吳玉蘋 周勇 蒲娟 李會 章金剛，4 朱艷平

（1. 新鄉(xiāng)學院生命科學與基礎醫(yī)學學院，新鄉(xiāng) 453003 ；2. 中國農業(yè)大學動物醫(yī)學院，北京 100193 ；3. 北京市疾病預防控制中心食物中毒診斷溯源北京市重點實驗室，北京 100013 ；4. 軍事醫(yī)學科學院野戰(zhàn)輸血研究所，北京 100850）

代謝（metabolize）是生物體所有生物化學反應的總稱，代謝活動是生物體維持生命的物質基礎。代謝組學（metabolomics）是指將某一生物體系（如細胞）受刺激或擾動前后（如疾病、藥物、基因變異或者環(huán)境改變）所有代謝產物圖譜進行比對，篩選出生物體內小分子物質（molecular weight，M.W.＜1 000）的差異及其動態(tài)變化從而研究生物體系的代謝網絡技術［1-2］。代謝組學作為系統(tǒng)生物學的終端，研究系統(tǒng)生物學的終端表型呈現(xiàn)，具有比較明顯的優(yōu)勢，不但容易檢測、分析和鑒定，而且易通過結合生物樣本代謝物和代謝通路分析，系統(tǒng)地揭示機體生理病理狀態(tài)。

腫瘤（tumor）是一種多因素參與造成機體各系統(tǒng)功能平衡紊亂的復雜疾病，腫瘤組織不僅需要葡萄糖持續(xù)不斷的供能，還需要氨基酸合成蛋白質。腫瘤代謝重編程是其重要特征之一［3］，腫瘤細胞中能量調節(jié)機制及能量相關的氨基酸、核苷酸與脂類代謝都發(fā)生了變化，其代謝譜與正常組織細胞存在明顯差異。運用研究“代謝指紋圖譜”的代謝組學（metabolomics）技術，可以揭示腫瘤或藥物引起的宿主內源性代謝物的變化，發(fā)現(xiàn)腫瘤感染發(fā)展進程中所需的最重要的代謝通路，為腫瘤藥物靶點的篩選提供了可能。本文在簡要介紹了代謝組學在篩選腫瘤藥物靶點流程的基礎上，重點論述了代謝組學在腫瘤藥物靶點篩選各個領域中的應用。

1 代謝組學篩選腫瘤藥物靶點的流程

代謝組學是20世紀90年代中期在多種物理化學和分析化學基礎上發(fā)展起來的一門新學科，主要由數據采集平臺和數據分析平臺構成（圖1）。數據采集的技術平臺包括核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）和質譜（mass spectrometry，MS），近年來超高液相色譜-飛行時間質譜（ultra-high performance liquid chromatography coupled with a quadrupole time-of-flight mass spectrometry method，UHPLCQTOF/MS）聯(lián)用技術由于具有高靈敏度、高分辨率、質量范圍寬、更精確的分子質量信息等特點，現(xiàn)已在代謝組學研究中得到了廣泛的應用［4］。代謝組學是一種相對快速、準確的技術用于揭示生物系統(tǒng)的新知識，因此在生命科學領域正成為一種越來越受歡迎的工具［5］，在藥物發(fā)現(xiàn)過程中代謝組學亦成為關鍵學科［6］。

圖1 代謝組學在腫瘤領域的應用Fig.1 Application of metabolomics in the field of oncology

代謝物作為基因和蛋白表達的下游產物，已證實在腫瘤或癌癥發(fā)生時其水平發(fā)生變化［7］。代謝變化被公認為監(jiān)測疾病進展和揭示有效治療干預的新分子靶點的關鍵標志之一［8］。腫瘤是代謝性疾病的理念越來越被人們所接受［9］。腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME）在腫瘤進展中扮演重要角色，很多關鍵的促腫瘤信號通路最終是通過適應腫瘤細胞的代謝而發(fā)揮作用，所以深入研究腫瘤代謝特點［10］、尤其是其能量代謝特點與代謝水平變化特點［11］，不但對癌癥的早診斷具有重要意義，還可進一步揭示相關調控機制，為腫瘤個體化治療即精準醫(yī)療策略以及新的靶向藥物研究提供理論依據和契機，尤其是為藥物發(fā)現(xiàn)過程和個體化醫(yī)學如何應用開辟了一個新的方向［12］。腫瘤中發(fā)生的代謝重編程可以通過代謝組學準確而迅速地檢測出來，從而為開發(fā)針對代謝的腫瘤治療提供重要的依據［13］。近年來，代謝組學在腫瘤領域應用廣泛［14-15］，其研究流程如圖1所示，主要應用于篩選腫瘤生物標志物、腫瘤相關機制研究和靶向藥物篩選等3個領域當中［14］。近年來在諸如肝癌、肺癌、胰腺癌、結直腸癌［16］、口腔癌［17］等癌癥中廣泛應用。鑒于腫瘤代謝重編程在腫瘤發(fā)展中的關鍵作用，靶向腫瘤細胞代謝已成為國際上抗腫瘤藥物研發(fā)的熱點之一。

2 代謝組學在能量代謝中篩選腫瘤藥物靶點的應用

細胞癌變的本質是細胞信號轉導通路的失調導致的細胞無限增殖，代謝重編程是其重要特征之一，腫瘤藥物的研發(fā)焦點正從傳統(tǒng)細胞毒藥物到針對腫瘤細胞內異常信號的特異性新一代抗腫瘤藥物的轉變。特異性抗腫瘤藥物的篩選是針對于正常細胞和腫瘤細胞之間的差異，重點表現(xiàn)在糖代謝、氨基酸代謝、脂代謝等能量相關的代謝重編程。能量代謝重新編程是腫瘤的重要特征之一，此過程涉及到葡萄糖、氨基酸、脂類以及各種酶類，涉及的代謝物量大而廣，而代謝組學的高通量特性使其成為腫瘤藥物篩選或跟蹤藥物療效的理想選擇［18］（圖2）。

圖2 腫瘤細胞的代謝Fig.2 Metabolism of tumor cells

2.1 代謝組學在糖代謝中篩選腫瘤藥物靶點的應用

奧托·海因里?！ね郀柋ぃ∣tto Heinrich Warburg）在20世紀50年代發(fā)表了一項重要假說，認為癌細胞依靠厭氧代謝作為能量來源，即使在生理氧存在下也是如此［19］。即腫瘤細胞在氧充足的條件下仍偏好于采用糖酵解方式進行葡萄糖代謝提供能量，該代謝方式稱為有氧糖酵解，即為“瓦氏效應（Warburg effect）”，是腫瘤細胞特有的代謝方式［20］。一切細胞包括癌細胞的代謝都需要三磷酸腺苷（ATP）作為能量傳遞的“分子通貨”。葡萄糖及氨基酸是細胞重要的能量來源，癌細胞在缺氧狀態(tài)下，兩者生成ATP均離不開乳酸脫氫酶A（lactate dehydrogenase A，LDHA）、谷氨酸轉氨酶（glutamic transaminase，GPT）、 谷 氨 酰 胺 酶（Glutaminase，GLS）等酶的參與，癌細胞代謝途徑中的各個關鍵點均可能成為新的治療靶點。抑制糖原合成酶1（glycogen synthase1，GYS1）可通過降低糖酵解通量，從而使得腫瘤細胞生長受到抑制，故GYS1有望成為治療腫瘤的新的治療靶點［21］。

腫瘤代謝重編程特別是對有氧糖酵解的依賴性增加，使得能量代謝中的糖代謝一直是科研工作者的關注重點。Bhanot等［22］基于非靶向代謝組學技術，利用多種酪氨酸激酶抑制劑對白血病癌細胞株進行處理，發(fā)現(xiàn)癌變髓細胞內與糖酵解、三羧酸循環(huán)、糖原合成等能量代謝相關的內源代謝物顯著改變，其中糖原合成前體UDP-D-葡萄糖水平在癌變細胞株內異常升高，進一步研究表明，腫瘤細胞代謝重編程依賴糖原合成途徑，進行能量儲備，這一研究為尋找白血病藥物靶點提供了科學依據。腫瘤能量代謝中的獨特的“Warburg effect”通過限制丙酮酸通量進入線粒體氧化代謝，使癌細胞避免線粒體呼吸產生過多的活性氧（reactive oxygen species，ROS），從而提高細胞死亡抗性和轉移的能力，而線粒體氧化代謝是一種重要的轉移抑制因子，該研究證明了代謝治療對預防/干預腫瘤轉移的潛在作用［8］，可作為腫瘤藥物的靶標。

2.2 代謝組學在氨基酸代謝中篩選腫瘤藥物靶點的應用

腫瘤細胞氨基酸代謝途徑的改變往往由多種信號通路和轉錄因子共同驅動，靶向腫瘤細胞代謝途徑中的關鍵點如氨基酸、核苷酸等的代謝，可開發(fā)新型抗腫瘤藥物。Gao等［23］利用非靶向代謝組學技術，對神經膠質瘤樣本進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)瘤組織中的亞?；撬岷匡@著高于癌旁對照組織。細胞內亞?；撬岬暮可呖纱龠M腫瘤的發(fā)生發(fā)展，由于細胞內亞?；撬岬暮铣梢噪装彼釣榍绑w物質，而胱氨酸需通過胱氨酸/谷氨酸反向轉運體的轉運才能進入細胞，抑制該轉運體可以阻斷亞?；撬岬纳锖铣?，從而抑制腫瘤細胞的增殖和侵襲，因此，胱氨酸/谷氨酸反向轉運體可能可以作為治療神經膠質瘤的潛在靶點。Zhu等［24］建立的超高效液相色譜-串聯(lián)質譜（ultra-high-performanceliquid chromatography-tandem mass spectrometry，UHPLCMS/MS）代謝組學方法同時快速定量分析了癌細胞的20種最具差異的內源性核苷和核苷酸，發(fā)現(xiàn)這些差異代謝物可作為癌癥篩選藥物靶點。限制蛋氨酸（methionine restriction，MR）是一種重要的氨基酸，可以通過控制和重復改變一種碳代謝來影響癌癥的預后。膳食MR可與5-FU協(xié)同作用而抑制大腸癌腫瘤生長，破壞核苷酸代謝和氧化還原平衡［25］。Gao等［25］利用代謝組學檢測了膳食MR在小鼠和人類中誘導的特異性代謝譜，發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞通過單碳代謝影響氧化還原和核苷酸代謝的通量，從而揭示了MR與抗代謝藥或輻射干預相互作用的治療機制。這項研究進一步確立了飲食干預在更廣泛的環(huán)境中如何影響癌癥預后的原則。

如果一個代謝產物被鑒定為病因，且其生物合成通路是已知的，那么通常藥物的靶標就是與其相關的某種酶。許多有效和市場較好的藥物均是酶的抑制劑，并且大量代謝酶的抑制劑或抗代謝藥物是已知的，如具有抗癌活性的ML-210物質是谷胱甘肽氧化酶4 抑制劑［26］。隨著生物學和醫(yī)學的發(fā)展，免疫療法在癌癥治療領域接連取得重大突破，尤其是以PD-1/PD-L1免疫檢查點抑制劑為代表的癌癥免疫療法的出現(xiàn)，可以說是徹底改變了癌癥治療格局，然而，如頭頸部鱗狀細胞癌等一些癌癥的免疫療法難以產生良好的反應，因此迫切需要更有效的治療方法。2021年王存玉院士團隊研究了一種能夠在頭頸癌中起關鍵作用的酶KDM4A特異性的酶抑制劑，可以通過改善小鼠模型中的免疫療法并減緩腫瘤的生長，并增強PD-1抑制劑的免疫治療效果，從而提高了頭頸部鱗狀細胞癌免疫療法效果［27］。

2.3 代謝組學在脂質代謝中篩選腫瘤藥物靶點的應用

腫瘤代謝重編程是腫瘤主要特征之一，其中脂代謝的解除管制是一個突出的領域，靶向異常脂質代謝是一種新興的靶向腫瘤干細胞的治療策略。針對涉及腫瘤干細胞脂質代謝的關鍵調節(jié)因子的治療策略，證明了開發(fā)針對腫瘤細胞的脂質代謝的新的治療方法的潛力［28］。流行病學研究表明，高脂肪飲食在前列腺癌（prostatic cancer，PCa）進展中起重要作用。腫瘤脂質是侵襲性PCa的潛在驅動因素，前列腺癌患者的脂質代謝在合成、攝取和氧化方面發(fā)生了改變，以支持生長和對內分泌療法的抵抗。靶向脂質代謝使腫瘤對內分泌治療重新敏感提供了新的機會［29］。Camarda等［30］利用靶向代謝組學方法發(fā)現(xiàn)，脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，F(xiàn)AO）中間體在癌基因轉錄因子myc驅動的三陰性乳腺癌模型中顯著上調。結果表明，myc過表達的顯示對FAO的生物能量依賴增加，并確定抑制FAO作為對這一乳腺癌亞群的潛在治療策略。

脂質代謝中代謝酶的抑制劑也是靶向藥物開發(fā)的研究方向。前列腺癌進展的一個標志是脂肪酸合酶（fatty acid synthase，F(xiàn)ASN）過表達導致脂質代謝失調，F(xiàn)ASN是脂肪酸合成的關鍵酶，轉移性去勢抵抗性前列腺癌（metastatic castration resistant prostate cancer，mCRPC）的代謝特征是從頭脂肪生成的上調，為轉移性擴散提供底物和能量。mCRPC通過多種機制對雄激素受體信號傳導抑制劑產生耐藥性，Zadra等［31］利用非靶向代謝組學結合脂質組學與生物技術，使用FASN抑制劑（如IPI9119物質）通過代謝重編程拮抗mCRPC的生長，為mCRPC的耐藥治療提供了機會，并提供了一種克服雄激素受體抑制劑耐藥性的思路。

腫瘤細胞通過調節(jié)多種代謝途徑抑制自噬或凋亡促進自身的增殖和生存［32］。這些代謝途徑與促癌激活因子和抑癌因子密切相關［33-34］，也可作為篩選藥物的重要參考因素。Lu等［35］基于UHPLC-QTOFMS的代謝組學方法以藥物Natrin對人肝癌SMMC-7721細胞凋亡的誘導作用為研究對象，篩選出與Natrin誘導的SMMC-7721細胞凋亡相關的13種潛在生物標志物，經過代謝通路分析發(fā)現(xiàn)，鞘脂代謝、脂肪酸合成代謝受影響最大，表明Natrin通過升高線粒體通路中Bax/Bcl-2的比值誘導肝癌細胞凋亡，揭示了Natrin可以作為治療肝癌的靶點藥物。

3 代謝組學在揭示耐藥性腫瘤的耐藥機制及篩選藥物靶點中的應用

腫瘤細胞對化學藥物的耐藥性增加了腫瘤治療的難度，通過研究下游代謝產物的變化不但可以揭示腫瘤耐藥機制［36］，還可以將代謝治療運用到預防或干預腫瘤轉移。近年來代謝組學在耐藥性癌癥的藥物篩選中的應用也日漸廣泛。Wang等［37］通過對人類乳腺癌研究揭示了脂質代謝調控癌癥干細胞和化療藥物耐藥的機制。他們發(fā)現(xiàn)JAK/STAT3調控脂質代謝能夠促進乳腺癌干細胞（Breast CSCs，BCSCs）增殖以及癌細胞耐藥，抑制JAK/STAT3能夠阻斷BCSC的自我更新以及抑制許多脂質代謝基因如CPT1B的表達，而CPT1B是負責編碼脂肪酸β氧化（FAO）重要酶的基因。乳腺脂肪細胞來源的瘦素能夠上調STAT3誘導的CPT1B的表達以及FAO在BCSCs中的活性，確定了BCSC通過STAT3-CPT1B-FAO信號通路從而耐藥。Sun等［38］利用代謝組學研究了木蘭花堿對前列腺癌細胞22RV1的增殖有明顯抑制作用，并篩選出12個細胞代謝生物標志物分別可以抑制前列腺癌細胞的增殖，木蘭堿可以顯著影響這些代謝生物標志物，干擾前列腺癌細胞22RV1的生長和增殖。這些生物標志物與腫瘤細胞的能量代謝、氨基酸代謝和脂肪酸代謝等多種代謝途徑密切相關，其中大部分與營養(yǎng)和能量代謝有關，最終運用細胞代謝組學確定了木蘭堿對前列腺癌的調控途徑和靶點。2018年，Ma等［39］基于超流動液相色譜聯(lián)用四極飛行時間質譜（ultra flow liquid chromatography coupled with quadrupole time of flight mass spectrometry，UFLC-QTOF-MS） 代 謝 組學方法研究了番荔枝內酯類化合物（annonaceous acetogenins，ACGs）對多重耐藥乳腺腺癌細胞潛在作用，發(fā)現(xiàn)通過影響精氨酸和脯氨酸、甘油磷脂、?；撬岷痛闻；撬?、丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、D-谷氨酰胺等ACGs的代謝可調控乳腺癌的發(fā)展，揭示了ACGs可以作為治療乳腺癌的靶點藥物。

不同于傳統(tǒng)細胞毒性藥物選擇性差、毒副作用強、易產生耐藥性等特點，靶向代謝組學的腫瘤藥物可達到高選擇性、低毒性的治療效果，對腫瘤的治療尤其是克服其耐藥性具有重大意義。系統(tǒng)生物學中的組學方法不但對腫瘤靶向藥物的篩選發(fā)揮舉足輕重的作用，在篩選病毒性疾病如新冠肺炎靶點藥物中也發(fā)揮著重要作用［40］。

4 挑戰(zhàn)與展望

代謝組學作為篩選腫瘤藥物的手段雖具有高靈敏度、高分辨率、質量范圍寬、更精確的分子質量信息等優(yōu)點，但現(xiàn)有技術在樣品前期處理、數據采集質量和數據解析方面仍存在很大瓶頸。采集數據前期首先都需要提取代謝物，期間很多代謝物會損失掉，即代謝物的覆蓋度有限；其次代謝組的數據分析作為代謝組學中非常重要的部分，需要調整很多參數，再用統(tǒng)計學分析來確定到底哪些代謝物發(fā)生了變化，這需要有經驗的分析員才可以做，限制了其推廣；再者非靶向代謝組學篩選到大量的未知結構代謝物，在現(xiàn)有的數據庫中難以匹配，對其結構的解析和鑒定是一個漫長的過程，極大地阻礙了其應用與發(fā)展；代謝組學分析技術與操作條件的多樣性，也使得大量產生的數據無法共享，隨著科學技術的發(fā)展，有望完善并標準化代謝組數據，并建立公共數據庫實現(xiàn)數據共享。同時，代謝組學為系統(tǒng)生物學所提供的信息僅限于代謝物，還不足以解決全面復雜的生物學問題，需結合多組學的全面研究，整合各種高通量的組學數據，構建代謝網絡，與動物模型相結合收集數據，在生物學水平上進行分子功能學驗證，才能最終在闡明生命活動及生理病理機制、發(fā)現(xiàn)前景良好的藥物靶點等方面發(fā)揮重大作用［41］。

腫瘤代謝重編程是20世紀80年代后感染生物學領域研究的熱點與難點。隨著腫瘤生物學及相關學科的飛速發(fā)展，人們逐漸認識到細胞癌變的本質是細胞信號轉導通路的失調導致的細胞無限增殖，腫瘤藥物的研發(fā)焦點正在從傳統(tǒng)細胞毒藥物轉移到針對腫瘤細胞內異常信號的特異性新一代抗腫瘤藥物。腫瘤代謝重編程部分取決于TME［42］。免疫治療藥物是當今抗腫瘤藥物研究中最熱門的領域，特別是小分子激酶抑制劑和單克隆抗體的成功引進為腫瘤患者尤其是癌癥患者帶來了福音。但由于免疫抑制TME整體代謝狀況對腫瘤進展和治療耐藥有重大影響［43-44］，如TME重新編程不足，從而限制了抗腫瘤免疫的恢復。腫瘤浸潤的免疫細胞通常會由于腫瘤細胞代謝活動紊亂而經歷代謝應激，從而導致抗腫瘤免疫反應受損。因此，重新定位靶向癌癥代謝的藥物可能通過TME的代謝重編程協(xié)同增強免疫治療［45］，這些是開發(fā)新型抗癌藥物的有希望靶點。