龔俊杰，劉秀秀，王 平*，張璐璐*

1浙江工業(yè)大學藥學院，浙江 杭州 310014；2南京醫(yī)科大學藥學院，江蘇 南京 211166

隨著高通量檢測技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)分析方法的建立，代謝組學應運而生，在疾病的研究中逐漸受到重視。代謝組學位于組學下游，相比于轉(zhuǎn)錄組學和蛋白組學能更加直觀、準確地反映體內(nèi)在生理或病理狀態(tài)下的代謝變化，是基因表達調(diào)控和蛋白執(zhí)行功能在代謝水平上的最終體現(xiàn)。近年來，代謝組學在人類常見的腫瘤如肺癌、肝癌和胃腸道癌等研究領域得以廣泛應用，并在揭示其病理機制的研究中做出了重要的貢獻［1-3］。結(jié)合本課題組前期的工作發(fā)現(xiàn)，作為神經(jīng)血管單元（neurovascular unit，NVU）的重要組成部分神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞以及血管內(nèi)皮細胞之間存在密切的相互調(diào)控關系，例如血管內(nèi)皮細胞的功能異常會損害海馬神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)導致動物認知功能障礙，星形膠質(zhì)細胞的功能異常會加劇神經(jīng)元的異常放電誘導癲癇發(fā)生等，據(jù)此我們有理由相信維持神經(jīng)膠質(zhì)細胞的穩(wěn)態(tài)對于神經(jīng)血管單元的結(jié)構(gòu)和功能同樣具有重要意義［4-5］。換而言之，神經(jīng)膠質(zhì)細胞的異常增殖形成的神經(jīng)膠質(zhì)瘤將嚴重影響腦功能甚至威脅人類的生命?；谝陨蟽牲c，本文重點探討代謝組學在治療較為困難且預后較差的膠質(zhì)母細胞瘤中的應用。

1 代謝組學概述

代謝組學（metabonomics）的概念最早在1999年被提出，它是研究生物體在生理、病理狀態(tài)時或外界理化因子刺激下內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體特征及其變化規(guī)律的一門學科［6］。其核心任務是通過高通量檢測平臺鑒定能夠反映生物表型的生物標志物和利用模式識別將生物標志物與生物學功能進行關聯(lián)。代謝組學從研究特點上分為靶向代謝組學和非靶向代謝組學，在腫瘤生物標志物研究中使用較多的是非靶向代謝組學，其特點是無偏向的檢測樣本中所有能檢測到的代謝物分子，對代謝物進行相對定量，通過生物信息學方法進行差異分析和通路分析，尋找具有顯著生物學意義的生物標志物。代謝組學的研究對象主要包括體液（如血液、尿液、腦脊液等）、細胞、組織等生物系統(tǒng)中所有小分子量（＜1.0～1.5 kDa）內(nèi)源性代謝物的完整集合，例如碳水化合物、脂質(zhì)、氨基酸、小分子肽以及維生素等［7］。值得強調(diào)的是，科學的樣本收集是確保待檢樣本的代謝特征能準確表征生物性狀或表型的前提，因此能否快速實現(xiàn)取材部位的代謝淬滅和能否做到精準取材以及樣本制備的方法學是否可靠是確保代謝組學研究意義的關鍵所在，最終的目的是代謝組學的結(jié)果能更符合腫瘤本身的代謝特征［8-9］。

核磁共振波譜（nuclear magnetic resonance，NMR）和高效液相色譜/氣相色譜?質(zhì)譜聯(lián)用（high performance liquid chromatography/gas chromatogra?phy?mass spectrometry/ mass spectrometry，HPLC/GC?MS/MS）是代謝組學常采用的兩種檢測技術(shù)。核磁共振波譜技術(shù)包括氫譜（1H?NMR）、碳譜（13C?NMR）以及二維譜（2D?NMR）等檢測類型，主要提供代謝物的碳骨架和氫原子環(huán)境等化學結(jié)構(gòu)相關信息，該技術(shù)具有樣本制備量少、可重復性好、樣本物態(tài)（液體、固體、半固體）選擇靈活等優(yōu)勢［7］。將核磁共振的波譜學特征與核磁共振的影像學特征相結(jié)合發(fā)展出磁共振波譜成像（magnetic resonance spectro?scopic imaging，MRSI）技術(shù)，該技術(shù)在代謝組學相關研究中被廣泛應用，尤適合在體研究腦部疾病（如腦部腫瘤、阿爾茨海默癥等）的代謝規(guī)律［10-11］。高分辨魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振波譜（high resolution magic an?gle rotation?NMR，HRMAS?NMR）是NMR 在代謝組學領域廣泛應用的代表性技術(shù)，已成為一種以非破壞方式直接分析生物樣本的重要手段，尤適合分析半固體狀的生物組織樣本（如組織、細胞等），可以有效避免分子運動受限以及磁化率不均勻引起的譜線增寬，提高代謝物檢測分辨率［12］。

質(zhì)譜主要提供代謝物相對分子質(zhì)量等信息，具有檢測范圍寬泛、靈敏度高、專屬性強等優(yōu)點。在代謝組學的研究中，質(zhì)譜通常與液相色譜、氣相色譜聯(lián)用，充分發(fā)揮色譜對復雜生物代謝物樣本的前期分離作用，有利于后續(xù)更有針對性的質(zhì)譜檢測。相比于常規(guī)色譜，超高效液相（ultra performance liq?uid chromatography，UPLC）使用超高壓輸液泵和小孔徑固定相顆粒，提高用于檢測的代謝組學樣本成分的分離度，從而達到更好的分辨率［13］。高效毛細管電泳（high performance capillary electrophoresis，HPCE）則適合高極性和帶電代謝物的分離，并且能與質(zhì)譜實現(xiàn)聯(lián)用［14］。另外，質(zhì)譜串聯(lián)（tandem mass spectrometry）適合進行代謝通量分析，旨在揭示復雜生化網(wǎng)絡中的代謝反應速率，是代謝組學研究領域一種新的實驗方法［15］。質(zhì)譜成像（imaging mass spectrometry，IMS）被用于研究復雜生物樣本中代謝物的空間分布，該技術(shù)已廣泛應用于組織中脂質(zhì)、糖類等物質(zhì)的成像，有助于更好地呈現(xiàn)細胞內(nèi)重要物質(zhì)的分布情況［16-17］。

此外，代謝產(chǎn)物的鑒定和定量能夠讓我們了解生物體代謝情況，但不能反映它們之間相互流通和轉(zhuǎn)化等信息。穩(wěn)定同位素（如13C）標記技術(shù)能夠在體內(nèi)監(jiān)測和追蹤細胞內(nèi)的代謝反應，有助于揭示某種代謝產(chǎn)物的來源或去向，使人們更好地了解病理以及生理狀態(tài)下的代謝規(guī)律的動態(tài)變化［18］。

代謝組學研究趨向于整合化、定量化、標準化方向發(fā)展，特別是規(guī)范的代謝組學數(shù)據(jù)分析備受關注。代謝組學儀器平臺能夠?qū)δ[瘤樣本內(nèi)成百上千個代謝物進行高通量檢測，產(chǎn)生龐大且多維度的代謝譜數(shù)據(jù)，必須應用多元統(tǒng)計學等學科方法對數(shù)據(jù)進行降維或聚類分析，以便能宏觀上把握復雜的數(shù)據(jù)，從而更有效地挖掘信息。代謝組學數(shù)據(jù)處理的主要流程包括數(shù)據(jù)歸一化、模型構(gòu)建、模型評價、差異代謝物篩選和代謝通路富集分析。其中模型構(gòu)建是對多元變量統(tǒng)計分析的關鍵步驟，主要方法包括無監(jiān)督的主成分分析法（principal component analysis，PCA）和有監(jiān)督的偏最小二乘法判別分析法（partial least squares discriminant analysis，PLS?DA），目的是對代謝組學的高維數(shù)據(jù)進行降維處理。前者適用于分類信息未知的樣品，反映不同組別間自然的聚類趨勢，在代謝組學中主要用于質(zhì)控評價或分組。后者是代謝組學使用較多的方法，強調(diào)自變量對因變量的解釋和預測作用，去除對回歸無益噪聲的影響，使分類模型包含最少的變量數(shù)，為避免模型因過擬合而造成的預測作用不佳，還要對模型進行反復驗證以使模型具有更高的可靠性。

綜上，代謝組學擁有一套完整的方法體系，其工作流程如圖1所示。相比于其他組學（基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白組學），代謝組學位于組學終端，代謝產(chǎn)物的變化往往更能代表腫瘤細胞內(nèi)發(fā)生的各種生理生化反應的整體信息和最終結(jié)果，被認為是反映生物表型最有效的分子，能為腫瘤的機制研究、藥物靶標發(fā)現(xiàn)、生物標志物研究和臨床診療等提供更多有價值的信息。

2 膠質(zhì)母細胞瘤與代謝異常機制

圖1 代謝組學工作流程圖Figure 1 Working flowchart of metabolomics

神經(jīng)膠質(zhì)瘤是最常見的腦部惡性腫瘤，約占腦部惡性腫瘤的80%，其中膠質(zhì)母細胞瘤（glioblasto?ma，GBM）屬于神經(jīng)膠質(zhì)瘤中的級別最高的分型（Ⅳ級），惡性程度相對較高，治療后的5 年生存率僅為2%［19］。目前，GBM 的治療多采用手術(shù)切除癌灶再輔助放化療的策略［20］。替莫唑胺（temozolomide，TMZ）是目前膠質(zhì)瘤治療的一線藥物，臨床試驗表明接受放療聯(lián)合TMZ治療的患者的中位生存期明顯長于僅接受放療的患者［21］。另外，合用TMZ能延長神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者手術(shù)后的生存期［22］。亞硝基脲類烷化劑如卡莫司汀（carmustine）、洛莫司汀（lomustine）等，常單用或與其他化療藥物如甲基芐肼（procarba?zine）和長春新堿（vincristine）等組成聯(lián)合化療方案應用于惡性膠質(zhì)瘤的治療［23］。另外，靶向血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的重組人單克隆IgG1 抗體貝伐珠單抗（bevacizum?ab）是目前唯一獲美國FDA批準的GBM分子靶向藥，它通過抑制腫瘤血管新生而發(fā)揮抗腫瘤效應［24］。

代謝失調(diào)是細胞癌變的重要標志之一，該特征在GBM中也得到充分體現(xiàn)，推測其原因可能是腫瘤細胞為更好維持其在體內(nèi)的生存、增殖和侵襲所做出的適應性調(diào)整，包括對細胞內(nèi)糖類、谷氨酰胺、脂質(zhì)、核苷酸等重要物質(zhì)進行的代謝重編程（metabol?ic reprogramming）［25］。因此，解析其異常的代謝機制是阻止腫瘤發(fā)生發(fā)展，提高治療收益以及改善預后的關鍵所在。Marin?Valencia等［26］研究表明，通過18F?脫氧葡萄糖正電子發(fā)射斷層成像（18F deoxyglu?cose?positron emission tomography，18FDG?PET），證實在GBM中葡萄糖代謝十分活躍，同位素標記顯示從葡萄糖衍生的谷氨酸合成谷氨酰胺的生化反應異?；钴S是GBM的重要代謝特征，由于谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）水平下調(diào)，腫瘤細胞內(nèi)大量谷氨酰胺不能被代謝而逐漸積累，在缺乏外界供應條件下胞內(nèi)谷氨酰胺的量也完全滿足GBM 細胞生長和增殖的需要，但在缺乏葡萄糖供應的環(huán)境中GBM細胞的增殖明顯受到抑制，這種現(xiàn)象間接表明了GBM細胞內(nèi)的谷氨酰胺是過度積累的且細胞對其依賴度不高，而GBM細胞對葡萄糖代謝的依賴則高于谷氨酰胺。Shibao 等［27］對小鼠GBM 干細胞的代謝特征研究后發(fā)現(xiàn)，它們會消耗更多的葡萄糖和氧氣，產(chǎn)生大量乳酸并保持較高水平的ATP通量，且本身較大依賴氧化磷酸化產(chǎn)能的細胞會響應代謝壓力而切換為糖酵解產(chǎn)能模式，證明GBM干細胞的代謝具有異質(zhì)性和可塑性。三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA）處于物質(zhì)代謝的中心樞紐，為細胞提供大量能量和產(chǎn)生某些代謝所需的中間產(chǎn)物，是糖類、脂質(zhì)和某些氨基酸分解代謝最后階段的共通途徑。一般認為，葡萄糖經(jīng)氧化代謝產(chǎn)生的乙酰輔酶A是進入TCA循環(huán)的主要碳源。然而，Maher等［28］的研究得出了相異的結(jié)論，他們對人腦部腫瘤的原位代謝狀況進行了研究，認為來源于葡萄糖氧化的乙酰輔酶A 不足50%，TCA 循環(huán)的初始碳源發(fā)生了改變。Mashimo等［29］利用13C標記乙酸鹽和葡萄糖，發(fā)現(xiàn)在GBM 組織與正常組織中乙酸鹽氧化和葡萄糖氧化存在明顯差異，正常組織的碳源主要依賴于葡萄糖氧化代謝，而在GBM中乙酸鹽氧化代謝和葡萄糖氧化代謝對碳源的貢獻相當。因此，在GBM中乙酸鹽氧化也是重要的碳源途徑。并且，該項研究還發(fā)現(xiàn)GBM中存在脂質(zhì)合成反應異?；钴S的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為GBM 中乙酰輔酶A 合成酶2（acetyl coen?zyme A synthetase 2，ACSS2）的活性上調(diào)，其具有催化乙酸和輔酶A 生成乙酰輔酶A 的功能，下調(diào)AC?SS2 的表達會抑制GBM 神經(jīng)球的生長和活力。在此基礎上推測，大量的乙酰輔酶A 可能作為原料被源源不斷地提供給脂質(zhì)合成反應，對于滿足GBM細胞快速增殖所需的高物質(zhì)能量需求具有重要意義。最近，Gularyan等［30］利用飛行時間?二次離子質(zhì)譜技術(shù)（time of flight?secondary ion mass spectrome?try，TOF?SIMS），實現(xiàn)正常腦組織和腫瘤組織表面特異性分子的可視化成像，從而清晰地觀察到GBM組織存在高水平膽固醇積累這一分子特征，進一步證實了GBM發(fā)生了脂質(zhì)代謝紊亂。另外，Wang等［31-32］發(fā)現(xiàn)嘧啶和嘌呤的合成在神經(jīng)膠質(zhì)瘤干性細胞中異?；钴S，表明核苷酸的合成加速，可能與腫瘤高度的增殖性有關。值得注意的是，基因組測序表明，約有77%的繼發(fā)性GBM患者攜帶異檸檬酸脫氫酶1（isocitrate dehydrogenase 1，IDH1）突變基因，但在原發(fā)性GBM患者中并不常見，僅約為9%［33］。IDH1突變導致GBM 代謝機制異常，IDH1 失去原有正常的催化異檸檬酸生成α?酮戊二酸（α?Ketoglutarate，α?KG）的功能，獲得生成2?羥基戊二酸（2?hydroxyglu?taric acid，2?HG）這一新的酶活性。2?HG 是一種促癌代謝物，2?HG 可競爭性抑制α?KG 依賴組蛋白去甲基化酶（histone demethylase，HDM）和脯氨酰羥化酶（prolyl hydroxylase，PHD）活性，HDM 與組蛋白甲基化的表觀遺傳修飾有關，參與調(diào)控某些癌癥相關基因的激活與抑制，最終影響癌細胞的生長狀態(tài)［34］，后者是低氧誘導因子?1α（hypoxia?inducible factor?1α，HIF?1α）降解的調(diào)節(jié)器，PDH 羥基化HIF?1α后招募泛素將其降解，抑制PDH的活性則上調(diào)HIF?1α誘導的靶基因（GLUT1、VEGF和PDK1）的表達水平，這些靶基因所編碼的蛋白均與腫瘤的增殖有關［35］。

綜上，GBM的發(fā)生發(fā)展與細胞代謝異常改變關系密切，其中伴隨許多復雜的生物學過程和涉及多種物質(zhì)代謝的分子機制，解析和明確GBM代謝重編程相關分子機制，對于指導代謝組學方法在GBM診斷、治療及預后的研究上具有重要意義。

3 代謝組學與膠質(zhì)母細胞瘤診斷

惡性腫瘤的早期多無癥狀或無明顯發(fā)病特征，一般患者處于病變晚期時才易被確診，因而延誤了最佳的治療時機。鑒于此，腫瘤早期的精準診斷對于腫瘤后期的有效治療和預后至關重要。關于GBM的診斷，除了常規(guī)的問診、觸診外，還需結(jié)合其他診斷學資料，包括測定腫瘤標記物的血清學檢查，判斷腫瘤形態(tài)和性質(zhì)的影像學檢查，以及目前鑒定腫瘤分期和分型相對可靠的病理學檢查。然而這些檢查手段在GBM 的診斷上都具有一定局限性［36-38］。近年來，代謝組學相關技術(shù)在GBM診斷上得到廣泛的應用，并具有常規(guī)檢測手段無法比擬的優(yōu)勢。腫瘤是機體在致癌因子的作用下，細胞內(nèi)基因發(fā)生改變而使細胞獲得了無限增殖和異常分化能力所形成的異常新生物。因而，腫瘤細胞內(nèi)往往發(fā)生了代謝重編程，與正常細胞之間存在明顯的代謝譜差異，通過比較和分析這種差異，進一步鑒定與腫瘤密切相關的代謝通路或生物標志物，以此區(qū)分腫瘤的分型和基因型，準確診斷是腫瘤精準治療的前提。

Dang 等［39］通過代謝組分析，發(fā)現(xiàn)在IDH1（R132H）突變的膠質(zhì)瘤細胞系和人腦惡性膠質(zhì)瘤樣本中，2?HG濃度均顯著高于其相對應的野生型和正常人腦樣本，這種差異達到數(shù)十倍甚至上百倍。顯然，2?HG 的水平可作為診斷和鑒別攜帶IDH1 基因突變GBM患者的重要指標。此外，Prabhu等［40］提出一條促進GBM增殖的新代謝途徑，即半胱氨酸分解途徑。他們發(fā)現(xiàn)，高級別GBM與低級別神經(jīng)膠質(zhì)瘤比較，半胱氨酸雙加氧酶1（cysteine dioxygenase 1，CDO1）表達上調(diào)，超高效液相?串聯(lián)質(zhì)譜（ultra per?formance liquid chromatography?mass spectrometry/mass spectrometry，UHPLC?MS/MS）定量結(jié)果表明，CDO1催化產(chǎn)物半胱氨酸亞磺酸（cysteinesulfinic ac?id，CSA）水平在GBM 中顯著升高，相比于低級別膠質(zhì)瘤其積累量增加23倍以上。并且發(fā)現(xiàn)，暴露于缺乏葡萄糖和丙酮酸的環(huán)境下的GBM 細胞系耗氧量降低，究其原因可能是GBM 中CDO1 活性上調(diào)，通過加速半胱氨酸的分解使得CSA的合成增加，后者抑制丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）的活性，導致糖酵解產(chǎn)物丙酮酸無法成為TCA循環(huán)的底物而被進一步氧化代謝，從而抑制細胞氧化磷酸化產(chǎn)生ATP 的能量代謝過程。因此，CSA 的積累能使丙酮酸進入TCA循環(huán)途徑受阻，推測腫瘤細胞以代償性增加有氧糖酵解的方式獲取能量，即瓦伯格效應（Warburg effect）。此外，另一代謝產(chǎn)物還原性谷胱甘肽（glutathione，GSH）的水平在高級別膠質(zhì)瘤中亦表現(xiàn)為升高，GSH可能有助于腫瘤抵抗內(nèi)源性氧自由基（oxygen free radical，ROS）的脅迫，以此實現(xiàn)細胞內(nèi)環(huán)境的凈化，減少氧化損傷引起的凋亡效應對腫瘤細胞的影響，從而促進腫瘤細胞的存活。綜上，檢測CSA水平一定程度上能夠為判別低級別膠質(zhì)瘤和高級別的GBM 提供參考。另外，Gao等［41］利用毛細管電泳?質(zhì)譜技術(shù)（capillary electro?phoresis?mass spectrum，CE?MS）對分級不同的神經(jīng)膠質(zhì)瘤樣本進行代謝組學研究，發(fā)現(xiàn)組織中的亞?；撬幔╤ypotaurine，HT）水平與神經(jīng)膠質(zhì)瘤的分級呈正相關，癌組織中的HT 含量顯著高于癌旁對照組織，HT 具有促進GBM 細胞系增殖和轉(zhuǎn)移的作用。研究表明，HT 與α?KG、2?HG 三者共享PHD 的結(jié)合位點，并且HT 的結(jié)合自由能高于促癌代謝物2?HG。提示HT 可能是繼發(fā)現(xiàn)2?HG 后又一重要的PHD的競爭性抑制劑，可能機制為HT與α?KG競爭性占據(jù)同一活性位點而抑制PHD酶活性，增加HIF?1α的表達，促進腫瘤血管新生。因此，HT的含量可作為神經(jīng)膠質(zhì)瘤診斷的指標之一，并且高水平的HT提示腫瘤具有較高的分級。最近，Yu等［42］基于色譜?質(zhì)譜的代謝組學和脂質(zhì)組學分析不同級別神經(jīng)膠質(zhì)瘤組織以發(fā)掘神經(jīng)膠質(zhì)瘤分級相關的差異代謝產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)惡性程度越高的膠質(zhì)瘤短鏈酰基肉堿（short?chain acylcarnitines）含量越高，而溶血磷脂酰乙醇胺（lysophosphatidylethanolamines，LPEs）減少。此外，通過分析相關基因和途徑，發(fā)現(xiàn)與脂肪酸氧化有關的短/支鏈乙?；o酶脫氫酶（Acyl?CoA dehydrogenase short/branched chain，ACADSB）的基因表達下調(diào)，提示在高級別膠質(zhì)瘤中脂質(zhì)代謝發(fā)生了明顯改變。

4 代謝組學與膠質(zhì)母細胞瘤治療

GBM 的治療目前主要采取手術(shù)切除腫瘤組織輔以放射治療和藥物治療的綜合防治策略［20，43］。最近，研究人員從GBM 患者身上獲取腫瘤樣本，利用單細胞RNA 測序（single cell RNA sequencing，scRNA?seq）技術(shù)，鑒別出GBM細胞有4種不同的亞型，每種亞型都有自身獨特的基因激活程序［44］。Cuperlovic?Culf 等［45］對9種GBM細胞系的代謝物進行核磁共振波譜分析，同樣也發(fā)現(xiàn)不同的GBM細胞系的代謝譜存在差異性，依據(jù)代謝譜差異能將9 種GBM細胞系大致分為4類細胞亞群。可見，GBM腫瘤細胞系存在異質(zhì)性，每種亞型的遺傳學特征各異，由此決定了各細胞亞型代謝上的差異性，標準的治療方案可能難以滿足不同病患個性化治療的需求，腫瘤異質(zhì)性是GBM治療面臨的潛在困難。此外，GBM 化療藥物替莫唑胺等屬于烷化劑，該類藥物的藥理機制是通過破壞細胞內(nèi)DNA 的結(jié)構(gòu)和功能，抑制細胞增殖和分裂等而引起細胞死亡。然而，GBM 細胞存在具有DNA 損傷修復功能的O6?甲基鳥嘌呤?DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶（O6?methylguanine DNA methyltranferase，MGMT）和DNA合成過程中的核苷酸堿基錯配修復系統(tǒng)（mismatch repair system，MMRs），誘導腫瘤細胞在藥物治療過程中產(chǎn)生抗藥性，治療難以達到預期的目標［46］。另外，血腦屏障（blood?brain barrier，BBB）是腦瘤治療藥物在腦內(nèi)擴散的主要障礙，藥物難以在病灶區(qū)達到合適的血藥濃度，影響其療效的發(fā)揮，增加血腦屏障的通透性也是腦瘤治療必須克服的問題［47］。綜上，GBM 的治療依然面臨著腫瘤異質(zhì)性、腫瘤細胞耐藥、腦內(nèi)給藥困難等諸多難題。代謝組學的引入將為GBM 治療用藥相關的療效評價、耐藥性監(jiān)測、靶標鑒定等科學問題的解決提供一套有力的研究方法。

腫瘤在治療后病灶縮小和避免腫瘤發(fā)生耐藥（drug resistance）是腫瘤治療的理想目標，代謝組學通過檢測腫瘤治療后代謝譜的變化，發(fā)現(xiàn)某些小分子代謝物的含量變化在藥物療效評價上具有代表性，能夠反映藥物對敏感腫瘤的有效性和耐藥腫瘤的無效性等信息。St?Coeur 等［48］發(fā)現(xiàn)，在替莫唑胺耐藥的GBM 細胞系中，葡萄糖、檸檬酸和異檸檬酸等代謝物水平升高，而在替莫唑胺敏感的GBM細胞系中，丙氨酸、膽堿、肌酸以及磷酸膽堿等代謝物水平上調(diào)。這些結(jié)果揭示了特定的GBM 模型具有其對應的代謝特征，此項研究為敏感和耐藥的腫瘤表型鑒別提供相關分子標記物參考。Survivin 一種是細胞凋亡抑制蛋白，在惡性腦膠質(zhì)瘤中發(fā)現(xiàn)Sur?vivin 蛋白上調(diào)，免疫組織化學結(jié)果提示在GBM 中的定位為強陽性，并且與GBM 產(chǎn)生耐藥性和預后不良有關［49］。Hvinden 等［50］研究了Survivin 蛋白抑制劑YM155 對原發(fā)性GBM 干細胞代謝組的影響。結(jié)果表明，GBM 干細胞在給予YM155 治療后，檸檬酸水平在耐藥的腫瘤細胞系中明顯上調(diào)，而乳酸水平則在敏感和耐藥的腫瘤細胞中均表現(xiàn)為一致性的下降。因此，通過監(jiān)測腫瘤細胞內(nèi)乳酸和檸檬酸含量變化反映GBM 細胞對化療藥物的應答性和耐藥性具有一定的指征意義。最近，Chandra 等［51］基于代謝組學研究了貝伐珠單抗誘導的GBM 腫瘤耐藥微環(huán)境的形成機制，發(fā)現(xiàn)GBM 中發(fā)生了以糖酵解上調(diào)和氧化磷酸化抑制為特征的代謝改變，揭示了GBM 在貝伐珠單抗治療下營造的腫瘤缺血缺氧微環(huán)境中的適應機制，靶向上述生化途徑有利于預防腫瘤在接受抗血管生成治療時耐藥性的產(chǎn)生。

腫瘤代謝標志物的鑒定是代謝組學研究的核心任務，同時也是腫瘤診治的基礎。Palanichamy等［52］基于液質(zhì)聯(lián)用的代謝組學方法，檢測了GBM組織和正常人星形膠質(zhì)細胞的代謝產(chǎn)物，鑒定出色氨酸、蛋氨酸、犬尿氨酸、5?甲基硫代腺苷等4種在GBM細胞中上調(diào)的代謝產(chǎn)物，這些差異代謝產(chǎn)物激活了一系列如PI3K、Akt、ERK、p38?MAPK 等致癌蛋白激酶，促進異常的腫瘤增殖信號的傳遞和相關增殖通路的啟動。他們發(fā)現(xiàn)，相比于正常的星形膠質(zhì)細胞，GBM 細胞的增殖過程對蛋氨酸更具有依賴性。并且，在GBM 腫瘤細胞中色氨酸?犬尿氨酸代謝途徑異常活躍，加之缺乏犬尿氨酸相關代謝酶類，犬尿氨酸在腫瘤細胞內(nèi)顯示出進一步積累。目前已證實，犬尿氨酸是腫瘤發(fā)生免疫逃逸的關鍵介質(zhì)［53］。因此，犬尿氨酸可能是反映GBM治療效果不甚理想的指征性代謝物。另外，Kesarwani等［54］通過代謝組學研究也得到了類似的結(jié)論，GBM中出現(xiàn)色氨酸代謝異常，參與色氨酸代謝的限速酶IDO1和TDO2表達增加，色氨酸?犬尿氨酸途徑在GBM 中被過度激活，抑制IDO1 酶活性可以顯著增強GBM 對放療的敏感性。綜上，代謝組學鑒定的某些代謝產(chǎn)物能夠反映腫瘤的狀態(tài)和患者獲得的治療收益，以此綜合評估腫瘤的進展情況，及時調(diào)整治療方案，有利于實現(xiàn)多靶點、多途徑、多層次的腫瘤干預。

5 代謝組學與膠質(zhì)母細胞瘤預后

GBM是神經(jīng)膠質(zhì)瘤中惡性程度最高的腫瘤，呈浸潤性生長，具有侵襲性，腫瘤組織與周圍正常腦組織無明顯邊界，手術(shù)難以全部切除，并且放化療治療效果有限，患者的預后通常不甚理想。目前認為，GBM 不同亞型的遺傳變異會誘導多種代謝表型，這種代謝異質(zhì)性解釋了不同患者對于目前通用療法的敏感性存在差異的原因，同時這也為評價患者的治療獲益和腫瘤預后狀況提供了參考［55］。此外，GBM 中存在神經(jīng)膠質(zhì)瘤干細胞（glioma stem cell，GSC）已得到證實，并與腫瘤的復發(fā)息息相關［56］。代謝組學通過識別和鑒定腫瘤預后相關的分子標記物，有助于評估和預測腫瘤的后續(xù)發(fā)展。

M?rén 等［57］將診斷后存活時間長（≥3 年）的GBM患者和診斷后不久死亡（≤4個月）的GBM患者的腫瘤組織樣本代謝譜進行比較，發(fā)現(xiàn)3?磷酸甘油酯、肌醇、核糖醇和果糖等代謝物的水平與存活時間呈正相關性。Shen 等［58］對數(shù)百名GBM 患者的血漿樣本進行代謝組學分析以獲取預后相關信息，他們在訓練集樣本中鑒定出與2年無病生存顯著相關的10種血漿代謝物，其中精氨酸、蛋氨酸、犬尿氨酸在測試集樣本中得到了進一步驗證，發(fā)現(xiàn)前二者水平升高與2 年總生存率增高相關，而犬尿氨酸的水平則與生存期呈負相關性。Chinnaiyan等［59］基于高通量的液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對人神經(jīng)膠質(zhì)瘤標本進行全局的代謝組學分析，從包含大量純化標準品的代謝組學文庫中比對到308 種代謝物，這些代謝物大部分涉及脂質(zhì)、氨基酸、糖類等代謝過程，隨機森林分類器（random forest，RF）依據(jù)代謝譜將神經(jīng)膠質(zhì)瘤進行等級區(qū)分，發(fā)現(xiàn)高級別GBM具有代謝合成加速的特征，具體表現(xiàn)為糖酵解途徑代謝物3?磷酸甘油酸酯（3?phosphoglycerate，3?PG）和磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）顯著增加；脂質(zhì)合成及利用有關的肉堿（carnitine）顯著增加；核苷酸合成有關的5?磷酸核糖（5?ribose phosphate，R5P）、絲氨酸（serine）、甘氨酸（glycine）顯著增加?？梢?，高級別GBM 新陳代謝旺盛，腫瘤處于快速增殖狀態(tài)。比較發(fā)現(xiàn)，此類患者的中位生存期大約為15個月，相比于低級別神經(jīng)膠質(zhì)瘤預后較差。最近，Rusu等［60］發(fā)現(xiàn)3?磷酸甘油酸脫氫酶（3?phosphoglyceric acid dehydroenase，GPD1）在休眠的腦腫瘤干細胞（brain tumor stem cell，BTSC）中特異性表達，與化療后神經(jīng)膠質(zhì)瘤的復發(fā)有關，代謝組學和脂質(zhì)組學分析證實，BTSC 中甘油磷脂代謝途徑較神經(jīng)干細胞（neu?ral stem cell，NSC）發(fā)生了顯著的改變。GPD1 是甘油磷脂代謝過程中的重要酶類，參與催化糖酵解產(chǎn)物磷酸二羥丙酮脫氫生成3?磷酸甘油，GPD1 過表達或其催化產(chǎn)物的增加預示著GBM 患者不理想的預后狀況。另外，該研究還證實了牛磺酸和亞?；撬岽x途徑在BTSC 中高度富集，途徑相關的代謝物也可作為預后評價的參考指標。綜上，代謝組學鑒定的某些代謝標志物對于患者的預后狀況有很好的評估和預測作用，這對于臨床醫(yī)生判斷患者的生存期和后期的隨訪以了解腫瘤進展情況有重要的指導意義。

6 代謝組學與膠質(zhì)母細胞瘤藥物研發(fā)

目前應用于臨床的GBM化療藥物品種有限，主要包括以替莫唑胺和洛莫司汀為代表的細胞毒類藥物和以貝伐珠單抗為代表的分子靶向藥物。細胞毒類藥物具有化療藥物常見的胃腸道不良反應以及較為嚴重的骨髓抑制毒性。貝伐珠單抗因易產(chǎn)生耐藥性使得它的療效十分有限，并且對適用的患者人群具有一定的基因選擇性，難以很好發(fā)揮分子靶向藥物的優(yōu)勢［61］。因此，研發(fā)安全有效的新藥成為GBM治療領域的迫切任務。近年來，結(jié)合代謝組學方法的藥物重定位（drug reposition）即老藥新用成為藥物研發(fā)的重要思路［62］。代謝組學通過監(jiān)測腫瘤在藥物作用后引起的代謝變化，推測藥物可能干預的生化反應途徑，結(jié)合藥物已有的藥理學和毒理學等基礎研究資料，能更加快速地篩選出若干候選藥物，并進行深入研究，可以節(jié)省藥物研發(fā)的成本和提高藥物研發(fā)的成功率。

5?脂氧合酶（5?lipoxygenase，5?LO）抑制劑齊留通（Zileuton）能阻斷過敏性介質(zhì)白三烯（leukotri?enes，LT）的合成，用于防治哮喘等過敏性疾?。?3］。然而，Morin 等［64］發(fā)現(xiàn)治療GBM 可能是齊留通新的適應證。他們采用核磁共振波譜檢測經(jīng)齊留通處理后的3種GBM細胞系代謝譜的變化，發(fā)現(xiàn)在5?LO高表達的GBM 細胞系中乳酸和腺苷的含量明顯減少，表明齊留通可能通過干擾腫瘤細胞的能量代謝而起到抑制腫瘤細胞增殖的作用。其他研究也提示抑制5?LO的活性能夠誘導GBM細胞凋亡［65］。因此，齊留通在GBM 的治療上具有潛在的研發(fā)價值，同時也進一步表明代謝組學又是藥物研發(fā)過程中揭示藥物如何影響生化代謝途徑的重要手段之一。

7 展 望

代謝組學在GBM 的研究領域具有廣闊的應用前景，圍繞GBM 的早期診斷、治療優(yōu)化、預后評估、藥物研發(fā)等內(nèi)容，代謝組學以其獨特的研究思路和方法在相關研究中取得了大量成果，但仍然存在很多亟待解決的問題。其一，代謝組學最大的技術(shù)瓶頸在于代謝物的鑒定，目前質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析多依賴于代謝物標準品庫的建立，代謝物的圖譜很難做到通用性，隨著分析平臺、檢測條件、樣本前處理方式的不同均會有一定的差異性。因此，在實際代謝物鑒定工作中，自建適合自身分析條件和要求的標準品庫對于代謝組的物質(zhì)鑒定尤為重要。其二，代謝組學得到的大量代謝分子標志物，但與其相關的生化代謝通路和生理調(diào)控機制錯綜復雜，難以理清其中關系，加之缺乏交叉、多對象、多層次的驗證，導致很多成果因缺乏可靠性而不能進行從實驗室向臨床的轉(zhuǎn)化，研究的價值和意義難以實現(xiàn)最大化。其三，代謝是一個生物體內(nèi)微妙的動態(tài)過程，受到很多生理生化因素的影響，目前代謝組學的研究尚未能實現(xiàn)在體的原位檢測，許多來源于離體的GBM細胞系樣本、動物GBM 移植樣本以及取自患者的GBM 樣本均不能很好模擬GBM 在腦內(nèi)真實的生理生化環(huán)境，導致代謝組學獲得的信息對GBM 的診斷、治療、預后等工作發(fā)揮的指導作用十分有限。因此，代謝組學未來可能朝著整合化的方向發(fā)展，實現(xiàn)代謝組學與其他組學或?qū)W科的有機銜接，多組學聯(lián)合分析和學科間多重交叉驗證將為代謝組學的研究證據(jù)提供更有力的支撐。另外，為彌補體外研究的不足，自動化和智能化的在體檢測也是代謝組學在腫瘤應用上的發(fā)展方向。相信隨著代謝組學技術(shù)的日益成熟和人們對腫瘤的理解不斷深入，代謝組學必將在腦部腫瘤疾病發(fā)生、發(fā)展和預后過程中發(fā)揮重要作用，并為創(chuàng)新臨床診療方案和尋找治療靶標提供理論依據(jù)。