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Cancer cell | 结直肠癌早期诊断新突破：多校联合揭示关键生物标志物
Highlights
1. 血浆和粪便中的代谢物在CRC和CRA发展中发生显著变化
2. 17种血浆代谢物小组在区分CRC和正常对照及早期CRC方面展现了高准确性和诊断性能
近日，“Cancer Cell”（IF=48.8）上发表了一篇题为“Integrative plasma and fecal metabolomics identify functional metabolites in adenoma-colorectal cancer progression and as early diagnostic biomarkers”的文章。这篇文章通过整合血浆和粪便代谢组学的方法，识别了在结直肠癌（CRC）及结肠腺瘤发展过程中发生改变的代谢物，并探讨了它们作为早期诊断生物标志物的潜力。
研究背景介绍
结直肠癌（CRC）是一种在结肠或直肠发生的恶性肿瘤，通常起源于腺瘤，是全球主要的癌症死亡原因之一。
结直肠腺瘤（CRA）是结直肠黏膜上皮细胞异常增生形成的肿瘤，通常被认为是结直肠癌的癌前病变。
研究思路分析
研究技术路线图
01代谢物变化与癌症进展
①通过LC-MS对119名CRC患者、143名CRA患者和111名健康对照者（NC）的血浆样本中代谢物进行分析。PLS-DA和OPLS-DA分析显示，CRC、CRA和NC之间的血浆代谢组存在显著差异。进一步发现有22种代谢物在从正常到腺瘤再到癌症的进程中逐渐富集，同时有34种代谢物逐渐减少。
②对相同队列的粪便样本进行LC-MS，发现其在CRC、CRA和NC之间存在显著差异。在正常到腺瘤再到癌症的序列中，有4种代谢物逐渐富集，包括蜜黄酯M、花生四烯酸、羟基脂肪酸脂肪酸酯和鱼藤素。
③在43名应答者和29名无应答者的CRC患者中，发现其血浆和粪便代谢组均存在显著差异。应答者血浆中富集了L-组氨酸等，以及促肿瘤犬尿氨酸、TMAO和石胆酸甘氨酸结合物的耗竭。而粪便中富集了抗肿瘤代谢物2-吲哚甲酸和柠檬酸。
④进行代谢物集富集概述分析，CRC与NC的血浆代谢物中，差异最大的三个代谢途径为：α-亚麻酸和亚油酸代谢、组氨酸代谢以及同型半胱氨酸降解。而粪便代谢组中是组氨酸代谢、丙氨酸代谢和葡萄糖-丙氨酸循环。
⑤CRC血浆和粪便代谢组中差异代谢物大多与脂质相关，油酸和L-组氨酸在其中处于中心位置。此外，血浆和粪便代谢组中的差异代谢物重叠少，代谢途径不同，表明CRC进展中血浆和粪便代谢组的变化是独特的。
02代谢物与生物标志物的鉴定
①对粪便样本进行鸟枪法基因组测序，发现从正常对照到结直肠腺瘤再到结直肠癌，肠道微生物的α多样性显著降低。在物种水平上，与CRC相关的病原体随着正常-腺瘤-癌症序列一致性地富集，同时有益的细菌减少。进一步分析发现，CRC中富集的血浆和粪便代谢物与CRC中富集的微生物呈正相关，而CRC中减少的代谢物与CRC中富集的微生物呈负相关。
②对CRC、CRA、NC患者的血清样本进行细胞因子分析，发现促炎细胞因子如CXCL10和IL-8与CRC中富集的代谢物呈正相关，或与CRC中减少的代谢物呈负相关。相反，抗炎细胞因子IL-4和IL-13与CRC中富集的代谢物呈负相关。
③用CRC中富集的代谢物（油酸）处理人CRC细胞系。发现油酸显著促进细胞存活，减少细胞凋亡，且CRC细胞增殖增强，类器官中器官生长增加。而CRC中减少的代谢物（别胆酸）的体外实验发现，其降低细胞存活，促进细胞凋亡，抑制了CRC类器官生长。
④建立CRC小鼠模型，橄榄油酸口服灌胃后，显著促进了结肠肿瘤的生长和增殖。而别胆酸处理下，则有显著的抗肿瘤效果。
03代谢物作为生物标志物的潜力
①采用限制性蛋白水解质谱（LiP-MS）技术，发现油酸和别胆酸与CRC细胞中的蛋白质存在相互作用。实验证实，α-烯醇化酶（ENO1）是油酸在CRC细胞中的受体，而法尼醇X受体1（FXR1）则是别胆酸的受体。
②对接受代谢物处理和不处理的人CRC细胞进行RNA测序，通路分析显示，橄榄油酸主要激活了PI3K/Akt信号通路，而别胆酸则主要抑制了MAPK信号通路。
③建立多个机器学习模型（LASSO和随机森林）以及逻辑回归模型，区分CRC和NC，通过调整临床参数，得出AUC值。通过比较所有模型的AUC值，发现血浆代谢物组在区分CRC与NC方面的整体性能优于粪便代谢物组。表明，血浆代谢物比粪便代谢物作为CRC诊断生物标志物更准确。
④与临床诊断标志物进行比较，结果显示，与FIT（AUC=0.796，p<0.001）或血清标志物（AUC=0.521–0.794，p<0.001）相比，血浆代谢物生物标志物在区分CRC和NC方面的性能显著更好。
04独立队列验证与应用前景
①通过三个独立的验证队列验证了17种血浆代谢物作为CRC生物标志物的诊断性能。发现这些代谢物显示出高准确性，AUC值均超过0.848，敏感性和特异性均在78.5%至99.1%之间。此外，与现有的临床诊断标志物相比，如粪便FIT和其他血清标志物，血浆代谢物小组展现出显著更高的诊断能力。
②同时评估了17种血浆代谢物在CRA诊断中的性能，发现其在发现队列和三个独立验证队列中均表现出高准确性。相比之下，传统的粪便FIT在同一队列中的AUC显著低于血浆代谢物小组。表明血浆代谢物作为CRA早期诊断生物标志物的潜力。
图1. 本研究的工作流程示意图
图2. 结直肠癌进展阶段微生物代谢物的改变
图3. 微生物代谢产物在结直肠癌进展阶段的相关性及功能作用
图4. 关键CRC相关代谢物的体外功能验证
图5. CRC小鼠模型中关键代谢物的功能验证
图6. CRC中关键代谢物结合受体的鉴定
图7. 鉴定CRC中关键代谢物改变的信号通路
图8.血浆代谢物组作为不同 CRC 阶段的诊断生物标志物
图9.abstract
结论与讨论
本研究通过大规模队列分析，成功鉴定了17种血浆代谢物作为CRC和CRA的潜在生物标志物。这些代谢物在诊断CRC和CRA方面展现出高敏感性和特异性，性能优于传统诊断方法，如FIT。
然而，还需要进一步探究血浆代谢物与肠道微生物之间的相互作用，以及它们在不同种族和地理区域中的表达差异。其次，应开展人类干预研究，以验证靶向这些代谢物受体的潜在治疗策略。最后，建议进行更大规模的多中心研究，以确认这些生物标志物的普适性和临床应用价值。