膀胱癌的代谢组学研究进展*

王 铁 综述,许建成 审校

吉林大学第一医院检验科,吉林长春 130021

膀胱癌(BC)是发生在膀胱黏膜上的、泌尿系统最常见的恶性肿瘤[1]。近年来全球BC的发病率和病死率呈上升趋势[2]。BC位列我国泌尿系统肿瘤发病率第一位,其病死率居泌尿系统肿瘤第二位。BC传统上分为非肌肉浸润性尿路上皮癌和肌肉浸润性尿路上皮癌[3]。研究表明,早期诊断和及时治疗能极大提高BC患者生存率[4]。目前,BC诊断的金标准是膀胱镜检查与活检组织的病理学评估[5-6],并结合尿血、膀胱刺激、排尿困难或尿急等症状辅助诊断[7]。但膀胱镜检查存在操作困难、侵入性及费用昂贵等问题。近年来,肿瘤标志物广泛用于BC诊断,但其灵敏度、特异度和诊断准确性并不理想[8-9]。因此,有必要寻找更有价值的新型肿瘤标志物,为BC的早期诊断及预防提供依据。

代谢组学是继蛋白质组学和基因组学后迅速发展的一门学科,可系统分析相对分子质量较小的代谢物质,生物体液的分析主要基于核磁共振和质谱两种分析平台。代谢组学技术已广泛用于多种疾病的早期诊断、鉴别、监测、药物靶点及发病机制等研究[10-13]。BC的进展与代谢异常有关[14],许多研究者利用代谢组学技术对BC患者的尿液、血液及组织等标本进行研究,取得了一定成果[15-16]。本文针对不同类型标本中代谢组学技术筛选出的BC标志物进行综述,旨在为BC的早期诊断、疾病进展、预后评估等提供基础数据。

1 BC患者尿液的代谢组学

尿液中可能含有膀胱肿瘤细胞释放的代谢物质,是BC检测的良好标本。尿液检查具有易获取、无创等优势,但血尿可能影响尿液代谢组学在BC中的诊断价值[17]。一些研究针对有无血尿的BC患者进行多变量分析,发现该混杂因素可被很好地消除[18-20]。因此,尿液成为BC代谢组学分析中优先考虑的生物标本。

LUCZYKOWSKI等[21]分析了24例BC患者(观察组)和24例健康者(对照组)的尿液代谢谱,发现参与苯丙氨酸代谢途径的N-乙酰苯丙氨酸、4-羟基肉桂酸、苯甲酸和马尿酸水平,参与β-丙氨酸代谢途径的组氨酸和肌肽水平,参与磷酸戊糖途径的葡萄糖酸水平,以及参与色氨酸代谢途径的5-羟基吲哚乙酸水平在两组间的差异均有统计学意义(P<0.05)。JACYNA等[22]在BC患者中发现了17种改变的尿液代谢物,其主要参与了氨基酸、核苷酸及能量代谢。同一研究组在BC患者尿液中确定了10种参与肠道菌群代谢、RNA降解和嘌呤代谢等途径的差异表达代谢物(P<0.05),包括尿苷、假尿苷、乙酰赖氨酸、乙酰神经氨酸、葡萄糖酸、葡萄糖醛酸、黄嘌呤、7-甲基鸟嘌呤、1,7-二甲基黄嘌呤和马尿酸[23]。此外,有研究发现了19种与苯乙酸、丙酸、脂肪酸、丙酮酸代谢等有关的代谢物在BC患者中异常表达,其中以单磷酸腺苷、甘氨脱氧胆酸和棕榈酰肉碱的变化最为显著[24]。SRIVASTAVA等[25]对33例BC患者(BC组)、33例良性对照(尿路感染/膀胱结石)和37例健康者的尿液进行代谢组学分析,发现BC组枸橼酸盐、柠檬酸和马尿酸水平降低,牛磺酸水平升高,但无法鉴别肿瘤分期。LIN等[26]研究发现,与良性对照组相比,BC组脱氨基酪氨酸、赤藓糖醇、D-核糖、核糖醇、D-果糖、D-甘露糖、D-半乳糖及一种未知代谢物等的水平异常升高,利用Logistic回归建立8种代谢物的组合预测模型,曲线下面积(AUC)高达0.976,但该模型能否应用于临床还有待大样本量的评估与验证。由此可见,尿液代谢组学分析可发现BC患者在能量、氨基酸、核苷酸、肠道微生物等多方面的代谢标志物变化,可为BC的诊断与监测提供良好依据。

LORAS等[27]评估了尿液代谢组学谱在BC术后复发中的监测价值,检测了31例BC患者在尿道膀胱肿瘤切除术前后的316份尿液标本的代谢变化,最终认为苯丙氨酸、精氨酸、脯氨酸和色氨酸可作为监测BC术后复发的候选生物标志物。尿液代谢组学在BC术后复发中的研究有待进一步评估和验证。

2 BC患者血清/血浆的代谢组学

血清肿瘤标志物是早期发现并监测肿瘤进展的重要指标,因此基于血液标本的代谢组学技术有望在寻找BC生物标志物方面发挥重要作用。

CAO等[28]对39例BC患者(BC组)和25例健康者血清进行代谢组学分析,发现BC组血清异亮氨酸/亮氨酸、酪氨酸、乳酸、甘氨酸和柠檬酸水平下调,而极低密度脂蛋白、乙酰乙酸脂和葡萄糖水平上调。这些代谢物参与了氨基酸代谢、糖酵解、柠檬酸循环及脂肪生成等多个途径。值得注意的是,柠檬酸水平在BC患者的尿液代谢谱中也呈下调趋势[25],故柠檬酸循环可能在BC的发生、发展中发挥重要作用。ZHOU等[29]开发了一种基于气相色谱-质谱和选择离子监测的伪靶向代谢组学方法,并将其应用于BC血浆代谢组学研究,结果显示BC组中参与磷酸戊糖途径、核苷酸和脂肪酸合成的代谢物水平显著增加(P<0.05)。由此可见,激活的磷酸戊糖途径可能通过促进脂质和核苷酸的生物合成来调节BC细胞增殖。郑思佳等[30]认为BC患者的氨基酸、胆汁酸及脂肪酸代谢紊乱,甘磷酸胆碱、胱氨酸、十二碳烯酸、二十碳烯酸和鹅去氧胆酸可联合诊断BC的发生。另一研究使用核磁共振技术对不同分级的BC患者(BC组)和健康者(对照组)的血清代谢谱进行分析,利用正交偏最小二乘判别法建立衍生模型,该模型可区分BC组和对照组(6个代谢物:二甲胺、丙二酸、乳酸、谷氨酰胺、组氨酸和缬氨酸,AUC为0.99,灵敏度为96%,特异度为94%),以及低度和高度恶性BC组(3个代谢物:二甲胺、谷氨酰胺、丙二酸,AUC为0.99,灵敏度为97%,特异度为99%),通过内部和外部交叉验证,证实了模型的有效性[31]。因此,血清/血浆代谢组学筛选出的BC差异代谢物可能具有较好的临床效用,有望在临床应用与推广。以上研究发现的差异代谢物不尽相同,但均表明BC的发生、发展与氨基酸、脂质、脂肪酸代谢密切相关。

国内有研究同时对BC患者的尿液及血液进行代谢组学分析,以扩大标志物的筛查范围[32]。该研究发现血液及尿液中各有13种内源性代谢物对BC患者与健康者的分类鉴别存在价值,其中次黄嘌呤在2类标本中均检测到异常增高。这提示不同类型标本中的代谢物检出情况具有较大差异,进行代谢组学分析时应尽量采用多种标本联合检测。

3 BC组织标本的代谢组学

相较于尿液与血液,组织标本富含的代谢信息更多。因此,有研究者利用BC患者的组织标本进行代谢组学分析,寻找BC诊断与鉴别诊断的特异性生物标志物。

PUTLURI等[33]使用高通量质谱法对27例患者邻近的良性组织和31例BC组织标本进行特异性代谢分析,鉴定了35种不同的BC特异性代谢物。PIYARATHNA等[34]对病理证实的BC组织进行了脂质组学研究,并确定了良性和不同分期BC之间的脂质改变,例如相对于良性组织,BC组织中的磷脂和脂肪酸水平较高,三酰甘油水平较低;在不同分期的BC中,磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺和磷胆碱水平随肿瘤分期逐渐降低,而二酰甘油水平逐渐升高。将这些改变的脂质映射到相应的代谢基因并与转录组学整合,产生了与BC患者存活率显著相关的基因特征,但该特征尚未得到验证。VON RUNDSTEDT等[35]使用液相色谱的靶向质谱法分析了BC病理组织和良性邻近组织,鉴定出31种代谢物在BC病理组织和良性组织标本之间存在的差异性改变。研究者利用在线数据库确定了174个涉及以上物质代谢途径的相关基因,将代谢基因与转录组数据整合,确定了一个由30个基因组成的代谢特征。该特征在预测95例低特征评分BC患者与282例高特征评分BC患者的生存率方面差异有统计学意义(P=0.046)。组织标本代谢组学筛选出的BC差异代谢物种类和信息更多,具有较好的临床应用价值,但组织标本不易获取限制了其应用。

4 小 结

代谢组学技术检测BC患者的尿液、血液、组织,筛选出差异表达的氨基酸、脂肪酸、脂质、嘌呤、能量等代谢产物,为BC代谢组学的研究及临床应用提供了依据。但标本类型、检测方法、研究数量等因素均可导致代谢组学分析结果的差异,如检测平台未能实现一致性,无法评估平台间的系统差异;研究样本数量有限,缺乏多中心验证,难以保证研究结果的准确性;机体代谢物易受到多种不可控的因素干扰;患者长期临床随访数据不完整等。在实验室条件允许的情况下,应对患者的多种标本进行整合分析,以获取更广泛的代谢物信息,寻找具有更高诊断潜能的生物标志物。