肝癌早診代謝組學研究進展

肝癌早診代謝組學研究進展我國尚未在肝癌高危人群中普及肝癌早篩工作，且受限于當前肝癌早診手段，我國肝癌早診率不足30%。目前臨床應用的傳統(tǒng)肝癌標志物在診斷方面還缺乏滿意的敏感性和特異性，因此，迫切需要尋找更可靠、更準確的腫瘤標志物以進一步提高在高危人群中發(fā)現(xiàn)早期肝癌的機會。代謝組學作為多組學中的一個分支，是利用高通量技術對生命系統(tǒng)中相對分子質(zhì)量<1000×103的小分子代謝產(chǎn)物如氨基酸、核苷酸、糖類和脂質(zhì)等進行定性和定量分析的系統(tǒng)研究。代謝組學通常使用基于核磁共振、液質(zhì)聯(lián)用和氣質(zhì)聯(lián)用等的技術方法，不僅可識別復雜的代謝表型，還可以整合生物信息學數(shù)據(jù)和其他組學策略如基因組學、轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學，以闡明疾病潛在的生物學機制并發(fā)現(xiàn)疾病風險的臨床相關診斷和預后標志物。代謝組學的時間響應在所有組學中最快，且結(jié)果易于理解，容易與表型和功能結(jié)合，已廣泛應用于疾病診斷、治療監(jiān)測和藥效學評價領域。本文通過對代謝組學研究的新進展進行論述，旨在梳理并探討基于代謝組學的血清標志物在肝細胞癌（hepatocellularcarcinoma，HCC）中的研究現(xiàn)狀和前景。一、基于代謝組學的新型HCC血清標志物及模型肝臟是人體新陳代謝的中心站，承擔營養(yǎng)物質(zhì)代謝的主要功能。既往研究報道，代謝重編程已成為肝癌發(fā)生時的顯著特征。與肝硬化患者和健康對照相比，HCC患者更易觀察到葡萄糖、磷脂、游離脂肪酸和膽汁酸等多種代謝紊亂現(xiàn)象。因此，各個途徑的代謝標志物均具有反映和預測HCC發(fā)生及預后的潛力。1.氨基酸：支鏈氨基酸（branched-chainaminoacid，BCAA）具有改善胰島素抵抗，抑制肝細胞血管生成、遷移和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化，從而抑制肝癌發(fā)生發(fā)展的作用。而HCC患者中多觀察到血清中BCAA水平降低。既往研究多把該現(xiàn)象歸因于BCAA攝入不足或BCAA分解代謝增強。2019年Ericksen等的一項研究則提出HCC發(fā)生時，BCAA分解代謝受到抑制，增加的BCAA在肝內(nèi)聚積，使得其血清濃度降低。相反的是，芳香族氨基酸（aromaticaminoacids，AAA）分解降低致血清水平升高。Jee等通過比較75例轉(zhuǎn)移癌患者和134例匹配年齡和性別的未轉(zhuǎn)移癌患者的基線血清樣本（隨訪期平均7年），發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移癌患者具有更高水平的亮氨酸、苯丙氨酸和色氨酸。其中，高水平亮氨酸可能與HCC發(fā)生時BCAA先合成后分解增加的先后順序有關。與該結(jié)果相似，Gong等發(fā)現(xiàn)HCC患者中的苯丙氨酸水平明顯高于乙型肝炎肝硬化組和健康對照組，具有診斷HCC的強大潛力。與健康對照相比，較高水平的色氨酸也在肝癌患者的門靜脈血中被發(fā)現(xiàn)。同時，多項代謝組學研究均發(fā)現(xiàn)酪氨酸與HCC風險呈正相關且是總生存期的預測因子。更有研究結(jié)果顯示，AAA的衍生代謝物如5-甲氧基色氨酸（色氨酸衍生物）和苯丙氨酰-色氨酸（由苯丙氨酸和色氨酸殘基形成的二肽）也與HCC鑒別或預后相關。綜上所述，BCAA和AAA，尤其是AAA，極具有預測和診斷HCC的潛力。尿素循環(huán)涉及精氨酸、瓜氨酸和鳥氨酸，以將氨轉(zhuǎn)化為尿素形式而排出體外為目的。其中，高水平的鳥氨酸在韓國一項橫斷面研究中被證實有利于正確鑒別早期HCC與肝硬化和健康對照。低水平的鳥氨酸則被發(fā)現(xiàn)有利于識別HCC合并膽管癌栓，適用于HCC患者預后監(jiān)測。Bai等發(fā)現(xiàn)HCC患者的血清尿素指標明顯高于健康對照組和其他肝病患者，且將甲胎蛋白（alphafetoprotein，AFP）與尿素和癌胚抗原（carcinoembryonicantigen，CEA）聯(lián)合后可以顯著提高肝癌的早期診斷性能。此外，肺癌、乳腺癌和結(jié)直腸癌患者的血清尿素水平也顯著升高。這表明尿素也可作為潛在的HCC血清生物標志物，用于區(qū)分HCC與其他肝臟疾病。近年有研究表明，甲硫氨酸已成為肝癌診斷和預測的候選標志物。在一項由227例肝硬化患者參與的為期3年的前瞻性隨訪研究中，甲硫氨酸經(jīng)過年齡、性別、基線肝性腦病狀況和堿性磷酸酶校正后的肝癌風險比最高（HR=9.97，95%CI=3.02～32.94），甲硫氨酸亞砜（由甲硫氨酸生物合成，HR=5.60，95%CI=1.84～17.10）則次于甲硫氨酸，表明甲硫氨酸和甲硫氨酸亞砜可用來預測肝硬化高危人群中HCC的發(fā)生。另有研究顯示，組氨酸、賴氨酸、絲氨酸、脯氨酸和哌可酸均可用于診斷HCC。天冬氨酸和谷氨酸則是HCC鑒別診斷和復發(fā)監(jiān)測的有效標志物。2.脂質(zhì)：（1）膽汁酸類：近年來，大量研究表明膽汁酸類物質(zhì)與HCC的發(fā)生發(fā)展有著密切關聯(lián)，膽汁酸的堆積將導致肝細胞的持續(xù)損傷，繼而引發(fā)肝纖維化和肝癌。既往研究表明多種膽汁酸如?；蛆Z去氧膽酸（taurochenodeoxycholicacid，TCDCA）、脫氧膽酸（deoxycholicacid，DCA）和石膽酸（lithocholicacid，LCA）的蓄積可明顯促進人正常肝細胞中的癌蛋白c-Myc的表達，而TCDCA在肝癌細胞中還能明顯降低抑癌蛋白CEBPa的表達。本文綜述的許多代謝組學文獻也證實了，相比對照組（健康對照、肝炎、肝硬化），HCC患者血清中膽汁酸水平有顯著差異，同時膽汁酸水平的變化對HCC的早期診斷、評估疾病進展和預后有著重要作用。韓國一項前瞻性研究對75例發(fā)生HCC的受試者和134例年齡和性別匹配的無癌受試者的血清樣本進行代謝組學研究，發(fā)現(xiàn)HCC患者的血清牛磺熊去氧膽酸（tauroursodeoxycholicacid，TUDCA）水平顯著升高，TUDCA被認為是與肝癌發(fā)病率相關的獨立因素。而中國科學院大連化學物理研究所許國旺團隊在中國進行的一項多中心研究發(fā)現(xiàn)，與健康對照相比，多種膽汁酸如甘膽酸（glycocholicacid，GCA）、?；悄懰幔╰aurocholicacid，TCA）、TCDCA、?；侨パ跄懰幔╰aurodeoxycholicacid，TDCA）等均顯著上升，進而發(fā)現(xiàn)GCA與苯丙氨酰-色氨酸組成的標志物組合可以早期檢測高危人群中的肝癌。另外多項研究也表明GCA的血清水平與肝癌的發(fā)生風險呈正相關，且與肝功能受損和生存不良有關，血清甘鵝去氧膽酸（glycochenodeoxycholicacid，GCDCA）和TCA水平也與肝癌的發(fā)生風險增加相關，提示其可預測未來肝細胞癌的發(fā)展。Barefoot等和Han等研究發(fā)現(xiàn)血清代謝物DCA和鵝去氧膽酸（chenodeoxycholicacid，CDCA）可作為區(qū)分HCC和肝硬化的潛在生物標志物。Pan等證實血清TDCA水平隨著慢性乙型肝炎、肝硬化和HCC的進展而升高，提示其對肝臟疾病進展有診斷作用。Nenu等發(fā)現(xiàn)12-酮脫氧膽酸是區(qū)分代償性肝硬化和早期HCC的顯著標志物。綜上所述，膽汁酸類物質(zhì)具有較大的潛力可作為HCC的潛在診斷標志物。（2）脂肪酸類：HCC的發(fā)生會伴隨血液脂肪酸的變化，且少數(shù)脂肪酸可用于HCC早期檢測。Liu等發(fā)現(xiàn)相對于健康對照組，HCC患者門靜脈血液中的亞油酸水平更低。且作為人體必需脂肪酸之一，亞油酸可抑制HCC細胞增殖和促進其凋亡，是一個潛在的保護性抗HCC標志物。據(jù)報道，花生四烯酸，可通過亞油酸合成，在HCC患者血清中水平增加。而且，花生四烯酸可能通過參與內(nèi)皮細胞遷移，并轉(zhuǎn)變?yōu)榍傲邢偎?、白三烯和血栓素等一系列重要的促炎介質(zhì)，增強肝臟炎癥反應，促進HCC的發(fā)生發(fā)展，進一步增加其作為HCC相關標志物的可能性。除必需脂肪酸和其衍生代謝物外，其他脂肪酸也被陸續(xù)報道可作為HCC標志物進一步研究。通過對103例肝硬化患者進行HCC早期監(jiān)測，Khan等發(fā)現(xiàn)在原有模型（骨橋蛋白和AFP）的基礎上增加花生酸（20∶0）和n-3-二十二碳五烯酸（22∶5n3）這兩種脂肪酸可使得HCC早期診斷模型曲線下面積（areaunderthecurve，AUC）由0.77提高至0.83。另有研究報道，HCC患者的5-羥基己酸（一種脂肪酸的正常二羧酸降解產(chǎn)物）和2-羥基-3-甲基丁酸水平較健康對照組更高，是HCC發(fā)病率的獨立相關危險因素。Zhang等和Pan等分別發(fā)現(xiàn)HCC患者中異油酸和5-羥基6E，8Z，11Z，14Z，17Z-二十碳五烯酸水平較肝硬化患者相比均更低，且前者在HCC進展晚期進一步降低，后者與乙型肝炎患者相比也處于更低水平，提示它們在鑒別HCC方面的潛在用途。（3）磷脂與溶血磷脂類：磷脂不僅是細胞膜的重要組成成分，也在體內(nèi)細胞信號傳遞中發(fā)揮重要作用。不同于甘油磷酸膽堿水平在HCC患者中的降低，鞘氨醇、1，2-二?；?3-β-D-半乳糖基-sn-甘油和鞘氨醇（D18：1）-1-P水平均增高。這些代謝物均與磷脂代謝相關，其表達高低的不同進一步體現(xiàn)HCC代謝紊亂，提示它們可能具有鑒別HCC的能力。在西班牙一項早期鑒別肝內(nèi)膽管癌和HCC的研究中，卵磷脂（34∶3）可用于區(qū)別肝內(nèi)膽管癌和原發(fā)性肝癌，而鞘磷脂（42∶3）和鞘磷脂（43∶2）則具有良好的鑒別HCC和肝內(nèi)膽管癌能力。溶血磷脂是機體內(nèi)磷脂的正常代謝產(chǎn)物，少數(shù)被報道可作為HCC相關標志物。Zhang等發(fā)現(xiàn)一個由6種代謝物組成的可用于區(qū)分肝硬化和不同分期HCC的模型，其中3個代謝物均屬于溶血磷脂類，即溶血卵磷脂[18∶2（9Z，12Z）]、溶血卵磷脂（P-16∶0）和溶血卵磷脂[20∶5（5Z，8Z，11Z，14Z，17Z）]。此外，高水平的溶血卵磷脂（21∶4）和溶血腦磷脂（22∶2）以及低水平的溶血卵磷脂（20∶5）在HCC患者中被發(fā)現(xiàn)，可用于肝硬化人群中的HCC診斷。（4）其他脂質(zhì)類：脂質(zhì)代謝物種類繁多，功能復雜，除上述膽汁酸、脂肪酸、磷脂和溶血磷脂類別外，還包括固醇、類固醇與類花生酸等。硫酸脫氫表雄酮作為血液循環(huán)中的主要雄性激素，與HCC發(fā)生呈負相關（OR=0.35，95%CI：0.22～0.57），并可與其他代謝物組合后良好區(qū)分HCC患者和健康對照組。這與男性HCC發(fā)病率高是由于雄激素的促HCC作用的假說相反，但不排除這可能與肝硬化所致的激素失衡有關。因此，雄激素可被視作HCC標志物，但其與HCC的具體關系和具體作用仍有待證實。Gong等發(fā)現(xiàn)4個代表性的類花生酸（花生四烯酸的衍生物：前列腺素F2α，血漿血栓烷B2，5-羥二十碳四烯酸和15-羥二十碳四烯酸）在HCC患者中較乙型肝炎肝硬化患者表達更高，與之前所述花生四烯酸水平在HCC患者中增加一致。據(jù)報道，HCC患者中表達升高的1，25-二羥基膽固醇、25-羥基維生素D2、肉豆蔻酯棕櫚酸酯和表達降低的辛酰肉堿和吡甲酰肉堿可被視作診斷標志物，應用于肝硬化人群。不同于上述代謝物的診斷作用，高水平肌醇與HCC患者的較高總體生存率相關，具有作為HCC預后監(jiān)測標志物的作用。另有研究報道，二氫皮質(zhì)醇可用于區(qū)分HCC的TNM分期。3.核苷類：與健康個體或肝硬化患者相比，已發(fā)現(xiàn)HCC患者血清中核苷類代謝物的水平顯著升高。Stepien等研究發(fā)現(xiàn)7-甲基鳥嘌呤（OR=6.78，95%CI：3.24～14.18）與HCC風險呈正相關，它是暴露于甲基化的指標，可能是與吸煙相關的代謝產(chǎn)物。Han等研究顯示，血清琥珀酸腺苷（AUC=0.851）和尿苷（AUC=0.769）水平可以很好地區(qū)分HCC和非HCC，且優(yōu)于AFP（AUC=0.706）。另一項研究表明羥基嘌呤在HCC患者血清中的水平顯著高于肝硬化患者和健康人。此類代謝物在HCC中的增加可能反映了腫瘤壞死，由于腫瘤組織中釋放核酸，其隨后在壞死條件下代謝成為羥基嘌呤。4.維生素類：一項同時在組織和血清中進行的代謝組學研究發(fā)現(xiàn)，視黃醇區(qū)分HCC和非HCC的效能最佳（ACU=0.991），且與Edmondson等級相關。進一步研究視黃醇代謝途徑中的相關代謝物發(fā)現(xiàn)，從正常到肝硬化到EdmondsonⅠ級到Ⅳ級，腫瘤組織和血清中視黃醇和視黃醛的水平中表現(xiàn)出相同的下降趨勢，均按順序依次降低，且水平更低者的預后更差。提示二者可能是有用的肝癌診斷和預后的生物標志物，具有較高的診斷和預測能力。Stepien等也報道了類似的結(jié)果。Liu等發(fā)現(xiàn)，與健康對照相比，肝癌患者的門靜脈血中含有更高水平的1-甲基煙酰胺，其與肝功能受損和生存率更低相關。5.其他：糖、能量和肽代謝途徑在HCC發(fā)生過程中也發(fā)生了明顯改變。據(jù)文獻報道，檸檬酸鹽、亮氨酰脯氨酸等具有較強的區(qū)分和診斷HCC與健康對照和肝硬化患者的潛力。半乳糖則與HCC的復發(fā)、轉(zhuǎn)移和死亡相關。少數(shù)其他類型的代謝物也被報道與HCC的發(fā)生發(fā)展相關，例如對羥基苯乳酸、DL-3-苯基乳酸和靛紅與HCC的風險呈正相關，γ-羧乙基羥基鉻酸鹽與HCC的風險呈負相關。HCC患者門靜脈和糞便中的苯酚水平低于健康對照組。苯酚顯著抑制肝癌細胞的增殖，推測其作為保護性代謝產(chǎn)物具有抗肝癌作用。二甲胺、甲酸鹽、甘草酸等也對HCC的診斷及分期有潛在幫助。6.基于血清代謝組學的肝癌診斷模型的構(gòu)建：在篩選得到差異代謝物的基礎上，通常會以多種方法構(gòu)建模型用于HCC的診斷、預測和預后。在上述HCC相關代謝組學研究中，近半數(shù)研究基于獲得的代謝標志物嘗試建立了診斷或預測HCC的模型，多數(shù)模型在預測、診斷、評估HCC復發(fā)及預后方面有著良好的性能且優(yōu)于傳統(tǒng)的AFP。Kim等應用甲硫氨酸、脯氨酸、鳥氨酸、吡甲酰肉堿、辛酰肉堿建立的HCC預測模型效能明顯優(yōu)于AFP（AUC：0.82對比0.75），在測試集中差異更顯著（AUC：0.94對比0.78）。使用苯丙氨酰-色氨酸和甘膽酸的血清代謝物組合可以很好地從肝硬化高危人群中診斷或預測HCC的發(fā)生，其在發(fā)現(xiàn)集、驗證集和測試集中的AUC可達0.930、0.892和0.807。在巢式病例對照分析中其靈敏度可達70.3%～80.0%，如與AFP結(jié)合可以更好地預測HCC。此外該代謝物組合在區(qū)分小肝癌（AUC=0.866）和診斷AFP陰性的HCC（準確率80.6%）方面也有著較好的性能。另一項研究以血清視黃醇和視黃醛水平為基礎建立了邏輯回歸模型，在區(qū)分HCC和健康對照時其AUC、靈敏度和特異度分別為0.933、85%和90%，在區(qū)分HCC和肝硬化時其AUC、靈敏度和特異度分別為0.853、80%和85%。Banales等建立了一個血清代謝物診斷模型[甘氨酸、天冬氨酸、鞘磷脂（42∶3）和鞘磷脂（43∶2）]用于區(qū)分HCC和肝內(nèi)膽管細胞癌，AUC達0.890，靈敏度75%，特異度90%。由羥基嘌呤和脯氨酸組成的模式識別模型在診斷HCC時較AFP有更好的診斷性能，該模型在訓練集和驗證集的AUC分別為0.90和0.84，而AFP在訓練集和驗證集的AUC僅為0.69和0.68。除此之外，Lewinska等還基于支持向量機模型和平均重要性排序的代謝物[亞油酸、osbondacid、單不飽和脂肪酸（14∶1n-5trans）及卵磷脂（18∶2/0∶0）]，構(gòu)建了一個可以有效區(qū)分非酒精性脂肪性肝病相關HCC和其他對照疾病的診斷評分。綜上所述，相比傳統(tǒng)的AFP，應用血清代謝物組合模型可以更有效地預測和診斷HCC。然而，鑒于上述代謝物組合模型目前尚未在廣泛的人群中進行驗證和評估，仍需要對其進一步深入廣泛研究，才有機會真正應用于臨床實踐。二、代謝組學在HCC診斷和預測領域的應用及其局限性盡管目前尚未開發(fā)出用于HCC早診的血清代謝物試劑盒，但來自中國科學院大連化學物理研究所的許國旺團隊已開發(fā)出了可用于預測HCC患者預后的血清代謝物試劑盒，該團隊還開發(fā)有包括基于血清脂質(zhì)代謝物組合的用于肺癌診斷試劑盒在內(nèi)的多種疾病相關試劑盒。如何將代謝物與其生物學作用聯(lián)系起來，探索代謝物之間相互作用及代謝物與疾病關聯(lián)的背后機制亦是當前尚待解決的問題。