Nat Commun：代谢组学解析侵入性肺腺癌的代谢轨迹

　　肺ai仍然是全球最常见的恶性肿*和癌死亡的主要原因。肺腺癌 （LUAD） 是最常见的亚型。在进展到侵入性LUAD之前，有新发育前和侵入前病变的逐步演变，从非典型腺瘤增生（AAH）到非典型原位侵入前腺癌（AIS）、微创腺癌（MIA）和最终侵入性腺癌（IAC）。低剂量计算机断层扫描 （CT） 的临床应用有助于大幅提高肺结节的检测和肺ai死亡率的降低，然而，对从AAH到IAC代谢轨迹仍然难以捉摸。

　　代谢重新编程为癌诊断、预后治提供了机会。对来自两个独立组群的组织和血浆样本进行有靶向性代谢分析，以确定可能有助于LUAD启动和进展的代谢变化。观察了从 AAH 到 AIS、MIA 和 IAC 的渐进代谢变化，表明代谢重新编程在先兆病变中出现。此外，发现不同的循环血浆代谢物生物标志物准确地区分早期LUAD和良性疾病，这为非侵入性和低成本的早期诊断具有前景。IAC患者的代谢聚类识别了三个具有鲜明临床特征的代谢亚型（S-I、S-II 和 S-III）。通路富集分析表明，与S-I和S-II相比，胆汁酸代谢在S-III中异常激活，与预后不佳有关。在功能上，证明调节胆汁酸代谢会影响LUAD的迁移。总的来说，代谢进化的全局特征将有助于LUAD早期发现，并提供有影响的治的策略。

　　肺瘤前期和腺癌性瘤的代谢组特征

　　为了获得从肺瘤前期到侵袭前和侵袭性腺癌切除病变的全面代谢组学图谱，对队列1包括181例不同组织学亚型的患者(AAH 12例，AIS 22例，MIA 19例，IAC128例)的肿*和癌旁组织(NAT)进行了基于液相色谱-质谱(LC-MS)的代谢组学分析。还对队列2包括92例不同病理分级的患者(良性疾病10例，AIS 32例，MIA 22例，IAC 28例)中获得的血浆样本的循环代谢物的动态变化进行了表征。在组织样本中检测了158个代谢物，在血浆样本中检测了140个代谢物，涵盖了广泛的生物化学物质，包括氨基酸、有机酸、核苷酸、核苷、胺、酰基肉碱、维生素、碳水化合物、和约3-4%的其他类代谢物。主成分分析(PCA)显示了肿*和NAT样本之间不同的代谢谱。与NAT相比，在AAH中识别出25个显著差异代谢物，在AIS中识别出67个显著差异代谢物，在MIA中识别出62个显著差异代谢物，在IAC中识别出87个显著差异代谢物。不同组织学的病变级别与NAT相比，差异代谢物数量的增加可能表明，从侵袭前到微创和侵袭性LUAD的代谢过程逐渐受到干扰。

　　图1 临床研究患者代谢特征

　　

　　

　　从AAH到IAC的代谢演变

　　鉴于代谢重新编程对癌的启动和进展至关重要，采用最小二乘法PLS-DA区分入侵性、侵入前、微创LUAD，发现IAC与AAH/AIS患者有54种显著的代谢物，IAC与MIA患者有30种差异代谢物。依据KEGG通路分析，由入侵前组（AAH/AIS）与IAC或IA与IAC组的显著差异代谢物丰富。为了描述气道中从新发育前到侵入性LUAD的代谢轨迹，使用四个阶段代谢物进行了聚类，第 1 组中的代谢物显示 AIS 显著增加（例如精氨酸、组胺和胱氨酸）中特别富含第2簇的代谢物（例如瓜氨酸、半胱氨酸等），这表明独特的代谢特性可能出现在特定的早期阶段，可用于诊断和监测先兆病变。第 3 组和第 4 组中从侵入前到 MIA和 IAC 患者呈阶向增减趋势。精氨酸水平下降，而精氨酸和前列腺代谢、qiang基丙烯酸和N-乙酰蛋白两种关键代谢物的水平均略有增加。这些结果表明AAH到IAC的代谢轨迹变化，也表现出侵入性LUAD中的代谢特性。

　　图2 从AAH到IAC的代谢轨迹检测

　　

　　

　　不同阶段患者循环血浆代谢物的诊断价值

　　与低剂量CT的传统活检和放射筛查相比，基于血液的检测是非侵入性的，成本相对较低，可促进早期LUAD的基于血液的筛查。在四个阶段中识别了16个改变的代谢物。为了发现预测性生物标志物来区分LUAD的不同组织学亚型，特别是在早期阶段，基于两个特定组之间的差异代谢物的回归模型（良性疾病与AIS/MIA/IAC，良性疾病与AIS/MIA，良性疾病与AIS）。确定了一个由四种代谢物组成的生物标志物，其曲线下区域 （AUC）为 0.894，区分良性疾病与 LUAD 组 （AIS/MIA/IAC）。与良性疾病相比，LUAD组的3-氯硫磷酸和磷胆碱水平显著增加，而谷氨酸和12：0-肉碱水平显著下降。AIS/MIA/IAC中的谷氨酸明显减少，谷氨酸浓度被认为是肺ai的诊断生物标志物。AIS/MIA中有两种代谢物（包括胱氨酸和缬氨酸）的含量有所降低。AIS中检测到天冬氨酸的增加和胱氨酸的减少。这些发现证明了代谢物对生物标志物发现的影响，从而有助于更精确、更易于早期检测LUAD。

　　IAC患者的代谢分层及其临床病理相关性

　　为了评估侵入性LUAD是否可以分割成具有不同代谢特性的亚型，我们对IAC患者进行了无人监督的聚类分析。值得注意的是，确定了三个具有明显临床特征的代谢亚型。发现S-II的EGFR突变频率最高，而S-I的突变频率最低。在S-II和S-III中观察到KRAS突变患者，BRAF突变患者仅在S-III（图4a）中观察到。S-I患者的早期（P = 0.006）和脂质病理亚型（P = 0.001）丰富，而S-II和S-III患者的固体和微乳腺病理亚型以及肿*节点转移（TNM）阶段的丰富。此外，临床病理因素，如较小的肿*大小（<2.5厘米，P = 2.39×10+5）和非转移性（P = 0.016）患者在S-I中比其他两个亚型更为突出。在这三种代谢亚型中，S-III吸烟者的比例最高（P = 0.088）。这些数据共同表明，S-II和S-III的患者比S-I的患者具有更多的恶性特征。为了进一步评估代谢分组的预测值，监测了三种代谢亚型患者的无病生存（DFS） 和总体生存 （OS）。根据上述观察，S-I患者预后最好，而S-II和S-III患者预后相对较差，表明代谢分组可能精确分层具有不同临床结果的患者。

　　图4  IAC患者的代谢分层及其临床病理相关性

　　胆汁酸代谢的扰动与预后不佳有关，并促进LUAD的迁移

　　在根据代谢亚型对患者进行分层后，试图确定每个不同亚型的代谢特性。KEGG通路富集分析基于每个组的微分代谢物表明，与预后较差的S-II和S-III相比，预后良好的S-I代谢扰动较少。值得注意的是，S-III的特点是与胆汁酸代谢和柠檬酸盐循环相关的通路中代谢物水平最高。为了进一步研究三种不同亚型中胆汁酸的改变，我们检测到不同的胆汁酸种类，发现胆酸（CA）、甘油二氧胆酸（GCDCA）明显增加，以及去氧酸的适度增加 氧胆酸 （DCA）、糖胆酸 （GCA）、糖分氧胆酸 （GDCA）、牛胆酸 （TCA）等 从S-I 到 S-III 。重要的是，我们发现一些胆汁酸，包括CA，GCDCA，TCDCA和GCA，与临床结果高度相关。胆汁酸水平较高的患者表现出较差的无病生存（DFS）。

　　评估胆汁酸代谢对细胞增殖的影响，发现CA、TCDCA和GCDCA的治不会影响细胞增殖和细胞存活，然而，TGR5的击倒显著抑制了细胞存活。发现胆汁酸在EGFR突变与EGFR-WT肿*中表现出类似的水平，并且两者均不是外生CA， TCDCA 和 GCDCA 治或TGR5 的减弱影响了对 EGFR 酪氨酸激酶抑制剂 （EGFRTKIs） 的药物敏感性，表明胆汁酸代谢和信号可能不会影响 EGFR 突变 LUAD的靶向治的效率。这些结果表明，扰动的胆汁酸代谢和信号可能增强LUAD的迁移，可作为有希望的治的目标，以改善S-III亚型的不良预后特征。

　　图5 不同患病等级患者胆汁酸代谢特征

　　

　　

　　延伸与讨论

　　在这项研究中，根据对组织样本的大规模代谢分析，监测了从 AAH 到 AIS、MIA 和 IAC 的代谢轨迹。还确定了三块循环血浆代谢物标志物，以区分IAC及其前体和良性疾病。对代谢学数据的一致聚类分析确定了与临床结果相关的不同代谢亚型，突出了利用精确药物方法的潜在代谢特征。

　　新的证据已经证明，代谢表型在肿*从先天性病变发展到局部侵入性肿*和转移性癌过程中进化，最近，肺鳞状细胞癌的基因表达分析和多光谱成像分析已经发现，在一些代谢途径中，如脂肪酸代谢、氧化磷酸化和柠檬酸循环，在肿*前病变中暂时上升，在研究中，观察到逐渐改变的新陈代谢途径，包括烟酸和尼古、丁胺代谢，谷胱甘肽代谢，精氨酸和前列腺代谢，以及LUAD的肿*和侵入性进展。事实上，这些代谢途径在各种癌中至关重要，            结合代谢组特征可为LUAD患者进行早期发现和干预。

　　对不同阶段患者的代谢学分析发现从新发育前到侵入性LUAD的进化代谢轨迹，从而全面了解了LUAD的肿*和侵入性进展，并进一步提供了加快基础研究向临床更精确诊断和治转化的机会。

　　参考文献：Evolutionary metabolic landscapefrompreneoplasia to invasive lung adenocarcinoma.

　　杂志：Nature Communications

　　年份：2021

　　链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26685-y