胃癌代谢组学研究进展

仙晴颖 吴骏 鲁露 燕海姣 王琦 朱丹霞

代谢组学是系统生物学的组成部分，其效仿基因组学、转录组学和蛋白质组学的研究思想，运用代谢图谱、代谢指纹图谱和代谢足迹分析方法对生物体内小分子代谢物（大多为相对分子量1 000左右的代谢物）进行定性定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方式［1］。近年来，从代谢组学着手研究癌症的发病机制及其对预防癌症发生、发展、转移的效果备受期待，代谢组学目前主要用于一些常见癌症诊断或预后标志物检测、疾病代谢通路研究、揭示疾病相关机制，增进对药物反应表型的理解、通过生物通路中的细微改变发现不同生理状况和异常过程中的机制［2⁃3］等，较常用的检测物为患者尿液、血浆、血清、病理组织、组织液、细胞等。全球范围内，胃癌发病率居恶性肿瘤发病第三位［4］，是最常见的消化道肿瘤。而提高早期诊断率是降低胃癌死亡率最有效的方法，早期确诊患者的5年生存率接近90%［5］。但由于胃癌缺乏早期诊断标志物和明显症状，易漏诊和误诊。胃癌患者机体发生癌变后，往往伴随着机体的正常代谢功能异常，包括糖代谢、氨基酸代谢、脂类代谢、核苷酸代谢以及微生物代谢等，因此探索胃癌代谢物质变化有助于确定更加高效的胃癌标志物以及从中找到有效的靶点。本文主要综述近年来胃癌代谢组学相关研究进展。

1 糖代谢

葡萄糖是细胞生物合成和能量产生的主要碳源［6］。细胞中普遍存在糖代谢，有氧条件下正常细胞的葡萄糖在胞质中形成丙酮酸，丙酮酸经过线粒体完成三羧酸循环，最终生成水和二氧化碳以及机体所需的ATP，而癌细胞代谢较正常细胞“活跃”，增加的葡萄糖消耗促进了需氧糖酵解，需氧糖酵解在有氧条件下仍使丙酮酸转化为乳酸，癌细胞中的这种糖代谢改变也被称为“Warburg效应”［7⁃8］。目前研究发现“Warburg效应”与胃癌发生、侵袭、转移、抗药性以及预后有密切联系［9］。大多数癌症标志物的产生都是“Warburg效应”的结果，由于氧化磷酸化代谢损伤，ATP浓度降低，为了补偿这种能量损失，机体会代偿性增加葡萄糖吸收、无氧糖酵解和上调磷酸戊糖途径，从而增加生物合成、细胞分裂和局部压力。这种局部压力的增加会导致肿瘤分形，同时成纤维细胞分泌胶原蛋白并在肿瘤转移中发挥不可替代的作用。在一些侵袭性较强的肿瘤类型中，还会出现细胞内线粒体消失现象，这是由于ATP浓度降低而导致线粒体肿胀以至于消失［10］。在有氧条件下，胃癌细胞将丙酮酸转化为乳酸后，产生的ATP效率较低，但会产生大量供细胞增殖的中间产物［11］，因此癌细胞较正常细胞增殖更快。其次，需氧糖酵解过程中会产生大量的乳酸从而形成酸性环境，细胞外基质在这种环境下变得不稳定，从而促进肿瘤细胞转移［12］。此外，乳酸大量增多也有利于肿瘤血管形成［4］。有研究报道，在非糖尿病情况下，血糖水平与癌症死亡率呈正相关，且葡萄糖耐受不良的癌症患者潜在死亡率也增加［13］，同时患糖尿病和胃癌的患者体内的高血糖状态会促进胃癌细胞增殖以及降低对化疗药物的敏感性［14］。不仅如此，糖酵解转录调节因子和糖酵解相关蛋白与癌症患者的预后有明显相关性，因此糖酵解状态也可能是预后的潜在生物标志物［15］。

2 氨基酸代谢

氨基酸是人体重要的营养物质，可用于人体生物合成，同时氨基酸也是肿瘤细胞增殖过程中的重要营养素，在许多恶性肿瘤细胞中氨基酸转运会明显增加［16］。例如，在癌细胞中，通常需要消耗大量的丝氨酸和谷氨酰胺［17］。氨基酸常存在于血液中，在正常情况下处于动态平衡中，但当机体处于疾病状态时，氨基酸水平也会出现相应变化［18］，所以血液中氨基酸的水平可能是各种疾病风险的潜在指标［19］。在癌症早期阶段，由于血管生成不足，癌组织生长迅速且营养物质缺乏，癌细胞高度依赖于需氧糖酵解获取能量，一旦出现葡萄糖缺乏，就会出现癌细胞自噬，自噬之后会产生氨基酸，虽然自噬会增加癌细胞凋亡和死亡，但是在营养物质缺乏的情况下，癌细胞可能通过这种方式增强自身储备能力从而支持自身生存。有实验证明，非必需氨基酸可以代替葡萄糖成为正在经历葡萄糖缺乏的癌细胞的新能源［20］。血浆氨基酸代谢谱可用于鉴别胃溃疡和胃癌，有研究报道，胃癌组血浆中的鸟氨酸、甘氨酸和赖氨酸水平较胃溃疡组升高，而谷氨酰胺、组氨酸、精氨酸和色氨酸水平降低［21］。也有学者报道，相较于正常对照组，胃癌组的糖酵解、三羧酸循环、谷氨酰胺分解、丝氨酸合成、酮体生成、胺酸代谢以及胆碱代谢等代谢途径均受到不同程度的干扰，并鉴定出了可用于区分胃癌组织的代谢物，其中包括异亮氨酸、乳酸、谷氨酸、谷胱甘肽、氧化三甲胺、4⁃羟基苯基乳酸、酪氨酸、苯乙酰谷氨酰胺、次黄嘌呤、瓜氨酸、缬氨酸、乙酰乙酸和甲胺等13种代谢物，且其水平会随着胃癌进展而变化［22］。也有研究认为胃液游离氨基酸代谢谱可用于筛选早期胃癌生物标志物，在胃癌组和非胃癌组中共筛选出14种氨基酸，相较于非胃癌组，胃癌组的苏氨酸、丝氨酸、丙氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸和精氨酸浓度显著升高，而磷酸丝氨酸、磷酸乙醇胺和尿素浓度明显下降［23］。在诊断尚不明确但高度怀疑胃癌的患者中，5⁃氨基乙酰丙酸（ALA，原卟啉IX的前体，是一种天然的氨基酸衍生物）诱导的原卟啉IX光动力学诊断可以在术中确诊胃癌，尤其对检测腹膜弥散和淋巴结转移具有较高的灵敏度和准确性［24］。ALA不仅可以用作诊断剂，还可以作为胃癌的光动力疗法（PDT）治疗药物，外源使用ALA后，正常细胞中ALA会被代谢为血红素，只有癌细胞中才会特异性积聚原卟啉IX，在蓝光照射下原卟啉IX呈现红色荧光并形成单态氧（激发态氧分子），这种单态氧可与癌细胞内的某些成分发生反应，从而造成癌细胞损伤［25］。此外，ALA用于诊断和治疗还可以有效降低长期复发率［26］。氨基酸也可以作为胃癌切除术后缺乏维生素B12的早期诊断指标，如甲基丙二酸（MMA）和同型半胱氨酸水平升高可以预示患者可能存在维生素B12缺乏，且MMA的敏感性较同型半胱氨酸更强［27⁃28］。还有研究报道，氨基酸索引癌症筛查（AICS）中，以血浆游离氨基酸（PFAA）水平为主要检测物的癌症筛查方式可有效评估癌症发病率，具有较高的敏感性，可用于各种癌症的早期检测，而PFAA的改变也可能与局部癌组织代谢改变、远端器官代谢改变诱导以及机体免疫系统参与有关［29］。

3 脂类代谢

癌细胞在人体内的生存依赖脂质，在多种癌症微环境中都发现积累的脂滴［30］，而脂滴有望成为化学抑制剂阻断肿瘤相关巨噬细胞体外极化和体内肿瘤生长的有效靶点［31］，脂肪酸代谢相关蛋白质也有可能成为早期胃癌的诊断标志物［32⁃33］。我国居民饮食中的饱和脂肪酸（SFA），单不饱和脂肪酸（MUFA），总胆固醇的高摄入与胃癌发生有关［34］。也有研究报道，相较于非癌症组，癌症患者血清中的游离脂肪酸水平明显升高，且会增加患癌风险［35］。胃癌组织中的脂肪酸2⁃羟化酶也较正常组织低，而脂肪酸2⁃羟化酶可抑制肿瘤生长，并增强胃癌对顺铂的敏感性［36］。脂肪酸2⁃羟基化酶还可催化长链脂肪酸的第2个碳原子，并引入手性羟基基团，形成2⁃羟基化脂肪酸（2⁃OHFAs），而2⁃OHFAs也有潜在的抗肿瘤活性，已有研究将其作为胃癌新药用于提高患者对顺铂的敏感性［37］。此外，胃癌易发生大网膜转移，而脂肪酸氧化受网膜脂肪细胞调节，一旦患者机体内的脂肪酸氧化增强，会促进胃癌的网膜转移［38］，而在胃癌能量代谢中脂肪酸氧化是增加的［39］。脂肪酸氧化在间充质干细胞介导的胃癌患者化疗耐药性中也起着重要作用，有研究表明脂肪酸氧化抑制剂联合化疗药物可以提高患者的化学耐药性［40］。此外，晚期胃癌患者通常伴有恶病质，有研究发现，在胃癌患者中TNF和IL⁃6介导的慢性炎症可能促进恶病质的发生，在恶病质早期，血清TNF与血清游离脂肪酸（FFA）呈正相关，在早期和晚期癌症恶病质中，血清IL⁃6与FFA也呈显著正相关［41］，说明恶病质可能与脂质代谢存在关联，但具体机制尚不明确。

4 核苷酸代谢

肿瘤细胞的核苷酸代谢明显高于正常细胞，这说明肿瘤细胞遗传物质的复制和转录明显增强，也为肿瘤细胞增殖和转移提供了有利条件。核苷酸的合成可以确保DNA及时复制，对肿瘤细胞增殖至关重要，也是癌症代谢的关键要素之一［42⁃43］。核苷酸的合成依赖于一碳代谢，机体细胞生成一碳单元并将其用于重要的生物合成反应和甲基化反应，而有效地抑制机体内异常的一碳代谢可以有效阻断癌症发生发展过程［44］。其中，叶酸循环就是一碳代谢中的一种类型，传统的叶酸拮抗剂甲氨蝶呤对叶酸代谢途径进行靶向攻击，在一定程度上减少了急性白血病儿童的白血病细胞数量［45］。5⁃氟尿嘧啶（5⁃FU）也可以通过破坏嘧啶稳态诱导核苷酸代谢改变［46］。肿瘤细胞中往往含有高浓度的嘌呤代谢物，嘌呤代谢也会相应增强，而嘌呤是所有DNA和RNA的必要成分，嘌呤代谢是通过嘌呤核苷酸合成和降解从而维持腺苷酸和鸟苷酸稳定［47］。有学者认为，腺苷与自身特异性的G蛋白偶联受体相互作用，可以减弱机体对肿瘤的免疫反应，抑制CD8+T细胞和自然杀伤细胞的浸润和功能［48］。也有学者认为腺苷可以通过某些内在和外在途径诱导胃癌细胞凋亡，因此认为充分了解腺苷的下游靶分子有利于建立针对胃癌的化学疗法［49］。与核苷酸相关的蛋白质也参与胃癌的发展过程，如烟酰胺核苷酸转氢酶参与了胃癌的生长、肺转移和腹膜扩散［50］。

5 代谢组学与微生物代谢

一直以来，幽门螺杆菌都被认为是胃癌发展的主要危险因素［51］，通常会导致慢性胃炎、萎缩性胃炎、肠上皮化生、异型增生和胃癌等一系列病理变化［52］。据统计，74.4%～89.0%的胃癌与幽门螺杆菌有关［53］。幽门螺杆菌是一种革兰氏阴性、螺旋形、游动、弯曲的鞭毛状变形杆菌，能在胃的酸性环境中生存［54］。有研究报道，以细胞毒素相关基因A（幽门螺杆菌的主要毒力因子之一）阳性的幽门螺杆菌株感染人胃癌细胞株AGS，采用气相色谱/质谱（GC/MS）代谢组学方法分析感染AGS细胞的代谢产物，2 h后感染细胞的天冬酰胺水平显著低于相应的未感染细胞；6 h后2⁃氨基甲酸、柠檬酸+异柠檬酸、缬氨酸和苹果酸含量显著高于未感染的AGS细胞，而天冬酰胺和1，6⁃脱水葡萄糖含量显著低于未感染的AGS细胞；12 h后柠檬酸+异柠檬酸、丝氨酸、甘氨酸、苏氨酸、牛磺酸、缬氨酸和2⁃氨基乙醇含量显著高于未感染的AGS细胞，可见在幽门螺杆菌感染的AGS细胞中，糖酵解、三羧酸循环和相关的氨基酸代谢途径均表现出特征性变化［55］。还有研究以幽门螺杆菌26 695株感染人胃癌细胞株AGS，用代谢组学方法分析感染的AGS细胞代谢途径的变化，结果发现与谷胱甘肽周期相关的代谢物被下调［56］。此外，研究发现根除幽门螺杆菌会影响宿主能量和脂质代谢［57］。因此认为，感染或根除幽门螺杆菌对机体代谢都存在影响，但是感染幽门螺杆菌的代谢变化可以为根除幽门螺杆菌的疗效提供见解。近期还有研究发现独特的微生物不仅可以调节化学药物的药效，上皮屏障及微生物生态系统之间的共生，对局部和远处免疫系统也有重大影响，并且显著影响癌症患者的临床结局［58］。

6 小结

胃癌细胞增殖和转移快，各种代谢过程也较正常细胞旺盛，其中机体的糖代谢、氨基酸代谢、脂质代谢、核苷酸代谢、微生物代谢等代谢过程也会出现特异性改变，从而出现特异性代谢物增多或减少，甚至出现新的代谢物，而这种异常的代谢物有望作为胃癌生物标志物。现阶段虽然胃癌尚未发现特异性和灵敏性较理想的标志物，但是采用多种代谢物联合检测具有良好的应用前景，这些代谢过程也可以作为治疗胃癌的靶点，未来通过寻找上游或下游靶点扰乱肿瘤细胞的代谢过程，有望阻断胃癌进一步发展，也为靶向治疗提供思路。但是代谢组学是一门新兴的科学，人类代谢组学数据库（HMDB）尚未完善，研究数据尚无法精准比对。而且，目前大多代谢组学相关研究是单次测定相关代谢物较正常对照组的区别，尚不能测定相关代谢物在机体的连续变化，而随着肿瘤不断进展，相关代谢物可能呈现与之前测定结果完全相反的趋势，因此定期随访对于代谢组学研究至关重要，是寻找有意义的代谢物以及候选生物标志物和靶点的有效途径。此外，个体差异、代谢物种类繁多、测定代谢物仪器不同、对代谢物正常范围界定不统一等因素也是代谢组学研究的难点，有待进一步探索。