响，其发病机制尚不十分明确，危险因素包括遗传和环境两个方面，随着分子生物学、遗传学和生物技术的发展，结直肠癌的分子遗传学特征逐渐被人们所了解。目前普遍认为结直肠癌发病是一个涉及多基因、多步骤、多阶段的复杂过程，这限制了以单一影响因素为对象来研究其发病机制[3]。代谢组学以其高通量、高灵敏度、高精确度的优势，在肿瘤个体化治疗的研究中显示出了巨大的潜力和价值，通常以机体内某个代谢组为研究对象，可以反映某种病理状态下生物体的瞬间概况，揭示整体性代谢变化，尤其适用于涉及多组分、多通路、多种机制的研究，在复杂的疾病机制研究中展现出特有的优势[4-6]。

1 代谢组学技术及其应用

代谢组学(Metabonomics)作为系统生物学的重要分支，继基因组学、转录组学及蛋白质组学之后迅速兴起，并广泛应用于生物学和医学相关的众多领域[7]。代谢组学以机体内代谢终产物为研究对象，反映的是机体现存状态下，多种因素综合作用的表征结果，能够评估机体在一定条件下的整体状态。是一门“在新陈代谢的动态进程中，系统研究代谢产物的变化规律，揭示机体生命活动代谢本质”的科学，能够更直接、准确地反映机体的病理生理状态[8]。

代谢组学作为基因组、转录组和蛋白组的延伸和终端，能够更直接、更准确地反映生物体的病理生理状态，主要研究机体内代谢底物及分子量小于1 000的小分子物质，如氨基酸、寡肽、糖类、类固醇、胆汁酸、脂肪酸以及代谢途径中的中间产物，可以检测代谢通路以及信号通路中的分子[9]。代谢组学研究流程一般包括样品处理、样品分析、数据处理、代谢通路分析等，其中代谢通路分析主要为对组间差异性代谢物进行生物学辨识，映射至KEGG、Biocyc/Human Metabolome Database等与代谢通路相关的数据库，寻找差异性代谢物在代谢通路中的具体位置，以期解释病理过程中代谢网络之间的调控过程[10]。在临床研究中主要涉及筛选潜在生物标志物、探讨疾病发病机制、疾病诊断、治疗和预后判断等[11-12]。

2 代谢组学与恶性肿瘤

人体的代谢是一个永不停息的过程，任何疾病的发生发展都会影响机体代谢特征，引起体内代谢产物的变化。比较机体在生理和某种疾病状态下的代谢产物的差异，可以找到与疾病诊断相关的一组生物标志物，进一步寻找差异性代谢物所在的代谢通路，从而探索疾病的发病机制[13]。利用代谢组学技术手段，研究机体不同状态下代谢物图谱的差异，从而展现与机体生理发展变化相关的整体功能的完整信息，可用于疾病的诊断、分型、发病机制探讨。

近年来，代谢组学技术已成为恶性肿瘤疾病诊断、发病机制、分期及预后判断等研究的重要技术手段，用系统生物学的思想研究机体内代谢产物的变化规律被广泛接受[14-15]。对肿瘤代谢表型图谱的研究有助于人们了解肿瘤发生、发展以及致死的机制，临床中这些代谢图谱可以作为发病机制、肿瘤诊断、预后以及治疗的评判标准。

肿瘤的发生和发展可促使细胞的代谢网络发生变化，导致出现细胞异常增殖丧失了正常生长规律。与机体正常细胞相比，有关肿瘤细胞糖类、脂肪、蛋白质、核酸等的合成和分解代谢与正常组织有差异，反映机体产生和排出代谢产物的变化，其代谢产物水平出现特征性改变[16-17]。代谢组学分析有助于更好地理解肿瘤的发生发展过程以及机体内物质的代谢途径，可以发现具有肿瘤表征特征的较全面的生物标志物。

3 代谢组学技术在结直肠癌能量代谢紊乱研究中的应用

有机体在物质代谢过程中能量的释放、转换和利用过程称为能量代谢。近年来，能量代谢紊乱在结直肠癌的发生发展中的作用及机制逐渐受到人们的重视[18]。肿瘤细胞在生长过程中，由于组织增殖过快造成局部组织严重缺氧和能量代谢不平衡。结直肠癌是一种消化系统恶性肿瘤，患者体内存在能量代谢异常，新陈代谢率和消耗总量明显增加，对营养物质的消化、吸收、利用率明显降低。

葡萄糖的无氧降解和有氧呼吸生成ATP，成为提供机体能量来源的主要方式。脂肪酸的β氧化以及氨基酸、固醇类等物质通过分解代谢生成葡萄糖有氧呼吸的底物，也可以生成大量ATP以供机体进行正常能量代谢[19]。肿瘤的发生发展与能量代谢密切相关，肿瘤细胞能量代谢异常是肿瘤组织区别于正常组织的重要特征。

3.1 糖代谢紊乱与结直肠癌

葡萄糖在机体内的代谢分为无氧呼吸和有氧呼吸两个途径，前者是糖酵解(glycolysis)过程，后者为三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA循环)[20]。

糖酵解是葡萄糖利用的主要途径，能在无氧条件下为机体提供ATP，保证机体在氧气供应不足的情况下的能量供应。这个过程分为四个阶段：磷酸己糖的生成、磷酸丙糖的生成、3-磷酸甘油醛转变为2-磷酸甘油酸、丙酮酸生成。代谢组学研究中，若发现试验组样本中丙酮酸和乳酸等物质代谢异常，则提示可能与糖酵解途径有[21]关。TCA循环是葡萄糖在线粒体内进行的连续有氧氧化反应，该过程的关键化合物是柠檬酸，也称为柠檬酸循环。TCA循环在能量代谢过程中起着非常重要的作用，是机体获取能量的主要方式，也是体内主要有机物在体内彻底氧化的共同代谢途径。其反应过程包括柠檬酸，异柠檬酸，α-酮戊二酸，琥珀酰辅酶A，延胡索酸的生成，底物磷酸化产生ATP，延胡索酸水化以及草酰乙酸的再生等。代谢组学研究中，若试验组样本发现TCA循环底物异常，则提示该病理可能与机体能量代谢途径紊乱有关[22]。此外，因肿瘤细胞的特异性，磷酸戊糖途径和果糖途径的的代谢失衡也会导致能量代谢紊乱。

20世纪中叶，德国生化和生理学家Warburg等人发现在肿瘤细胞中，相对于氧化磷酸化，葡萄糖更倾向于经糖酵解的途径进行代谢从而产生更多ATP。有些肿瘤细胞在供养充足的情况下也优先选择糖酵解途径提供能量，以满足其快速增值的能量需求，这一现象被称为Warburg效应[23-24]。

谭斌斌等[25]人利用GC-TOFMS和UPLC-QTOFMS检测平台对CRC患者血清和尿液内代谢物进行分析，并探讨其生物学意义。研究显示，CRC患者血清代谢组学研究中，试验组血清中丙酮酸水平显著高于健康对照组。同时也发现，CRC患者血清内乌头酸和延胡索酸显著下调，提示患者体内TCA循环受损。也有文献报道CRC患者血清及肿瘤组织中乳酸水平异常增加，这两种代谢物质的水平在体内显著增加提示CRC患者体内糖酵解反应的加剧。上调的糖酵解与下调的TCA循环相对应，体现出CRC患者体内以糖代谢失衡为特点的能量代谢紊乱。

Yan Lin[26]等人采用核磁共振技术(NMR)对结直肠癌患者及健康人粪便进行代谢组学研究，并对组间差异性代谢物进行模式识别判别分析(OPLS-DA)。结果显示，相对于健康人，CRC患者粪便内乳酸和琥珀酸含量明显升高，而葡萄糖含量显示含量降低，这提示CRC患者体内糖代谢出现异常改变，从而影响机体的供能途径，导致能量代谢紊乱。

3.2 脂质代谢异常与结直肠癌

脂质包括脂肪酸与各种不同的醇类形成的酯，如酰基甘油酯、简单脂肪酸等。脂质是一类重要的生物大分子，在机体内发挥多种重要功能，除了作为细胞结构组成部分，也能为机体代谢提供能量，是代谢组学研究的重要组成部分[27]。脂肪酸β氧化是体内脂肪分解的主要途径，不仅能为机体提供能量，还能生成大量乙酰辅酶A作为机体化合物生成的中间原料，如果脂肪酸氧化不完全，可生成大量酮体等中间代谢产物。

Nishiumi S等[28]人采用气相色谱-三重串联四极杆质谱法(GC-MS/MS)对处于不同分期阶段的CRC患者和健康人血浆进行代谢组学分析，结果表明，CRC患者体内棕榈酸及胆固醇含量明显低于正常组。棕榈酸在体内与炎症的发生密切相关，从而改变相关组织细胞内的能量供应状态。Goedert等[29]人采用HPLC-MS/MS 技术对48例结直肠癌患者、102例健康人以及48例未知质控样本的冻干粪便样本进行代谢组学分析，结果显示棕榈酰鞘磷脂在CRC患者组呈现上调，反应了CRC患者体内脂质代谢异常，可能会造成机体能量代谢失衡。Uchiyama K等[30]采用电喷雾电离飞行时间质谱联用(CE-TOFMS)分析技术对CRC患者(n=59)和对照组(n=60)进行血清代谢组学研究，结果显示两组样本之间苯甲酸、辛酸、癸酸等脂肪酸具有显著差异，这提示CRC患者体内脂肪酸代谢发生异常改变，从而引起体内能量代谢失衡。

Liesenfeld DB等[31]人应用GC-TOFMS技术对结直肠癌患者和健康人内脏及皮下脂肪组织进行代谢组学研究。结果显示，相比与皮下脂肪组织，CRC患者内脏组织内高分子量甘油酯及鞘磷脂均呈现上调，这提示CRC患者体内脂质代谢紊乱，与之前报道的肥胖与结直肠癌的发病呈正相关的结果一致。

江孔梅[32]对不同转移潜能的直肠癌癌症细胞系进行脂质组学研究，结果显示，随着结直肠癌细胞系转移能力的增加，大多数的脂质种类包括各类磷脂、鞘脂、TG、DG 的含量都呈现下降趋势，其中含C18:1的鞘脂的含量变化有统计学意义。对主要脂肪酸侧链的相对含量进行比较分析发现大部分的脂肪酸侧链(包括多不饱和脂肪酸 C18:3、C20:4、C20:5、C22:6 在内)的含量随着转移能力的增加呈下降趋势，并且 C16:0 的含量降低有统计学意义，这提示在结直肠癌发生发展过程中需要消耗更多的能量和脂肪酸。在代谢通路分析中涉及到鞘脂代谢、甘油磷脂代谢、脂肪酸代谢、甘油酯代谢等。

3.3 氨基酸代谢失衡与结直肠癌

氨基酸作为细胞结构及功能成分，几乎存在于所有类型细胞内。游离氨基酸可通过转氨作用生成有机酸类物质，再通过分解代谢作用生成TCA循环的底物，作为能量来源，机体内氨基酸代谢失衡也会引起能量代谢紊乱[33]。谷氨酰胺(glutamine，Gln)作为氮的主要运输形式，循环过程中半数以上的氨基酸都是谷氨酰胺，苯丙氨酸大多依赖四氢蝶蛉转化为酪氨酸[34]。

李丹等[35]人采用气相色谱飞行时间质谱分析法研究肠癌组织内代谢物质的变化，对人类结直肠癌代谢通路变化整合分析，结果显示，谷氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、精氨酸、脯氨酸、赖氨酸、蛋氨酸代谢表现增强，而大多数氨基酸的降解途径表现被抑制。此外，氨基磷酸脂代谢、D-谷氨酸和D-谷氨酸盐代谢表现较高的活性。这与之前大多数研究结果一致，在正常细胞中，谷氨酰胺是一种非必需氨基酸，被用来合成必需氨基酸、多肽蛋白质以及为机体提供必需的氮源。而在癌细胞则相反，分泌大量的谷氨酸盐分解的碳-氮碎片作为代谢废物而不是利用其进行其他物质的合成。

沙丽娜等[36]人以大肠癌患者的血液、尿液标本和与其配对的健康者血液、尿液为研究对象，利用高效液相色谱-质谱技术(LC-MS/MS)检测分析，比较两组之间的代谢产物氨基酸表达情况差异，寻找与大肠癌发生相关的氨基酸。结果表明，CRC患者体内天冬酰氨、半胱氨酸代谢物水平呈明显上升趋势，亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、缬氨酸、异亮氨酸代谢物水平呈明显下降趋势，提示在CRC患者体内氨基酸代谢失衡，可能影响机体的能量供应。

Nishiumi S等[37]通过对CRC患者和健康对照者血清样本进行代谢组学分析，表明CRC患者代谢物中犬尿氨酸、胱氨酸、半胱氨酸水平上调，而且早期较进展期上调水平显著，说明肿瘤的侵袭及转移与色氨酸代谢、半胱氨酸代谢途径具有较高关联性。用电喷雾串联质谱法高度标准化的CRC患者和对照组的血清样本进行检测，并比较与传统方法在CRC诊断中的效果，发现血清甘氨酸、酪氨酸与CEA 结合在鉴别大肠癌患者和对照组方面优于CEA 的单独应用[38]。这提示，患者体内氨基酸代谢异常可以辅助CRC的早期诊断，也为研究疾病的发病机制提供理论依据。

4 总结与展望

目前，结直肠癌的发病机制尚不十分明确，限制了为患者提供最好的临床治疗策略，以及最合理的靶向药物的应用。结直肠癌患者体内能量代谢紊乱是研究者普遍接受的一个观点，生物体内主要以糖类、脂质以及氨基酸这三种有机物的分解代谢作为能量来源。结直肠癌因发病机制复杂，很难考察体内单一物质的影响，代谢组学在复杂疾病机制研究中具有其特殊优势，能够将代谢物含量变化与生物表型变化建立直接相关性。

利用代谢组学技术手段研究患者体内能量代谢紊乱机理，找到与病理状态相关的代谢通路，可以为临床诊断提供一种具有潜能的分子生物学检测方法，能够为研究结直肠癌的发病机制、肿瘤标志物的筛选、早期诊断、以及设计基于能量代谢通路的靶向药物和个体化治疗方案提供依据。相信在可以预见的将来，临床能够为结直肠癌患者患者提供基于肿瘤细胞能量代谢的合理“饥饿疗法”，制订个体化治疗策略。