一、代谢组学是什么

　　“基因组反应了可能将要发生的事情，转录组反应了将要发生的事情，而代谢组反应了正在或者已经发生的事情”。代谢组学的分析能够帮助人们更好的理解病理变化的过程。已发表的一系列研究显示代谢组学的研究可以应用于肿瘤早期biomarker的识别以及预后情况的监测。

　　二、肿瘤biomarker的研究现状

　　从1846年Bence-Jones发现B-J蛋白对多发性骨髓瘤的诊断作用以来，肿瘤biomarker的研究已有100多年的历史，它对肿瘤的早期诊断、预后诊断治疗指导及复发与转移的监测都有着相当重要的意义。肿瘤biomarker是肿瘤组织产生的可以反映肿瘤自身存在的化学物质，具有以下特征：在体液、组织、组织液中可以检出；提示肿瘤负荷；具有肿瘤的类别特异性；可提示肿瘤复发及转移的出现。

　　三、如何利用代谢组学手段进行biomarker的筛选

　　1、前列腺癌biomarker发现

　　2009年nature刊发了美国密歇根大学霍华休斯医学院研究者的一项基于GC/MS代谢组学研究的前列腺癌生物biomarker的研究成果。研究者对前列腺癌患者血清、组织、尿液样本中的代谢组进行系统分析，一共262个临床样本，分别选自前列腺癌患者（59个活检阳性，51个活检阴性作为对照）的42个组织，110份尿液和血浆，以代谢物差异性来区分出良性前列腺癌、临床局限性前列腺癌、转移性癌。研究发现肌氨酸在侵入性前列腺癌组织中含量很高，同时作者检测活检阳性和阴性人群尿液样本，这些样本中往往前列腺抗原含量是上升的。也就是说活体穿刺阴性并不能完全排除未患癌。这也显示出肌氨酸作为判断前列腺癌转移的重要意义。

图1 前列腺癌代谢组学分析

图2 肌氨酸含量及其与癌细胞入侵的关系

　　该研究中还利用遗传技术将甘氨酸生成肌氨酸的酶定向敲除，发现敲除了生成肌氨酸的酶将大大降低前列腺癌的恶性程度，反过来，外源添加肌氨酸或降低肌氨酸脱氢酶，将导致前列腺良性上皮细胞的恶化。这说明肌氨酸在癌细胞转移中可能扮演了重要的角色，肌氨酸代谢通路有可能成为前列腺癌治疗的新靶点。

图3 肌氨酸在雄性激素信号通路和癌细胞恶化中的作用

　　2、白血病biomarker发现

　　那么对于实体瘤我们可以利用代谢组学的手段进行biomarker的筛选，非实体瘤我们同样也可以。2014年刊发在blood上的一篇关于急性髓细胞白血病（AML）葡萄糖代谢机制研究发现发现急性髓细胞白血病患者（AML）的糖酵解代谢活性越高，其生存就越差。研究团队获得两组（测试组：229个AML患者和260个对照血浆样本；验证组：171个AML患者和233个对照血浆样本）受测对象的血浆代谢组数据，利用非靶向代谢物检测技术测得100个代谢物中有6种代谢物在组间有显着性差异，其中甘油-3-磷酸、乳酸、柠檬酸在AML患者血清中含量较对照显着下降，而丙酮酸、α-酮戊二酸和2-HG在AML患者中显着增加，进一步将这6种代谢产物组合来评估AML患者的预后发现：患者的生存期(OS)和无事件发生期(EFS)与乳酸、丙酮酸、α-酮戊二酸、2-HG、甘油-3-磷酸的含量成负相关，但与柠檬酸含量成正相关。这六个biomarker的发现对于急性髓细胞白血病（AML）预后评价有重要的价值。

图4 急性髓细胞白血病葡萄糖代谢机制研究

　　3、其他肿瘤相关的biomarker发现

　　2012年，Xiao等用UPLC-QTOFMS技术对40位肝癌患者和49位肝硬化患者的血清进行代谢组学分析，结果表明肝癌患者血清里与胆汁酸相关的肝脏特异性代谢和长链游离脂肪酸代谢水平下调，小分子氨基酸代谢增强，可借此对肝硬化和早期肝癌患者进行鉴别诊断。

　　2015年，国内学者XieG等运用GC-MC对美国和中国各100例早期胰腺癌患者及100例健康对照进行研究，发现一组差异代谢物：谷氨酸、胆碱、1，5-脱水葡萄糖醇、甲基胍等代谢物可以将两地区早期胰腺癌患者和健康对照区分。

图5.Connecticut和上海地区两组人群OPLS-DA图

　　2016年，ChanAW等采用核磁的方法对3组研究对象包括43例胃癌患者、40例胃部良性病变患者以及40例健康人的尿液进行代谢组学研究，发现包括蔗糖、二甲胺、1-甲基烟酰胺等9个物质在组间有显着差异，可能成为潜在的肿瘤biomarker。研究者进一步运用LASSO-LR回归分析将2-羟基异丁酸、3-吲哚硫酸酯、丙氨酸3种代谢物组合后建立了区分胃癌患者和健康人的有效方法，其ROC曲线下AUC值高达0.95。这些biomarker的发现对临床肿瘤的早期诊断具有重要的价值。

图6三个代谢物的LASSO-LR模型

　　四、广泛靶向代谢组：创新的高通量代谢组检测技术

　　广泛靶向代谢组（WidelyTargetedMetabolome）：一种整合了非靶向和靶向代谢物检测技术优点的新型代谢组检测技术，实现了高通量、高灵敏、广覆盖的靶向代谢物检测，为高效批量定性、定量检测低丰度代谢物提供了理想的手段（表1）。

　　随着广泛靶向代谢组技术的建立，高通量的检测鉴定疾病代谢通路中的物质成为可能。相对传统方法NMR（核磁共振）和靶向技术来说，大大降低了研发成本，缩短了研发周期。

　　通过广泛靶向代谢组学的手段能更清晰全面的监测体内代谢物的变化，找到导致疾病的关键代谢途径，从而找到治疗靶点。同时也能监测药物在体内的吸收情况和进行疗效研究。