Cancer Res | 空间代谢组助力食管腺癌磷脂生物标志物挖掘发表医学一区顶刊

2021-12-16 13:44:24, MSI 上海欧易生物医学科技有限公司

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蛋白组学、代谢组学服务专家

● 前言

伦敦帝国理工学院George B Hanna教授团队及合作者在《Cancer Research》发表了题为“De novo lipogenesis alters the phospholipidome of esophageal adenocarcinoma"的研究成果，该研究整合磷脂代谢组学、空间代谢组学和遗传学方法，旨在阐明食管腺癌的磷脂代谢重编程，对探索与疾病诊断相关的磷脂生物标志物具有重要意义。

中文标题：脂质从头合成改变食管腺癌磷脂代谢

研究对象：食管腺癌

发表期刊：Cancer Research

影响因子：12.701

发表单位：伦敦帝国理工学院

运用生物技术：空间代谢组学

● 研究背景

食道腺癌是全球第八大崔常见的恶性肿瘤发病率正在持续上升，但存活率仍然很低，目前急需新的工具来提高早期诊断和精确治疗。

脂质代谢紊乱与癌症的发生发展密切相关，大多数脂质以甘油磷脂（GPLs）的形式储存在双分子膜中，基于甘油磷脂具有较稳定的物理化学性质，因此将其作为疾病诊断的生物标志物具有重要意义。

质谱成像(MSI)可在几分钟内对冷冻切片组织的癌症磷脂体量化并进行客观诊断。然而，MSI是否能客观识别原发性食管腺癌目前尚不清楚，这是一个重大的挑战，因为该微环境复杂，组织类型的表型相似。

● 研究思路

队列1：收集手术切除的食管腺癌（EA）组织和与之匹配的健康食管上皮组织（MHEE）。

队列2：收集健康食管上皮组织（来自健康志愿者，HEE）和未经治疗的食管炎（IEE）、巴雷特化生（BM）、巴雷特增生（BD）和食管腺癌（EA）活检样本，用于发现食管腺癌发展进程中甘油磷脂的变化，以及队列1的外部验证。

样本制备：样本制成冰冻组织切片，并结合H&E染色。

研究方法：空间代谢组学；qPCR检测甘油磷脂合成通路中基因的表达；细胞转染沉默ACYL基因；免疫组化用于分析队列1样本中脂肪酸从头合成通路关键酶的表达。

● 研究结果

1. 食管腺癌的甘油磷脂信号

空间代谢组学能够在复杂的EA微环境中区分组织类型，本文作者使用两个队列对食管腺癌的甘油磷脂特征进行了表征。最初运用空间代谢组学对连续患者的成对手术切除活检(EA和MHEE)进行甘油磷脂差异分析；（样本策略）选择这种取样方法的目的是为了进行手术切缘分析，并通过取样更大的样本来克服肿瘤的区域代谢组学差异。接下来，采用内窥镜活检对第二组人群进行采样。这样就可以从健康的志愿者和Barrett化生/发育不良的患者身上获得标本。这样还使作者能够验证第一个队列的发现，调查该技术在小样本上的表现，并演示在内镜套件中促进诊断的第二次临床应用。

图 | 典型食管活检切片的苏木精和伊红染色

队列1

在m/z 600-1000范围内的PCA分析显示，EA和MHEE之间可沿第一主成分显著分离。这种分离在有监督分析中更为明显。经内部交叉验证，模型判断EA和MHEE类别的准确率达到93.9%，仅两个EA样本被错误分类，受试者工作特征曲线下面积（AUC）为0.97。共鉴定出192个甘油磷脂，在MHEE样本中，磷脂酰乙醇胺（PEs）和磷脂酰肌醇（PIs）的丰度最高。与MHEE相比，EA样本中的磷脂酰甘油（PGs）丰度更高，磷脂酸（PAs）和PEs的丰度较低。同时，EA样本中长链GPLs如：总酰基碳数为37（P<0.05），39（P<0.01），40（P<0.0001），42（P<0.01），43（P<0.0001）的丰度较MHEE高，多不饱和酰基明显较多（P<0.01）；而总酰基碳数为33（P<0.001）和34（P<0.0001）的GPLs丰度较MHEE低，饱和及单不饱和酰基较少（P<0.01）（见图1）。

图1 | 食管腺癌和匹配的健康食管上皮组织的甘油磷脂特征（队列1）

A.主成分分析(PCA)；

B.RMMC监督分析得分图；

D-F. GPLs的相对丰度，(D)按类别，(E)酰基链长度和(F)不饱和。

G-I. (G)类别、(H)酰基链长度和(I)不饱和显著不同的GPLs。

各组比较采用方差分析(Tukey’s HSD)：*P<0.05；**P<0.01；***P< 0.001。食管腺癌（EA，红色），匹配的健康食管上皮（MHEE，绿色）。

队列2

为了验证队列1的发现，首先比较了HEE和EA磷脂代谢组。在m/z 600-1000范围内的PCA分析显示，EA和HEE之间可沿第一主成分显著分离。交叉验证的递归最大间距准则（RMMC）模型可100％准确识别两种组织类型，受试者工作特征曲线下面积为1，并且两者主要的差异在于EA中PGs的丰度更高，具有更长的酰基链和更多的双键。上述数据验证了基于质谱成像的磷脂组学可作为一种准确的食管组织识别手段。

为了评估食管腺癌发展过程，对不同疾病状态下组织的磷脂组学进行分析。在m/z 600-1000范围内的PCA分析显示，HEE/IEE 和BM/BD/EA之间可沿第一主成分分离，这提示主要的GPLs谱差异是基于食管鳞状或柱状表型的不同。采用有监督的RMMC可进一步将EA沿第二成分与BM/BD分开，从而将GPLs重编程与食管癌进展相关联。

从GPLs种类、酰基链长度和不饱和度等方面比较了196个已鉴定的GPLs的相对丰度。与HEE/IEE组相比，EA/BD/BM组PGs相对含量显著升高，而磷酯酰丝氨酸（PSs）的相对含量显著降低。BM/BD组PIs的相对含量高于HEE组（P<0.05）。BM/BD/EA组中甘油磷脂的酰基链长度更长，37、38和40个碳长度的甘油磷脂浓度明显更高，且酰基链含4个及以上双键的情况更多。因此，BM /BD/EA组中的PGs富集，酰基链更长，不饱和程度更高。

2. 食管腺癌脂肪酸（FAs）谱

比较队列1中EA和MHEE在m/z 150-400范围内FAs的相对丰度，PCA分析显示，两组可沿第三主成分分离，这种分离在有监督分析中更为明显。基于样品的FAs图谱，内部交叉验证判别EA和MHEE的准确率分别为87.9%和90.9%，AUC为0.96。在EA中，长脂肪酸酰基链和不饱和脂肪酸酰基链明显较多。

3. GPL信号的遗传基础和脂肪酸从头合成的贡献

EA中GPL合成基因显著富集。与HEE相比，参与PG合成的基因如：LPGAT、PGS1和CRLS1在EA中显著上调。另外，EA中脂肪酸从头合成的关键酶ACYL、FASN、EVOVL1、ACACA以及 SCD的表达与MHEE相当或比MHEE更高。综合考虑EA中的脂肪酸与甘油磷脂中酰基部分具有相似的特征，且参与脂肪酸从头合成的基因在EA中活跃，推测脂肪酸从头合成有助于甘油磷脂的酰基重编程。沉默FLO1细胞中的ACYL基因，培养72 h后，总酰基链长度为40碳的 GPLs显著降低，而总酰基链长度为36碳的GPLs显著增多。综上，涉及GPL和脂肪酸从头合成的基因在EA中富集，而破坏食管腺癌细胞的脂肪酸从头合成可将GPL酰基链的改变逆转为正常表型。

图2 | 食管癌甘油磷脂代谢的遗传研究

A. GSE 26886 GPL代谢基因富集评分图；

B. GPL代谢和GPL类别的概述图；

C. GPL基因在EA与MHEE组织中的相对表达；

D.EA和MHEE中5个FA代谢基因的免疫组化切片；

E.比较FLO1对照细胞与细胞中沉默ACLY基因后不同长度酰基链甘油磷脂的相对丰度。

Mann-Whitney U检验对计算qPCR实验的P值，Tukey HSD方差分析计算GPL相关实验的P值。*P<0.05；**P<0.01；***P< 0.001；****P< 0.0001。

● 研究结论

本研究应用空间代谢组学能够客观地识别食管腺癌。EA组磷脂富含长链、多不饱和的PGs。并且，遗传学研究表明，这一机制与脂肪酸从头合成有关。这些结果表明，空间代谢组学可以区分恶性食管中的组织类型。在临床应用包括客观诊断和术中切缘评估具有潜在价值。

参考文献：

http://cancerres.aacrjournals.org/content/80/13/2764.lon

文末看点｜lumingbio

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